CN102856620B

CN102856620B - 一种采用叠层结构的巴伦

Info

Publication number: CN102856620B
Application number: CN201210312393.0A
Authority: CN
Inventors: 邢孟江; 李小珍; 邢孟道
Original assignee: XI'AN CIXIN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Chengdu Hongke Electronic Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2032-08-29
Also published as: CN102856620A

Abstract

本发明公开了一种采用叠层结构的巴伦，包括一个输入端口P1和两个输出端口P2、P3，所述输入端口P1与电容C1的输入极板连接，电容C1的输出极板与电容C2的输入极板和带状线L1的输入端通过垂直通孔连接，电容C2的输出极板与电容C3的输入极板与端口地3连接，L1的输出端与带状线L2的输入端通过垂直通孔与端口地2连接，带状线L2的输出端与电容C3的输出极板通过垂直通孔连接并与电容C4的输入极板连接，C4的输出极板与输出端口P2连接，带状线L3的输入端通过垂直通孔与端口地连接，电容C5的输入极板与端口地1连接，带状线L3的输出端与C5的输出极板通过垂直通孔连接并与电容C6的输入极板连接，C6的输出极板与输出端口P3连接。该发明能显著减小尺寸。

Description

一种采用叠层结构的巴伦

技术领域

本发明属于电子技术领域，它涉及一种采用叠层结构的巴伦，并具体涉及一种采用叠层结构具有带通滤波性能的巴伦。

背景技术

巴伦(Balun)是一种三端口器件，由一个不平衡端口和两个平衡端口组成。两个平衡端口的信号有相同的幅值，但是有180°的相移。许多电路需要平衡的输入和输出，从而用来减少电路的噪声和高次谐波，改善电路的动态范围。

巴伦作为一个关键性器件，被广泛地用于微波平衡混频器、倍频器、推挽放大器、移相器、平衡调制器和偶极子天线等设备中。

在微波电路的设计中，传统的巴伦制作方法有很多种，如高频开路法、磁环三线绕制、高频变压器法等，但高频开路法带宽很窄，而磁环三线绕制和高频变压器法在高频的损耗较大。相比传统的巴伦，平面微带或带线巴伦可以直接印制在电路板或PCB板上，具有加工简单、制作精确、结构紧凑等特点。然而平面工艺仍然没有找到一种有效减小器件尺寸的设计方法。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种采用叠层结构的巴伦以尽量减少尺寸，并且该巴伦带有带通滤波性能，从而实现更多的性能。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种采用叠层结构的巴伦，包括一个输入端口P1和两个输出端口P2、P3，所述输入端口P1与电容C1的输入极板连接，电容C1的输出极板与电容C2的输入极板和带状线L1的输入端通过垂直通孔连接，电容C2的输出极板接地，电容C3的输入极板与端口地2连接，带状L1的输出端与端口地1连接，电容C5的输入极板与端口地3连接，带状线L2的输出端与电容C3的输出极板通过垂直通孔连接并与电容C4的输入极板连接，电容C4的输出极板与输出端口P2连接，电容C5的输入极板与端口地3连接，带状线L3的输出端与电容C5的输出极板通过垂直通孔连接并与电容C6的输入极板连接，电容C6的输出极板与输出端口P3连接。

其中，优选的结构是，所述电容C1、C2、C3、C4、C5、C6采取的是金属-介质-金属(MIM)形式的平板电容，其通过不同层之间极板实现，平板电容中间的介质由LTCC陶瓷基板构成。

其中，优选的结构是，所述带状线L1、L2、L3为金属直短线，带状线的一端与电容的一个极板通过垂直通孔连接，带状线的另一端与端口地连接。

其中，优选的结构是，所述端口地1与端口地2之间利用平板金属连接保证端口地相连，而端口地3与巴伦内部结构没有连接。

其中，优选的结构是，所述采用叠层结构具有带通滤波性能的巴伦包括19层介质基板，其中，在介质基板下表面处设有金属层；在最上面的封装层的金属印制于基板的上表面。

其中，优选的结构是，所述巴伦包括多层介质基板，其中，第2、3、4、5、6、7、8、11、14、15、17、18为金属导体层，所述第5、6、7金属导体层左边部分构成电容C1，所述第2、3、4、7、8金属导体层左边部分构成电容C2，所述第11金属导体层为带状线L1、L2、L3，所述第14、15、17、18金属导体层构成电容C3，所述第14、15金属导体层和16层构成电容C4，所述第2、3、4、7、8金属导体层右边部分构成电容C5，所述第5、6、7金属导体层右边部分构成电容C6。

