CN117080704A - 一种巴伦和差分放大器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及通信领域，本申请提供了一种巴伦和差分放大器，巴伦包括：第一组四分之一波长耦合线和第二组四分之一波长耦合线，第一组四分之一波长耦合线包括：第一上层金属线和第一下层金属线；第二组四分之一波长耦合线包括：第二上层金属线和第二下层金属线；第一上层金属线、第一下层金属线、第二上层金属线和第二下层金属线中的每一个金属线，沿巴伦的长度方向不是呈直线型，并沿巴伦的宽度方向弯折。本申请的巴伦整体小型化，设计更加紧凑，从而最大程度减小片上占用面积的浪费。

Description

一种巴伦和差分放大器

技术领域

本申请涉及通信技术领域，特别涉及一种巴伦和差分放大器。

背景技术

巴伦(Balun，Balanced-unbalanced Transformer)，又称为平衡-非平衡转换器，在通信系统中具有广泛的应用。巴伦能够将不平衡的单端信号转换为差分的双端信号，具体是将单端信号转换为功率减半，相位相差180度的差分信号，广泛应用于射频收发机系统当中。Marchand巴伦因为其宽带特性和在太赫兹频段片上易于实现的特点，广泛应用于太赫兹放大器输入和输出功率分配网络。而太赫兹波具有频谱资源丰富，穿透力强，方向性好等特点，其在许多天文学、医学和通信等应用中具有巨大的潜力。

现有的片上巴伦，存在占用片上面积过大的问题。

发明内容

本申请的实施例提供一种巴伦，使用对称偏移的堆叠结构，每层的耦合线沿巴伦的长度方向不是呈直线型，并且沿巴伦的宽度方向弯折。即，巴伦的每层的耦合线经过了平面折叠，增加了巴伦的宽度，减小了巴伦的长度，巴伦整体小型化，设计更加紧凑，从而最大程度减小片上占用面积的浪费。

为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种巴伦，包括：第一组四分之一波长耦合线和第二组四分之一波长耦合线；其中，第一组四分之一波长耦合线包括：第一上层金属线和第一下层金属线；第二组四分之一波长耦合线包括：第二上层金属线和第二下层金属线，第二上层金属线和第一上层金属线位于第一金属层，第二下层金属线和第一下层金属线位于第二金属层，第一金属层和第二金属层沿巴伦的厚度方向堆叠设置；第一下层金属线的一端为单端信号端口，第一下层金属线的另一端与第二下层金属线的一端连接，第二下层金属线的另一端开路；第一上层金属线的一端和第二上层金属线的一端均接地，第一上层金属线的另一端和第二上层金属线的另一端为差分信号端口；第一上层金属线、第一下层金属线、第二上层金属线和第二下层金属线中的每一个金属线，沿巴伦的长度方向不是呈直线型，并沿巴伦的宽度方向弯折。

根据本申请的实施方式，每层的耦合线沿巴伦的长度方向不是呈直线型，并且沿巴伦的宽度方向弯折。即，巴伦的每层的耦合线经过了平面折叠，增加了巴伦的宽度，减小了巴伦的长度，巴伦整体小型化，设计更加紧凑，从而最大程度减小片上占用面积的浪费。

在上述第一方面的一种可能实现中，每一个金属线包括相连接的直线段和一个或两个以上的弯折段，直线段沿长度方向延伸，弯折段沿巴伦的宽度方向凸出直线段设置，两个以上的弯折段沿长度方向间隔设置。每段耦合线经过多次平面折叠，进一步小型化，增加宽度，减小长度，趋近于方形结构，设计更加紧凑，从而最大程度减小片上占用面积的浪费

在上述第一方面的一种可能实现中，弯折段包括依次相连接的第一段、第二段和第三段，第一段和第三段分别沿宽度方向延伸，第二段沿长度方向延伸。

在上述第一方面的一种可能实现中，直线段和弯折段连接的拐角处进行倒角处理，和/或，弯折段的拐角处进行倒角处理。防止在多次折叠蜿蜒小型化后，出现阻抗的不连续性，从而影响设计性能。

在上述第一方面的一种可能实现中，沿长度方向，第一上层金属线的一端、第一下层金属线的一端、第二上层金属线的一端、第二下层金属线的另一端位于巴伦的同一侧，第一上层金属线的另一端、第一下层金属线的另一端、第二上层金属线的另一端、第二下层金属线的一端位于巴伦的与同一侧相反的另一侧；

沿厚度方向，第二下层金属线的另一端的投影和第二上层金属线的一端的投影不齐平。

在上述第一方面的一种可能实现中，沿长度方向，第二下层金属线的另一端的投影长于或短于第二上层金属线的一端的投影。

在第二组四分之一波长耦合线使用不等长的耦合线，即补偿线。Marchand巴伦小型化后，对平衡性进行优化。使用蜿蜒小型化后，整体结构的阻抗变化不均匀，带来差分输出平衡性变差的问题，即相位差和幅度差恶化，从而导致射频系统额外的功率损耗与二阶非线性。为改善上述问题，在Marchand巴伦蜿蜒小型化的基础上，Marchand巴伦使用不等长的耦合线(即补偿线)，即在等长耦合线的基础上引入额外的一段传输线，信号在传输过程中产生额外的相位和损耗，从而改变整体的相位差和幅度差，即补偿线来通过折衷优化获得更好的幅度平衡性和相位平衡性。

在上述第一方面的一种可能实现中，沿厚度方向，第一上层金属线的投影和第一下层金属线的投影不重合，第二上层金属线的投影和第二下层金属线的投影不重合。

在上述第一方面的一种可能实现中，沿宽度方向，第一上层金属线沿朝向第二上层金属线的方向相对第一下层金属线偏移第一设定距离，第二上层金属线沿朝向第一上层金属线的方向相对第二下层金属线偏移第二设定距离。

