CN104767021A - 一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦 - Google Patents

Abstract

一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦(Balun)，属于射频器件领域。本发明包含两个初级线圈和一个次级线圈。两个初级线圈是由带中心抽头的电感在中心抽头附近断开后形成，次级线圈即是一个带中心抽头的平面螺旋电感。初、次级线圈之间相互嵌套以提升耦合系数。初、次级线圈的中心抽头连接在一起最终连到地平面上。按照上述方案设计来变压器Balun可以解决现有变压器Balun在低频工作时呈现的工作频带窄、相位平衡度差、插入损耗和回波损耗大等问题。本发明可用于片上集成电路设计中需要完成单端-差分转换的场合。

Description

一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦

技术领域

本发明属于射频器件领域，涉及片上无源巴伦(Balance-to-Unbalance,以下简称Balun)，尤其是具有宽带、低损耗、高平衡度性能的片上变压器Balun。

背景技术

巴伦常用于射频收发机前端需要进行单端与差分信号转换的场合。现有结构的Balun主要有两种，即：Marchand Balun和变压器式Balun。Marchand Balun的优点是它具有较宽的工作带宽和较低的反射。如文章“Balance-CompensatedAsymmetric Marchand Baluns on Silicon for MMICs”所报道，目前，片上Balun已经在毫米波电路中得到了广泛应用，这得益于无源器件尺寸与工作频率呈现的反比例关系。然而，如文章“2.5-7GHz single balanced mixer with integratedRuthroff-type balun in 0.18μm CMOS technology”所述，S波段(2-4GHz)的无线局域网等低频应用中，这种反比例关系却给无源Balun的片上集成带来了巨大挑战，而变压器式Balun依其紧凑性的特点成为低频应用的最佳选择。平面变压器主要由初级和次级两组线圈构成，图1(a)为其基本模型。在物理构成上，初、次级线圈皆由一定长度和宽度的金属导线实现，因此图1(a)的等效电路如图1(b)所示。为分析变压器Balun的工作原理将其分为两个独立耦合的部分，每一部分的电长度为θ。根据均匀介质中的对称耦合线理论，Balun第1部分对应的散射矩阵为：

$S_1=\left[\begin{array}{ccc}-{\left(\frac{y}{z}\right)}^2& \frac{x}{z}& -\frac{\mathrm{xy}}{z^2}\\ \frac{x}{z}& 0& \frac{y}{z}\\ -\frac{\mathrm{xy}}{z^2}& \frac{y}{z}& -{\left(\frac{x}{z}\right)}^2\end{array}\right]---\left(1\right)$

Balun第2部分对应的散射矩阵为：

$S_2=\left[\begin{array}{cc}\frac{x^2}{y^2-z^2}& \frac{y}{z}(1-\frac{x^2}{y^2-z^2})\\ \frac{y}{z}(1-\frac{x^2}{y^2-z^2})& \frac{x^2}{y^2-z^2}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中， $x=\sqrt{1-k^2},$ y＝jksinθ， $z=\sqrt{1-k^2}\cos \mathrm{\θ}+j\sin \mathrm{\θ},$ k是耦合因子。

根据图1(b)将式(1)和(2)联立，可以得到Balun的三端口网络散射矩阵，此处仅给出描述Balun平衡度和损耗的2个关键参数：S₂₁和S₃₁。

$S_{21}=-S_{31}=-\frac{\mathrm{xy}}{z^2}(1+\frac{x^2}{z^2-y^2})---\left(1\right)$

由式(1)可以看出均匀介质中的单独耦合变压器Balun拥有幅度和相位自然平衡的本质。但是，对于片上集成的变压器Balun来说“均匀介质”和“单独耦合”这样理想的前提条件无法得到满足。因此，式(1)所表达的平衡关系在通常的设计中将被打破。采用现有结构设计的Balun很难在较宽的频带内同时实现低损耗、低反射和高平衡度的性能。

发明内容

本发明的目的旨在提出一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦，解决现有变压器Balun工作在S波段等低频应用场合无法同时实现低损耗、低反射和高平衡度的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦，包括初级线圈、次级线圈L3和一个金属地平面，次级线圈L3带有中心抽头，其特征在于：所述的初级线圈由金属导线断开的第一初级线圈L1和第二初级线圈L2组成。

其中，第一初级线圈L1、第二初级线圈L2和次级线圈L3均为平面对称螺旋电感且金属导线宽度相同。

其中，金属导线断开的位置临近初级线圈的中心抽头。

其中，金属导线断开的位置距离中心抽头为19μm。

其中，初级线圈的中心抽头和次级线圈L3的中心抽头连接在一起后接到金属地平面上。

其中，构成初级线圈的中心抽头和次级线圈L3的中心抽头由各自所用金属导线长度的二分之一处引出。

其中，初级线圈与次级线圈L3之间相互嵌套，即初级线圈与次级线圈L3其中一者的相邻两股绕线夹着另一者的一股绕线。

与现有技术相比，本发明的优点及显著效果为：

1)工作频率范围宽。本发明充分考虑到了变压器初级地与次级地引入的问题，将初级和次级地连在了一起，极大程度地拓展了变压器Balun的工作带宽。

2)平衡度高、损耗小。由于本发明断开了两个初级线圈L1和L2之间的电气连接，首先，初级线圈的导线长度被减小Balun的损耗也因此下降；其次，该方案优化了初、次级线圈之间的电磁耦合，提升了Balun的平衡度。

