巴伦学习（一）一种新型补偿传输线巴伦论文学习笔记（自用）

本文参考Huei Wang老师课题组的文献K. -J. Koh and G. M. Rebeiz, "0.13-μ\muμm CMOS Phase Shifters for X-, Ku-, and K-Band Phased Arrays," P. -H. Tsai, Y. -H. Lin, J. -L. Kuo, Z. -M. Tsai and H. Wang, "Broadband Balanced Frequency Doublers With Fundamental Rejection Enhancement Using a Novel Compensated Marchand Balun," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 61, no. 5, pp. 1913-1923, May 2013, doi: 10.1109/TMTT.2013.2255618.从中摘录marchand巴伦段，稍微增加一些推导过程，并且指出其中公式的推导笔误 用红笔标出，仅供学习使用

摘要--- 本文提出了一种新颖的补偿技术，用于改善因耦合线的奇模与偶模相速度不等而导致的传输线巴伦不平衡问题。利用这种方法，可以有效地增强采用传输线巴伦的平衡倍频器的基波抑制能力。为了验证这一概念，在CMOS工艺中设计、制造并测量了两个使用改进型传输线巴伦的单平衡倍频器。一个工作在15-36 GHz的倍频器具有-10 dB的转换增益，82.4%的3 dB带宽和33 dB的基波抑制。另一个工作在95-150 GHz的倍频器实现了-7.9 dB的转换增益，45%的3 dB带宽和30 dB的基波抑制。所提出的补偿技术使这些倍频器具有宽带宽和高基波抑制的特点。

关键词---宽带，CMOS，频率倍频器，基波抑制，传输线巴伦。

I. 引言

近年来，无线通信的工作频率不断提高，以获得更多带宽来适应高数据速率。在高频下设计具有宽调谐范围、良好相位噪声和平坦输出功率的压控振荡器变得困难。因此，通常利用宽带频率倍频器与低频振荡器级联来实现高频源。

实现宽带倍频器有多种拓扑结构。分布式结构被广泛用于实现宽带性能[1]，其基波信号通过高通漏极线和滤波器被抑制[2]。当基波信号和二次谐波信号的频率范围重叠时，分布式倍频器难以获得足够的基波抑制[2]。平衡结构用于抑制倍频器中重叠的基波信号[3]-[5]。基于共栅/共源场效应晶体管（FET）平衡配置，基波信号在输出端口反相。然而，这种方法的工作频率受到共源FET反相特性的限制[3]。双平衡二极管倍频器的开发实现了高工作频率和优异的基波抑制[4]，但该二极管倍频器需要高输入功率来驱动二极管进入非线性区域。采用单平衡配置的有源FET倍频器克服了上述缺点，例如对高输入功率的要求以及基波和二次谐波频带的重叠[5]。在单平衡倍频器的设计中，传输线巴伦通常因其宽带性能而被使用[5]。传输线巴伦可以在单片微波集成电路（MMIC）中使用两个耦合线节实现 ，例如多层耦合结构[6]、边缘耦合线[7]、兰格耦合器[8]或螺旋形耦合线[9] 。这些耦合线的奇模和偶模相速度不相等 。使用这些耦合线，传输线巴伦无法完美地将不平衡信号转换为平衡信号。由于传输线巴伦的不平衡，平衡倍频器的基波信号无法在输出端口被完美消除。对于平衡倍频器而言，在宽带宽上实现高基波抑制是一个挑战。

本文提出了一种改善传输线巴伦平衡的补偿技术 。它可以减少由于耦合线奇模和偶模相速度不等而导致的传输线巴伦不平衡。介绍了两个采用此方法增强基波抑制的单平衡倍频器。这些倍频器的输出频率分别为15-36 GHz和95-150 GHz。这些倍频器的基波抑制优于30 dB。两个倍频器都具有宽带宽和高基波抑制的特点。

II. 补偿型传输线巴伦的概念

A. 补偿型传输线巴伦的分析

我们提出了一种方法来减少由于耦合线奇偶模相速度不等而导致的传输线巴伦的不完美平衡性能。所提出的补偿型传输线巴伦的示意图如图1所示。

图1. 所提补偿型Marchand平衡器电路示意图。

θe\theta_{e}θe 和 θo\theta_{o}θo 是耦合线的偶模和奇模电气长度 。Z0eZ_{0e}Z0e 和 Z0oZ_{0o}Z0o 是耦合线的偶模和奇模特性阻抗 。θc\theta_{c}θc 和 ZcZ_{c}Zc 是补偿线的电气长度和特性阻抗。这个巴伦基于传统的传输线巴伦，由两个耦合线节和一段传输线组成。所提出的传输线巴伦与传统传输线巴伦的区别在于额外的补偿线。通过使用这条补偿线，可以改善传输线巴伦的平衡性能。为了分析这种补偿机制，采用了使用广义对称四端口网络推导三端口巴伦的技术[10]。

图2. 对称四端口电路示意图（用于偶模与奇模分析）。

图2显示了对称四端口网络，其偶模和奇模半电路如图3所示。这个四端口网络与补偿型传输线巴伦类似，只是端口数量不同。 补偿型传输线巴伦的S矩阵可推导为 (1)，如下所示，

图3. 图2(a)所示网络的半电路：(a)偶模；(b)奇模。