延时线巴伦基础知识和应用

延时线和巴伦基础知识和应用延时线的基本原理及应用延时线的基本概念1常用延时线的分类2常用延时线的参数3常用延时线的应用4一、延时线的基本概念线性互易元件常用的线性互易元件包括：匹配负载、衰减器、移相器、短路活塞、功分器、微波电桥、定向耦合器、阻抗变换器、滤波器和延时线等。时延概念------时延的定义时延是电磁波经过待测件所经历的时间，英文为GroupDelay，简称Delay对于同轴线，时延有个简单的定义，时延等于同轴线的长度除以同轴线中电磁波的速度，即（定义1）：对于功放模块，电磁波走过的路程无法计算，电磁波的速度不是恒定的，也无法计算，无法使用定义1。需要用到时延的标准定义，时延是相位对角速度的导数，即：（定义2）一、延时线的基本概念以实验室的白色同轴线为例（35cm长1根，105cm长1根），有效介电常数2.1，所以同轴线中电磁波的速度为105cm长同轴线的时延为35cm长同轴线的时延为时延概念------时延的定义1的计算一、延时线的基本概念实测值与计算值严格一致。同轴线的实测结果显示：时延与频率无关。时延概念------时延的定义1的实测一、延时线的基本概念35cm长同轴线的时延为实测的相位斜率分别为-1.80o/MHz与-0.61o/MHz，105cm长同轴线的时延为根据定义2的计算结果与实测严格一致时延概念------时延的定义2的计算一、延时线的基本概念时延正比于相位斜率；不同频点处的相位斜率相等；相位斜率分别为-1.80o/MHz与-0.61o/MHz。时延概念------时延的定义2的实测一、延时线的基本概念二、常用延时线种类贴片延时线同轴线腔体延时滤波器可调延时器二、常用延时线种类同轴线常用同轴线缆SFF-50-2-2双屏蔽线FLEXIFORM405FJ670-047半柔线缆备注实物照介质材料PTFE(聚四氟乙烯)PTFE(聚四氟乙烯)PTFE(聚四氟乙烯)有效介电常数2.1时延4.7ns/m4.7ns/m4.7ns/m插损0.64dB/m0.72dB/m1.12dB/m1GHz信号最小静态弯曲半径20mm6mm4mm单次弯曲最小多次弯曲半径40mm25mm20mm功率/210W43.7W常温1GHz应用环境/前馈功放模拟预失真功放二、常用延时线种类贴片延时线的材料工艺Core3Core1Core21、材料工艺：PTFE和LTCC。2、电路设计：射频带状线；3、多层PCB基片压合叠成。二、常用延时线种类贴片延时线的材料工艺对比PTFE（聚四氟乙烯和玻璃纤维）工艺LTCC（低温烧制陶瓷）工艺优点1、热膨胀系数与PCB比较接近；1、高温稳定性好、大功率导热快；2、韧性好、在硬力作用下不易折；3、焊盘铜箔附着力强。缺点1、耐高温不够强；1、热膨胀系数与PCB比较有偏差；2、材质较软，边角易变形。2、材质硬而脆，易折断。3、焊盘铜箔附着力不够强。工艺比较（PTFEVSLTCC工艺）二、常用延时线种类采用国际先进射频带状线仿真、设计技术并结合PTFE（聚四氟乙烯和玻璃纤维聚合物）低损耗射频板材制作而成，具有插损小，VSWR小，隔离度高，幅度及相位平衡特性好，一致性好的性能优势。延时线的耐热性强，高温环境下工作不会产生形变、分层、鼓起等可靠性隐患，同时，产品各种射频指标如插入损耗、幅度平衡度、VSWR、相位等随着温度变化的漂移也很小。产品表面采用镀锡工艺处理，保证产品表面不易被划伤，镀锡工艺还能更好地防氧化，使产品的储存期更长（可长达2年以上）。贴片延时线的材料工艺三、常用延时线主要参数贴片延时线的材料工艺XDL09-8-080的参数：•尺寸1x1英寸•是一个窄带的器件三、常用延时线主要参数贴片延时线的材料工艺SMT炉温曲线三、常用延时线主要参数贴片延时线的材料工艺XDL09-8-080的参数：带状线形式，抗外部干扰能力强S型弯曲走线，感抗小介质材料韧性好，不容易压折3层信号面，4层地平面三、常用延时线主要参数贴片延时线的材料工艺XDL09-8-080的参数：•1脚输入2脚输出；反之亦可•贴片时正面朝上，只有正面有方向标志点、引脚1标志、引脚2标志•1脚、2脚、3脚与4脚，任意两脚间实测电阻为0Ω，表明3脚4脚与信号相连。