巴倫在RFID系統中的應用

巴倫（Balun）也稱(chēng)平衡轉換器，是微波平衡混頻器、倍頻器、推挽放大器和天線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò )等平衡電路布局的關(guān)鍵部件，可以說(shuō)是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)射頻前端電路設計的一項關(guān)鍵技術(shù)，直接影響著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信的 性能和質(zhì)量。而差分天線(xiàn)饋線(xiàn)的主要任務(wù)就是高效率的傳輸功率，同時(shí)要保證對稱(chēng)陣子的平衡饋電。而在超短波頻段，如果采用平行雙導線(xiàn)做其饋電，雖然能保證這 種平衡性，但由于其開(kāi)放式的結構，將會(huì )產(chǎn)生強烈的反射，為防止電磁能量的漏失和不易受氣候和環(huán)境等因素的影響，饋線(xiàn)通常采用屏蔽式同軸電纜，但如果直接與天線(xiàn)端相連，將會(huì )破壞天線(xiàn)本身的對稱(chēng)性。這種不平衡現象不僅改變了天線(xiàn)的輸入阻抗匹配，而且使天線(xiàn)方向圖發(fā)生畸變。

本文主要分析巴倫的特性，并利用分立元件及蛇形線(xiàn)設計一款微型巴倫，應用于RFID系統中，使RFID標簽性能得到明顯提高。

1、巴倫的原理分析

巴倫是一種三端口器件，由一個(gè)不平衡端口和兩個(gè)平衡端口組成。兩個(gè)平衡端口的信號有相同的幅值，但是有180°的相移。Machand于1944年首次提出了基于TEM模的同軸傳輸線(xiàn)巴倫結構。許多電路需要平衡的輸入和輸出，從而用來(lái)減少電路的噪聲和高次諧波，改善電路的動(dòng)態(tài)范圍。

巴倫的形式有多種，但從總體上可分為有源巴倫和無(wú)源巴倫兩大類(lèi)。有源巴倫由于要使用晶體管等有源器件，所以不可避免地會(huì )產(chǎn)生噪聲和功耗。而無(wú)源巴倫又可以分為集總元 件形式巴倫、螺旋變壓器形式巴倫和分布參數形式巴倫三類(lèi)。集總元件形式巴倫的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕，但不容易達到180°的相移和相等的輸出幅值；螺旋變 壓器形式巴倫僅適用于低頻和超高頻（UHF），并且有一定的損耗；分布參數形式巴倫可細分為180°混合環(huán)巴倫和Marchand巴倫。在微波頻段，180°混合環(huán)巴倫有相當好的頻率響應，但是過(guò)大的尺寸限制它應用于射頻頻段，即從200MHz到幾GHz。Marchand巴倫由于有較好的輸出等 幅值和輸出180°相移，并且帶寬較寬，所以被許多設計者選用。但是Marchand巴倫由兩段四分之一波長(cháng)耦合線(xiàn)構成，會(huì )占用較大的面積，特別是在低頻段。

2、巴倫的特性分析

巴倫主要有兩大特性：一是頻率寬帶特性，這也是巴倫受到青睞的主要原因之一；其次是具有阻抗匹配的功能。因而巴倫得到了在射頻電路當中的廣泛應用，也成為一項射頻電路設計的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1、巴倫的頻率帶寬特性

用奇偶模的方法來(lái)分析巴倫的工作帶寬特性：

圖1、巴倫的奇偶模結構

偶模激勵時(shí)，該耦合電路的Y、Z參數為：

由此可以看出該耦合電路在電器長(cháng)度θ（長(cháng)度÷波長(cháng)×360°）為任意長(cháng)度下具有全阻特性，即z=0。理想情況下，巴倫的幅度平衡和相位平衡對頻率的依賴(lài)程度 很低，這也是巴倫的工作帶寬較寬的原因，也是其在微波電路中得到廣泛應用的主要原因之一。但是巴倫也有其缺點(diǎn)，由于奇偶模相速的不同，奇偶模狀態(tài)下微帶線(xiàn) 的物理長(cháng)度也就不同；但在實(shí)際的巴倫設計中，耦合段的兩個(gè)微帶線(xiàn)的電參數和物理參數都是一樣的，因此，巴倫輸出端口之間的隔離度、輸入端口的駐波比和輸出 信號的幅度平衡度不是很理想。但可以采取一些補償電路來(lái)改善巴倫的性能：在輸出端口之間并聯(lián)一個(gè)移相隔離網(wǎng)絡(luò )則可以提高巴倫的幅度平衡度；也可在輸入端口 并聯(lián)一個(gè)電容則可以降低輸入端口的駐波比；另外，用多個(gè)相同結構的巴倫級聯(lián)在一起可以增大巴倫的工作帶寬等，詳細敘述可參閱相關(guān)資料。

2.2、巴倫的阻抗變換功能特性

巴 倫的工作特性就是兩個(gè)平衡輸出端口的輸出信號等幅反相，即要有良好的相位平衡度、幅度平衡度和功率等分的特點(diǎn)。S參量表達的是功率波，它可以用人射波功率 和反射波功率的方式定義巴倫的輸入、輸出之間的關(guān)系。在輸人輸出端口均匹配的情況下，三端口網(wǎng)絡(luò )巴倫所要滿(mǎn)足的條件是：

S₁₁=0和S₂₁=-S₃₁

其中，，

由巴倫的工作特性可得出一個(gè)重要結論，即巴倫的輸入、輸出阻抗與耦合微帶線(xiàn)耦合系數的關(guān)系：

，其中，Z_out為輸出阻抗，Z_in為輸入阻抗。

根據耦合系數的不同，選擇不同的輸入輸出阻抗，也就實(shí)現了巴倫的阻抗變換功能。從而為設計電路提供許多方便。在實(shí)際設計工作中，不僅要考慮電路的性能。還要 考慮微帶線(xiàn)的加工工藝水平。參閱相關(guān)文獻，經(jīng)過(guò)分析可得，耦合系數增大，則偶模阻抗增大，奇模阻抗減??；微帶線(xiàn)間隙越小，對微帶線(xiàn)的工藝要求就越高。所以，應根據電路的需要和工藝水平選擇合適的耦合度。而巴倫的頻率帶寬直接與這兩段耦合線(xiàn)的耦合系數k有關(guān)，直耦合線(xiàn)的耦合系數大概為0.3左右，而上下耦 合的螺旋耦合線(xiàn)的耦合系數可以達到0.45左右。在設計巴倫時(shí)，可根據輸入、輸出阻抗和巴倫的帶寬，確定傳輸線(xiàn)的特性阻抗。但必須強調的是：微帶巴倫阻抗 方程是在均勻介質(zhì)的前提下得出的，在實(shí)際的應用中應采取相應的措施補償。