基于LTCC技術的無源改善型Balun設計

西安職業技術學院 高 燕

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基于LTCC技術的無源改善型Balun設計

西安職業技術學院 高 燕

【摘要】本文基于LTCC技術，結合巴倫的基本原理，在對耦合傳輸線的奇偶模阻抗特性研究的基礎之上，設計了一個中心頻率為1.70GHz的小型化Marchand Balun。通過在三維仿真軟件HFSS中建立模型，分析研究了寬邊耦合帶狀線寬度對巴倫的影響，提出了兩種改善Marchand Balun性能的方法。

【關鍵詞】低溫共燒陶瓷技術；巴倫；耦合傳輸線；奇偶模阻抗

0　前言

作為一種三維、立體高頻電路的工藝技術，低溫共燒陶瓷技術(LTCC)內部可設計多層耦合金屬導帶，且表面貼裝有源器件及IC組件，其靈活多變的設計模式，可以制作出各種高密度、小型化、低成本、低功耗、高可靠性的器件和模塊。而巴倫（Balun），即平衡-非平衡轉換器，作為電子通信系統一種關鍵性器件，在實際電路使用過程中有兩大基本用途：首先，依據微波電路中的天線理論，偶極子、雙錐等偶極天線屬于平衡型天線，而其饋線尤其以同軸電纜為主，是屬于非平衡型傳輸線，如果直接將這兩部分相連會在電纜表面產生高頻電流，使得天線極化方向受到影響，降低天線的方向精確度，而使用banlun就可以實現兩種不同的信號電平的轉換，遏制高頻電流噪聲，并且在兩個輸出端獲得兩個振幅相等，相位差值為π的信號；其次，巴倫本質上可以說是一種傳輸線變壓器，當輸入輸出級電路出現阻抗不匹配時，中間級的balun可實現阻抗變換。

1　Balun的分類

根據是否使用晶體管等有源器件，Balun大體可分為有源巴倫和無源巴倫。對于存在控制電壓或電流信號的有源balun，在使用過程中會產生不必要的功率損耗和干擾噪聲，所以使用起來有一定局限性；對于無源balun根據結構形式可以分為三類，分別是集總參數式、分布參數式以及螺旋變壓器式。其中常用的分布參數式巴倫又可進一步劃分為180°混合環式和Marchand 巴倫。相對來說，在微波這個高頻寬頻段領域，Marchand Balun因其優良的等幅值輸出特性曲線和穩定π相移輸出特性,在很多電子電路系統中都能窺到其不可替代的地位和作用。

2　Marchand　Balun的構成

Balun是一種三端口器件，因其獨特的電平轉換作用，一個輸入端是非平衡端口，兩個輸出端是平衡端口，而Marchand Balun包含兩個四分之一波長耦合段，電路產生的電流或者電壓信號從非平衡輸入端到兩輸出平衡端分別經過四分之一波長和四分之三波長，通過差值比較可知兩輸出端口的信號相位差值為π。

3　Marchand　Balun設計技術指標

本文中作者將基于LTCC技術，采用3D仿真軟件HFSS，設計了一種無源改善型小尺寸陶瓷基質材料的Marchand Balun。現給出總體設計要求，如下所示：巴倫的中心頻率回波損耗S11參數要求小于-10分貝，兩輸出端口信號的振幅AM差值應在1分貝以內、相位差值在10°以內，通帶電壓駐波比小于2，而工作帶寬即為滿足上述要求的頻帶寬度。

4　中心頻率1.70GHz　改善型Marchand　Balun設計

基于分布參數理論結構設計的Marchand Balun，其制造工藝技術由于經歷多年的使用及改良，相對比較成熟，但是傳統工藝器件尺寸過大不利于制造MEMS器件。為縮小器件尺寸，實現電路高速高效運轉，本文將基于寬邊耦合帶狀線來實現Marchand Balun的耦合區域。采用這種結構形式有兩大目標，其一縮小器件尺寸，減少空間范圍，實現器件高密度集成，其二可以發揮低溫共燒陶瓷技術中的多層基板技術的強項，擴展設計維度，充分利用3D空間來設計開發MEMS小型化Balun。該結構中有兩塊導體，它們分別位于上下對稱位置的地當中，這兩塊地采用的是同種均勻介質材料，其可以支持TEM模即橫電磁波模式的傳播。

具體設計模型內部結構如圖1所示，總共十二層，每層基板由通孔實現連接，從圖中可以看出，其中第一層和第十一層為對稱金屬地，第二、三、四、五層為四分之一波長第一耦合段，第六層為隔離兩耦合段的中間金屬地，第七、八、九、十層為四分之一波長第二耦合段，兩耦合段由寬邊耦合帶狀線實現，模型體積為3.40mm×1.71mm×1.25mm。其3D視圖如圖2所示，設計的Marchand Balun的各個輸入輸出端口與PCB測試板引線連接方式采用共面波導結構。PCB板材選用美國羅斯杰的Roger4350，這種板材不同于常規的PCB用板材環氧樹脂，它中間沒有玻纖是以陶瓷基高頻材料制成的，其介電常數3.48，基板厚度508um，損耗角正切為0.004。設計過程中可以調整PCB板材的兩大參數，即板材高度H和引線寬度W，使設計模型的各端口阻抗都為50歐姆。下面將分類探討引線寬度和偶模阻抗對Marchand Balun性能的影響。

圖1　Marchand Balun結構圖

圖2　Marchand Balun 3D視圖

4.1線寬對Marchand Balun性能的反饋

本文設計中選擇三種線寬的耦合帶狀線，分別為80um、90um、100um，在HFSS三維軟件中建立仿真模型，根據仿真結果可以得到三種線寬下模型的S參數，結果如圖3、圖4所示。線寬參數與仿真測試結果的對應關系總結至表1。