其中，优选的结构是，所述第6金属导体层左边部分与输入端口P1连接作为电容C1的输入极板，第5、7金属导体层左边部分为电容C1的输出极板，并作为电容C2的输入极板的一部分通过垂直通孔与第3金属导体层左边部分的电容C2输入极板的另一部分连接，并且和第11金属导体层中间的带状线L1的输入端连接。

其中，优选的结构是，所述第11金属导体层中间的带状线L1的输出端与后面带状线L2的输入端连接并通过垂直金属通孔与第14层的金属地面连接，带状线L2的输出端通过垂直金属通孔与第15、17金属导体层连接，第14、18金属导体层为地面与端口地连接并作为电容C3的输入极板，而上述第15、17金属导体层为电容C3的输出极板并同时作为电容C4的输入极板，第16金属导体层与输出端口P2连接作为电容C4的输出极板。

其中，优选的结构是，所述第2、4、8、14、18金属导体层为地面与端口地1和端口地2连接，且所述第3、5、6、7金属导体层中间部分也为地面与端口地1和端口地2连接。

其中，优选的结构是，所述第9、10、12、13层为50μm厚度的LTCC陶瓷板，且这些层的陶瓷板下面没有金属层。

其中，优选的结构是，所述第1到19层介质基板的相对介电常数为7.8。

本发明的有益效果如下：采取了上述方案以后，能够充分利用三维多层空间并显著减小巴伦的尺寸，且该发明将巴伦和带通滤波器合为一个器件，使巴伦既有巴伦的功能也具有带通滤波器的功能。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细的描述，以使得本发明的上述优点更加明确。

图1是本发明采用叠层结构的巴伦的等效电路图；

图2是本发明具体实施方式所述的采用叠层结构的巴伦的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式所述的采用叠层结构的巴伦的整体封装结构示意图；

图4是本发明具体实施方式所述的采用叠层结构的巴伦的S参数幅度的仿真结果。

图5是本发明具体实施方式所述的采用叠层结构的巴伦的S参数相位的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

近几年来，随着对低成本、低损耗的射频模块和无线通信系统的需求量不断加大，叠层陶瓷集成电路(MCIC)，例如低温共烧陶瓷(LTCC)技术，已得到了广泛运用，由于该方法充分利用三维多层空间，能显著减小巴伦的尺寸，本发明根据上述工艺，由此形成一个采用叠层结构的巴伦，从而显著地减少了巴伦的尺寸。

此外，传统的巴伦只有把不平衡信号转换为平衡信号和阻抗变换的作用，而本发明将巴伦和带通滤波器合为一个器件，使巴伦既有巴伦的功能也具有带通滤波器的功能，由此具有更好的效果。

在此，主要结合附图对本申请的巴伦的结构进行说明，如图1所示，本发明采用叠层结构的巴伦，同时具有带通滤波性能的巴伦，具体来说，该巴伦采用三线耦合结构，并且具有带通滤波性能，带通滤波器两个谐振腔之间分别采用感性耦合和容性耦合两种方式。

其中，所述采用叠层结构的巴伦，包括一个输入端口P1和两个输出端口P2、P3，所述输入端口P1与电容C1的输入极板连接，电容C1的输出极板与电容C2的输入极板和带状线L1的输入端通过垂直通孔连接，电容C2的输出极板接地，电容C3的输入极板与端口地2连接，带状L1的输出端与端口地1连接，电容C5的输入极板与端口地3连接，带状线L2的输出端与电容C3的输出极板通过垂直通孔连接并与电容C4的输入极板连接，电容C4的输出极板与输出端口P2连接，电容C5的输入极板与端口地3连接，带状线L3的输出端与电容C5的输出极板通过垂直通孔连接并与电容C6的输入极板连接，电容C6的输出极板与输出端口P3连接。

其中，所述电容C1、C2、C3、C4、C5、C6采取的是金属-介质-金属(MIM)形式的平板电容，其通过不同层之间极板实现，平板电容中间的介质由LTCC陶瓷基板构成。

其中，所述带状线L1、L2、L3为金属直短线，带状线的一端与电容的一个极板通过垂直通孔连接，带状线的另一端与端口地连接。

其中，所述端口地1与端口地2之间利用平板金属连接保证端口地相连，而端口地3与巴伦内部结构没有连接，其中，本实施例中设置所述端口地3的目的是保证器件封装的对称性。

其中，所述采用叠层结构具有带通滤波性能的巴伦包括19层介质基板，其中，在介质基板下表面处设有金属层；在最上面的封装层的金属印制于基板的上表面。

其中，所述巴伦包括多层介质基板，其中，第2、3、4、5、6、7、8、11、14、15、17、18为金属导体层，所述第5、6、7金属导体层左边部分构成电容C1，所述第2、3、4、7、8金属导体层左边部分构成电容C2，所述第11金属导体层为带状线L1、L2、L3，所述第14、15、17、18金属导体层构成电容C3，所述第14、15、16金属导体层构成电容C4，所述第2、3、4、7、8金属导体层右边部分构成电容C5，所述第5、6、7金属导体层右边部分构成电容C6。

