巴伦的特性分析及应用于RFID系统的微型巴伦设计

巴伦（Balun）也称平衡转换器，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关键部件，可以说是无线局域网射频前端电路设计的一项关键技术，直接影响着无线通信的性能和质量。而差分天线馈线的主要任务就是高效率的传输功率，同时要保证对称阵子的平衡馈电。而在超短波频段，如果采用平行双导线做其馈电，虽然能保证这种平衡性，但由于其开放式的结构，将会产生强烈的反射，为防止电磁能量的漏失和不易受气候和环境等因素的影响，馈线通常采用屏蔽式同轴电缆，但如果直接与天线端相连，将会破坏天线本身的对称性。这种不平衡现象不仅改变了天线的输入阻抗匹配，而且使天线方向图发生畸变。

本文主要分析巴伦的特性，并利用分立元件及蛇形线设计一款微型巴伦，应用于RFID系统中，使RFID标签性能得到明显提高。

1、巴伦的原理分析

巴伦是一种三端口器件，由一个不平衡端口和两个平衡端口组成。两个平衡端口的信号有相同的幅值，但是有180°的相移。Machand于1944年首次提出了基于TEM模的同轴传输线巴伦结构。许多电路需要平衡的输入和输出，从而用来减少电路的噪声和高次谐波，改善电路的动态范围。

巴伦的形式有多种，但从总体上可分为有源巴伦和无源巴伦两大类。有源巴伦由于要使用晶体管等有源器件，所以不可避免地会产生噪声和功耗。而无源巴伦又可以分为集总元件形式巴伦、螺旋变压器形式巴伦和分布参数形式巴伦三类。集总元件形式巴伦的优点是体积小、重量轻，但不容易达到180°的相移和相等的输出幅值；螺旋变压器形式巴伦仅适用于低频和超高频（UHF），并且有一定的损耗；分布参数形式巴伦可细分为180°混合环巴伦和Marchand巴伦。在微波频段，180°混合环巴伦有相当好的频率响应，但是过大的尺寸限制它应用于射频频段，即从200MHz到几GHz。Marchand巴伦由于有较好的输出等幅值和输出180°相移，并且带宽较宽，所以被许多设计者选用。但是Marchand巴伦由两段四分之一波长耦合线构成，会占用较大的面积，特别是在低频段。

2、巴伦的特性分析

巴伦主要有两大特性：一是频率宽带特性，这也是巴伦受到青睐的主要原因之一；其次是具有阻抗匹配的功能。因而巴伦得到了在射频电路当中的广泛应用，也成为一项射频电路设计的关键技术。

2.1、巴伦的频率带宽特性

用奇偶模的方法来分析巴伦的工作带宽特性：

图1、巴伦的奇偶模结构

偶模激励时，该耦合电路的Y、Z参数为：

由此可以看出该耦合电路在电器长度θ（长度÷波长×360°）为任意长度下具有全阻特性，即z=0。理想情况下，巴伦的幅度平衡和相位平衡对频率的依赖程度很低，这也是巴伦的工作带宽较宽的原因，也是其在微波电路中得到广泛应用的主要原因之一。但是巴伦也有其缺点，由于奇偶模相速的不同，奇偶模状态下微带线的物理长度也就不同；但在实际的巴伦设计中，耦合段的两个微带线的电参数和物理参数都是一样的，因此，巴伦输出端口之间的隔离度、输入端口的驻波比和输出信号的幅度平衡度不是很理想。但可以采取一些补偿电路来改善巴伦的性能：在输出端口之间并联一个移相隔离网络则可以提高巴伦的幅度平衡度；也可在输入端口并联一个电容则可以降低输入端口的驻波比；另外，用多个相同结构的巴伦级联在一起可以增大巴伦的工作带宽等，详细叙述可参阅相关资料。

2.2、巴伦的阻抗变换功能特性

巴伦的工作特性就是两个平衡输出端口的输出信号等幅反相，即要有良好的相位平衡度、幅度平衡度和功率等分的特点。S参量表达的是功率波，它可以用人射波功率和反射波功率的方式定义巴伦的输入、输出之间的关系。在输人输出端口均匹配的情况下，三端口网络巴伦所要满足的条件是：

S11=0和S21=-S31

其中，，

由巴伦的工作特性可得出一个重要结论，即巴伦的输入、输出阻抗与耦合微带线耦合系数的关系：

，其中，Zout为输出阻抗，Zin为输入阻抗。

根据耦合系数的不同，选择不同的输入输出阻抗，也就实现了巴伦的阻抗变换功能。从而为设计电路提供许多方便。在实际设计工作中，不仅要考虑电路的性能。还要考虑微带线的加工工艺水平。参阅相关文献，经过分析可得，耦合系数增大，则偶模阻抗增大，奇模阻抗减小；微带线间隙越小，对微带线的工艺要求就越高。所以，应根据电路的需要和工艺水平选择合适的耦合度。而巴伦的频率带宽直接与这两段耦合线的耦合系数k有关，直耦合线的耦合系数大概为0.3左右，而上下耦合的螺旋耦合线的耦合系数可以达到0.45左右。在设计巴伦时，可根据输入、输出阻抗和巴伦的带宽，确定传输线的特性阻抗。但必须强调的是：微带巴伦阻抗方程是在均匀介质的前提下得出的，在实际的应用中应采取相应的措施补偿。