CN110729544A - 一种紧凑型多线Marchand平面巴伦装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Marchand平面巴伦装置，该Marchand平面巴伦装置的电路结构中在主传输线输入端、末端、左耦合线和右耦合线接地位置并联MIM电容到底，从而缩短了传输线长度，显著减少了巴伦尺寸；左耦合线以及右耦合线并联电容接地位置，均上下对称地并联两个MIM电容，电容下极板连接到接地金属面上。该接地金属面通过上下两个对称的接地过孔，贯通介质基板，连接介质基板背后的金属地，降低了互联寄生电感，从而提高了电路的工作频率和带宽，并保证了电路良好的的幅度平衡度和相位平衡度。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种紧凑型多线Marchand平面巴伦电路。
背景技术
巴伦(Balun)是一种实现平衡到非平衡的转换电路。在早期，微波巴伦电路主要应用于天线的馈电系统，后来，这个概念又被推广引入到了电路设计中。随着现代通信、测量和电子对抗等应用领域对宽带电路日益增长的需求，巴伦作为推挽功率放大器、倍频器、平衡式混频器中的关键元件，其研制也取得了长足的进步。在宽带无源双平衡混频器的设计中，巴伦的性能将直接影响到混频器整体的性能，尤其是混频器的带宽受其制约很大，所以设计一个工作特性良好的宽带巴伦是双平衡混频器的核心任务之一。
巴伦可以分成有源巴伦和无源巴伦两大类。有源巴伦在很小的尺寸内就可以提供非常宽的带宽和一定的增益，但是使用有源巴伦会限制后面的放大器、倍频器或者混频器整体的动态范围，并增加了额外功耗。无源巴伦不用消耗任何直流供电，带宽可以做到较宽，性能稳定，而且线性度好。在无源巴伦中，传输线巴伦作为一种传输不平衡信号—平衡信号的关键器件，在微波电路和通信系统中扮演着极其重要的角色，从巴伦的理论被提出以来就有研究提出了各种各样的结构。经几十年的发展，Marchand巴伦因为其自身出色的平衡特性而被广泛应用，人们已经根据不同的应用场合提出了该结构不同的实现方式，如同轴线形式，带状线形式，耦合微带线形式等。为了进一步增加巴伦的耦合度，后面还陆续研制出了双边耦合、多边耦合和宽边耦合的Marchand巴伦。在平面电路设计中使用三线耦合结构代替二线耦合结构进行仿真可以提高耦合度，并同时可以增大带宽。但是，在平面电路中，传统的Marchand平面巴伦电路由两个四分之一波长的耦合线构成，如图1所示。其长度与工作信号的波长成正比，当用于集成电路中时需要占用较多芯片面积，提高了生产和使用成本。随着单片集成电路发展，电路的设计进一步趋于小型化，对巴伦小型化的要求也越来越高，现有技术中出现了基于螺旋线变压器结构的Marchand平面巴伦，该巴伦通过传输线的大量弯折能够有效地减小巴伦的整体面积，解决无源巴伦集成困难的缺点。但是，其寄生效应明显，受自谐振频率的限制只能用在微波频率的低频频段，同时这种巴伦的损耗较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是提供一种紧凑的小型化Marchand平面巴伦电路，并能适用于毫米波频段，同时保持较低损耗。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种紧凑型多线Marchand平面巴伦装置，所述Marchand平面巴伦电路包括第一传输线1及第二传输线2，在第一传输线1两侧布置有第一耦合线3和第二耦合线4，在第二传输线2两侧布置有第三耦合线5和第四耦合线6，所述第一传输线1一端与输入端7连接，在输入端7即第一传输线1入口并联第一电容C1，且第一电容C1接地；第一传输线1的另一端与第二传输线2连接，所述第二传输线的另一端与接地端之间并联第二电容C2。
所述第一耦合线3和第二耦合线4靠近输入端的一侧并联第三电容C3和第四电容C4到地，所述第一耦合线3与第二耦合线4的另一端连接第一输出端8。