其中，所述第6金属导体层左边部分与输入端口P1连接作为电容C1的输入极板，第5、7金属导体层左边部分为电容C1的输出极板，并作为电容C2的输入极板的一部分通过垂直通孔与第3金属导体层左边部分的电容C2输入极板的另一部分连接，并且和第11金属导体层中间的带状线L1的输入端连接。

其中，所述第2、4、8、14、18金属导体层为地面与端口地1和端口地2连接，且所述第3、5、6、7金属导体层中间部分也为地面与端口地1和端口地2连接。

其中，所述第9、10、12、13层为50μm厚度的LTCC陶瓷板，且这些层的陶瓷板下面没有金属层。

其中，所述第1到19层介质基板的相对介电常数为7.8。

该巴伦的封装尺寸为2.0mm×1.25mm×0.95mm，具有体积小、重量轻、成本低、选频特性好、温度稳定性高等优点，有利于批量生产。

以下对具体三维实现方式描述如下：

如图2所示，为了便于说明连接关系，图2中总共画了17层，第1层和第19层为器件外部端口金属层，没有画出。为了清楚表示，层与层之间尽量拉开距离，图2并不能代表本发明巴伦实际尺寸的比例关系，详细的尺寸比例关系和连接关系如图3所示。

图2中，第2层金属位于第2层的介质基板下面，第3层金属导体位于第2、3层介质基板中间，第4层金属位于第3、4层基板中间，以此类推，第18层金属位于第17、18层介质基板中间，而第19层金属位于第19层介质基板上面。第2层到第18层中只要基板下面有金属层的每一层的金属都采用LTCC丝网印刷工艺印制于介质基板的下表面，而最上面的封装层的金属印制于基板的上表面，所有的介质基板材料都为LTCC陶瓷。

第5、6、7金属导体层左边部分构成电容C1，第2、3、4、7、8金属导体层左边部分构成电容C2，第11金属导体层为带状线L1、L2、L3，第14、15、17、18金属导体层构成电容C3，第14、15、16金属导体层构成电容C4，第2、3、4、7、8金属导体层右边部分构成电容C5，第5、6、7金属导体层右边部分构成电容C6。

第6金属导体层左边部分与输入端口P1连接作为电容C1的输入极板，第5、7金属导体层左边部分为电容C1的输出极板，而且也作为电容C2的输入极板的一部分并通过垂直通孔与第3金属导体层左边部分的电容C2输入极板的另一部分连接，并且和第11金属导体层中间的带状线L1的输入端连接。

第11金属导体层中间的带状线L1的输出端与后面带状线L2的输入端连接并通过垂直金属通孔与第14层的金属地面连接，带状线L2的输出端通过垂直金属通孔与第15、17金属导体层连接，第14、18金属导体层为地面与端口地连接并作为电容C3的输入极板，而上述第15、17金属导体层为电容C3的输出极板并同时作为电容C4的输入极板，第16金属导体层与输出端口P2连接作为电容C4的输出极板。

第2、4、8、14、18金属导体层为地面将端口地1和端口地2连接起来，而且第3、5、6、7金属导体层中间部分也为地面与端口地1和端口地2连接。

第9、10、12、13层为50μm厚度的LTCC陶瓷板，这些层的陶瓷板下面没有金属层。

考虑到加工工艺，所有介质基板的相对介电常数均为7.8。所有金属通孔的直径都为125μm，而且每一层的金属微带线如果要与金属通孔相连的话，必须在金属微带线与通孔相连的这一层金属层的位置加上直径为150μm的金属托盘，金属托盘的厚度与金属层的厚度一致，都为10μm。

本发明巴伦的整体封装结构示意图如图3所示，共有6个端口，包括输入端口P1和输出端口P2、P3以及端口地1、2、3。封装形式都为侧壁封装，整个器件尺寸为2.0mm×1.25mm×0.95mm，采用的LTCC陶瓷介质的相对介电常数εr为7.8，介质损耗角正切tanδ为0.002，金属导体采用银，如果下面有金属导体的每层陶瓷介质基板的厚度为40μm，每层金属厚度为10μm；如果下面没有金属导体的每层陶瓷介质基板厚度为50μm。

仿真结果如图4和图5所示：

该巴伦的中心频率为2.45GHz，通带带宽为500MHz(2.2GHz-2.7GHz)。通带内插入损耗小于1dB。阻带内，在DC到1.75GHz范围内抑制大于20dB，在3.35GHz到6GHz范围内抑制大于20dB。通带内驻波比(VSWR)小于1.4。两个输出端口的相位差为180°，最大误差小于2°。

