巴倫在RFID系統中的應用

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巴倫（Balun）也稱平衡轉換器，是微波平衡混頻器、倍頻器、推挽放大器和天線饋電網絡等平衡電路布局的關鍵部件，可以說是無線區域網射頻前端電路設計的一項關鍵技術，直接影響著無線通信的 性能和質量。而差分天線饋線的主要任務就是高效率的傳輸功率，同時要保證對稱陣子的平衡饋電。而在超短波頻段，如果採用平行雙導線做其饋電，雖然能保證這 種平衡性，但由於其開放式的結構，將會產生強烈的反射，為防止電磁能量的漏失和不易受氣候和環境等因素的影響，饋線通常採用屏蔽式同軸電纜，但如果直接與天線端相連，將會破壞天線本身的對稱性。這種不平衡現象不僅改變了天線的輸入阻抗匹配，而且使天線方向圖發生畸變。

本文主要分析巴倫的特性，並利用分立元件及蛇形線設計一款微型巴倫，應用於RFID系統中，使RFID標籤性能得到明顯提高。

1、巴倫的原理分析

巴倫是一種三埠器件，由一個不平衡埠和兩個平衡埠組成。兩個平衡埠的信號有相同的幅值，但是有180°的相移。Machand於1944年首次提出了基於TEM模的同軸傳輸線巴倫結構。許多電路需要平衡的輸入和輸出，從而用來減少電路的噪聲和高次諧波，改善電路的動態範圍。

巴倫的形式有多種，但從總體上可分為有源巴倫和無源巴倫兩大類。有源巴倫由於要使用電晶體等有源器件，所以不可避免地會產生噪聲和功耗。而無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。集總元件形式巴倫的優點是體積小、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於低頻和超高頻（UHF），並且有一定的損耗；分布參數形式巴倫可細分為180°混合環巴倫和Marchand巴倫。在微波頻段，180°混合環巴倫有相當好的頻率響應，但是過大的尺寸限制它應用於射頻頻段，即從200MHz到幾GHz。Marchand巴倫由於有較好的輸出等 幅值和輸出180°相移，並且帶寬較寬，所以被許多設計者選用。但是Marchand巴倫由兩段四分之一波長耦合線構成，會佔用較大的面積，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鍵技術。

2.1、巴倫的頻率帶寬特性

用奇偶模的方法來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，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度θ（長度÷波長×360°）為任意長度下具有全阻特性，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，由於奇偶模相速的不同，奇偶模狀態下微帶線 的物理長度也就不同；但在實際的巴倫設計中，耦合段的兩個微帶線的電參數和物理參數都是一樣的，因此，巴倫輸出埠之間的隔離度、輸入埠的駐波比和輸出 信號的幅度平衡度不是很理想。但可以採取一些補償電路來改善巴倫的性能：在輸出埠之間並聯一個移相隔離網絡則可以提高巴倫的幅度平衡度；也可在輸入埠 並聯一個電容則可以降低輸入埠的駐波比；另外，用多個相同結構的巴倫級聯在一起可以增大巴倫的工作帶寬等，詳細敘述可參閱相關資料。

2.2、巴倫的阻抗變換功能特性

巴 倫的工作特性就是兩個平衡輸出埠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。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、輸出之間的關係。在輸人輸出埠均匹配的情況下，三埠網絡巴倫所要滿足的條件是：

S₁₁=0和S₂₁=-S₃₁

其中，，

由巴倫的工作特性可得出一個重要結論，即巴倫的輸入、輸出阻抗與耦合微帶線耦合係數的關係：

，其中，Z_out為輸出阻抗，Z_in為輸入阻抗。

根據耦合係數的不同，選擇不同的輸入輸出阻抗，也就實現了巴倫的阻抗變換功能。從而為設計電路提供許多方便。在實際設計工作中，不僅要考慮電路的性能。還要 考慮微帶線的加工工藝水平。參閱相關文獻，經過分析可得，耦合係數增大，則偶模阻抗增大，奇模阻抗減小；微帶線間隙越小，對微帶線的工藝要求就越高。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的耦合係數k有關，直耦合線的耦合係數大概為0.3左右，而上下耦 合的螺旋耦合線的耦合係數可以達到0.45左右。在設計巴倫時，可根據輸入、輸出阻抗和巴倫的帶寬，確定傳輸線的特性阻抗。但必須強調的是：微帶巴倫阻抗 方程是在均勻介質的前提下得出的，在實際的應用中應採取相應的措施補償。