所述第三耦合线5和第四耦合线6靠近第二传输线2接地端的一侧并联第五电容C5和第六电容C6到地，所述第三耦合线5和第四耦合线6的另一端连接第二输出端9。
在一个实施例中，所述第一电容C1至第六电容C6使用MIM单层电容、MIM多层电容或依靠传输线缝隙耦合的交趾电容。
在一个实施例中，所述第一传输线和第二传输线采用微带线或共面线；当采用共面线时，信号接地布局在传输线上下两侧的金属地上，金属地连接介质基板背面金属。
在一个实施例中，在第一传输线1与第二传输线2之间接入并联第七电容C7，到地；在第一输出端8与第二输出端9之间并联第八电容C8。
在一个实施例中，所述第一传输线(1)，第一耦合线(3)，第二耦合线(4)，三者宽度可以相同，也可以不相同；第一传输线(1)第一耦合线(3)之间间距，第一传输线(1)第二耦合线(4)之间间距，两者可以相同，也可以不相同；
所述第二传输线(2)，第三耦合线(5)，第四耦合线(6)，三者宽度可以相同，也可以不相同；第二传输线(2)第三耦合线(5)之间间距，第二传输线(2)第四耦合线(6)之间间距，两者可以相同，也可以不相同。
在一个实施例中，第一耦合线3和第二耦合线4的接地端与第三耦合线5和第四耦合线6的接地端之间引入偏置网络10和外部电压VCC。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
本发明相比于传统的Marchand平面巴伦电路，在主传输线输入端、末端、左耦合线和右耦合线接地位置并联电容到地，从而缩短路传输线长度，减少巴伦尺寸，本发明实例Marchand平面巴伦的横向尺寸可以控制在650μm以内，未采用本发明的巴伦横向尺寸达到1100um，本发明尺寸减少40％。
本发明相比于传统的Marchand平面巴伦电路，在左耦合线以及右耦合线原接地位置，均上下对称地并联2个MIM或耦合电容，电容下极板连接到接地金属面上。该接地金属面通过上下两个对称的接地过孔，贯通介质基板，连接介质基板背后的金属地，降低了互联寄生电感，从而提高了电路的工作频率，并改善了电路的幅度平衡度和相位平衡度，本发明实例Marchand平面巴伦20～40GHz宽频带范围，两输出端的幅度不平衡度小于0.6dB，相位不平衡度小于3°。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是传统的三线Marchand平面巴伦电路结构示意图；
图2是根据本发明第一实施例的Marchand平面巴伦装置的电路结构示意图；
图3是根据本发明第一实施例集成电路示意图；
图4是根据本发明第一实施例的Marchand平面巴伦电路两输出端口传输损耗和传输相移；
图5是根据本发明第一实施例的Marchand平面巴伦电路两端口幅度不平衡度曲线和相位不平衡度曲线；
图6是根据本发明第二实施例的Marchand平面巴伦装置的电路结构示意图；
图7是根据本发明第三实施例的Marchand平面巴伦装置的电路结构示意图；
图8是根据本发明第四实施例的Marchand平面巴伦装置的电路结构示意图；
图9是根据本发明第五实施例的Marchand平面巴伦装置的电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。
第一实施例
图2是本发明第一实施例的Marchand平面巴伦装置的电路结构示意图。下面结合图1对本实施例进行说明。
本实施例中的Marchand平面巴伦电路包括第一传输线1及第二传输线2，在第一传输线1两侧布置有第一耦合线3和第二耦合线4，在第二传输线2两侧布置有第三耦合线5和第四耦合线6，所述第一传输线1一端与输入端7连接，在输入端7即第一传输线1入口并联第一电容C1，且第一电容C1接地；第一传输线1的另一端与第二传输线2连接，所述第二传输线的另一端与接地端之间并联第二电容C2。
所述第一耦合线3和第二耦合线4靠近输入端的一侧并联第三电容C3和第四电容C4到地，所述第一耦合线3与第二耦合线4的另一端连接第一输出端8。
所述第三耦合线5和第四耦合线6靠近第二传输线2接地端的一侧并联第五电容C5和第六电容C6到地，所述第三耦合线5和第四耦合线6的另一端连接第二输出端9。
