CN103337682B - 一种宽带、低损耗、高平衡度的片上巴伦 - Google Patents

Abstract

一种宽带、低损耗、高平衡度的片上巴伦，设有四个形同盘状蚊香的正八边形平面螺旋线圈，其中两个为平衡线圈，另外两个为非平衡线圈，平衡线圈在上，非平衡线圈在下，之间设置绝缘层，两者构成非对称的宽边耦合结构。线宽较窄的平衡线圈的外端点作为输入，线宽较宽的平衡线圈的外端点悬空，两个平衡线圈的内端点通过金属导线相连。两个非平衡线圈的外端点连接在输入参考地上，两个非平衡线圈的内端点分别引出作为转换器的两个输出，输出和输入参考地仅通过平衡和非平衡线圈的隔离线相连。

Description

一种宽带、低损耗、高平衡度的片上巴伦

技术领域

本发明提出一种宽带、低损耗、高平衡度的片上巴伦，能够完全覆盖Ka带、Q带和U带以及覆盖V带的低频部分和K带的高频部分，适用于这些频带范围内单端–差分的转换需要。属于射频技术领域。

背景技术

巴伦（Balance-to-Unbalance,Balun）常用于混频器、差分放大器等需要将单端信号转化为差分信号的场合。集成电路设计技术的发展对系统带宽提出了越来越多的要求，而作为系统重要组成部分的混频器和差分放大器常因受限于巴伦的性能，使整体电路性能难以满足系统要求。这是因为传统结构的巴伦难以在非常宽的频带范围内同时实现低损耗和高平衡度的性能。

发明内容

为了克服现有技术之不足，本发明提出一种宽带、低损耗、高平衡度的片上巴伦，同时具有宽带、低损耗和高平衡度的优点，可以满足多个微波毫米波频带内单端–差分的转换需要。

本发明采用如下技术方案：一种宽带、低损耗、高平衡度的片上巴伦，其特征在于：设有四个形同盘状蚊香的正八边形平面螺旋线圈，其中两个为平衡线圈，另外两个为非平衡线圈，每个平衡线圈和非平衡线圈分别具有一个内端口和一个外端口，设定纸面为基准面，在基准面的上下方向设置垂直对称轴，在基准面的左右方向设置水平对称轴，两个平衡线圈置于与基准面平行的最上层平面，两个平衡线圈在水平对称轴上下两侧对称间隔布置，在两个平衡线圈置的垂直正下方分别设有两个与基准面同一平面的非平衡线圈，两个平衡线圈与两个非平衡线圈之间的间隙分别填充绝缘介质，两个平衡线圈的内端口之间导线连接，两个平衡线圈和两个非平衡线圈的外端口位于垂直对称轴的同一侧，其中一个平衡线圈的外端口连接单端输入信号，另一个平衡线圈的外端口空接，两个非平衡线圈的内端口分别通过引线在其外端口相对的垂直对称轴的另一侧输出信号，在两对平衡线圈和非平衡线圈的左右外侧，分别间隔设有左右各一条与基准面同平面的接地导体，一条接地导体为输入地，另一侧接地导体为输出地，两个非平衡线圈的外端口分别与输入地连接，输入地与输出地之间沿水平对称轴用导体连接为一体，两个平衡线圈的导线宽度不同，外端口与单端输入信号连接的平衡线圈导线宽度小于另外一个平衡线圈的导线宽度，两个非平衡线圈的导线宽度相同，大于平衡线圈的导线宽度。

所述外端口与单端输入信号连接的平衡线圈与另外一个平衡线圈的导线宽度比3/5～2/3，外端口与单端输入信号连接的平衡线圈与其正下方的非平衡线圈的导线宽度比1/6～1/5。

所述沿水平对称轴连接输入地与输出地的导体设置为两根，一根与两个非平衡线圈同平面，另一根与两个平衡线圈同平面，位于下方的导体宽度大于上方的导体宽度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及显着效果：

