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1、毕业论文（设计）题目天 线 微 带 巴 伦 的 设 计院系专业年级学生姓名学号指导教师I 天 线 微 带 巴 伦 的 设 计专业学生指导教师【摘 要】 凭借传输线的阻抗与阻抗匹配的知识和微带天线的传输的理论设计了一类宽带微带巴伦（平衡 / 非平衡转换器）。相对于传统基于共面波导和共面带状线的微带巴伦而言，所设计的这个新型微带巴伦采用的是低介电常数介质基板制作，它设计的结构精致小巧，并且花费很便宜。我们设计了一个 50 非平衡到 50 平衡馈电转换的微带巴伦，通过理论的计算，证明了该宽带微带巴伦具备了优异的超宽带特性，可以在从 0.1GHz 到12.5GHz 的频率范围内，计算得到的馈电端口的反
2、射系数都是低于-9dB，插入损耗小于3.5dB。【关键词】宽带微带巴伦共面波导微带天线II Design of a Novel Ultra Wideband Microstrip Balun 【Abstract】A novel wideband microstrip balun (balanced to unbalanced transformer) based on transmission lines impedance,impedance matching and microstrip antenna transmission is introduced.In comparison wi
3、th one kind of traditional microstrip baluns, which consists of coplanar waveguide and coplanar strip line, the proposed balun has several advantages such as low-cost, compacted and easy to be fabricated, because it can be fabricated on a substrate with low dielectric constant and it has simple stru
4、cture without a complex slot. As an example, a balun, which can carry out the transformation from the 50 unbalanced to the 50 balanced mode, is designed. Results of theoretical calculation show this balun possesses quite promising ultra wideband properties. In a very large frequency band ranging fro
5、m 0.1GHz up to 12.5GHz, its return loss and insertion loss are lower than -9dB and 3.5dB respectively. 【Key words】wideband microstrip balun waveguide ground strip line III 目录1 序 言 . 1 1.1 巴伦的简介 . 1 1.2 微带巴伦的工作原理. 1 1.3 巴伦的种类 . 2 2 设计概述 . . 4 2.1 背景与国内外研究现状. 4 2.2 论文主要工作. 5 2.3 论文结构 . 5 3 微带巴伦结构与阻抗计算