所以3脚4脚焊盘必须为孤岛，不能与地相连•延时线下大面积铺地，并焊接，保证良好的接地与散热•通过多个延时线的串联可得到更长的时延，此时相邻引脚须的距离应大于2mm三、常用延时线主要参数2nsDelayline三、常用延时线主要参数2x2nsDelayline三、常用延时线主要参数可调延时线主要参数：•1910MHz~2010MHz•时延可调节量0.5ns•相位波动1°以内•插损2.3dB以内•回波-19dB•OIP3为28dBm•控制电压（0V~9V）•工作温度-40°~85°1900MHz可调延时线三、常用延时线主要参数腔体延时滤波器FD-G8514-IS01延时滤波器项目名称电气指标频率范围（MHz）890～910910～975带宽（MHz）2065回波损耗（dB）≥20（常温）；≥17（高低温）插入损耗（dB）≤0.60（常温）；≤0.70（高低温）≤0.40（常温）；≤0.45（高低温）带内波动（dB）≤0.15（常温）；≤0.20（高低温）≤0.10（常温）；≤0.13（高低温）相位波动（deg）≤1.5（常温）；≤2.0（高低温）≤1.0（常温）；≤1.3（高低温）中心频率群时延（ns）/13.9±0.2@942.5MHz功率容量（W）常温、常压下，100（平均功率）；800（峰值功率）四、常用延时线的应用延时线在前馈功放中的应用Loop1:CarrierCancellationLoop2:IMDCancellationMainAmpErrorAmpRFInputRFOutputRFCarriersAmplifiedRFCarriers+IMDPhaseInvertedIMDAmplifiedRFCarriersOnlyGain/PhaseAdjustGain/PhaseAdjustFeedForward环路对消原理图四、常用延时线的应用延时线在RF_AP功放中的应用四、常用延时线的应用时延定义1容易理解，适用于同轴线、微带线等传输线。时延定义2是严格定义，实用于所有情况。网分测时延的原理过程：S21phase(S21)t=-d(phase(S21))/d(2*pi*f)延时线在前馈功放中的应用四、常用延时线的应用延时线在前馈功放中的应用背景：前馈功放环路对消调试中，是通过改变同轴线缆的长短使得两路的时延相等。相位是正斜率，则时延为负，电缆需加长定义中“-”在前馈调试中的意义四、常用延时线的应用延时线在前馈功放中的应用定义中绝对值在前馈调试中的意义1cm长同轴线缆（有效介电常数2.1）对应的时延：1°的相位差（频率带宽85MHz）对应的时延：所以此处1cm同轴线对应的相位差约为1.5°，实际调试时的经验值为2°~3°，基本吻合。四、常用延时线的应用贴片延时线的选用制造商Araren公司，未找到第二家共有12个产品，其中10个窄带的，2个宽带的我们部门用的都是1x1英寸的窄带延时线尺寸越大，单位插损越小四、常用延时线的应用时延器件的选用从功率大小和插损角度考虑，要求插损小而功率大的器件选用延时滤波器。考虑SMT工艺、一致性、布局空间大小，最好选用贴片延时线。考虑成本、可调可生产性，采用同轴线绕制。考虑成本、可调可生产性、而且时延调节范围比较小，采用可调延时电路。思考题：同轴线和贴片延时线延时（或相位）和频响的关系？1、同轴线的延时和频响是线性的，所以时延与频段无关；2、贴片延时线延时和频响是非线性的，不同的频段时延是不同的；但，在窄带范围内是线性。四、常用延时线的应用贴片延时线的选用XDL20-6-100s的指标显示：•时延与频率相关，这与时延理论及同轴线的测试数据相矛盾。