（1）本发明转换器采用隔离开放式的双不对称结构，使电路的性能得到了最大程度的提升。经检索本发明转换器尚未被发现。

（2）工作频率范围宽。由于本发明采用的是非对称宽边耦合结构，调节输入平衡线圈和输出非平衡线圈的线宽比和间距可以使平衡–非平衡转换器的工作带宽得到极大程度的拓展。

（3）平衡度高、损耗小。得益于双不对称结构和开放隔离结构，本发明所提供的平衡–非平衡转换器具有非常优越的带内幅度、相位平衡度和非常低的插入损耗。

附图说明

图1是本发明片上巴伦的俯视图；

图2是本发明片上巴伦的三维侧视图；

图3是本发明片上巴伦的基本构成原理示意图；

图4是本发明片上巴伦的插入损耗S₃₁与输入端回波损耗S₁₁的电磁仿真结果；

图5是本发明片上巴伦的相位不平衡度和幅度不平衡度仿真结果。

具体实施方式

参看图1、2，设置四个形同盘状蚊香的正八边形平面螺旋线圈，其中两个为平衡线圈1、2，另外两个为非平衡线圈3、4，每个正八边形平面螺旋线圈分别具有一个内端口和一个外端口，设定纸面为基准面，在基准面的上下方向设置垂直对称轴，在基准面的左右方向设置水平对称轴，两个平衡线圈置于与基准面平行的最上层平面，两个平衡线圈在水平对称轴两侧对称间隔布置，在两个平衡线圈1、2的正下方分别设有两个与基准面同一平面的非平衡线圈3、4，两个平衡线圈1、2与两个非平衡线圈3、4之间的间隙分别填充绝缘介质，两个平衡线圈1、2的内端口之间通过过孔和导线连接，两个平衡线圈1、2的外端口位于同一侧（左侧），其中一个平衡线圈1的外端口连接单端输入信号，另一个平衡线圈2的外端口空接，两个非平衡线圈3、4的内端口分别为两个位于同一侧（右侧）的信号输出端，通过与线圈不在同一平面的导线引出分别作为输出1和输出2。在两对平衡线圈和非平衡线圈的左右外侧，分别间隔设有左右各一条与基准面同平面的接地导体7、8，分别为输入地和输出地，两个位于同一侧的非平衡线圈3、4的外端口分别与左侧的输入地7同一平面直接连接，左右两条接地导体7、8沿水平对称轴用导体连接为一体（图中实施例采用了两根导体连接，一根是与两个非平衡线圈3、4同平面的导体6，另一根是与两个平衡线圈1、2同平面的导体5两端可通过向下折弯与接地导体连接。导体6的宽度大于导体5的宽度。

实施例取平衡线圈1的导线宽度为3μm，平衡线圈2的导线宽度为5μm，两个非平衡线圈3、4的导线宽度均为15μm，两个非平衡线圈3、4上下之间相距12～15μm，两个非平衡线圈3、4与左右接地导体分别相距25μm，导体5的宽度9μm，导体6的宽度11μm，平衡线圈的内端口与正八边形中心相距22μm平衡线圈与垂直下方的非平衡线圈距离为3.76μm。

本发明输入平衡线圈和输出非平衡线圈整体上采用非对称宽边耦合结构，2个输入平衡线圈采用一窄一宽的非对称结构，2个输出平衡线圈则采用相同线宽的对称结构。2个平衡线圈的线宽设计宽窄不一的不对称方式有利于幅度和相位不平衡度的提高，输入地和输出地仅通过隔离线连接而不形成闭合环路能够有效避免电磁涡流的形成，从而使巴伦的损耗减小到最低，平衡度也得到最大程度的提升。

