基于LTCC技術(shù)的無(wú)源改善型Balun設(shè)計(jì)

西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 高 燕

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基于LTCC技術(shù)的無(wú)源改善型Balun設(shè)計(jì)

西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 高 燕

【摘要】本文基于LTCC技術(shù)，結(jié)合巴倫的基本原理，在對(duì)耦合傳輸線的奇偶模阻抗特性研究的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為1.70GHz的小型化Marchand Balun。通過(guò)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(duì)巴倫的影響，提出了兩種改善Marchand Balun性能的方法。

【關(guān)鍵詞】低溫共燒陶瓷技術(shù)；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(shù)，低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)內(nèi)部可設(shè)計(jì)多層耦合金屬導(dǎo)帶，且表面貼裝有源器件及IC組件，其靈活多變的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器，作為電子通信系統(tǒng)一種關(guān)鍵性器件，在實(shí)際電路使用過(guò)程中有兩大基本用途：首先，依據(jù)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(huì)在電纜表面產(chǎn)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(shí)現(xiàn)兩種不同的信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換，遏制高頻電流噪聲，并且在兩個(gè)輸出端獲得兩個(gè)振幅相等，相位差值為π的信號(hào)；其次，巴倫本質(zhì)上可以說(shuō)是一種傳輸線變壓器，當(dāng)輸入輸出級(jí)電路出現(xiàn)阻抗不匹配時(shí)，中間級(jí)的balun可實(shí)現(xiàn)阻抗變換。

1　Balun的分類

根據(jù)是否使用晶體管等有源器件，Balun大體可分為有源巴倫和無(wú)源巴倫。對(duì)于存在控制電壓或電流信號(hào)的有源balun，在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不必要的功率損耗和干擾噪聲，所以使用起來(lái)有一定局限性；對(duì)于無(wú)源balun根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可以分為三類，分別是集總參數(shù)式、分布參數(shù)式以及螺旋變壓器式。其中常用的分布參數(shù)式巴倫又可進(jìn)一步劃分為180°混合環(huán)式和Marchand 巴倫。相對(duì)來(lái)說(shuō)，在微波這個(gè)高頻寬頻段領(lǐng)域，Marchand Balun因其優(yōu)良的等幅值輸出特性曲線和穩(wěn)定π相移輸出特性,在很多電子電路系統(tǒng)中都能窺到其不可替代的地位和作用。

2　Marchand　Balun的構(gòu)成

Balun是一種三端口器件，因其獨(dú)特的電平轉(zhuǎn)換作用，一個(gè)輸入端是非平衡端口，兩個(gè)輸出端是平衡端口，而Marchand Balun包含兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)耦合段，電路產(chǎn)生的電流或者電壓信號(hào)從非平衡輸入端到兩輸出平衡端分別經(jīng)過(guò)四分之一波長(zhǎng)和四分之三波長(zhǎng)，通過(guò)差值比較可知兩輸出端口的信號(hào)相位差值為π。

3　Marchand　Balun設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

本文中作者將基于LTCC技術(shù)，采用3D仿真軟件HFSS，設(shè)計(jì)了一種無(wú)源改善型小尺寸陶瓷基質(zhì)材料的Marchand Balun。現(xiàn)給出總體設(shè)計(jì)要求，如下所示：巴倫的中心頻率回波損耗S11參數(shù)要求小于-10分貝，兩輸出端口信號(hào)的振幅AM差值應(yīng)在1分貝以內(nèi)、相位差值在10°以內(nèi)，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(shè)計(jì)

基于分布參數(shù)理論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的Marchand Balun，其制造工藝技術(shù)由于經(jīng)歷多年的使用及改良，相對(duì)比較成熟，但是傳統(tǒng)工藝器件尺寸過(guò)大不利于制造MEMS器件。為縮小器件尺寸，實(shí)現(xiàn)電路高速高效運(yùn)轉(zhuǎn)，本文將基于寬邊耦合帶狀線來(lái)實(shí)現(xiàn)Marchand Balun的耦合區(qū)域。采用這種結(jié)構(gòu)形式有兩大目標(biāo)，其一縮小器件尺寸，減少空間范圍，實(shí)現(xiàn)器件高密度集成，其二可以發(fā)揮低溫共燒陶瓷技術(shù)中的多層基板技術(shù)的強(qiáng)項(xiàng)，擴(kuò)展設(shè)計(jì)維度，充分利用3D空間來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)MEMS小型化Balun。該結(jié)構(gòu)中有兩塊導(dǎo)體，它們分別位于上下對(duì)稱位置的地當(dāng)中，這兩塊地采用的是同種均勻介質(zhì)材料，其可以支持TEM模即橫電磁波模式的傳播。

具體設(shè)計(jì)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，總共十二層，每層基板由通孔實(shí)現(xiàn)連接，從圖中可以看出，其中第一層和第十一層為對(duì)稱金屬地，第二、三、四、五層為四分之一波長(zhǎng)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(zhǎng)第二耦合段，兩耦合段由寬邊耦合帶狀線實(shí)現(xiàn)，模型體積為3.40mm×1.71mm×1.25mm。其3D視圖如圖2所示，設(shè)計(jì)的Marchand Balun的各個(gè)輸入輸出端口與PCB測(cè)試板引線連接方式采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。PCB板材選用美國(guó)羅斯杰的Roger4350，這種板材不同于常規(guī)的PCB用板材環(huán)氧樹(shù)脂，它中間沒(méi)有玻纖是以陶瓷基高頻材料制成的，其介電常數(shù)3.48，基板厚度508um，損耗角正切為0.004。設(shè)計(jì)過(guò)程中可以調(diào)整PCB板材的兩大參數(shù)，即板材高度H和引線寬度W，使設(shè)計(jì)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(duì)Marchand Balun性能的影響。