本发明的有益效果是：

本发明是采用叠层结构具有带通滤波性能的巴伦，叠层结构采用LTCC工艺实现，在实现同等技术指标前提下能够显著的减小器件的尺寸，这是因为它具有较低的金属电阻率，能集成无源器件、实现有源器件的内部连接、高的集成度、较小的体积以及较低的成本等优点，与传统的PCB多层技术相比，LTCC技术具有损耗小、集成度高、温度特性好等诸多优点，并且LTCC工艺与IC工艺兼容，易于有源/无源集成。

而且本发明巴伦还具有带通滤波性能，在将不平衡输入信号转换为平衡输出信号的同时还可以进行滤波，将不需要的频率范围的信号滤除掉，将巴伦和带通滤波器合二为一，具有体积小、重量轻、成本低、选频特性好、温度稳定性高等特点，并且可加工成贴片形式，便于与其他微波组件集成，因此拥有广阔的应用前景。

综上，本发明提供的采用叠层结构具有带通滤波性能的巴伦具有体积小、重量轻、成本低、选频特性好、可加工成贴片元件形式，便于与其他微波元件集成等优点，应用前景非常广阔。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种采用叠层结构的巴伦，其特征在于，包括一个输入端口P1和两个输出端口P2、P3，输入端口P1与电容C1的输入极板连接，电容C1的输出极板与电容C2的输入极板和带状线L1的输入端通过垂直通孔连接，电容C2的输出极板接地，电容C3的输入极板与端口地2连接，带状L1的输出端与端口地1连接，电容C5的输入极板与端口地3连接，带状线L2的输出端与电容C3的输出极板通过垂直通孔连接并与电容C4的输入极板连接，电容C4的输出极板与输出端口P2连接，带状线L3的输出端与电容C5的输出极板通过垂直通孔连接并与电容C6的输入极板连接，电容C6的输出极板与输出端口P3连接，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6采取的是金属-介质-金属(MIM)形式的平板电容，其通过不同层之间极板实现，平板电容中间的介质由LTCC陶瓷基板构成，采用叠层结构的巴伦包括19层介质基板，其中，在介质基板下表面处设有金属层；在最上面的封装层的金属印制于基板的上表面，巴伦包括多层介质基板，其中，第2、3、4、5、6、7、8、11、14、15、17、18为金属导体层，第5、6、7金属导体层左边部分构成电容C1，第2、3、4、7、8金属导体层左边部分构成电容C2，第11金属导体层为带状线L1、L2、L3，第14、15、17、18金属导体层构成电容C3，第14、15金属导体层和16层构成电容C4，第2、3、4、7、8金属导体层右边部分构成电容C5，第5、6、7金属导体层右边部分构成电容C6。

2.根据权利要求1所述的采用叠层结构的巴伦，其特征在于，所述带状线L1、带状线L2、带状线L3为金属直短线，带状线的一端与电容的一个极板通过垂直通孔连接，带状线的另一端与端口地连接。

3.根据权利要求1所述的采用叠层结构的巴伦，其特征在于，所述端口地1与端口地2之间利用平板金属连接保证端口地相连，而端口地3与巴伦内部结构没有连接。

4.根据权利要求1所述的采用叠层结构的巴伦，其特征在于，所述第6金属导体层左边部分与输入端口P1连接作为电容C1的输入极板，第5、7金属导体层左边部分为电容C1的输出极板，并作为电容C2的输入极板的一部分通过垂直通孔与第3金属导体层左边部分的电容C2输入极板的另一部分连接，并且和第11金属导体层中间的带状线L1的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的采用叠层结构的巴伦，其特征在于，所述第11金属导体层中间的带状线L1的输出端与后面带状线L2的输入端连接并通过垂直金属通孔与第14层的金属地面连接，带状线L2的输出端通过垂直金属通孔与第15、17金属导体层连接，第14、18金属导体层为地面与端口地连接并作为电容C3的输入极板，而上述第15、17金属导体层为电容C3的输出极板并同时作为电容C4的输入极板，第16金属导体层与输出端口P2连接作为电容C4的输出极板。

6.根据权利要求1所述的采用叠层结构的巴伦，其特征在于，所述第2、4、8、14、18金属导体层为地面与端口地1和端口地2连接，且所述第3、5、6、7金属导体层中间部分也为地面与端口地1和端口地2连接。

7.根据权利要求1所述的采用叠层结构的巴伦，其特征在于，第9、10、12、13层为50μm厚度的LTCC陶瓷板，且这些层的陶瓷板下面没有金属层。

8.根据权利要求1所述的采用叠层结构的巴伦，其特征在于，所述第1到19层介质基板的相对介电常数为7.8。