在上述第一方面的一种可能实现中，第一设定距离等于第二设定距离。

在上述第一方面的一种可能实现中，沿宽度方向，第一组四分之一波长耦合线的两侧均设有地，第二组四分之一波长耦合线的两侧均设有地。也就是说，第一组四分之一波长耦合线和第二组四分之一波长耦合线采用共面波导形式，通过隔离减小两段耦合线间的干扰。

在上述第一方面的一种可能实现中，第一上层金属线和第二上层金属线之间设有第一共用地，第一下层金属线和第二下层金属线之间设有第二共用地。

在上述第一方面的一种可能实现中，第一上层金属线和第二上层金属线相对第一共用地对称设置。

在上述第一方面的一种可能实现中，第一下层金属线和第二下层金属线相对第二共用地对称设置。

在上述第一方面的一种可能实现中，第一共用地包括垂直交叉的第一部分和第二部分，第一共用地的第一部分沿长度方向延伸，第一共用地的第二部分沿宽度方向延伸；第二共用地包括垂直交叉的第一部分和第二部分，第二共用地的第一部分沿长度方向延伸，第二共用地的第二部分沿宽度方向延伸。

在上述第一方面的一种可能实现中，每一个金属线包括两个直线段和一个弯折段；其中，

每一个金属线的其中一个直线段与该金属线的弯折段的第一段连接，每一个金属线的另外一个直线段与该金属线的弯折段的第三段连接；

第一上层金属线的两个直线段未与弯折段连接的一端，分别包括第一上层金属线的一端和另一端；

第二上层金属线的两个直线段未与弯折段连接的一端，分别包括第二上层金属线的一端和另一端；

第一下层金属线的两个直线段未与弯折段连接的一端，分别包括第一下层金属线的一端和另一端；

第二下层金属线的两个直线段未与弯折段连接的一端，分别包括第二下层金属线的一端和另一端。

在上述第一方面的一种可能实现中，第一金属层的每一个金属线包括三个直线段和两个弯折段，第二金属层的每一个金属线包括两个直线段和两个弯折段；其中，

第一金属层的每一个金属线的每一个弯折段位于相邻的两个直线段之间；

第一上层金属线中未与弯折段连接的两个直线段的一端，分别包括第一上层金属线的一端和另一端；

第一下层金属线中，其中一个直线段的一端包括第一下层金属线的一端，另一端与其中一个弯折段的第一段连接，其中一个弯折段的第三段与另外一个直线段的一端连接，另外一个直线段的另一端与另外一个弯折段的第一段连接，另外一个弯折段的第三段未与该弯折段的第二段连接的一端包括第一下层金属线的另一端；

第二下层金属线中，其中一个直线段的一端包括第二下层金属线的一端，另一端与其中一个弯折段的第一段连接，其中一个弯折段的第三段与另外一个直线段的一端连接，另外一个直线段的另一端与另外一个弯折段的第一段连接，另外一个弯折段的第三段未与该弯折段的第二段连接的一端包括第二下层金属线的另一端。

第二方面，本申请提供一种差分放大器，包括上述第一方面任一项的巴伦。

附图说明

图1a根据本申请的一些实施例，示出了一个耦合电路中四分之一波长耦合线的结构示意图；

图1b根据本申请的一些实施例，示出了Marchand巴伦的结构示意图一；

图2根据本申请的一些实施例，示出了Marchand巴伦的应用场景示意图；

图3a根据本申请的一些实施例，示出了Marchand巴伦的结构示意图二；

图3b根据本申请的一些实施例，示出了Marchand巴伦的结构示意图三；

图4a根据本申请的一些实施例，示出了Marchand巴伦的结构示意图四；

图4b根据本申请的一些实施例，示出了Marchand巴伦的结构示意图五；

图5a根据本申请的一些实施例，示出了Marchand巴伦的结构示意图六；

图5b根据本申请的一些实施例，示出了Marchand巴伦的结构示意图七；

图5c根据本申请的一些实施例，示出了Marchand巴伦的结构示意图八；

图5d根据本申请的一些实施例，示出了Marchand巴伦的结构示意图九；

图6根据本申请的一些实施例，示出了Marchand巴伦的剖视图；

图7根据本申请的一些实施例，示出了160GHz(中心频点)宽带Marchand巴伦的输入匹配性能仿真结果；

图8根据本申请的一些实施例，示出了160GHz(中心频点)宽带Marchand巴伦的幅度差与相位差的仿真结果图；

图9根据本申请的一些实施例，示出了输入匹配与工作带宽仿真结果图；

图10根据本申请的一些实施例，示出了有无补偿线的幅度差对比图；

图11根据本申请的一些实施例，示出了有无补偿线的相位差对比图；

图12a根据本申请的一些实施例，示出了Marchand巴伦的结构示意图十；

图12b根据本申请的一些实施例，示出了Marchand巴伦的结构示意图十一；

图13根据本申请的一些实施例，示出了100GHz(中心频点)宽带Marchand巴伦的输入匹配性能仿真结果图；

图14根据本申请的一些实施例，示出了100GHz(中心频点)宽带Marchand巴伦的幅度差与相位差的仿真结果图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本申请的具体实施方式。

在太赫兹频段，由于良好的宽带特性和片上易于实现，Marchand巴伦得到广泛应用。Marchand巴伦是由两段四分之一波长耦合线组成的三端口网络，具有平衡-不平衡转换的功能。Marchand巴伦包括两个相同的耦合电路，每个耦合电路包括两个耦合线。按照耦合线的类型，Marchand巴伦分为平面结构和堆叠结构。在结构上，堆叠型比平面边缘耦合型具有更高的耦合系数。本申请以Marchand巴伦为堆叠结构进行实例说明。