图3给出了不发明片上巴伦的构成原理示意图。巴伦第1部分对应的散射矩阵为：

$S_1=\left[\begin{array}{ccc}{-\left(\frac{y_1}{z_1}\right)}^2& \frac{x_1}{z_1}{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_1{u}_1}& -\frac{x_1{y}_1}{z_1^2}{e}^{-2j{\mathrm{\θ}}_1{u}_1}\\ \frac{x_1}{z_1}{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_1{u}_1}& 0& \frac{y_1}{z_1}\\ -\frac{x_1{y}_1}{z_1^2}{e}^{-2j{\mathrm{\θ}}_1{u}_1}& \frac{y_1}{z_1}& -{\left(\frac{x_1}{z_1}{e}^{-2j{\mathrm{\θ}}_1{u}_1}\right)}^2\end{array}\right]---\left(1\right)$

巴伦第1部分对应的散射矩阵为：

$S_2=\left[\begin{array}{cc}\frac{{\left(\frac{x_2}{z_2}\right)}^2{e}^{-2j{\mathrm{\θ}}_2{u}_2}}{1+{\left(\frac{y_2}{z_2}\right)}^2}& \frac{y_2}{z_2}[1-\frac{{\left(\frac{x_2}{z_2}\right)}^2{e}^{-3j{\mathrm{\θ}}_2{u}_2}}{1+{\left(\frac{y_2}{z_2}\right)}^2}]\\ \frac{y_2}{z_2}[1-\frac{{\left(\frac{x_2}{z_2}\right)}^2{e}^{-3j{\mathrm{\θ}}_2{u}_2}}{1+{\left(\frac{y_2}{z_2}\right)}^2}]& -\frac{{\left(\frac{x_2}{z_2}\right)}^2{e}^{-4j{\mathrm{\θ}}_2{u}_2}}{1+{\left(\frac{y_2}{z_2}\right)}^2}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，

$\frac{y}{z}=\frac{\mathrm{jK}\sin \mathrm{\θ}}{\sqrt{1-K^2}\cos \mathrm{\θ}+j\sin \mathrm{\θ}}$

$\frac{x}{z}{e}^{-\mathrm{j\θu}}=\frac{\sqrt{1-K^2}}{\sqrt{1-K^2}\cos \mathrm{\θ}+j\sin \mathrm{\θ}}{e}^{-\mathrm{j\θu}}---\left(3\right)$

K=f(n,s) $\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_c+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}}}{2}$ $u=\frac{{\mathrm{\θ}}_c-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}}}{{\mathrm{\θ}}_c+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}}}$

式（3）中略去了式（1）和（2）中变量的下标。θ_c、θ_π分别指c模和π模电长度。

连接线的散射矩阵为：

$S_C=\left[\begin{array}{cc}0& e^{-j{\mathrm{\θ}}_0}\\ e^{-j{\mathrm{\θ}}_0}& 0\end{array}\right]---\left(4\right)$

将式（1）、（2）和（4）联立可以得到巴伦三端口网络的散射矩阵，此处仅给出描述巴伦平衡度和损耗的2个关键参数：S₂₁和S₃₁。

$S_{21}=-\frac{x_1{y}_1}{z_1^2}{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_1{u}_1}[e^{-j{\mathrm{\θ}}_1{u}_1}-{\mathrm{Te}}^{-2j{\mathrm{\θ}}_2{u}_2}{e}^{-2j{\mathrm{\θ}}_0}]---\left(5\right)$

$S_{31=}\frac{x_1{y}_2}{z_1{z}_2}{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_1{u}_1}[1-{\mathrm{Te}}^{-3j{\mathrm{\θ}}_2{u}_2}]e^{-j{\mathrm{\θ}}_0}---\left(6\right)$

式中， $T=\frac{x_2^2}{y_2^2+z_2^2}.$

令则式（6）可改写为：

比较式（5）和（7）可知欲使S₂₁=–S₃₁则只需

式（8）可写为：2θ₀=θ₂u₂+θ₁u₁，该式与下式等价

$2{\mathrm{\β}}_0\frac{l_0}{l}={\mathrm{\β}}_1^{\′}+{\mathrm{\β}}_1-({\mathrm{\β}}_2^{\′}+{\mathrm{\β}}_2),({\mathrm{\β}}_1>{\mathrm{\β}}_2,{\mathrm{\β}}_1^{\′}>{\mathrm{\β}}_2^{\′})---\left(9\right)$