3)所占面积小。本发明仍采用螺旋对称结构设计变压器Balun，因此保证了片上布局的紧凑性。

4)兼容CMOS和GaAs工艺。本发明中的变压器Balun仅用3层金属即能实现，所以既能满足CMOS工艺的设计需要又能满足GaAs工艺的设计需要。

附图说明

图1(a)是现有技术的螺旋变压器Balun的基本模型；

图1(b)是现有技术的螺旋变压器Balun在理想情况下的等效电路；

图2是本发明的宽带高平衡度片上变压器Balun的模型；

图3是本发明的宽带高平衡度片上变压器Balun的简化版图；

图4是本发明的宽带高平衡度片上变压器Balun的S₃₁和S₁₁仿真曲线；

图5是本发明的宽带高平衡度片上变压器Balun的幅度和相位不平衡度仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图2所示，一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦，包括两个导线宽度相同的第一初级线圈L1和第二初级线圈L2(两者构成初级线圈)、次级线圈L3和一个金属地平面。与图1(a)不同的是，图2中第一初级线圈L1和第二初级线圈L2之间的连接关系被切断，初级线圈的中心抽头与次级线圈L3的中心抽头连接在一起再接到地上实现良好的单端-差分转换功能。

构成初级线圈和次级线圈L3的两个平面螺旋电感的中心抽头由各自所用金属导线长度的二分之一处引出以同时实现良好的相位和幅度平衡度。

初级线圈与次级线圈L3之间相互嵌套，即初级线圈与次级线圈L3其中一者的相邻两股绕线必然夹着另一者的一股绕线。虽然第二初级线圈L2没有任何电气上连接，但通过第一初级线圈L1的交变电流产生的磁场会通过第二初级线圈L2使第二初级线圈L2与次级线圈L3仍产生电磁耦合，进一步提升Balun的平衡度。

参看图3，先设计两个“相互嵌套”且带中心抽头的平面对称螺旋电感，中心抽头分别从两个螺旋电感所用金属导线的二分之一长度处引出沿对称轴连接在一起再接到变压器Balun周围的金属地平面上。上述的“相互嵌套”意为其中一个螺旋电感的相邻两股绕线必然夹着另外一个螺旋电感的一股绕线。这两个带中心抽头的平面对称螺旋电感，其中一个做为变压器Balun的初级线圈另一组做为次级线圈。再在初级线圈的中心抽头旁边断开一个具有一定宽度的“缺口”，则初级线圈被分为了两个独立的小线圈，一端与地平面相连的小线圈其另一端必须被设为信号的输入端即对应图2中的第一初级线圈L1，而另一个小线圈被做为变压器Balun的填充线圈即对应图2中的第二初级线圈L2。变压器Balun的次级线圈对应于图2中的次级线圈L3。

本发明中的变压器Balun其初、次级线圈用顶层与次顶层金属设计，地平面用底层金属设计。实施例中变压器Balun线圈导线的线宽为5μm，导线与导线之间的间隙为1μm，Balun的内径为50μm，线圈距周围地平面的水平距离为50μm。

实施例的变压器Balun基于1P6M的标准CMOS工艺设计，顶层金属厚3.0μm，次顶层金属厚0.9μm，地平面金属厚0.385μm。实施例变压器Balun的电磁场仿真结果如图4和图5所示。

由图4所示的S-参数电磁仿真结果可以看出利用本发明所提方案设计的巴伦可以实现：在2.2～4GHz的频率范围内的插入损耗小于5dB，反射系数小于-10dB。由图5所示的不平衡度电磁仿真结果可以看出利用本发明所提方案设计的巴伦可以实现：在1.8～4GHz的频率范围内幅度不平衡度小于0.7dB，相位不平衡度小于0.5°。

Claims (7)

1.一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦，包括初级线圈、次级线圈(L3)和一个金属地平面，次级线圈(L3)带有中心抽头，其特征在于：所述的初级线圈由金属导线断开的第一初级线圈(L1)和第二初级线圈(L2)组成。

2.根据权利要求1所述的一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦，其特征在于：所述的第一初级线圈(L1)、第二初级线圈(L2)和次级线圈(L3)均为平面对称螺旋电感且金属导线宽度相同。

3.根据权利要求1所述的一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦，其特征在于：所述的金属导线断开的位置临近初级线圈的中心抽头。

4.根据权利要求3所述的一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦，其特征在于：所述的金属导线断开的位置距离中心抽头为19μm。

5.根据权利要求1或3所述的一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦，其特征在于：所述的初级线圈的中心抽头和次级线圈(L3)的中心抽头连接在一起后接到金属地平面上。

6.根据权利要求1所述的一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦，其特征在于：构成初级线圈的中心抽头和次级线圈(L3)的中心抽头由各自所用金属导线长度的二分之一处引出。

7.根据权利要求1所述的一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦，其特征在于：初级线圈与次级线圈(L3)之间相互嵌套，即初级线圈与次级线圈(L3)其中一者的相邻两股绕线夹着另一者的一股绕线。