图1a示出了一个耦合电路中四分之一波长耦合线的结构示意图，图1b示出了Marchand巴伦10的结构示意图。

如图1a所示，耦合电路中的两条金属线(例如第一金属线11和第二金属线12)采用上下排列的结构。即，第一金属线11和第二金属线12不在同一平面上，而是沿着巴伦10的厚度方向(图1a中Y方向所示)上下排列。也就是说，非平衡信号接口和平衡信号接口不在同一平面上。图1a所示的一个耦合电路中相邻两条金属线(例如第一金属线11和第二金属线12)之间的交叉线表示这两条金属线之间为相互耦合传输的关系。

如图1b所示，Marchand巴伦10包括两个相同的耦合电路，每个耦合电路包括两个耦合线。即，一个耦合电路包括上下排列并耦合传输的第一金属线11和第二金属线12，另外一个耦合电路包括上下排列并耦合传输的第三金属线13和第四金属线14。示例性地，第一金属线11和第四金属线14处于同一平面的第一金属层，第二金属线12和第二金属线12处于同一平面的第二金属层，第一金属层和第二金属层沿巴伦10的厚度方向上下排列。

每个耦合电路的耦合线具有四个端口。如图1a所示，其中一个耦合电路的第一金属线11具有第一端口A和第二端口B，第二金属线12具有第三端口C和第四端口D。同样，另外一个耦合电路的第三金属线13具有第一端口A和第二端口B，第四金属线14具有第三端口C和第四端口D。

如图1b所示，在Marchand巴伦10中，第一金属线11的第一端口A接地，第一金属线11的第二端口B作为Marchand巴伦10的一个差分信号端口(图1b中P2所示)，并与负载ZL相连；第二金属线12的第三端口C作为Marchand巴伦10的单端信号端口(图1b中P1所示)，第二金属线12的第四端口D与第三金属线13第二端口B相连；第三金属线13的第一端口A开路(图1b中OC所示，即不接地)；第四金属线14的第三端口C接地，第四金属线14的第四端口D作为Marchand巴伦10的另外一个差分信号端口(图1b中P3所示)，并与负载ZL相连。

示例性地，Marchand巴伦10的工作过程如下：信号(例如电磁信号)从单端信号端口P1进入Marchand巴伦10，信号在金属线上传播，并且通过耦合效应耦合到另半边耦合线上，形成功率减半，相位相差180度的差分信号，由差分信号端口P2、P3输出，并传输给负载ZL。从而，Marchand巴伦10实现了将单端信号转换为差分信号。

在一些可能的实施方式中，当差分信号分别由差分信号端口P2、P3进入Marchand巴伦10，由单端信号端口P1输出。从而，Marchand巴伦10实现了将差分信号转换为单端信号。

图2示出了Marchand巴伦10的应用场景。图2示出Marchand巴伦10应用于太赫兹差分放大器20的输入和输出功率分配网络。其中，差分放大器20分别与两个上述的Marchand巴伦10相连。其中一个Marchand巴伦10的差分信号端口P2、P3与差分放大器20相连，即第一金属线11的第二端口B和第四金属线14的第四端口D与差分放大器20相连，实现向该差分放大器20输入差分信号；另外一个Marchand巴伦10的差分信号端口P2、P3与差分放大器20相连，即第一金属线11的第二端口B和第四金属线14的第四端口D与差分放大器20相连，差分放大器20向该Marchand巴伦10输入差分信号，由该巴伦10的单端信号端口输出单端信号，即，由第二金属线12的第三端口C输出。

另外，图1a所示的四分之一波长耦合线，其四端口S参数可由耦合系数C表示为：

从而由两段四分之一波长耦合线组成的三端口Marchand巴伦10(图1b所示)的S参数可表示为：

由此，为了实现每个差分端口P2、P3的-3dB的最佳功率(功率减半)传输和50欧姆的输入匹配，耦合系数需要满足：

由于耦合线的偶模阻抗Zoe和奇模阻抗Zoo需要满足：

和/>

这意味着Marchand巴伦10中四分之一波长耦合器，理论上偶数模阻抗和奇数模阻抗分别需要为96欧姆和26欧姆。

在一些可能的实施方式中，图3a和图3b示出了巴伦10的一种俯视视角下的结构方案(简称方案一)，如图3a和3b所示，第一金属线11、第二金属线12、第三金属线13和第四金属线14沿巴伦10的长度方向(图3a和图3b中X方向所示)延伸，整体分别呈直线型。巴伦10还包括地15，第一金属线11的上述第一端口A和第四金属线14的上述第三端口C与地15相连(即接地)。示例性地，第一金属线11和第四金属线14的宽度方向(图3b中Y方向所示)的两侧分别设有地15。

示例性地，方案一的四分之一波长传输线的长度和宽度分别为380um和75um。巴伦10整体结构上，宽度远小于长度方向，存在片上占用面积的浪费。

在一些可能的实施方式中，图4a和图4b示出了巴伦10的一种结构方案(简称方案二)，如图4a和4b所示，第一金属线11、第二金属线12、第三金属线13和第四金属线14沿巴伦10的长度方向(图4a和图4b中X方向所示)延伸，整体分别呈直线型。巴伦10还包括地15，第一金属线11的上述第一端口A和第四金属线14的上述第三端口C与地15相连(即接地)。示例性地，第一金属线11和第四金属线14的宽度方向(图4b中Y方向所示)的两侧分别设有地15。

其中，方案二中的第二金属线12和第三金属线13沿宽度方向进过一次弯折后相连，第二金属线12和上方的第一金属线11耦合，第三金属线13和上方的第四金属线14耦合。示例性地，方案二的四分之一波长传输线的长度和宽度分别为220um和105um。相比于方案一，方案二的四分之一波长传输线的长度有所减小，宽度有所增加。方案二的Marchand巴伦10的结构相比于方案一的Marchand巴伦10的结构紧凑。优化后的方案二的Marchand巴伦10整体结构上，宽度仍小于长度方向，也存在片上占用面积的浪费。