基于上述电路结构的集成电路布图结构如图3所示，在砷化镓衬底上方由下而上，共设置有三层金属层，为第一金属层M1、第二金属层M2和第三金属层M3。输入信号S通过第三金属层M3的主传输线向右传输。
在第三金属层M3的主传输线末端，在第一位置12通过M3-M2金属柱连接第一电容C1的上极板，第一电容C1的下极板置于第一金属层M1的第一接地金属G1上，第一接地金属G1通过第二位置22与第三位置20处的两金属过孔穿透GaAs介质，并连接到GaAs介质背后的金属接地上。
第三金属层M3的主传输线的另一末端，在第四位置13通过M3-M2金属柱连接第二电容C2的上极板，第二电容C2的下极板置于第一金属层M1层的第二接地金属G2上，第二接地金属G2通过第五位置21与第六位置23处的两金属过孔穿透GaAs介质，并连接到GaAs介质背后的金属接地上。
第三金属层M3中的第一耦合线在第七位置14处通过M3-M2金属柱连接第三电容C3的上极板，第三电容C3下极板置于第一金属层M1层的第一接地金属G1上，第一接地金属G1通过第二位置22与第三位置20处的两金属过孔穿透GaAs介质，并连接到GaAs介质背后的金属接地上。
第二耦合线在第八位置15处通过M3-M2金属柱连接第四电容C4的上极板，第四电容C4下极板置于第一金属层M1层的第一接地金属G1上，第一接地金属G1通过第二位置22与第三位置20处的两金属过孔穿透GaAs介质，并连接到GaAs介质背后的金属接地上。
第一耦合线与第二耦合线在末端通过第一金属层M1的细长金属线上下互联，并形成巴伦电路第一输出端。
第三耦合线在第九位置16处通过M3-M2金属柱连接第五电容C5的上极板，第六电容C5下极板置于第一金属层M1层的第二接地金属G2上，第二接地金属G2通过通过第五位置21与第六位置23处的两金属过孔穿透GaAs介质，并连接到GaAs介质背后的金属接地上。
第四耦合线在第十位置17处通过M3-M2金属柱连接第六电容C6的上极板，第六电容C6下极板置于第一金属层M1层的第二接地金属G2上，第二接地金属G2通过第五位置21与第六位置23处的两金属过孔穿透GaAs介质，并连接到GaAs介质背后的金属接地上。
第三耦合线与第四耦合线在末端通过第一金属层M1的细长金属线上下互联，并形成巴伦电路第二输出端。
第一接地金属G1与第二接地金属G2均设置在第一金属层M1上，且上下对称设置。
本实施例的Marchand平面巴伦电路在耦合线的末端接地处，增加了并联电容接地，减少了耦合线的尺寸。同时在传输线输入和末端位置，增加并联电容接地，在减少了巴伦传输线尺寸的同时减少了耦合线的尺寸，从而保持了巴伦良好的幅度平衡度和相位平衡度特性。本实施例的Marchand平面巴伦的横向长度可以控制在650μm以内，较未采用本发明的巴伦(横向长度1100um)，尺寸减少40％，如图4所示，本实施例的Marchand平面巴伦电路的两输出端幅度和相位特性如图5所示，20～40GHz频带范围，两输出端的幅度不平衡度小于0.6dB，相位不平衡度小于3°。
本实施例中，第一电容至第六电容即可以使用MIM单层电容，也可以使用MIM多层电容，还可以使用依靠传输线缝隙耦合的交趾电容。
并联电容值与对应传输线之间的关系可用以下公式估算：
C＝1/(4πf Z0tanθ0)
单位为法(F)，f为工作频率，Z0为传输线特性阻抗，θ0为传播相位。
在本实施例中，传输线、耦合线可以采用微带线电路，也可以采用共面线电路。当采用共面线时，信号地布局在耦合线上下两侧金属地上，金属地可以通过过孔也可以金丝连接介质基板背面金属。
第二实施例
如图6所示的本发明第二实施例的Marchand平面巴伦电路结构示意图，相比于第一实施例，本实施例的改进在于在第一传输线1与第二传输线2之间接入并联第七电容C7，到地。同时在第一输出端8与第二输出端9之间并联第八电容C8，其他结构保持与第一实施例中相同，在此不再赘述。
增加第七电容C7与第八电容C8的作用在于有效改进巴伦电路的平衡度与带宽，同时能够进一步的减小巴伦电路的尺寸。
第三实施例