6、. . 5 4 巴伦的设计 . 10 5 结 论 . . 11 6 总结与建议 . 12 参考文献 . 14 致 谢 . . 15 1 1 序 言1.1 巴伦的简介巴伦就是平衡非平衡转换器的英文翻译，按照天线理论的原理，我们知道偶极天线是属于平衡型天线一类的，而同轴电缆则是属于非平衡传输线一类。假如我们把他们直接的连接起来，那么在同轴电缆的外层就会有高频电流的流过，也即是依据同轴电缆的传输原理知道，高频电流应该是在电缆的内部流动，而其外皮层就是屏蔽层（就是不导通的，绝缘的） ，则是没有电流的流动，如此一来，一定会影响天线的辐射效率与效果的（可以假设成电缆的屏蔽层同时参与了电波的辐射），因此，为
7、了能够解决好这样的一个难题与问题，是需要在天线与电缆之间加入平衡非平衡转换器的，用此来切掉流入电缆屏蔽层的外部的电流，也就是说把从振子流过电缆屏蔽层的外皮的高频电流给切断2。有很多种办法可以采用，有高频开路法，有抵消法，再有就是变压器法，还有一种是抑制法，但这种抑制效果没有前述几种好，这里只简单的介绍，将会在后面的章节中说明。要记住的是我们仅仅只是截断屏蔽层外皮的高频电流，而不是所谓的截断流向屏蔽层的所有高频电流（要是这样的话不如直接把振子和电缆皮断开就得了），高频电流是在屏蔽层的里面流的。形象一点我们可以把电缆想象成一个水管，本来应该是希望水都在水管里流，如不加巴伦，水不单在水管里流，而且有
8、一部分还流到了管子的外皮给浪费掉。所以引入巴伦的作用就是防止水的跑、冒、滴、漏，迫使水都能在水管里流。天线需要巴伦来达到某些匹配。如倒 V天线的制作，首先是要求架设得尽量高，其次是架设的地方要尽量开阔，最后是尽量远离干扰源架设。天线振子用一般的电源线（俗称花线）就可以，有绝缘皮或是裸铜线都影响不大，线选粗一点可提高机械强度和辐射效率（但是效果并不十分明显，只是理论上的事） ，可以通过修剪振子的长度来使天线与电缆匹配。综上这些特点，一方面巴伦可以用作阻抗变换，也可以用作某些天线馈电的不平衡到平衡的转换。所以巴伦在微波技术中的天线领域已经有了广泛的应用，而且还有很大的发展潜力与提升的空间。1.2
9、微带巴伦的工作原理微带巴伦的主要功能有两个，一个就是把微带高频信号从单端的不平衡输入转变成为平衡输出的功能9，另一个是完成阻抗匹配的功能。这两个功能对微点天线的传输性能与效率有很重要的作用。如下图，巴伦的左边一端接地，此端叫做不平衡端口；巴伦的右边有两个连接端口2和 3，注意的是：这两个端口都没有接地，使得他们对地的效应都是高阻抗，那么这样的接端口就叫做平衡端口。若是在这两个平衡连接端口的两端与地之间都接上相同或是相等的负载电阻，那么这两个端口就会对地产生大小相等而方向相反的电压，即是- - 2 .2 .31VV, 图 中 从 电源端向负载端方向看进去，得到的等效输入阻抗为2212(2)inL
10、LRRRnn由上式我们看的出：只要改变变压器的变压比 n，就可以使等效的输入电阻与信号源的内电阻相等而达到匹配。1.3 巴伦的种类巴伦按照用途的不同可以分为很多种。在天线的应用领域内，通常使用巴伦的主要作用是：通过在天线和电缆之间使用平衡非平衡转换器，放入到电缆屏蔽层外层来切断流入此间的电流9，换句话说就是用巴伦来切断从振荡器渗流到电缆屏蔽层外层的覆盖高频电流。在微带天线的应用领域里，我们所知道的比较通用的种类主要有以下几种。（1）抑制法原理是：为了能起到阻止高频电流流向电缆屏蔽层外层的作用，引入一个高频扼流圈，让天线的中心振子经过它而接入到电缆屏蔽层的外层。这种方法其实就是把电缆绕上十圈左右
11、那样的的简单，当然绕在磁环上最好不过了，不过空心的也没有多大关系，大多数时候是采用频率低多绕几圈，频率高少绕几圈。（2）高频开路法（如右图）此方法是在电缆屏蔽层的外皮层的/4处连接一个/4 的套筒17，即是等效成为一段/4 的开路线，因为/4 的开路线对此种频率的天 线 微 带线 是被 视为 开路的，因而是能够达到截断高频电流的作用。这种方法很常用，不仅仅工作带宽很窄，而且很适合用于大功率的器件之中或是高频率的场合里，主- - 3 要是因为在低频率段，/4 的套筒就会（理论等效起来）显得很长。（3）U型管对称变换器U形管对称变换器最大的一个特点，也是最主要的特点就是频带很窄，它由同轴电缆构成，
