0 引言
近年来，随着无线通信技术的快速发展，射频前端器件在无线通信系统中起着至关重要的作用，双工器、滤波器、巴伦滤波器是连接射频前端发射机与接收机必不可少的微波器件，广泛应用于蓝牙、WiFi、无线局域网等领域。巴伦滤波器作为一种平衡非平衡转换器，广泛应用于天线、混频器、移相器等器件中，作为一种三端口器件，包括一个非平衡输入端口，两个平衡输出端口，它可以将非平衡输入端口的信号分别从两个平衡输出端口输出，同时两个平衡输出端口信号的幅度相同，相位差为180°，广泛应用于差分电路中，从而可以提高系统的抗干扰能力[1-3]。近年来射频器件朝着微型化、高性能的方向发展，作为无线通信产品中必不可少的无源器件，其用量也越来越大。一般的电子系统所用的有源器件与无源器件的比例为1:10，由此可见开发高性能的小型化射频无源器件具有重要的实际意义[4-5]。
为了同时实现巴伦滤波器优异的滤波、阻抗变换功能，文献[6]基于Marchand巴伦理论采用独特的SBCS结构，同时把传统带状线结构改成锥形带状线设计出了Marchand巴伦滤波器，实验测试结果验证了在中心频率为2.45 GHz、5.25 GHz和5.85 GHz中该巴伦滤波器具有良好的性能。TSAI C和LIN Y等[7]提出了在两段耦合线的末端加载合适的集总电容结构，通过改变末端加载电容可以有效地控制上阻带传输零点的位置，另外在该结构的基础上，为了改善滤波性能使用更高阶结构，最后得到二阶结构的尺寸为2.0 mm×1.25 mm×0.95 mm，三阶结构的尺寸为2.0 mm×1.25 mm×0.85 mm，证明了其在移动通信系统的可行性。文献[8]提出了工作在中心频率为925 MHz的集总式巴伦滤波器，该巴伦滤波器的带宽为80 MHz，在通带范围内插损小于4.93 dB，输出信号幅度差小于0.35 dB，输出信号相位差小于4°，最后加工出来的尺寸仅为4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm，有效实现了小型化。
本文在Marchand巴伦理论基础上设计了一种新型分布参数巴伦滤波器，该设计采用独特螺旋交叉堆叠的方式，有利于实现巴伦滤波器的小型化，同时在两段耦合线间引入了耦合电容，从而实现了在仅仅占用1.0 mm×0.5 mm×0.4 mm尺寸大小条件下，在1.805 GHz~2.17 GHz频段范围内拥有良好的输出幅度平衡度和相位平衡度，完全满足当今通信设备小型化的要求。
1 Marchand巴伦分析
Marchand 巴伦是Marchand于1944年提出的，其结构如图1所示。其包含两段λ/4耦合线，端口1为输入端，端口2、3为输出端，其中端口1理论上连接λ/2开路线，端口2、3分别连接λ/4短路线，理论上信号从端口1进入到达端口2、3分别经过λ/4和3λ/4长度传输线，因此理论上端口2、3的相位差为180°。根据巴伦滤波器的工作特性，两个输出端口信号等幅反相，即具有良好的相位平衡度、幅度平衡度特点。在输入输出端口匹配的条件下，三端口网络需要满足以下条件：S11=0，S21=-S31。同理根据图1，假设源和负载的阻抗与50 Ω匹配，根据二端口理论可以得到该巴伦的S参数矩阵表达式如下：
由于该巴伦滤波器结构采用的是对称的结构，因此可以采用奇模和偶模分析它的相位特性[9]。为了获得理想的180°相位特性，需要满足下式条件：
其中，Γeven和Γodd分别是对应于奇模、偶模电路中的输入反射系数，Γeven是对应于偶模电路中的传输系数。当Γeven=0时在所有的频率范围内巴伦滤波器表现出理想的传输特性，并且具有良好的180°相位特性。Marchand巴伦在理论上看有很多的优点，但是由于涉及四分之一波长的耦合传输线，因此巴伦滤波器在较低的频率下会占据较大的体积，所以关于巴伦滤波器的小型化问题一直是一个研究热点。
2 三维建模
耦合线的宽度主要影响巴伦的驻波性能以及插入损耗。为了进一步减小该巴伦的尺寸，本设计采用独特的交叉堆叠的结构，通过将两段耦合线分别交错缠绕的方式可以有效地缩小该巴伦的体积，由于耦合线间会有寄生电容的存在，合理地利用寄生电容可以有效地拓展巴伦的带宽，同时可以降低该巴伦对于制造工艺的敏感度，大大提高了产品的合格率。有效降低生产成本。
3 设计实例分析
在基于LTCC的多层加工技术、螺旋宽边耦合带状线结构以及Marchand巴伦理论原理基础上，本文设计了一款频带为1.805 GHz~2.17 GHz，尺寸仅为1.0 mm×0.5 mm×0.4 mm的巴伦滤波器。该巴伦滤波器采用的是介电常数为9.8，损耗角为0.003的LTCC介质材料，其层间距为0.02 mm。该巴伦的等效电路如图2所示。