圖1　Marchand Balun結(jié)構(gòu)圖

圖2　Marchand Balun 3D視圖

4.1線寬對(duì)Marchand Balun性能的反饋

本文設(shè)計(jì)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(jù)仿真結(jié)果可以得到三種線寬下模型的S參數(shù)，結(jié)果如圖3、圖4所示。線寬參數(shù)與仿真測(cè)試結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系總結(jié)至表1。

根據(jù)總結(jié)的表1數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)寬邊耦合帶狀線的寬度為80um時(shí)，中心頻率回波損耗的S參數(shù)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(dāng)耦合線寬增加10um 為90um時(shí)，S參數(shù)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(dāng)線寬在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加10um為100um時(shí)，S參數(shù)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(shù)測(cè)試曲線

圖4　S參數(shù)局部放大曲線

表1　線寬與測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)關(guān)系

同樣從表1中可以看出，代表線間耦合強(qiáng)度的參數(shù)即耦合系數(shù)，隨著設(shè)計(jì)線寬的逐漸增加，耦合強(qiáng)度不斷提高，從輸入端口的反射增大，S參數(shù)也在逐漸變差，但與此同時(shí)線寬的增加引起了工作帶寬的擴(kuò)展。

4.2偶模阻抗Z0e對(duì)Marchand Balun性能的影響

依據(jù)Marchand Balun的設(shè)計(jì)特性，為了實(shí)現(xiàn)等幅度，相位差值為π的理想信號(hào)輸出，基于banlun設(shè)計(jì)的 S矩陣?yán)碚?，分析寬邊耦合帶狀線的一個(gè)重要參數(shù)，即奇偶模阻抗特性，要得到理想輸出信號(hào)，在器件設(shè)計(jì)過(guò)程中一定要提高偶模阻抗Z0e，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必須盡可能地抑制偶模激勵(lì)?；诖擞袃煞N實(shí)現(xiàn)途徑：

途徑一，縮小寬邊耦合帶狀線的線間距，這樣可以增強(qiáng)耦合因子。偶模阻抗和耦合因子呈正相關(guān)，奇模阻抗和耦合因子呈負(fù)相關(guān)，因此可以根據(jù)這個(gè)線性關(guān)系通過(guò)增強(qiáng)耦合因子來(lái)實(shí)現(xiàn)偶模阻抗的提高。設(shè)計(jì)模型時(shí)，根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算可以選擇合適的耦合帶狀線寬度和間距來(lái)提高耦合因子。

途徑二，在偶模狀態(tài)時(shí)導(dǎo)體會(huì)對(duì)地產(chǎn)生邊緣電容，隨著邊緣電容的減小，會(huì)提高偶模阻抗Z0e。因此在具體設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shí)現(xiàn)。故這里選擇途徑二可行性比較高。

如圖5所示，偶模狀態(tài)下的導(dǎo)線與上、下金屬地相鄰，這樣會(huì)產(chǎn)生邊緣電容Cfe，如果定義導(dǎo)線尺寸不變，要減小邊緣電容Cfe可以通過(guò)縮小地的面積來(lái)實(shí)現(xiàn)。上、下金屬地面積給出一個(gè)基準(zhǔn)尺寸，大小為1.18mm×2.98mm，在其短邊長(zhǎng)度不變的前提下將其長(zhǎng)邊逐步縮小成四種尺寸。

圖5　產(chǎn)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(shù)仿真曲線如圖6、圖7所示。

圖6　S11參數(shù)仿真測(cè)試曲線圖

圖7　S11參數(shù)局部放大曲線圖

從仿真測(cè)試曲線圖中可以看出，由下往上，隨著寬邊長(zhǎng)度的減小，中心頻率回波損耗參數(shù)S11變化比較明顯，出現(xiàn)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(shù)據(jù)整理成表2。

表2　金屬地面積大小與測(cè)試結(jié)果總結(jié)

通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

1）隨著兩個(gè)金屬地面積減小，導(dǎo)線與地產(chǎn)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(shù)會(huì)有一個(gè)先減小到最小值然后再增大的過(guò)程，設(shè)計(jì)的五種金屬地面積出現(xiàn)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(jié)構(gòu)中建立的Marchand Balun模型是在印制電路基板上測(cè)試其功能的，當(dāng)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(huì)產(chǎn)生新的寄生電容，這種寄生電容的存在會(huì)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(shè)計(jì)巴倫的過(guò)程中增加模型高度，均衡考慮各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)計(jì)出一個(gè)相對(duì)比較合理的結(jié)構(gòu)。

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(tài)信號(hào)，優(yōu)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(huì)引起其他參數(shù)的惡化，所以在設(shè)計(jì)時(shí)不能為了提高工作帶寬而一味地增加偶模阻抗，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該站在一個(gè)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(lái)的設(shè)計(jì)思路應(yīng)該是平衡優(yōu)劣而折中考慮，這樣才能設(shè)計(jì)出更多合理優(yōu)化的器件。

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