一种LC巴伦电路

本发明涉及宽带LC巴伦电路技术领域，特别涉及一种LC巴伦电路。

Balun是一种将平衡(差分)信号转换成非平衡(单端)信号或者将非平衡信号转换平衡信号的器件，Balun在现代通信系统中具有广泛的应用，例如在平衡混频器，推挽放大器，差分低噪放和天线馈电网络等元件的设计实现中都需要用到Balun。现代通信系统的发展方向是宽带化、小型化，因此业界 Balun的设计方向也是宽带、小型化及平面型结构。业界通常使用一阶Lattice LC巴伦电路，该类型Balun电路结构简单，但是仅仅在中心频点f0达到最佳 Balun特性，工作带宽非常窄，该类型的巴伦满足不了现代宽带无线通信的工作带宽要求。

本发明的目标在于提供一种LC巴伦电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目标，本发明提供如下技术方案：一种LC巴伦电路，包括高通滤波网络1和2、低通滤波网络1和2、端口1、2、3和参考地G，其中，高通滤波网络1和2与低通滤波网络1和2均为二端口网络，端口1、2和3 均为本发明对外连接的非平衡端口，分别由端子1和1’、端子2和2’、端子 3和3’构成，端子1’、2’和3’均与参考地G电连接，同时，端子2和端子3 又构成电连接外部平衡系统的平衡端口，端口1与外部的非平衡系统电性能连接；

所述高通滤波网络1包括电容C1、电感L1、电容C21、端口1HP1、2HP1和参考地G，其中，端口1HP1由端子1HP1和1′HP1构成，端口2HP1由端子2HP1和 2′HP1构成，端子1′HP1和2′HP1均与参考地G电性能连接，电容C1和C21依次串联于端子1HP1和端子2HP1之间，电感L1电性能连接于电容C1和C21的连接点与参考地G之间，电容C1、电感L1和电容C21构成T型网络，并且电容 C1和C21的电容值相等，即，C1＝C21；

所述高通滤波网络2包括电容C22、电感L2、电容C3、端口1HP2、2HP2和参考地G，与所述本发明Balun中高通滤波网络1具有完全相同的拓扑结构，并且两高通滤波网络对应位置的电感和电容的值均分别相等，即，L2＝L1， C22＝C1，C3＝C21；

所述低通滤波网络1包括电感L3、电容C4、电感L41、端口1LP1、2LP1和参考地G，其中，端口1LP1由端子1LP1和1′LP1构成，端口2LP1由端子2LP1和2′LP1构成，端子1′LP1和2′LP1均与参考地G电性能连接，电感L3和L41依次串联于端子1LP1和端子2LP1之间，电容C4电性能连接于电感L3和L41的连接点与参考地G之间，电感L3、电容C4和电感L41构成T型网络，并且电感L3与L41的电感值相等，即，L3＝L41；

所述低通滤波网络2包括电感L42、电容C5、电感L5、端口1LP2、2LP2和参考地G，与所述本发明Balun中低通滤波网络1具有完全相同的拓扑结构，并且两低通滤波网络对应位置的电感和电容的值均分别相等，即，L42＝L3， L5＝L41，C5＝C4。

进一步地，高通滤波网络1的端口1HP1和所述低通滤波网络1的端口1LP1并联于本发明的端口1；

所述高通滤波网络1的端口2HP1和所述高通滤波网络2的端口1HP2连接；

所述高通滤波网络2的端口2HP2和所述本发明的端口2连接；

所述低通滤波网络1的端口2LP1和所述低通滤波网络2的端口1LP2连接；

所述低通滤波网络2的端口2LP2和所述本发明的端口3连接。

如权利要求1和2所述的一种LC巴伦电路，其特征在于，所述外部负载阻抗Z包括平衡端口的平衡负载阻抗RB和非平衡端口的负载阻抗RUN，其中，RB和RUN的阻抗值RB和RUN均为实数；

平衡端口的平衡负载阻抗RB电性能连接于端子2和3；

非平衡端口负载阻抗RUN电性能连接于端子1和1′。

进一步地，电容C21和所述电容C22为串联关系，所述电容C21和所述电容C22可以等效为电容C2，其电容值关系为C21＝C22＝2C2；

进一步地，所述电感L41和所述电感L42为串联关系，所述电感L41和所述电感L42可以等效为电感L4，其电感值关系为L41＝L42＝L4/2；

进一步地，巴伦设计目标中心工作频率为f0，则ω0＝2×π×f0。电感值和电容值还须满足以下关系：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的一种LC巴伦电路，仅仅使用了集总参数电感L和电容C，并且不需要额外的互感元器件，简化了设计的复杂性，实现了元件的宽带化和小型化。本发明Balun实施案例表明，工作频率范围为2.673-5.401GHz，相对带宽为67.6％，达到了宽带工作带宽的设计目标，并且，本发明在实现巴伦功能的同时，还实现了源阻抗和负载阻抗之间的阻抗匹配，因此，应用本发明的无线通信系统无需额外的阻抗匹配元器件，该系统尺寸可进一步减小。