也就是说，方案一和方案二的四分之一波长传输线的长度仍然达到200um以上的尺度，因此，需要对Marchand巴伦的结构进行进一步地优化，以实现面积更加紧凑的Marchand巴伦。

为此本申请提供了另外一种Marchand巴伦的结构方案(以下简称本申请方案)。本申请方案中的Marchand巴伦中的四分之一波长传输线通过设置弯折段，经过至少两次弯折，进一步小型化，增加宽度，减小长度。示例性地，整体长度和宽度分别为148um和157um，近似方形结构，设计更加紧凑，从而最大程度减小片上占用面积的浪费。

图5a示出了本申请方案的Marchand巴伦30的俯视视角下的结构示意图一，图5b示出了本申请方案的Marchand巴伦30的俯视视角下的结构示意图二，图5c示出了本申请方案的Marchand巴伦30的俯视视角下的立体结构示意图一，图5d示出了本申请方案的Marchand巴伦30的俯视视角下的立体结构示意图二。

参考图5a和图5b，本申请方案的Marchand巴伦30包括第一组四分之一波长耦合线和第二组四分之一波长耦合线。其中，第一组四分之一波长耦合线包括：第一下层金属线31和第一上层金属线32。第二组四分之一波长耦合线包括：第二下层金属线33和第二上层金属线34。本申请的Marchand巴伦30也是堆叠结构。参考图5c，上述第二上层金属线34和第一上层金属线32位于第一金属层，参考图5d，第二下层金属线33和第一下层金属线31位于第二金属层。第一金属层和第二金属层沿巴伦30的厚度方向(图5c中Z方向所示)堆叠设置。

参考图5b和图5c，沿宽度方向(图5b和图5c中Y方向所示)，第一组四分之一波长耦合线(包括第一上层金属线32和第一下层金属线31)的两侧均设有地35、36。参考图5b和图5d，沿宽度方向(图5b和图5d中Y方向所示)，第二组四分之一波长耦合线(第二上层金属线34和第二下层金属线33)的两侧均设有地37、38。也就是说，第一组四分之一波长耦合线和第二组四分之一波长耦合线采用共面波导形式，通过隔离减小两段耦合线间的干扰。

示例性地，本申请方案的第一下层金属线31的一端为单端信号端口(图5a中P1所示)，第一下层金属线31的另一端H与第二下层金属线33的一端G连接，第二下层金属线33的另一端开路(图5a中OC所示)。第一上层金属线32的一端F和第二上层金属线34的一端E均与地35相连，第一上层金属线32的另一端为差分信号端口(图5a中P2所示)，第二上层金属线34的另一端为差分信号端口(图5a中P3所示)。

示例性地，图5a中示出，第一下层金属线31的单端信号端口P1是Marchand巴伦30的信号输入端口(图5a中Vin所示)，第一上层金属线32的差分信号端口P2是Marchand巴伦30的差分信号输出端口(图5a中Vout+所示)，第二上层金属线34的差分信号端口P3是Marchand巴伦30的差分信号输端口(图5a中Vout-所示)。从而，Marchand巴伦30通过第一上层金属线32的差分信号端口P2和第二上层金属线34的差分信号端口P3输出功率减半，相位相差180度的差分信号。

参考图5b和图5c，通常考虑到产品的整体设计，会使用过孔将第一下层金属线31的单端信号端口P1和第一上层金属线32的差分信号端口P2、P3引到同一平面上。

示例性地，参考图5b和图5c，第一上层金属线32和第二上层金属线34之间设有第一共用地36。示例性地，第一共用地36包括垂直交叉的第一部分361和第二部分362，第一共用地36的第一部分361沿长度方向延伸，第一共用地36的第二部分362沿宽度方向延伸，第一共用地36的第二部分362还延伸到位于后述的第一上层金属线32和第二上层金属线34弯折段内。

参考图5b和图5d，第一下层金属线31和第二下层金属线33之间设有第二共用地37。示例性地，第二共用地37包括垂直交叉的第一部分371和第二部分372，第二共用地37的第一部分371沿长度方向延伸，第二共用地37的第二部分372沿宽度方向延伸，第二共用地37的第二部分372还延伸到位于后述的第一下层金属线31和第二下层金属线33的弯折段内。

继续参考图5a和图5b，本申请方案中第一上层金属线32、第一下层金属线31、第二上层金属线34和第二下层金属线33中的每一个金属线，沿巴伦30结构的长度方向(图5a和图5b中X方向所示)不是呈直线型，并沿巴伦30结构的宽度方向(图5a和图5b中Y方向所示)弯折。

示例性地，每一个金属线包括相连接的直线段和一个或两个以上的弯折段。即，第一上层金属线32包括相连接的直线段和一个或两个以上的弯折段，第一下层金属线31包括相连接的直线段和一个或两个以上的弯折段，第二上层金属线34包括相连接的直线段和一个或两个以上的弯折段，第二下层金属线33包括相连接的直线段和一个或两个以上的弯折段。

其中，每个金属线的直线段沿长度方向延伸，弯折段沿巴伦30结构的宽度方向凸出直线段设置，两个以上的弯折段沿长度方向间隔设置。这样设置后，各金属线经过弯折，有效减小长度，从而减小片上占用面积的浪费。

示例性地，结合图5c和图5d所示，第一上层金属线32包括一个弯折段和两个直线段，两个直线段分别是第一上层金属线第一直线段321和第一上层金属线第二直线段325。第一下层金属线31包括一个弯折段和两个直线段，两个直线段分别是第一下层金属线第一直线段311和第一下层金属线第二直线段315。第二上层金属线34包括一个弯折段和两个直线段，两个直线段分别是第二上层金属线第一直线段341和第二上层金属线第二直线段345。第二下层金属线33包括一个弯折段和两个直线段，两个直线段分别是第二下层金属线第一直线段331和第二下层金属线第二直线段335。

