CN103353905B - 一种毫米波宽边耦合集成变压器的高精度模型建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对宽边耦合结构的毫米波变压器，提供一种比传统模型更高精度及适用频率范围更广的分布式等效电路模型建立方法，其步骤为（1）建立子变压器的等效电路模型结构。即变压器从中心抽头处分成两个相同的子变压器，每个子变压器的模型基于宽边耦合线的模型实现；（2）建立完整变压器的等效电路模型。将子变压器的模型级联在一起，在两个子变压器的原边和副边之间加入了等效电容和等效互感；（3）提取变压器的模型参数。模型参数通过全波电磁场仿真和物理公式结合进行提取。该模型同时兼容Spice电路仿真软件，可方便快速的应用于包含宽边耦合变压器的毫米波电路及系统的仿真。

Description

一种毫米波宽边耦合集成变压器的高精度模型建立方法
技术领域
本发明涉及一种片上集成变压器等效电路模型的建立方法，尤其是用于建立片上毫米波宽边耦合变压器的模型，属于信息技术领域。
技术背景
片上集成变压器在射频微波前端电路（放大器、混频器、振荡器等）中得到了广泛应用。在毫米波频段，片上变压器通常采用宽边耦合结构可以有效的减小尺寸和降低损耗，现有毫米波段变压器的模型主要采用2π等效电路结构实现。
当频率低于10GHz时，变压器的模型通常采用传统的π等效电路结构实现，其可以较好的模拟变压器的特性。随着频率的提高，由于变压器线圈分布效应的增加，传统的基于π等效电路的变压器模型已不能满足仿真精度的要求，此时一般采用2π等效电路实现变压器的模型。
毫米波变压器的2π等效电路模型请参照B.Leite,E.Kerherve,J.B.Begueret,etal.AnAnalyticalBroadbandModelforMillimeter-WaveTransformersinSiliconTechnologies.IEEETransactionsonElectronDevices,2012,59(3):582-589.（参考文献1）。该方法基于传统的2π等效电路模型建立毫米波宽边耦合变压器的模型，虽然能够模拟变压器在频率范围0~110GHz的特性，但是该模型在大于80GHz时误差较大，而且并未给出变压器线圈匝数大于1时的模型，因此具有一定的应用局限性。
发明内容
本发明针对宽边耦合结构的毫米波变压器，提供一种比传统模型更高精度及适用频率范围更广的分布式等效电路模型建立方法，该模型同时兼容Spice电路仿真软件，可方便快速的应用于包含变压器的电路及系统的仿真。
为了达到以上目的，本发明提出的宽边耦合变压器等效电路模型的建立方法，包括以下步骤：
（1）建立子变压器的等效电路模型结构。
（2）基于子变压器模型，建立完整变压器的等效电路模型。
（3）提取变压器的模型参数。
上述方法中，步骤（1）所说的建立子变压器等效电路模型结构的方法为：将变压器从中心抽头处分成两个相同的子变压器，每个子变压器的模型基于宽边耦合线的模型实现，通过三个线间耦合电容把两个RLC（电阻、电感、电容）双π结构的电路网络并联在一起作为宽边耦合线的等效电路模型。根据宽边耦合线的物理意义，上下两根导线与地平面之间均存在电场，因此在衬底和介质中有寄生的等效电容为CPsub、CPox、CSsub、CSox，等效电阻为RPsub和RSsub，导线之间由于电场的作用，存在着耦合电容Cps，流过导线的电流会产生磁场，因此上下导线自身存在有等效电感Lp和Ls，导线的等效电阻为Rp和Rs，导线之间由于磁场的作用，存在着等效的互感k。考虑到线圈的最外圈和内圈导体的长度不同，为了使模型参数自适应内外线圈尺寸的变化，因此对子变压器的原边线圈导体、副边线圈导体分别引入了长度比例系数α、β，其中α=0.5*（外圈长度/内圈长度），β=0.5*（外圈长度/内圈长度）。
