基于LTCC技术的无源改善型Balun设计

西安职业技术学院 高 燕



基于LTCC技术的无源改善型Balun设计

西安职业技术学院 高 燕

【摘要】本文基于LTCC技术，结合巴伦的基本原理，在对耦合传输线的奇偶模阻抗特性研究的基础之上，设计了一个中心频率为1.70GHz的小型化Marchand Balun。通过在三维仿真软件HFSS中建立模型，分析研究了宽边耦合带状线宽度对巴伦的影响，提出了两种改善Marchand Balun性能的方法。

【关键词】低温共烧陶瓷技术；巴伦；耦合传输线；奇偶模阻抗

0　前言

作为一种三维、立体高频电路的工艺技术，低温共烧陶瓷技术(LTCC)内部可设计多层耦合金属导带，且表面贴装有源器件及IC组件，其灵活多变的设计模式，可以制作出各种高密度、小型化、低成本、低功耗、高可靠性的器件和模块。而巴伦（Balun），即平衡-非平衡转换器，作为电子通信系统一种关键性器件，在实际电路使用过程中有两大基本用途：首先，依据微波电路中的天线理论，偶极子、双锥等偶极天线属于平衡型天线，而其馈线尤其以同轴电缆为主，是属于非平衡型传输线，如果直接将这两部分相连会在电缆表面产生高频电流，使得天线极化方向受到影响，降低天线的方向精确度，而使用banlun就可以实现两种不同的信号电平的转换，遏制高频电流噪声，并且在两个输出端获得两个振幅相等，相位差值为π的信号；其次，巴伦本质上可以说是一种传输线变压器，当输入输出级电路出现阻抗不匹配时，中间级的balun可实现阻抗变换。

1　Balun的分类

根据是否使用晶体管等有源器件，Balun大体可分为有源巴伦和无源巴伦。对于存在控制电压或电流信号的有源balun，在使用过程中会产生不必要的功率损耗和干扰噪声，所以使用起来有一定局限性；对于无源balun根据结构形式可以分为三类，分别是集总参数式、分布参数式以及螺旋变压器式。其中常用的分布参数式巴伦又可进一步划分为180°混合环式和Marchand 巴伦。相对来说，在微波这个高频宽频段领域，Marchand Balun因其优良的等幅值输出特性曲线和稳定π相移输出特性,在很多电子电路系统中都能窥到其不可替代的地位和作用。

2　Marchand　Balun的构成

Balun是一种三端口器件，因其独特的电平转换作用，一个输入端是非平衡端口，两个输出端是平衡端口，而Marchand Balun包含两个四分之一波长耦合段，电路产生的电流或者电压信号从非平衡输入端到两输出平衡端分别经过四分之一波长和四分之三波长，通过差值比较可知两输出端口的信号相位差值为π。

3　Marchand　Balun设计技术指标

本文中作者将基于LTCC技术，采用3D仿真软件HFSS，设计了一种无源改善型小尺寸陶瓷基质材料的Marchand Balun。现给出总体设计要求，如下所示：巴伦的中心频率回波损耗S11参数要求小于-10分贝，两输出端口信号的振幅AM差值应在1分贝以内、相位差值在10°以内，通带电压驻波比小于2，而工作带宽即为满足上述要求的频带宽度。

4　中心频率1.70GHz　改善型Marchand　Balun设计

基于分布参数理论结构设计的Marchand Balun，其制造工艺技术由于经历多年的使用及改良，相对比较成熟，但是传统工艺器件尺寸过大不利于制造MEMS器件。为缩小器件尺寸，实现电路高速高效运转，本文将基于宽边耦合带状线来实现Marchand Balun的耦合区域。采用这种结构形式有两大目标，其一缩小器件尺寸，减少空间范围，实现器件高密度集成，其二可以发挥低温共烧陶瓷技术中的多层基板技术的强项，扩展设计维度，充分利用3D空间来设计开发MEMS小型化Balun。该结构中有两块导体，它们分别位于上下对称位置的地当中，这两块地采用的是同种均匀介质材料，其可以支持TEM模即横电磁波模式的传播。

具体设计模型内部结构如图1所示，总共十二层，每层基板由通孔实现连接，从图中可以看出，其中第一层和第十一层为对称金属地，第二、三、四、五层为四分之一波长第一耦合段，第六层为隔离两耦合段的中间金属地，第七、八、九、十层为四分之一波长第二耦合段，两耦合段由宽边耦合带状线实现，模型体积为3.40mm×1.71mm×1.25mm。其3D视图如图2所示，设计的Marchand Balun的各个输入输出端口与PCB测试板引线连接方式采用共面波导结构。PCB板材选用美国罗斯杰的Roger4350，这种板材不同于常规的PCB用板材环氧树脂，它中间没有玻纤是以陶瓷基高频材料制成的，其介电常数3.48，基板厚度508um，损耗角正切为0.004。设计过程中可以调整PCB板材的两大参数，即板材高度H和引线宽度W，使设计模型的各端口阻抗都为50欧姆。下面将分类探讨引线宽度和偶模阻抗对Marchand Balun性能的影响。

