CN103852662A - 利用二端口网络分析仪提取四端口变压器模型参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用二端口网络分析仪提取四端口变压器模型参数的方法，该方法将嵌套组成四端口变压器的两个电感分解成初级线圈和次级线圈，用二端口网络分析仪测试初级线圈两个端口之间的散射参数，及次级线圈两个端口之间的散射参数；再将四端口变压器设计成转置或非转置变压器，用二端口网络分析仪测试变压器未接地的两个端口之间的散射参数；根据测试数据提取初级线圈和次级线圈的相关模型参数，及初级线圈与次级线圈间的互感和耦合电容。本发明通过将四端口变压器拆解成多个二端口测试结构，实现了用价格相对低廉的二端口网络分析仪测试四端口变压器模型参数的目的，从而节省了测试的成本。

Description

利用二端口网络分析仪提取四端口变压器模型参数的方法

技术领域

本发明涉及射频器件建模领域，特别是涉及四端口变压器的模型参数提取方法。

背景技术

在CMOS射频集成电路中，变压器是一种重要的无源片上元件，它广泛地应用在阻抗匹配、单端信号与差分信号的相互转换、隔离等，以获得更高的集成度。

一般来说，变压器是一个三端口甚至四端口的器件，例如图1所示，图1是一个四端口的变压器，其四个端口分别为P1、P2、P3、P4，在提取四端口变压器的模型参数时，通常需要使用四端口网络分析仪进行测试，但是四端口网络分析仪价格非常昂贵，因此测试的成本很高。二端口网络分析仪虽然价格相对低廉，但是不能用其直接测试四端口变压器的S参数，因此不能直接对四端口变压器进行模型提取。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用二端口网络分析仪提取四端口变压器模型参数的方法，它可以降低测试的成本。

为解决上述技术问题，本发明的利用二端口网络分析仪提取四端口变压器模型参数的方法，包括以下步骤：

1）将嵌套组成四端口变压器的两个电感分解成初级线圈和次级线圈，初级线圈和次级线圈彼此独立，用二端口网络分析仪测试初级线圈两个端口之间的散射参数，以及次级线圈两个端口之间的散射参数；

2）将四端口变压器设计成转置变压器或非转置变压器，用二端口网络分析仪测试变压器未接地的两个端口之间的散射参数；

3）由步骤1）得到的测试数据提取初级线圈和次级线圈的相关模型参数；由步骤2）得到的测试数据提取初级线圈与次级线圈间的互感和耦合电容。

本发明通过将四端口变压器拆解成多个二端口测试结构，实现了用价格相对低廉的二端口网络分析仪测试四端口变压器模型参数的目的，从而节省了测试的成本。

附图说明

图1是四端口变压器结构图。

图2是将四端口变压器的两个电感分解，得到初级线圈（a）和次级线圈（b）两个独立的二端口网络测试结构的示意图。

图3是四端口变压器转置测试结构版图接法（a）及测试电路（b）示意图。

图4是四端口变压器非转置测试结构版图接法（a）及测试电路（b）示意图。

图5是四端口变压器等效电路图。

图6是四端口变压器S11参数验证。其中，①为模型仿真结果，②为非转置变压器实测数据。

图7是四端口变压器S44参数验证。其中，①为模型仿真结果，②为非转置变压器实测数据。

具体实施方式

为对本发明的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合图示的实施方式，对本发明详述如下：

本实施例通过将四端口变压器分解成四种不同的连接方式，然后用二端口网络分析仪测试每种接法的散射参数，实现了图1的四端口变压器模型参数的提取，并对模型的精度进行了验证。具体方法如下：

步骤1，将嵌套组成四端口变压器的两个电感分解成两个独立的二端口网络测试结构，如图2所示。其中，图2（a）为初级线圈，图2（b）为次级线圈。P1、P2为初级线圈端口，P3、P4为次级线圈端口。然后，用二端口网络分析仪分别测试初级线圈端口P1和P2之间的散射参数（即S参数，包括S11、S22、S12及S21），以及次级线圈端口P3和P4之间的散射参数（包括S33、S44、S34及S43）。

步骤2，将四端口变压器设计成转置变压器，即将四端口变压器的端口P2和端口P4接地，如图3（a）所示，然后用二端口网络分析仪测试转置变压器端口P1和端口P3之间的散射参数（包括S11、S33、S31及S13）。

步骤3，将四端口变压器设计成非转置变压器，即将四端口变压器的端口P2和端口P3接地，如图3（b）所示，然后用二端口网络分析仪测试非转置变压器端口P1和端口P4之间的散射参数（包括S11、S44、S14及S41）。