•频率变大时插损掉得很快，我们测同轴线时插损变化没有这么剧烈。•原因是什么？四、常用延时线的应用贴片延时线的选用延时线内部为带状线结构，以此为模型做2个带状线的仿真•仿真1：理想带状线仿真，不考虑邻近带状线之间的耦合•仿真2：带状线拓扑仿真，考虑了邻近带状线之间的耦合。四、常用延时线的应用贴片延时线的选用考虑耦合很关键，考虑耦合后•时延随频率增加而增加，与指标相符•插损随频率变化较大，与指标相符不考虑耦合时•时延基本不随频率变化，与理论一致•插损随频率变化较小，与经验一致进一步分析•1.3GHz~2.5GHz内，考虑耦合时的时延大于不考虑耦合时的时延，即相同长度的带状线，如果绕成强耦合的形状，可以获得更大的时延；所以可以以更小的尺寸获得相同的时延量。巴仑的基本原理及应用巴仑的基本概念1常用巴仑的分类2常用巴仑的参数3常用巴仑的应用4一、巴仑的基本概念巴伦的原理是按天线理论，偶极天线属平衡型天线，而同轴电缆属不平衡传输线，若将其直接连接，则同轴电缆的外皮就有高频电流流过（按同轴电缆传输原理，高频电流应在电缆内部流动，外皮是屏蔽层，是没有电流的），这样一来，就会影响天线的辐射（可以想象成电缆的屏蔽层也参与了电波的辐射）。因此，就要在天线和电缆之间加入平衡不平衡转换器，把流入电缆屏蔽层外部的电流扼制掉，也就是说把从振子流过电缆屏蔽层外皮的高频电流截断。巴伦的基本理论一、巴仑的基本概念巴伦的基本理论抵消法：想办法使流入的电流大小相等方向相反而互相抵消，应用较多的用磁环三线绕的平衡不平衡转换器。变压器法：通过高频变压器实现平衡不平衡转换，原理就像推挽输出变压器一样，把双向平衡电流变换成但向不平衡电流。高频开路法：在电缆屏蔽层外皮四分之一波长处接一个四分之一波长的套筒（等于效四分之一波长的开路线），因四分之一波长开路线对该频率视为开路，达到截断高频电流的作用。抑制法：振子经过一高频扼流圈接电缆屏蔽层外皮，阻止高频电流流向电缆屏蔽层外皮。备注：只是截断屏蔽层外皮的高频电流，并不是截断流向屏蔽层的所有高频电流高频电流是在屏蔽层的里面流的。一、巴仑的基本概念为什么需要用巴伦？在射频低频电路中，为了降低电磁干扰、电源噪声、底噪、谐波抑制、高频电流抑制等，越来越广泛地应用差分电路来改善射频地。巴伦也叫平衡不平衡转换器，部分巴伦有阻抗变换作用；通常用在对称振子与同轴电缆连接；达到馈电平衡的目的。馈电平衡：是指电流大小相等，方向相反，对地阻抗一致，共模电流为零。巴伦的作用(a)Fromsingle-endedblocktodifferentialpair(b)Fromdifferentialpairtosingle-endedblock二、常用巴仑的种类变压器巴伦传输线巴仑微带线宽带巴仑馈电平衡－－－磁耦合式、反向式、对称式、扼流式等平衡器类型。功放常用的种类带状线巴仑LC巴仑三、常用巴仑主要参数和应用LC巴伦原理及参数最简单的LC巴伦仅有两个相同的电感和电容构成，如下图所示：LC元件值的计算公式如下：22**12**inoutinoutfLRRCRRRout和Rin为单端和输出端口的阻抗三、常用巴仑主要参数和应用LC巴伦原理及参数实例：设计一个工作频率在100MHz巴伦，单端和差分阻抗为50欧姆。按照上述公式计算得到L=113nH，C=22.5pF。三、常用巴仑主要参数和应用LC巴伦原理及参数S参数仿真结果：在100MHz频率上幅度和相位和设计值基本吻合，不过LC对工作频率较为敏感，因此，该balun的工作带宽不宽，基本只能工作在100MHz附近。三、常用巴仑主要参数和应用可分为1比1型和1：4型等。1比1型巴伦只有平衡不平衡转换的功能、1比4型巴伦除了平衡不平衡转换的功能外还可以进行阻抗变换（1变4、4变1）变压器型巴伦的材料与工作频率有关。低频段采用泊美合金铁芯、米波段建议用铁氧体磁环（到有线电视分配器拆）、分米波段建议空心电感。两线圈之间