一種緊湊型LTCC差分分支線耦合器

王亮 施金 徐凱

（1.南通大學(xué)智能信息技術(shù)研究中心，南通 226019；2.江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院電子與信息學(xué)院，南通 226011）

引 言

隨著無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，微波電路中的外界噪聲問題以及電磁串?dāng)_等問題越來越嚴(yán)重，因此在一定程度上對(duì)微波集成電路和無線通信技術(shù)的發(fā)展形成了制約[1].但幸運(yùn)的是差分電路擁有對(duì)環(huán)境噪聲和電磁串?dāng)_高度免疫的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決這一棘手問題.

對(duì)于差分電路，剛開始出現(xiàn)的是有源電路設(shè)計(jì)，這些電路在后來發(fā)展的射頻集成電路(radio frequency integrated circuit, RFIC)以及微波單片集成電路(monolithic microwave integrated circuit, MMIC)中得到了廣泛應(yīng)用，例如一些差分式的低噪放[2]、混頻器[3]及振蕩器[4]等有源器件等.而對(duì)于無源差分式電路的研究直到2007年才得到學(xué)者們的關(guān)注[5]，且目前研究較多的是差分式濾波器和差分式功分器.對(duì)于差分式濾波器主要在半波長(zhǎng)諧振器的基礎(chǔ)上展開研究，其電路結(jié)構(gòu)關(guān)于中心線對(duì)稱，主要研究?jī)?nèi)容包括帶寬擴(kuò)展、尺寸減小及頻率選擇性提高等進(jìn)行設(shè)計(jì).例如一些寬帶[6]、雙通帶[7]及可調(diào)[8]的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)能夠廣泛應(yīng)用于差分式系統(tǒng)，提高系統(tǒng)性能.對(duì)于差分式功分器，現(xiàn)有的報(bào)道主要是基于半波長(zhǎng)傳輸線[9-10]、耦合線[11]以及背對(duì)背等結(jié)構(gòu)[12]實(shí)現(xiàn).

分支線耦合器作為微波前端中的重要部件，在實(shí)現(xiàn)功率分配的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)輸出端口之間相位分配，因此，差分式分支線耦合器具有重要的研究?jī)r(jià)值.早期，學(xué)者們也是通過傳統(tǒng)的半波長(zhǎng)微帶線方式實(shí)現(xiàn)差分式分支線耦合器[13]，但是此類設(shè)計(jì)的電路尺寸較大.為了減小尺寸，學(xué)者們分別通過折疊微帶耦合線[14]、耦合微帶線[15-16]以及反相器[17]等方式實(shí)現(xiàn)了小型化差分分支線耦合器，其中部分設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的單端微帶分支線耦合器相似.然而，電路的尺寸仍然很大，如0.3λg×0.3λg(λg為中心頻率的導(dǎo)波波長(zhǎng))，難以作為系統(tǒng)中的實(shí)用器件.

本文通過在低溫共燒陶瓷(low temperature cofired ceramic, LTCC)中分布具有特定奇模特性阻抗的耦合線，實(shí)現(xiàn)了一種緊湊型差分分支線耦合器.其尺寸減小為現(xiàn)有差分設(shè)計(jì)的5.4%，與相關(guān)報(bào)道的單端LTCC設(shè)計(jì)幾乎相同[18].同時(shí)，由于其差分端口通過耦合線實(shí)現(xiàn)，更有利于與其他差分器件在系統(tǒng)中相連.此外，與已有的差分設(shè)計(jì)產(chǎn)品相比，該設(shè)計(jì)具有更寬的帶寬，與LTCC單端設(shè)計(jì)相比具有更低的損耗.

1 差分分支線耦合器及理論分析

1.1 差分分支線耦合器的原理模型

圖1為所設(shè)計(jì)差分分支線耦合器的電路模型，主要由四條λg/4耦合線和四個(gè)差分端口組成.差分端口通過耦合線實(shí)現(xiàn)，便于與其他差分芯片連接.為實(shí)現(xiàn)該差分分支線耦合器差模等功率分配和相位分配的性能，耦合線的差模特性阻抗需滿足下述關(guān)系：

圖1 差分分支線耦合器電路模型Fig.1 Circuit model of the proposed differential branch-line coupler

式中，Z0o是奇模端口阻抗，設(shè)置為50 Ω.通過式(1)和(2)計(jì)算得到耦合傳輸線1和4的奇模特性阻抗Z1o=35.4 Ω，耦合傳輸線2和3的奇模特性阻抗Z2o=50 Ω.

1.2 耦合線分析

圖1所示電路模型的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式是通過在單層基板上分布耦合微帶線，該方法一方面需要通過在金屬地上開槽便于傳輸線連接處的走線，從而增加了電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度；另一方面，尺寸依然較大，無法作為射頻前端系統(tǒng)中的實(shí)用器件.為了解決上述兩個(gè)局限性，本文提出了通過在LTCC中不同層分布具有特定奇模特性阻抗耦合線的方式實(shí)現(xiàn)圖1所示的差分分支線耦合器.

該差分分支線耦合器是以頻率1.84 GHz為中心，加工在介電常數(shù)為5.9、高度為1.8 mm、損耗角為0.002的LTCC Ferro A6-M基片上，每層厚度為0.1 mm.圖2(a)為L(zhǎng)TCC中具體的層分布.為了更好地對(duì)LTCC中的耦合線進(jìn)行布局，圖2(b)和2(c)分別展示了耦合線以及單條帶狀線在LTCC中的電場(chǎng)分布，可以看出耦合線的電場(chǎng)主要集中在耦合線附近，而單條帶狀線的電場(chǎng)分布相對(duì)分散.因此，耦合線可以在LTCC中相互重疊以進(jìn)一步縮小尺寸，并且可以通過減少接地層的使用來實(shí)現(xiàn)低損耗.