图1　Marchand Balun结构图

图2　Marchand Balun 3D视图

4.1线宽对Marchand Balun性能的反馈

本文设计中选择三种线宽的耦合带状线，分别为80um、90um、100um，在HFSS三维软件中建立仿真模型，根据仿真结果可以得到三种线宽下模型的S参数，结果如图3、图4所示。线宽参数与仿真测试结果的对应关系总结至表1。

根据总结的表1数据可以看出，当宽边耦合带状线的宽度为80um时，中心频率回波损耗的S参数S11有最小值为-29.73分贝，工作带宽范围从1.15GHz至2.21GHz，带宽1.08GHz；当耦合线宽增加10um 为90um时，S参数有最小值为-26.21分贝，工作带宽范围从1.12GHz至2.22GHz，带宽1.10GHz；当线宽在此基础上继续增加10um为100um时，S参数最小值为-22.87分贝，工作带宽范围从1.08GHz至2.20GHz，带宽1.12GHz。

图3　S参数测试曲线

图4　S参数局部放大曲线

表1　线宽与测试结果对应关系

同样从表1中可以看出，代表线间耦合强度的参数即耦合系数，随着设计线宽的逐渐增加，耦合强度不断提高，从输入端口的反射增大，S参数也在逐渐变差，但与此同时线宽的增加引起了工作带宽的扩展。

4.2偶模阻抗Z0e对Marchand Balun性能的影响

依据Marchand Balun的设计特性，为了实现等幅度，相位差值为π的理想信号输出，基于banlun设计的 S矩阵理论，分析宽边耦合带状线的一个重要参数，即奇偶模阻抗特性，要得到理想输出信号，在器件设计过程中一定要提高偶模阻抗Z0e，为了实现这一目标必须尽可能地抑制偶模激励。基于此有两种实现途径：

途径一，缩小宽边耦合带状线的线间距，这样可以增强耦合因子。偶模阻抗和耦合因子呈正相关，奇模阻抗和耦合因子呈负相关，因此可以根据这个线性关系通过增强耦合因子来实现偶模阻抗的提高。设计模型时，根据相关公式计算可以选择合适的耦合带状线宽度和间距来提高耦合因子。

途径二，在偶模状态时导体会对地产生边缘电容，随着边缘电容的减小，会提高偶模阻抗Z0e。因此在具体设计器件结构时，要利用这一特性减小边缘电容。

受LTCC工艺所限，由于加工精度的限制，缩小耦合线间距不易实现。故这里选择途径二可行性比较高。

如图5所示，偶模状态下的导线与上、下金属地相邻，这样会产生边缘电容Cfe，如果定义导线尺寸不变，要减小边缘电容Cfe可以通过缩小地的面积来实现。上、下金属地面积给出一个基准尺寸，大小为1.18mm×2.98mm，在其短边长度不变的前提下将其长边逐步缩小成四种尺寸。

图5　产生边缘电容示意图

在缩小尺寸引起边缘电容Cfe逐渐减小的情况下，得到Marchand Balun的S11参数仿真曲线如图6、图7所示。

图6　S11参数仿真测试曲线图

图7　S11参数局部放大曲线图

从仿真测试曲线图中可以看出，由下往上，随着宽边长度的减小，中心频率回波损耗参数S11变化比较明显，出现最小值约为-40分贝。如图6和图7所示，随着金属地面积的逐渐减小，Marchand Balun的工作带宽逐步展宽。具体数据整理成表2。

表2　金属地面积大小与测试结果总结

通过对仿真结果进行分析，可以得到以下结论：

1）随着两个金属地面积减小，导线与地产生的边缘电容在不断减小，我们从图中可以看出回波损耗参数会有一个先减小到最小值然后再增大的过程，设计的五种金属地面积出现的S11 最小值为-39.95分贝。虽然随着金属地面积的减小缩小了边缘电容，但是我们知道在LTCC结构中建立的Marchand Balun模型是在印制电路基板上测试其功能的，当金属地板面积缩小到一定程度，耦合带状线与印制板表面的金属会产生新的寄生电容，这种寄生电容的存在会使Marchand Balun的反射特性变差。为了抑制不必要的寄生电容，可以在设计巴伦的过程中增加模型高度，均衡考虑各项参数，设计出一个相对比较合理的结构。

2）随着上、下金属地面积的减小，边缘电容在不断减小，Balun的工作带宽在展宽。由此可知，由于偶模阻抗Z0e的提高，抑制了偶模态信号，优化了带宽范围。但是可以看出偶模阻抗是一把双刃剑，高的偶模阻抗可能会引起其他参数的恶化，所以在设计时不能为了提高工作带宽而一味地增加偶模阻抗，设计时应该站在一个综合考虑的高度，例如讨论输入端口的反射特性有哪些制约条件，这给我们带来的设计思路应该是平衡优劣而折中考虑，这样才能设计出更多合理优化的器件。

参考文献

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