本文设计的超小型宽带巴伦滤波器的指标如表1所示。设计完成后的三维示意图如图3所示。仿真结果分别如图4～图7所示。其中图4是回波损耗，图5是插入损耗，图6是输出相位平衡度，图7是输出幅度平衡度。由仿真结果可知，该巴伦在工作频率范围内有很好的幅度和相位特性，因此满足设计的要求。
该巴伦非平衡输入端口1接入50 Ω端口阻抗，两个平衡输出端口2、3也分别接入50 Ω端口阻抗，其交叉堆叠的方式引入了耦合电容C1、C2。合理的设计层间距不仅可以有效地调整耦合系数，同时也可以改变耦合电容的大小，当层间距越小时对应的耦合电容越大，耦合系数也越大，此时巴伦滤波器的带宽越宽，但是驻波会变大，这样有利于降低该巴伦滤波器对于加工工艺的敏感度，同时可以有效拓展带宽以及减小尺寸。经过HFSS软件进行仿真优化得到最优结果，最终设计完成时奇数层的线宽为0.06 mm，偶数层线宽为0.042 mm。层间距为0.02 mm。
4 结论
本文介绍了基于LTCC技术的小型化Marchand巴伦滤波器的设计，在基于Marchand巴伦理论的基础上采用独特的交叉堆叠的结构，给出了实际的等效电路图，通过高频仿真软件优化得到其仿真物理尺寸仅为1.0 mm×0.5 mm×0.4 mm，工作在1.805 GHz～2.17 GHz频率范围内，在其工作频率范围内输出幅度差小于±1.2 dB，输出相位差小于±10°，完全满足该巴伦滤波器的指标要求，也满足现代通信系统对于射频器件的要求。并且其物理尺寸仅为1.0 mm×0.5 mm×0.4 mm，在日趋小型化的通信设备中具有很强的竞争力。
参考文献
[1] 清华大学微带电路编写组.微带电路[M].北京：人民邮电出版社，1976.
[2] 林强，张祖荫，张兵.微带巴伦设计[J].现代雷达，2004，24(10)：61-63.
[3] MARCHAND N.Transmission-line conversion transformers[J].Electronics，1944，17(12)：142-145.
[4] LIM H A，LEONG M S，OOI B L，et al.A new method of designing Marchand baluns for multilayer applications[C].APMC 2001.2001 Asia-Pacific Microwave Conference(Cat.No.01TH8577)，2001：425-428.
[5] SCHWINDT R，NGUYEN C.A CAD procedure for the double-layer broadside-coupled Marchand balun[C].1994 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest(Cat.No.94CH3389-4)，1994：389-391.
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[7] TSAI C，LIN Y.Analysis and design of new single-to-balnced multicoupled line bandpass filters using low-temperature co-fired ceramic technology[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2008，56(12)：2902-2912.
[8] LI B，DAI Y.Design of the micro lumped balun based on LTCC technology[C].2016 IEEE International Workshop on Electromagnetics：Applications and Student Innovation Competition(iWEM)，Nanjing，2016：1-3.
[9] ANG K S，LEONG Y C，LEE C H.Analysis and design of miniaturized lumped-distributed impedance-transforming baluns[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2003，51(3)：1009-1017.
作者信息:
柏 柯，周浩淼
(中国计量大学 信息工程学院 浙江省电磁波信息技术与计量检测重点实验室，浙江 杭州310018)
