應用於高整合RF模組的平衡-不平衡轉換器設計

Mark Gorbett, Microwave Assurance公司

為了滿足業界對於更高系統整合度的需求，設計多晶片模組的RF/MMIC工程師必須進行‘電路級’的電磁模擬與建模。除了典型的主動元件以外，具有完整系統級功能的模組還需要被動的支援電路。這些被動元件通常包括以下電路：90度耦合器、180度耦合器、同相耦合器、濾波器、雙工器和傳輸線路結構。

平衡-不平衡轉換器(Balun)－－「巴倫」是高頻電路設計中非常重要的支援電路。180度巴倫是異質接面雙極電晶體(HBT)、偽晶高電子遷移電晶體(pHEMT)推挽放大器、平衡混頻器、平衡倍頻器、移相器、平衡調變器、偶極饋電，以及針對差分訊號傳輸的不平衡差分轉換器與許多其他應用的重要元件。此外，類比電路需要平衡輸入和輸出以減少噪音，盡量減少高次諧波並提高電路的動態範圍，同時也可從這種巴倫結構中獲益。

馬卡德巴倫的起源

根據定義，巴倫是用來連接平衡或差動傳輸線路和不平衡或單端傳輸線路的一種變壓器。近年來，已經開發出了幾種不同的巴倫結構；然而，對傳輸線式巴倫的全新關注更強調巴倫必須是平面、緊湊且更適合於混頻器和推挽功率放大器。此外，有幾種巴倫已應用於微波整合電路(MIC)和單晶片微波整合電路(MMIC)中。

最普遍的是馬卡德巴倫的平面版本，因為它容易實現，並可提供較更寬廣的頻寬。由於改善了相位和振幅平衡，馬卡德巴倫擁有比其他巴倫設計更寬的頻寬。從典型巴倫設計來看馬卡德巴倫的發展，便可以瞭解為什麼馬卡德巴倫擁有較優越的實體設計和測量結果了。圖1a為典型巴倫設計，圖1b為巴倫原理圖。

圖1 典型巴倫的實體設計和原理圖

當中心導體和內導體之間的射頻電流處於理想均衡狀態時，圖中的同軸巴倫效果最佳。另一方面，同軸屏蔽上的電流可在屏蔽內外流動。隨著屏蔽外的電流增多，平衡埠之間的振幅和相位平衡將會降級。圖2說明了同軸巴倫的原理圖以及180度埠有接地特性阻抗和同軸電纜的外護套屏蔽相應的共振頻率。

該巴倫的振幅和相位平衡隨著接地護套阻抗的變化而變化。透過增加同軸電纜的一個“平衡”部份，可以改善振幅和相位平衡，以此可最佳化該巴倫結構，如圖2a所示，其原理圖如圖2b所示。

圖 2：為巴倫提供‘平衡’部份，使其實現最佳化(圖 2a )

圖 2：為巴倫提供‘平衡’部份，使其實現最佳化(圖 2b )

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