示例性地，弯折段包括依次相连接的第一段、第二段和第三段，第一段和第三段分别沿宽度方向延伸，第二段沿长度方向延伸。

也就是说，第一上层金属线32的弯折段包括依次相连接的第一上层金属线第一段322、第一上层金属线第二段323和第一上层金属线第三段324，第一上层金属线第一段322和第一上层金属线第三段324分别沿宽度方向延伸，第一上层金属线第二段323沿长度方向延伸。即，第一上层金属线第一段322与第一上层金属线第二段323垂直连接，第一上层金属线第三段324与第一上层金属线第二段323垂直连接。上述的第一上层金属线第一直线段321的一端和第一上层金属线第一段322垂直连接，上述的第一上层金属线第一直线段321的另一端包括第一上层金属线32的上述一端F；上述的第一上层金属线第二直线段325的一端和第一上层金属线第三段324垂直连接，上述的第一上层金属线第二直线段325的另一端包括第一上层金属线32的上述另一端P2。

相比于第一上层金属线32呈直线型，第一上层金属线32经过三次弯折，增加了第一上层金属线32的宽度，减小了第一上层金属线32的长度。

第二上层金属线34的弯折段包括依次相连接的第二上层金属线第一段342、第二上层金属线第二段343和第二上层金属线第三段344，第二上层金属线第一段342和第二上层金属线第三段344分别沿宽度方向延伸，第二上层金属线第二段343沿长度方向延伸。即，第二上层金属线第一段342与第二上层金属线第二段343垂直连接，第二上层金属线第三段344与第二上层金属线第二段343垂直连接。上述的第二上层金属线第一直线段341的一端和第二上层金属线第一段342垂直连接，上述的第二上层金属线第一直线段341的另一端包括第二上层金属线34的上述一端E；上述的第二上层金属线第二直线段345的一端和第二上层金属线第三段344垂直连接，上述的第二上层金属线第二直线段345的另一端包括第二上层金属线34的上述另一端P3。

相比于第二上层金属线34呈直线型，第二上层金属线34经过三次弯折，增加了第一上层金属线32的宽度，减小了第二上层金属线34的长度。

第一下层金属线31的弯折段包括依次相连接的第一下层金属线第一段312、第一下层金属线第二段313和第一下层金属线第三段314，第一下层金属线第一段312和第一下层金属线第三段314分别沿宽度方向延伸，第一下层金属线第二段313沿长度方向延伸。即，第一下层金属线第一段312与第一下层金属线第二段313垂直连接，第一下层金属线第三段314与第一下层金属线第二段313垂直连接。上述的第一下层金属线第一直线段311的一端和第一下层金属线第一段312垂直连接，上述的第一下层金属线第一直线段311的另一端包括第一下层金属线31的上述一端P1；上述的第一下层金属线第二直线段315的一端和第一下层金属线第三段314垂直连接，上述的第一下层金属线第二直线段315的另一端包括第一下层金属线31的上述另一端H。

相比于第一下层金属线31呈直线型，第一下层金属线31经过三次弯折，增加了第一下层金属线31的宽度，减小了第一下层金属线31的长度。

第二下层金属线33的弯折段包括依次相连接的第二下层金属线第一段332、第二下层金属线第二段333和第二下层金属线第三段334，第二下层金属线第一段332和第二下层金属线第三段334分别沿宽度方向延伸，第二下层金属线第二段333沿长度方向延伸。即，第二下层金属线第一段332与第二下层金属线第二段333垂直连接，第二下层金属线第三段334与第二下层金属线第二段333垂直连接。上述的第二下层金属线第一直线段331的一端和第二下层金属线第一段332垂直连接，上述的第二下层金属线第一直线段331的另一端包括第二下层金属线33的上述一端OC；上述的第二下层金属线第二直线段335的一端和第二下层金属线第三段334垂直连接，上述的第二下层金属线第二直线段335的另一端包括第二下层金属线33的上述另一端G。

相比于第二下层金属线33呈直线型，第二下层金属线33经过三次弯折，增加了第二下层金属线33的宽度，减小了第二下层金属线33的长度。

从而，每层金属层的金属线平面经过多次弯折(类似蜿蜒结构)，进一步小型化，增加了金属线的宽度，减小了金属线的长度，Marchand巴伦30的第一组四分之一波长耦合线和第二组四分之一波长耦合线整体近似方形结构，从而最大程度减小片上占用面积的浪费。

参考图5a，沿长度方向(图5a中X方向所示)，第一上层金属线32的一端F、第一下层金属线31的一端P1、第二上层金属线34的一端E、第二下层金属线33的另一端OC位于巴伦30的同一侧(图5a中的左侧)，第一上层金属线32的另一端P2、第一下层金属线31的另一端H、第二上层金属线34的另一端P3、第二下层金属线33的一端G位于巴伦30的与同一侧相反的另一侧(图5a中的左侧)。

图5a示出的是沿厚度方向巴伦30的投影示意图。沿厚度方向，第二下层金属线33的另一端OC的投影和第二上层金属线34的一端E的投影不齐平(图5b也示出不齐平)。图5a示出，沿长度方向，第二下层金属线33的另一端OC的投影短于第二上层金属线34的一端E的投影(图5a中示出间隔W)。即，在第二组四分之一波长耦合线使用不等长的耦合线，即补偿线。