步骤4，将初级线圈和次级线圈视作两个对称电感，按照片上对称电感的模型参数提取方法（可参考：Internal Impedance of Conductors of Rectangular Cross Section,IEEETRANSACTION ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,Vol.47,No.7,July 1999；Line-to-Ground Capacitance Calculation for VLSI:A Comparison,IEEE TRANSACTIONS ONCOMPUTER-AIDED DESIGN,Vol.7,No.2,February 1988；Physical Modeling of SpiralInductors on Silicon,IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,Vol.47,No.3,March2000。），根据下列公式（1）～（5），对步骤1中测试得到的散射参数进行拟合，提取初级线圈和次级线圈的相关参数；通过对步骤2得到的转置变压器端口P1和端口P3之间的散射参数进行参数拟合，提取初级线圈与次级线圈间的互感和耦合电容。

等效电路图如图5所示，图中，rl_ij和ll_ij组成的梯形电路用来模拟初级线圈和次级线圈中的趋肤效应，虚线框②内为初级线圈端口P1与端口P2的耦合电容cp12，虚线框④内为次级线圈端口P3与端口P4的耦合电容cp34，虚线框①和②中的电路一起组成初级线圈等效电路，虚线框③和④中的电路一起组成次级线圈等效电路；其余为初级线圈与次级线圈间的互感和耦合电容，其中，cp13表示端口P1和端口P3间的耦合电容，cp14表示端口P1和端口P4间的耦合电容，cp23表示端口P2和端口P3间的耦合电容，cp24表示端口P2和端口P4间的耦合电容，ks14表示端口P1和端口P4间的互感，ks13表示端口P1和端口P3间的互感，ks24表示端口P2和端口P4间的互感，ks23表示端口P2和端口P3间的互感。

$\mathrm{Cox}=\mathrm{\ϵ}[\frac{w}{h}+2\ln (1+\frac{t}{h})+\frac{2t}{h}\ln (1+\frac{w/2}{t+h})]---\left(1\right)$

$\mathrm{Rsub}=0.0016{\left(\frac{D}{10}\right)}^3-0.0969{\left(\frac{D}{10}\right)}^2-1.5042\left(\frac{D}{10}\right)+189.5369---\left(2\right)$

Csub＝Area*Cs    （3）

Cp＝n*w*w*ε/tm（4）

$x=\frac{{\mathrm{rl}}_2}{{\mathrm{rl}}_1}=\frac{{\mathrm{rl}}_3}{{\mathrm{rl}}_2}=\frac{{\mathrm{rl}}_4}{{\mathrm{rl}}_3}=\frac{{\mathrm{ll}}_1}{{\mathrm{ll}}_2}=\frac{{\mathrm{ll}}_2}{{\mathrm{ll}}_3}=\frac{{\mathrm{ll}}_3}{{\mathrm{ll}}_4}---\left(5\right)$

其中，t为金属厚度，h为氧化层厚度，w为金属宽度，D为线圈外径，Area为金属面积，Cs为单位面积衬底电容，tm为金属层间距离，n为线圈的圈数，x表示各级rl和ll的比例。

步骤5，用步骤4得到的模型参数建立非转置变压器模型，并对模型进行仿真，仿真结果与步骤3实际测试得到的非转置变压器端口P1和端口P4之间的散射参数进行对比，如图6、7所示，以验证模型精度。从图中可以看到，模型仿真结果和非转置变压器实测数据在高频时的拟合精度不高，但在频率10GHz内拟合精度较好，因此，在频率10GHz以内可以使用上述方法进行四端口变压器的模型提取。

在其他可行实施例中，也可以由步骤3得到的非转置变压器端口P1和端口P4之间的散射参数，提取初级线圈与次级线圈间的互感和耦合电容，然后将仿真结果与步骤2实际测试得到的转置变压器端口P1和端口P3之间的散射参数进行对比。

Claims (2)

1.利用二端口网络分析仪提取四端口变压器模型参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将嵌套组成四端口变压器的两个电感分解成初级线圈和次级线圈，初级线圈和次级线圈彼此独立，用二端口网络分析仪测试初级线圈两个端口之间的散射参数，以及次级线圈两个端口之间的散射参数；

2）将四端口变压器设计成转置变压器或非转置变压器，用二端口网络分析仪测试变压器未接地的两个端口之间的散射参数；

3）由步骤1）得到的测试数据提取初级线圈和次级线圈的相关模型参数；由步骤2）得到的测试数据提取初级线圈与次级线圈间的互感和耦合电容。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3），初级线圈相关模型参数包括初级线圈两个端口之间的耦合电容，次级线圈相关模型参数包括次级线圈两个端口之间的耦合电容。

Images