上述方法中，步骤（2）所说的建立完整变压器等效电路模型的方法为：将2个步骤（1）中建立的子变压器的模型级联在一起，由于2个子变压器之间存在电磁场的耦合，所以在两个子变压器的原边/副边之间加入了等效电容Cp和Cs，等效互感Mp和Ms，原边和副边的线圈匝数分别为n和m（n和m不大于2）。
上述方法中，步骤（3）所说的提取变压器模型参数的方法为：
模型参数通过全波电磁场仿真和物理公式结合进行提取，对Mp、Ms、Cp和Cs参数的提取可依据全波电磁场仿真后对结果曲线进行拟合获得，子变压器模型的参数提取依据宽边耦合线的物理尺寸和工艺参数的闭式方程获得。其中曲线拟合技术为数学领域中的现有成熟方法，闭式方程来自本领域中已有的公式，在说明书的参考文献中有详细表述。
上述方法中，变压器的原边和副边线圈处于上下不同的金属层，它们之间是宽边耦合关系。
本发明提供的毫米波宽边耦合变压器等效电路模型的建立方法，建立方法简单，方便实用、有明确而严格的电路表述和物理含义，所建立的模型适用范围广，比传统模型具有更高的精度，可用于具有spice仿真功能的各种EDA工具，在提高仿真速度的同时能够保证较高的精度。便于计算分析宽边耦合变压器的时域和频域特性，便于实现系统协同仿真，能够用于在PCB或芯片上的平面宽边耦合变压器模型的建立。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是变压器的结构示意图。
图2是本发明的子变压器等效电路图。
图3是本发明的变压器等效电路图。
图4是本发明的原边和副边线圈匝数均为1的变压器等效电路图。
图5是本发明的原边和副边线圈匝数均为2的变压器等效电路图。。
图6是本发明的原边线圈匝数为1，副边线圈匝数为2的变压器等效电路图。
图7是本发明的原边线圈匝数为2，副边线圈匝数为1的变压器等效电路图。
图中
1-变压器原边端口1
2-变压器原边端口2
3-变压器副边端口1
4-变压器副边端口2
5-变压器中心抽头
6-原边衬底等效电容CPsub
7-原边介质等效电容CPox
8-原边与副边之间的耦合电容CPS
9-副边介质等效电容CSox
10-副边衬底等效电容CSsub
11-原边衬底等效电阻RPsub
12-原边外圈导体分布电感α*L p
13-原边与副边分布互感k
14-副边外圈导体分布电感β*L s
15-副边衬底等效电阻RSsub
16-原边外圈导体分布电阻α*R p
17-副边外圈导体分布电阻β*R s
18-原边内圈导体分布电感(1-α)*L p
19-副边内圈导体分布电感(1-β)*L s
20-原边内圈导体分布电阻(1-α)*R p
21-副边内圈导体分布电阻(1-β)*R s
22-子变压器原边端口1
23-子变压器原边端口2
24-子变压器副边端口1
25-子变压器副边端口2
26-子变压器模型
27-原边相邻线圈之间的互感(n-1)*Mp
28-副边相邻线圈之间的互感(m-1)*Ms
29-原边相邻线圈之间的耦合电容(n-1)*Cp
30-副边相邻线圈之间的耦合电容(m-1)*Cs
31-原边相邻线圈之间的互感Mp
32-副边相邻线圈之间的互感Ms
33-原边相邻线圈之间的耦合电容Cp
34-副边相邻线圈之间的耦合电容Cs。
具体实施方式
以原边、副边线圈匝数分别为1和2的宽边耦合变压器等效电路模型的建立为例，对本发明作进一步的说明。
实施例1.原边和副边线圈匝数均为1
（1）建立子变压器的等效电路模型结构
基于图2所示的等效电路，令α=0.5，β=0.5，获得原边和副边线圈匝数均为1的子变压器等效电路模型。