Marchand巴伦30小型化后，对平衡性进行优化。使用蜿蜒小型化后，整体结构的阻抗变化不均匀，带来差分输出平衡性变差的问题，即相位差和幅度差恶化，从而导致射频系统额外的功率损耗与二阶非线性。为改善上述问题，在Marchand巴伦30蜿蜒小型化的基础上，Marchand巴伦30使用不等长的耦合线(即补偿线)，即在等长耦合线的基础上引入额外的一段传输线，信号在传输过程中产生额外的相位和损耗，从而改变整体的相位差和幅度差，即补偿线来通过折衷优化获得更好的幅度平衡性和相位平衡性。

在一些可能的实施方式中，沿长度方向，第二下层金属线33的另一端OC的投影长于第二上层金属线34的一端E的投影。可以根据平衡性优化的过程，选择第二下层金属线33的另一端OC的投影长于或短于第二上层金属线34的一端E的投影。

参考图5a和图5b，沿厚度方向，第一上层金属线32的投影和第一下层金属线31的投影不重合，第二上层金属线34的投影和第二下层金属线33的投影不重合。即，在宽度方向(图5a和图5b中Y方向所示)，第一上层金属线32和第一下层金属线31发生偏移，第二上层金属线34和第二下层金属线33发生偏移。

示例性地，参考图6，沿宽度方向(图6中Y方向所示)，第一上层金属线32沿朝向第二上层金属线34的方向(图6中A方向所示)相对第一下层金属线31偏移第一设定距离(图6中L5所示)，第二上层金属线34沿朝向第一上层金属线32的方向(与图6中A方向相反的方向)相对第二下层金属线33偏移第二设定距离。示例性地，第一设定距离和第二设定距离相等。即，在宽度方向，第一上层金属线32和第一下层金属线31发生对称偏移，第二上层金属线34和第二下层金属线33发生对称偏移。示例性地，上下耦合线偏移距离(第一设定距离、第二设定距离)为3um。

在一些可能的实施方式中，第一上层金属线32和第二上层金属线34相对第一共用地36对称设置。也就是说，第一上层金属线32和第二上层金属线34到第一共用地36的距离相等。第一下层金属线31和第二下层金属线33相对第二共用地37对称设置。也就是说，第一下层金属线31和第二下层金属线33到第二共用地37的距离相等。

示例性地，各金属线到地的距离均相等。即，第一上层金属线32的直线段到地的距离、第一上层金属线32的弯折段到地的距离、第一下层金属线31的直线段到地的距离、第一下层金属线31的弯折段到地的距离、第二上层金属线34的直线段到地的距离、第二上层金属线34的弯折段到地的距离、第二下层金属线33的直线段到地的距离、第二下层金属线33的弯折段到地的距离均相等。

如图6所示，第一上层金属线32的第一直线段321到第一共用地36的第一部分361的距离为L1，第一上层金属线32的第一直线段321到地35的距离为L2，第一下层金属线31的第一直线段311到第二共用地37的第一部分371的距离为L3，第一下层金属线31的第一直线段311到地38的距离为L4。L1、L2、L3和L4均相等。示例性地，L1、L2、L3和L4的数值是11.5um。

此外，本申请的各金属线的宽度相等。即，第一上层金属线32的直线段的宽度、第一上层金属线32的弯折段的宽度、第一下层金属线31的直线段的宽度、第一下层金属线31的弯折段的宽度、第二上层金属线34的直线段的宽度、第二上层金属线34的弯折段的宽度、第二下层金属线33的直线段的宽度、第二下层金属线33的弯折段的宽度均相等。例如，图6中示出第一上层金属线32的第一直线段321的宽度是L6，第一下层金属线31的第一直线段311的宽度也是L6。示例性地，各金属线的宽度是8um。

示例性地，图5b所示为本申请方案一种堆叠蜿蜒结构且具有补偿线的宽带对称偏移Marchand巴伦30的实例，设计中心频率为160GHz，上下两层耦合线的线宽为8um，耦合线到地距离为11.5um，上下耦合线偏移距离为3um，此时满足偶数模阻抗和奇数模阻抗分别为96欧姆和26欧姆，即耦合系数为0.578。

下面介绍图5b所示的160GHz(中心频点)宽带Marchand巴伦30的各仿真结果图。

图7示出160GHz(中心频点)宽带Marchand巴伦30的输入匹配性能仿真结果。从图7中可以看出，Marchand巴伦30在130GHz至190GHzc的频率范围内，输入反射系数S11在-10dB以下，输入匹配性能良好。

图8示出160GHz宽带Marchand巴伦30的幅度差与相位差的仿真结果。从图8中可以看出，Marchand巴伦30在130GHz至190GHz的频率范围内，相位差小于1.2度，幅度差在0.2dB以内。

图9示出三种方案(上述的方案一、方案二和本申请方案)下的输入匹配与工作带宽仿真结果图。如图9所示，本申请的弯折方案相比于方案一和方案二，进一步小型化，增加了金属线的宽度，减小了金属线的长度，Marchand巴伦30的第一组四分之一波长耦合线和第二组四分之一波长耦合线整体近似方形结构，从而最大程度减小片上占用面积的浪费，但整体工作带宽会少许变窄。

如上所述，通过补偿线来对幅度平衡性和相位平衡性进一步折衷优化，以改善折叠小型化带来的平衡性恶化问题。如图5a所示，在第二组四分之一波长耦合线中，第二上层金属线34比第二下层金属线33多出4um。图10示出了有无补偿线的幅度差对比图。图11示出了有无补偿线的相位差对比图。如图10和图11所示，本申请方案所提出的折叠方案结合补偿线，相比于无补偿线的方案一和方案二，能获得更好的平衡性(幅度差差了，但相位差好了)。

如上所述，图5b所示的Marchand巴伦30结构中的每一个金属线包括两个直线段和一个弯折段。图12a示出了另外一种Marchand巴伦30结构，与图5b所示的Marchand巴伦30结构的不同之处在于，金属线的直线段的数量和弯折段的数量变了。如图12a所示，第一金属层的每一个金属线包括三个直线段和两个弯折段，第二金属层的每一个金属线包括两个直线段和两个弯折段。