12、 由于其结构简便， 花费的成本低， 并能够起到 300到 75的变换作用，所以更多的时候是适用于电视转换的接收装置16。如图所示：同轴线内导体的一个点a 与天线振子右臂直接连接，再经a 点弯曲成 U形的半波长段长度相同规格的同轴电缆，并在点 b 和振子臂连接，从而使得同轴线有一个180度的相移，点 a 与点 b 两点的电位相对于地面是有相等的幅度和相位的相反。这个弯曲不仅有对称变换的功能， 并且还起到阻抗变换的作用。 假如天线接收到的输入阻抗是300，则在每一臂的输入端与零电位点之间产生的阻抗是300的一半，即是150。根据传输线的理论得知，半波长电缆的输入阻抗达到匹配时，也即是U形弯曲管的输
13、入阻抗值和电缆的负载阻抗值相等时，那么等效值就是并联在a 点的两个纯电阻的值相加，在a 点并联的两个电阻中每一个都是150。由此便达到了良好的匹配，使得电缆负载阻抗等于特性阻抗值 75。（4）变压器法原理是：为了实现平衡非平衡的转换，对于高频信号，我们利用高频变压器的作用来实现转换的效果，使双向平衡电流输入变换成为单向的不平衡电流输出，这好比推挽输出变压器那样。对于变压器没有太严格的要求，可以是磁心绕制而成，也可以是空心绕制而成，总之这种方法是适合大功率使用的17。（5） 抵消法原理是：采用合适的方法促使流入的电流大小相等但是方向相反而达到互相抵消的效果，应用较多的是常见的用磁环三线绕成的平衡
14、非平衡转换器，这种方法的设计会产生较宽的频带，但是使用大功率时会受磁环磁饱和的限制，所以适合于低频率小功率的使用。- - 4 2 设计概述就天线和混频器及其他设备而言，巴伦为实现非均衡到均衡转换的重要器件。这样的转换器对于微带信号的传输与性能都有着很大的帮助与改善，所以宽带巴伦的研究设计对于天线设计和生产开发等领域都起到了相当重要的作用。我们知道巴伦是微波平衡混频器，倍频器，推挽放大器和天线馈电网络等平衡电路布局的重要组成部分17。Marchand在 1944 年第一个提出了基于TEM 模型的同轴传输线巴伦结构。前不久，研发成功的微波集成电路 (MIC ) 和微波单片集成电路 (MMIC)的平
15、面巴伦备受人们的关注。除了一些设计上的修改，利用平面宽边输电线路设计MIC和 MMIC巴伦，可是他们却没有提出定量分析设计方案。这样就很难于测试的检验与工程的实施。接着Tsai 和 Gupta根据准 TEM 模新型双耦合线巴伦的等效电路，提出了 Pavio 巴伦的研究和设计方法17；Randal 和 Cam提出了一个多层 Marchand 巴伦散射参数和设计方程；Kian 和 Yoke提出多节阻抗变换传输线巴伦，以增加传输线等效偶模阻抗的办法来设计高性能的巴伦18。2.1 背景与国内外研究现状在 天 线 的 领 域 ， 像 平 面 螺 旋 天 线 （ sprialnaetmras）， 印 刷
16、偶 极 子 天 线（printeddipoleantennas） ，曲折臂天线（ sinuousantennas ）和对称偶极子天线 . 如果需要天线馈电的时候，不但要求阻抗匹配，而且要求馈电网络有宽带的带宽。微带传输线具有体积小，质量小，频带宽，方便微波集成电路连接，可形成各种用途的微波元器件等优点，已经被广泛的使用。由于天线频带的逐步加宽，对巴伦频带的要求也越来越不能满足。再加上一般的巴伦不可以良好地使用在天线馈电网络上，尤其是，随着如今通信技术的壮大，通信容量的日益扩大，就使得天线在相当大的宽频带内运作，并且对巴伦的质量与性能的要求也越来越高。由微带传输线构成的微带巴伦拥有超过一个微带传输线的性能和能实现宽频带的特性，它的设计有利于微带传输线的绩效发挥或是说能扩大其本身的功效，所以，宽带微带巴伦的研究俨然是热点研究方向。据了解国内外许多的文献都对微带巴伦进行了大量的研究，同时也设计出了许多不一样的新的结构微带巴伦，还对微带巴伦进行了大量的不同程度的改进。但是最近几年，随着现代传媒的发展与社会形势的要求，微带