圖2 LTCC中的層分布和場(chǎng)分布Fig.2 Layer distribution and field distributions in LTCC

此外，表1給出了不同大地尺寸下LTCC耦合線的奇模阻抗及單帶狀線的特性阻抗.結(jié)果表明，耦合線的奇模阻抗變化很小，遠(yuǎn)小于單帶狀線的特性阻抗變化.因此，對(duì)于耦合線實(shí)現(xiàn)的LTCC設(shè)計(jì)，可以將大地層的金屬切割，從而便于封裝和饋電結(jié)構(gòu)的布局.

表1 不同大地尺寸下LTCC耦合線的奇模阻抗和單帶狀線的特性阻抗Tab.1 The odd-mode impedance of the coupled line and the characteristic impedance of the single strip line in LTCC under different ground dimensions

為了得到耦合線的物理尺寸，首先研究耦合線在不同層上的寬度和間距，以便得到最有利的耦合線分布.Zo=35.4 Ω和Zo=50 Ω各層的耦合線尺寸見表2.由表可見：Zo=35.4 Ω的耦合線(圖1中的傳輸線1和4)需要分布在相對(duì)靠上或靠下的層上(±7層)，因?yàn)樵凇?層上間隙一定時(shí)線寬最窄；Zo=50 Ω的耦合線(圖1中的傳輸線2和3)需要分布在相對(duì)中間的層上(±2層和±4層)，因?yàn)樵凇?層和±4層上線寬一定時(shí)間隙相對(duì)較窄.

表2 Zo=35.4 Ω和Zo=50 Ω時(shí)各層耦合線的寬度和間隙值Tab.2 The values of the width and the gap of the coupled lines on different layers for Zo = 35.4 Ω and Zo = 50 Ω

2 案例分析

根據(jù)上述研究分析，設(shè)計(jì)的差分分支線耦合器的結(jié)構(gòu)布局如圖3所示.黑色圓孔是不同層上耦合線之間的連接通孔.地面和端口位于±9層.該差分分支線耦合器在中心頻率為1.84 GHz優(yōu)化后的參數(shù)尺寸如下：w0= 0.22 mm,s0= 0.8 mm,w1= 0.21 mm,l1=18.18 mm,s1= 0.15 mm,l2= 4.68 mm,w2= 0.18 mm,s2= 0.36 mm,l3= 3.3 mm,l4= 5.78 mm.整體尺寸僅為5 mm × 5 mm × 1.8 mm (0.07λg× 0.07λg× 0.025λg).

圖3 差分分支線耦合器的布局Fig.3 Layout of the proposed differential branch-line coupler

根據(jù)以上分析建立的差分分支線耦合器通過CST軟件進(jìn)行仿真，利用德N5230C 四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試.為了便于測(cè)試，可以通過圖4中的印刷電路板進(jìn)行輔助測(cè)試，但是在與其他差分器件相集成時(shí)并不需要該測(cè)試板，本設(shè)計(jì)在仿真時(shí)已經(jīng)考慮了該輔助印刷電路板對(duì)LTCC部分的性能影響.

圖4 差分分支線耦合器的實(shí)物照片F(xiàn)ig.4 Photograph of the proposed differential branch-line coupler

2.1 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

所設(shè)計(jì)差分分支線耦合器的差模(Sdd)響應(yīng)如圖5(a)所示，可以看出：實(shí)測(cè)回波損耗大于15 dB的頻率范圍為1.70～2.04 GHz(相對(duì)帶寬約為18.2%)，最小差模插入損耗約為0.6 dB；在1.67～2.00 GHz頻率范圍內(nèi)端口1和4之間實(shí)測(cè)差模隔離大于15 dB，即相對(duì)帶寬約為18.0%.

差分分支線耦合器的共差模(Sdc)轉(zhuǎn)換響應(yīng)如圖5(b)所示，可以看出，實(shí)測(cè)|Sdc21|、|Sdc31|和|Sdc41|在1～3 GHz頻率范圍內(nèi)均小于?15 dB.如圖5(c)所示，所設(shè)計(jì)的差分分支線耦合器的端口2和3的相位差介于80°到100°之間的頻率范圍為1.50～2.25 GHz(相對(duì)帶寬約為40.0%).

圖5 差分分支線耦合器的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.5 Simulated and measured results of the proposed differential branch-line coupler

2.2 性能對(duì)比

表3列出了所設(shè)計(jì)的差分分支線耦合器與現(xiàn)有報(bào)道相關(guān)設(shè)計(jì)的性能對(duì)比.可以看出，與已有的差分分支線耦合器相比，本文耦合器具有尺寸小、匹配帶寬寬、相位差帶寬寬的特點(diǎn).與單端LTCC分支線耦合器相比，所設(shè)計(jì)差分分支線耦合器在多端口的條件下具有相近尺寸，同時(shí)還具有損耗低和帶寬增強(qiáng)的特點(diǎn).

表3 本文設(shè)計(jì)與其他文獻(xiàn)相關(guān)設(shè)計(jì)的性能對(duì)比Tab.3 Performance comparison of designs among this paper and other literatures

3 結(jié) 論

為了解決現(xiàn)有差分分支線耦合器尺寸大不易集成的問題，通過在LTCC不同層分布具有特定奇模特性阻抗耦合線的方式，提出了一種小型化差分分支線耦合器.與現(xiàn)有的相關(guān)設(shè)計(jì)相比，其具有尺寸小、損耗低、匹配帶寬寬、相位差帶寬寬和易于與差分芯片連接等特點(diǎn)，可以作為一種實(shí)用的微波器件.在此基礎(chǔ)上，如何提高共模抑制水平以及融合其他性能是此類設(shè)計(jì)的主要研究方向.