即，第一上层金属线32包括三个直线段和两个弯折段，三个直线段分别是第一上层金属线第一直线段321、第一上层金属线第二直线段325和第一上层金属线第三直线段326；弯折段的结构与图5b所示的弯折段的结构形同，包括第一上层金属线第一段322、第一上层金属线第二段323和第一上层金属线第三段324。第二上层金属线34包括三个直线段和两个弯折段，三个直线段分别是第二上层金属线第一直线段341、第二上层金属线第二直线段345和第二上层金属线第三直线段346；弯折段的结构与图5b所示的弯折段的结构形同，包括第二上层金属线第一段342、第二上层金属线第二段343和第二上层金属线第三段344。

第一金属层的每一个金属线的每一个弯折段位于相邻的两个直线段之间。即，第一上层金属线32的其中一个弯折段位于第一上层金属线第一直线段321和第一上层金属线第二直线段325之间，第一上层金属线32的另外一个弯折段位于第一上层金属线第二直线段325和第一上层金属线第三直线段326之间。第二上层金属线34的其中一个弯折段位于第二上层金属线第一直线段341和第二上层金属线第二直线段345之间，第二上层金属线34的另外一个弯折段位于第二上层金属线第二直线段345和第二上层金属线第三直线段346之间。

上述的第一上层金属线第一直线段321的一端和第一上层金属线第一段322垂直连接，上述的第一上层金属线第一直线段321的另一端包括第一上层金属线32的上述一端F；上述的第一上层金属线第三直线段326的一端和第一上层金属线第三段324垂直连接，上述的第一上层金属线第三直线段326的另一端包括第一上层金属线32的上述另一端P2。

上述的第二上层金属线第一直线段341的一端和第二上层金属线第一段342垂直连接，上述的第二上层金属线第一直线段341的另一端包括第二上层金属线34的上述一端E；上述的第二上层金属线第三直线段346的一端和第二上层金属线第三段344垂直连接，上述的第二上层金属线第三直线段346的另一端包括第二上层金属线34的上述另一端P3。

第一下层金属线31包括两个弯折段和两个直线段，两个直线段分别是第一下层金属线第一直线段311和第一下层金属线第二直线段315；弯折段的结构与图5b所示的弯折段的结构形同，包括第一下层金属线第一段312、第一下层金属线第二段313和第一下层金属线第三段314。

第二下层金属线33包括两个弯折段和两个直线段，两个直线段分别是第二下层金属线第一直线段331和第二下层金属线第二直线段335，弯折段的结构与图5b所示的弯折段的结构形同，包括第二下层金属线第一段332、第二下层金属线第二段333和第二下层金属线第三段334。

第一下层金属线第一直线段311的一端包括第一下层金属线31的上述一端P1，另一端与其中一个弯折段的第一下层金属线第一段312垂直连接，其中一个弯折段的第一下层金属线第三段314与第一下层金属线第二直线段315的一端连接，第一下层金属线第二直线段315的另一端与另外一个弯折段的第一下层金属线第一段312连接，另外一个弯折段的第一下层金属线第三段314未与该弯折段的第一下层金属线第二段313连接的一端包括第一下层金属线31的上述另一端H。

第二下层金属线第一直线段331的一端包括第二下层金属线33的上述一端OC，另一端与其中一个弯折段的第二下层金属线第一段332垂直连接，其中一个弯折段的第二下层金属线第三段334与第二下层金属线第二直线段335的一端连接，第二下层金属线第二直线段335的另一端与另外一个弯折段的第二下层金属线第一段332连接，另外一个弯折段的第二下层金属线第三段334未与该弯折段的第二下层金属线第二段333连接的一端包括第二下层金属线33的上述另一端G。

图12a所示为本申请方案一种堆叠蜿蜒结构且具有补偿线的宽带对称偏移Marchand巴伦30的另外一种实例，设计中心频率为100GHz，与图5b所示的实施例相比，图12a所示的Marchand巴伦30的中心频率下降，四分之一波长耦合线更长，故而对每段四分之一波长耦合线设计至少两个弯折段，进行两次蜿蜒折叠小型化，随着设计中心频率的下降，本申请方案可以相应地对每段四分之一波长耦合线设计更多个弯折段，以多次蜿蜒折叠小型化处理。

示例性地，图12a所示的Marchand巴伦30，上下两层耦合线的线宽为8um，耦合线到地距离为11.5um，上下耦合线偏移距离为3um，此时满足偶数模阻抗和奇数模阻抗分别为96欧姆和26欧姆，即耦合系数为0.578。整体长度和宽度分别为220um和155um。

在多次折叠蜿蜒小型化后，耦合线中会出现多次拐角，在拐角处会导致出现阻抗的不连续性，从而影响设计性能。为解决此问题，在此实施例中，如图12b所示，直线段和弯折段连接的拐角处进行切角的倒角处理，弯折段的拐角处进行切角倒角处理。

例如，第一上层金属线第一直线段321和第一上层金属线第一段322连接的拐角处进行切角倒角处理，第一上层金属线第二直线段325和第一上层金属线第三段324连接的拐角处进行切角倒角处理，第一上层金属线第三直线段326和第一上层金属线第三段324连接的拐角处进行切角倒角处理，第一上层金属线第一段322和第一上层金属线第二段323连接的拐角处进行切角倒角处理，第一上层金属线第二段323和第一上层金属线第三段324连接的拐角处进行切角倒角处理。