根據總結的表1數據可以看出，當寬邊耦合帶狀線的寬度為80um時，中心頻率回波損耗的S參數S11有最小值為-29.73分貝，工作帶寬范圍從1.15GHz至2.21GHz，帶寬1.08GHz；當耦合線寬增加10um 為90um時，S參數有最小值為-26.21分貝，工作帶寬范圍從1.12GHz至2.22GHz，帶寬1.10GHz；當線寬在此基礎上繼續增加10um為100um時，S參數最小值為-22.87分貝，工作帶寬范圍從1.08GHz至2.20GHz，帶寬1.12GHz。

圖3　S參數測試曲線

圖4　S參數局部放大曲線

表1　線寬與測試結果對應關系

同樣從表1中可以看出，代表線間耦合強度的參數即耦合系數，隨著設計線寬的逐漸增加，耦合強度不斷提高，從輸入端口的反射增大，S參數也在逐漸變差，但與此同時線寬的增加引起了工作帶寬的擴展。

4.2偶模阻抗Z0e對Marchand Balun性能的影響

依據Marchand Balun的設計特性，為了實現等幅度，相位差值為π的理想信號輸出，基于banlun設計的 S矩陣理論，分析寬邊耦合帶狀線的一個重要參數，即奇偶模阻抗特性，要得到理想輸出信號，在器件設計過程中一定要提高偶模阻抗Z0e，為了實現這一目標必須盡可能地抑制偶模激勵。基于此有兩種實現途徑：

途徑一，縮小寬邊耦合帶狀線的線間距，這樣可以增強耦合因子。偶模阻抗和耦合因子呈正相關，奇模阻抗和耦合因子呈負相關，因此可以根據這個線性關系通過增強耦合因子來實現偶模阻抗的提高。設計模型時，根據相關公式計算可以選擇合適的耦合帶狀線寬度和間距來提高耦合因子。

途徑二，在偶模狀態時導體會對地產生邊緣電容，隨著邊緣電容的減小，會提高偶模阻抗Z0e。因此在具體設計器件結構時，要利用這一特性減小邊緣電容。

受LTCC工藝所限，由于加工精度的限制，縮小耦合線間距不易實現。故這里選擇途徑二可行性比較高。

如圖5所示，偶模狀態下的導線與上、下金屬地相鄰，這樣會產生邊緣電容Cfe，如果定義導線尺寸不變，要減小邊緣電容Cfe可以通過縮小地的面積來實現。上、下金屬地面積給出一個基準尺寸，大小為1.18mm×2.98mm，在其短邊長度不變的前提下將其長邊逐步縮小成四種尺寸。

圖5　產生邊緣電容示意圖

在縮小尺寸引起邊緣電容Cfe逐漸減小的情況下，得到Marchand Balun的S11參數仿真曲線如圖6、圖7所示。

圖6　S11參數仿真測試曲線圖

圖7　S11參數局部放大曲線圖

從仿真測試曲線圖中可以看出，由下往上，隨著寬邊長度的減小，中心頻率回波損耗參數S11變化比較明顯，出現最小值約為-40分貝。如圖6和圖7所示，隨著金屬地面積的逐漸減小，Marchand Balun的工作帶寬逐步展寬。具體數據整理成表2。

表2　金屬地面積大小與測試結果總結

通過對仿真結果進行分析，可以得到以下結論：

1）隨著兩個金屬地面積減小，導線與地產生的邊緣電容在不斷減小，我們從圖中可以看出回波損耗參數會有一個先減小到最小值然后再增大的過程，設計的五種金屬地面積出現的S11 最小值為-39.95分貝。雖然隨著金屬地面積的減小縮小了邊緣電容，但是我們知道在LTCC結構中建立的Marchand Balun模型是在印制電路基板上測試其功能的，當金屬地板面積縮小到一定程度，耦合帶狀線與印制板表面的金屬會產生新的寄生電容，這種寄生電容的存在會使Marchand Balun的反射特性變差。為了抑制不必要的寄生電容，可以在設計巴倫的過程中增加模型高度，均衡考慮各項參數，設計出一個相對比較合理的結構。

2）隨著上、下金屬地面積的減小，邊緣電容在不斷減小，Balun的工作帶寬在展寬。由此可知，由于偶模阻抗Z0e的提高，抑制了偶模態信號，優化了帶寬范圍。但是可以看出偶模阻抗是一把雙刃劍，高的偶模阻抗可能會引起其他參數的惡化，所以在設計時不能為了提高工作帶寬而一味地增加偶模阻抗，設計時應該站在一個綜合考慮的高度，例如討論輸入端口的反射特性有哪些制約條件，這給我們帶來的設計思路應該是平衡優劣而折中考慮，這樣才能設計出更多合理優化的器件。

參考文獻

[1]Yong-Xin Guo,Z.Y.Zhang,L.C.Ong,M.Y.W.Chia.A Novel LTCC Miniaturized Dualbalnd Balun.IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol.16,No.3,March 2006,pp:143-145.

[2]P.S.Wu,C.H.Tseng,M.F. Lei,T.W.Huang,H.Wang and P.Liao. Three-Dimensional X-band New Transformer Balun Configuration Using the Multilayer Ceramic Technologies.34th EuMC,Conf. Proc., 2004.

[3]魏啟甫,孟慶鼐.LTCC及其在三維微波集成電路中的應用[J].微波學報,2005,21(5):58-62.