图1为本发明的Balun示意图；

图2为本发明的Balun拓扑结构图；

图3为本发明的Balun拓扑结构精简图；

图4为本发明的Balun在实际工作时的负载条件，其中，非平衡端口对外连接的非平衡系统呈现在非平衡端口的负载阻抗为RUN，平衡端口对外连接的平衡系统呈现在平衡端口的平衡(差分)负载阻抗为RB；

图5为本发明实施案例一的非平衡端口的回波损耗(dBS(1,1))在工作频带范围内的仿真结果；

图6为本发明实施案例一的输出端口平衡信号幅度不平衡度在工作频带范围内的仿真结果；

图7为本发明实施案例一的输出端口平衡信号相位差在工作频带范围内的仿真结果。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种LC巴伦电路，包括高通滤波网络1和2、低通滤波网络1和2、端口1、2、3和参考地G，其中，高通滤波网络1和2与低通滤波网络1和2均为二端口网络，端口1、2和3均为本发明对外连接的非平衡端口，分别由端子1和1’、端子2和2’、端子3和3’构成，端子1’、2’和3’均与参考地G电连接，同时，端子2和端子3又构成电连接外部平衡系统的平衡端口，端口1与外部的非平衡系统电性能连接；

高通滤波网络1包括电容C1、电感L1、电容C21、端口1HP1、2HP1和参考地G，其中，端口1HP1由端子1HP1和1′HP1构成，端口2HP1由端子2HP1和2′HP1构成，端子1′HP1和2′HP1均与参考地G电性能连接，电容C1和C21依次串联于端子1HP1和端子2HP1之间，电感L1电性能连接于电容C1和C21的连接点与参考地G之间，电容C1、电感L1和电容C21构成T型网络，并且电容C1和C21的电容值相等，即，C1＝C21；

高通滤波网络2包括电容C22、电感L2、电容C3、端口1HP2、2HP2和参考地G，与所述本发明Balun中高通滤波网络1具有完全相同的拓扑结构，并且两高通滤波网络对应位置的电感和电容的值均分别相等，即，L2＝L1， C22＝C1，C3＝C21；

低通滤波网络1包括电感L3、电容C4、电感L41、端口1LP1、2LP1和参考地G，其中，端口1LP1由端子1LP1和1′LP1构成，端口2LP1由端子2LP1和2′LP1构成，端子1′LP1和2′LP1均与参考地G电性能连接，电感L3和L41依次串联于端子1LP1和端子2LP1之间，电容C4电性能连接于电感L3和L41的连接点与参考地G之间，电感L3、电容C4和电感L41构成T型网络，并且电感L3与L41的电感值相等，即，L3＝L41；

低通滤波网络2包括电感L42、电容C5、电感L5、端口1LP2、2LP2和参考地G，与所述本发明Balun中低通滤波网络1具有完全相同的拓扑结构，并且两低通滤波网络对应位置的电感和电容的值均分别相等，即，L42＝L3， L5＝L41，C5＝C4。

高通滤波网络1的端口1HP1和低通滤波网络1的端口1LP1并联于本发明的端口1；

高通滤波网络1的端口2HP1和高通滤波网络2的端口1HP2连接；

高通滤波网络2的端口2HP2和本发明的端口2连接；

低通滤波网络1的端口2LP1和低通滤波网络2的端口1LP2连接；

低通滤波网络2的端口2LP2和本发明的端口3连接。

外部负载阻抗Z包括平衡端口的平衡负载阻抗RB和非平衡端口的负载阻抗RUN，其中，RB和RUN的阻抗值RB和RUN均为实数；

平衡端口的平衡负载阻抗RB电性能连接于端子2和3；

非平衡端口负载阻抗RUN电性能连接于端子1和1′。

电容C21和电容C22为串联关系，电容C21和电容C22可以等效为电容C2，其电容值关系为C21＝C22＝2C2；

电感L41和电感L42为串联关系，电感L41和电感L42可以等效为电感L4，其电感值关系为L41＝L42＝L4/2；

巴伦设计目标中心工作频率为f0，则ω0＝2×π×f0。电感值和电容值还须满足以下关系：

实施例一：中心工作频率为3.8GHz，平衡(差分)和非平衡(单端)负载阻抗分别为100Ω和50Ω的Balun

则根据设计方法，计算得到以下参数

L1＝L2＝4.1883nH，L3＝L5＝1.2267nH，L4＝2.4534nH， C1＝C3＝1.4300pF，C2＝0.7150pF，C4＝C5＝0.4188pF。

由图5可见，按照设计方法，dBS(1,1)<-10dB时，频率范围为1.763-8.19 GHz。

由图6可见，按照设计方法，|dBS(2,1)-dBS(3,1)|<1.5dB时，频率范围为2.673-5.401GHz。

由图7可见，按照设计方法，||phase(S(2,1))-phase(S(3,1))|-180°|<20°时，频率范围为2.567-5.625GHz。

综上：针对设计目标，使用本发明的方法设计的LC巴伦电路案例，工作频率范围为2.673-5.401GHz，相对带宽为67.6％，达到了宽带工作带宽的设计目标。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。