（2）建立变压器的等效电路模型
基于图3所示的等效电路，令n=1，m=1，获得原边和副边线圈匝数均为1的变压器等效电路模型，如图4所示。
（3）基于变压器的物理尺寸和工艺参数由耦合线的闭式方程确定子变压器的参数，由于模型中n=1，m=1，所以两个子变压器之间的耦合电容和互耦电感均为0。
实施例2.原边和副边线圈匝数均为2
（1）建立子变压器的等效电路模型结构
基于图2所示的等效电路，令α=0.5*（外圈长度/内圈长度），β=0.5*（外圈长度/内圈长度），获得原边和副边线圈匝数均为2的子变压器等效电路模型。
（2）建立变压器的等效电路模型
基于图3所示的等效电路，令n=2，m=2，获得原边和副边线圈匝数均为2的变压器等效电路模型，如图5所示。
（3）基于变压器的物理尺寸和工艺参数由耦合线的闭式方程确定子变压器的参数，通过全波电磁场仿真获得两个子变压器之间的耦合电容和互耦电感。
实施例3.原边线圈匝数为1，副边线圈匝数均为2
（1）建立子变压器的等效电路模型结构
基于图2所示的等效电路，令α=0.5，β=0.5*（外圈长度/内圈长度），获得原边线圈匝数为1，副边线圈匝数为2的子变压器等效电路模型。
（2）建立变压器的等效电路模型
基于图3所示的等效电路，令n=1，m=2，获得原边线圈匝数为1，副边线圈匝数为2的变压器等效电路模型，如图6所示。
（3）基于变压器的物理尺寸和工艺参数由耦合线的闭式方程确定子变压器的参数，通过全波电磁场仿真获得两个子变压器之间的耦合电容和互耦电感。
实施例4.原边线圈匝数为2，副边线圈匝数均为1
（1）建立子变压器的等效电路模型结构
基于图2所示的等效电路，令α=0.5*（外圈长度/内圈长度），β=0.5，获得原边线圈匝数为2，副边线圈匝数为1的子变压器等效电路模型。
（2）建立变压器的等效电路模型
基于图3所示的等效电路，令n=2，m=1，获得原边线圈匝数为2，副边线圈匝数为1的变压器等效电路模型，如图7所示。
（3）基于变压器的物理尺寸和工艺参数由耦合线的闭式方程确定子变压器的参数，通过全波电磁场仿真获得两个子变压器之间的耦合电容和互耦电感。

Claims (3)

1.一种毫米波宽边耦合集成变压器的高精度模型建立方法，包括以下步骤：
（1）建立子变压器的等效电路模型结构：变压器从中心抽头处分成两个相同的子变压器，每个子变压器的模型基于宽边耦合线的模型实现，通过三个线间耦合电容把两个电阻、电感、电容双π结构的电路网络并联在一起作为宽边耦合线的等效电路模型；
（2）基于子变压器模型，建立完整变压器的等效电路模型：将步骤（1）中建立的两个子变压器的模型级联在一起，在两个子变压器的原边和副边之间加入了等效电容Cp和Cs，等效互感Mp和Ms，原边和副边的线圈匝数分别为n和m，n取1或2，m取1或2；
（3）提取变压器的模型参数：模型参数通过全波电磁场仿真和物理公式结合进行提取，对等效互感参数和等效电容参数的提取可依据全波电磁场仿真后对结果曲线进行拟合获得，子变压器模型的参数提取依据宽边耦合线的物理尺寸和工艺参数的闭式方程获得。
2.如权利要求1所述的一种毫米波宽边耦合集成变压器的高精度模型建立方法，其特征在于：对步骤（1）中的子变压器的原边线圈导体引入比例系数α，对副边线圈导体引入比例系数β，其中α=0.5*（外圈长度/内圈长度），β=0.5*（外圈长度/内圈长度）。
3.如权利要求1所述的一种毫米波宽边耦合集成变压器的高精度模型建立方法，其特征在于：变压器的原边和副边线圈处于上下不同的金属层，它们之间是宽边耦合关系。
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