如图7所示的本发明第三实施例的Marchand平面巴伦电路结构示意图，相比于第二实施例，本实施例的改进在于左右耦合线采用不同的线宽、线间距或线长。即第一传输线1、第一耦合线3和第二耦合线4之间采用一致的线宽、线间距和线长，而第二传输线2、第三耦合线5和第四耦合线6之间采用另一线宽、线间距和线长。其他结构保持与第二实施例中相同，在此不再赘述。
第四实施例
如图8所示的本发明第四实施例的Marchand平面巴伦电路结构示意图，相比于第二实施例，本实施例的改进在于在左右耦合线的接地端之间引入偏置网络和馈电，即在第一耦合线3和第二耦合线4的接地端与第三耦合线5和第四耦合线6的接地端之间引入偏置网络10和外部电压VCC。通过巴伦电路自有的直流通路，将外部电压直接馈到巴伦电路的两个输出端口。其他结构保持与第二实施例中相同，在此不再赘述。
第五实施例
如图9所示的本发明的第五实施例的Marchand平面巴伦电路结构示意图，相比于第二实施例，本实施例的改进在于第一传输线与第二传输线均设置有多条，如2条、3条等；耦合线也设置有多条，如3条，4条等，根据传输线的数量进行配置。每条传输线的两端同样设置有并联电容，并接地。每条耦合线射频接地位置也同样设置有并联电容，并接地。两输出口之间可以并联电容或者不并联电容。
以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种紧凑型多线Marchand平面巴伦装置，其特征在于：所述Marchand平面巴伦装置的电路包括第一传输线(1)及第二传输线(2)，在第一传输线(1)两侧布置有第一耦合线(3)和第二耦合线(4)，在第二传输线(2)两侧布置有第三耦合线(5)和第四耦合线(6)，所述第一传输线(1)一端与输入端(7)连接，在输入端(7)并联第一电容(C1)，且第一电容(C1)接地；第一传输线(1)的另一端与第二传输线(2)连接，所述第二传输线的另一端与地之间并联第二电容(C2)。
所述第一耦合线(3)和第二耦合线(4)靠近输入端的一侧并联第三电容(C3)和第四电容(C4)到地，所述第一耦合线(3)与第二耦合线(4)的另一端连接第一输出端(8)。
所述第三耦合线(5)和第四耦合线(6)靠近第二传输线(2)接地端的一侧并联第五电容(C5)和第六电容(C6)到地，所述第三耦合线(5)和第四耦合线(6)的另一端连接第二输出端(9)。
2.根据权利要求1所述的紧凑型多线Marchand平面巴伦装置，其特征在于：所述第一电容(C1)至第六电容(C6)使用MIM单层电容、MIM多层电容或依靠传输线缝隙耦合的交趾电容。
3.根据权利要求1所述的紧凑型多线Marchand平面巴伦装置，其特征在于：所述第一传输线(1)和第二传输线(2)采用微带线或共面线；当采用共面线时，信号接地布局在巴伦上下两侧的金属地上，金属地通过过孔或金线连接介质基板背面金属。
4.根据权利要求1所述的紧凑型多线Marchand平面巴伦装置，其特征在于：在第一传输线(1)与第二传输线(2)之间接入并联第七电容(C7)，并接地；在第一输出端(8)与第二输出端(9)之间并联第八电容(C8)。
5.根据权利要求1所述的紧凑型多线Marchand平面巴伦装置，其特征在于：所述第一传输线(1)，第一耦合线(3)，第二耦合线(4)，三者宽度可以相同，也可以不相同；第一传输线(1)第一耦合线(3)之间间距，第一传输线(1)第二耦合线(4)之间间距，两者可以相同，也可以不相同；
所述第二传输线(2)，第三耦合线(5)，第四耦合线(6)，三者宽度可以相同，也可以不相同；第二传输线(2)第三耦合线(5)之间间距，第二传输线(2)第四耦合线(6)之间间距，两者可以相同，也可以不相同。
6.根据权利要求1所述的紧凑型多线Marchand平面巴伦装置，其特征在于：第一耦合线(3)和第二耦合线(4)的接地端与第三耦合线(5)和第四耦合线(6)的接地端之间引入偏置网络(10)和外部电压VCC。
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