式（1）～（9）中所有参数符号的定义为（略去下标）：S指S参数，x、y、z指S参数矩阵因子的中间变量由式（3）表达，K指等效耦合系数，θ指电长度，u为无量纲中间变量，β为传输线的相位常数，为相位角偏移量，l为导线长度。

式（9）中l₀、l分别为图3中连接线和第1（或第2）部分的线长，β₁、β₂分别为平衡和非平衡线圈的相位常数。由式（9）可知当采用本发明提出的非等线宽隔离结构时，满足巴伦平衡的设计自由度会大大增加。另外，参考地采用开放非闭合结构能够有效避免电磁涡流的形成，从而使巴伦的损耗减小到最低。输入和输出参考地仅通过隔离线连接又使得两个输出到输入的参考路径长度相等，这有利于平衡度的提升。因此，通过对上述技术的组合使用就能设计出具有前述优点的高性能巴伦。

由图4的S-参数电磁仿真结果可以看出本发明所提供的新型巴伦可以实现：在20～60GHz的频率范围内的插入损耗小于5dB，反射系数小于-10dB。由图5的不平衡度电磁仿真结果可以看出本发明所提供的巴伦可以实现：在20～60GHz的频率范围内幅度不平衡度小于0.2dB，相位不平衡度小于1.5°。

Claims (3)

1.一种宽带、低损耗、高平衡度的片上巴伦，其特征在于：设有四个形同盘状蚊香的正八边形平面螺旋线圈，其中两个为平衡线圈，另外两个为非平衡线圈，每个平衡线圈和非平衡线圈分别具有一个内端口和一个外端口，设定纸面为基准面，在基准面的上下方向设置垂直对称轴，在基准面的左右方向设置水平对称轴，所述垂直对称轴和水平对称轴都位于基准面内，两个平衡线圈置于与基准面平行的最上层平面，两个平衡线圈在水平对称轴上下两侧对称间隔布置，在两个平衡线圈的垂直正下方分别设有两个与基准面同一平面的非平衡线圈，两个平衡线圈与两个非平衡线圈之间的间隙分别填充绝缘介质，两个平衡线圈的内端口之间导线连接，两个平衡线圈和两个非平衡线圈的外端口位于垂直对称轴的同一侧，其中一个平衡线圈的外端口连接单端输入信号，另一个平衡线圈的外端口空接，两个非平衡线圈的内端口分别通过引线在其外端口相对的垂直对称轴的另一侧输出信号，在两对平衡线圈和非平衡线圈的左右外侧，分别间隔设有左右各一条与基准面同平面的接地导体，一条接地导体为输入地，另一侧接地导体为输出地，两个非平衡线圈的外端口分别与输入地连接，输入地与输出地之间沿水平对称轴用导体连接为一体，两个平衡线圈的导线宽度不同，外端口与单端输入信号连接的平衡线圈导线宽度小于另外一个平衡线圈的导线宽度，两个非平衡线圈的导线宽度相同，大于平衡线圈的导线宽度。

2.根据权利要求1所述宽带、低损耗、高平衡度的片上巴伦，其特征在于：外端口与单端输入信号连接的平衡线圈与另外一个平衡线圈的导线宽度比3/5~2/3，外端口与单端输入信号连接的平衡线圈与其正下方的非平衡线圈的导线宽度比1/6~1/5。

3.根据权利要求1或2所述宽带、低损耗、高平衡度的片上巴伦，其特征在于：沿水平对称轴连接输入地与输出地的导体设置为两根，一根与两个非平衡线圈同平面，另一根与两个平衡线圈同平面，位于下方的导体宽度大于上方的导体宽度。