第二上层金属线第一直线段341和第二上层金属线第一段342连接的拐角处进行切角倒角处理，第二上层金属线第二直线段345和第二上层金属线第三段344连接的拐角处进行切角倒角处理，第二上层金属线第三直线段346和第二上层金属线第三段344连接的拐角处进行切角倒角处理，第二上层金属线第一段342和第二上层金属线第二段343连接的拐角处进行切角倒角处理，第二上层金属线第二段343和第二上层金属线第三段344连接的拐角处进行切角倒角处理。

第一下层金属线第一直线段311和第一下层金属线第一段312连接的拐角处进行切角倒角处理，第一下层金属线第二直线段315和第一下层金属线第三段314连接的拐角处进行切角倒角处理，第一下层金属线第一段312和第一下层金属线第二段313连接的拐角处进行切角倒角处理，第一下层金属线第二段313和第一下层金属线第三段314连接的拐角处进行切角倒角处理。

第二下层金属线第一直线段331和第二下层金属线第一段332连接的拐角处进行切角倒角处理，第二下层金属线第二直线段335和第二下层金属线第三段334连接的拐角处进行切角倒角处理，第二下层金属线第一段332和第二下层金属线第二段333连接的拐角处进行切角倒角处理，第二下层金属线第二段333和第二下层金属线第三段334连接的拐角处进行切角倒角处理。

在一些可能的实施方式中，上述所有拐角处的中的一个或多个进行切角倒角处理

在一些可能的实施方式中，Marchand巴伦30使用8um的共面波导耦合线，上述切角倒角处理中切角80％，即6.5um。

下面介绍图12a所示的100GHz(中心频点)宽带Marchand巴伦30的各仿真结果图。

图13示出100GHz(中心频点)宽带Marchand巴伦30的输入匹配性能仿真结果。从图13中可以看出，Marchand巴伦30在80GHz至120GHz的频率范围内，输入反射系数S11在-10dB以下，输入匹配性能良好。

图14示出160GHz宽带Marchand巴伦30的幅度差与相位差的仿真结果。从图14中可以看出，Marchand巴伦30在80GHz至120GHz的频率范围内，带宽超过40GHz，相位差小于1度，幅度差在0.2dB以内。

综上，本申请提供了一种堆叠蜿蜒结构且具有补偿线的宽带对称偏移Marchand巴伦，通过设置弯折段，每段耦合线经过多次平面折叠，进一步小型化，增加宽度，减小长度，趋近于方形结构，设计更加紧凑，从而最大程度减小片上占用面积的浪费。为解决折叠小型化后平衡性下降的问题，使用补偿线来获得更好的差分输出平衡性。

Claims (17)

1.一种巴伦，其特征在于，包括：第一组四分之一波长耦合线和第二组四分之一波长耦合线；其中，

所述第一组四分之一波长耦合线包括：第一上层金属线和第一下层金属线；

所述第二组四分之一波长耦合线包括：第二上层金属线和第二下层金属线，所述第二上层金属线和所述第一上层金属线位于第一金属层，所述第二下层金属线和所述第一下层金属线位于第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层沿所述巴伦的厚度方向堆叠设置；

所述第一下层金属线的一端为单端信号端口，所述第一下层金属线的另一端与所述第二下层金属线的一端连接，所述第二下层金属线的另一端开路；

所述第一上层金属线的一端和所述第二上层金属线的一端均接地，所述第一上层金属线的另一端和所述第二上层金属线的另一端为差分信号端口；

所述第一上层金属线、所述第一下层金属线、所述第二上层金属线和所述第二下层金属线中的每一个金属线，沿所述巴伦的长度方向不是呈直线型，并沿所述巴伦的宽度方向弯折。

2.如权利要求1所述的巴伦，其特征在于，每一个金属线包括相连接的直线段和一个或两个以上的弯折段，所述直线段沿所述长度方向延伸，所述弯折段沿所述巴伦的宽度方向凸出所述直线段设置，所述两个以上的弯折段沿所述长度方向间隔设置。

3.如权利要求2所述的巴伦，其特征在于，所述弯折段包括依次相连接的第一段、第二段和第三段，所述第一段和所述第三段分别沿所述宽度方向延伸，所述第二段沿所述长度方向延伸。

4.如权利要求2或3所述的巴伦，其特征在于，所述直线段和所述弯折段连接的拐角处进行倒角处理，和/或，所述弯折段的拐角处进行倒角处理。

5.如权利要求1至4任一项所述的巴伦，其特征在于，沿所述长度方向，所述第一上层金属线的所述一端、所述第一下层金属线的所述一端、所述第二上层金属线的所述一端、所述第二下层金属线的所述另一端位于所述巴伦的同一侧，所述第一上层金属线的所述另一端、所述第一下层金属线的所述另一端、所述第二上层金属线的所述另一端、所述第二下层金属线的所述一端位于所述巴伦的与所述同一侧相反的另一侧；

沿所述厚度方向，所述第二下层金属线的所述另一端的投影和所述第二上层金属线的所述一端的投影不齐平。

6.如权利要求5所述的巴伦，其特征在于，沿所述长度方向，所述第二下层金属线的所述另一端的投影长于或短于所述第二上层金属线的所述一端的投影。

7.如权利要求1至6任一项所述的巴伦，其特征在于，沿所述厚度方向，所述第一上层金属线的投影和所述第一下层金属线的投影不重合，所述第二上层金属线的投影和所述第二下层金属线的投影不重合。

8.如权利要求7所述的巴伦，其特征在于，沿所述宽度方向，所述第一上层金属线沿朝向所述第二上层金属线的方向相对所述第一下层金属线偏移第一设定距离，所述第二上层金属线沿朝向所述第一上层金属线的方向相对所述第二下层金属线偏移第二设定距离。

9.如权利要求8所述的巴伦，其特征在于，所述第一设定距离等于所述第二设定距离。

10.如权利要求1至9任一项所述的巴伦，其特征在于，沿所述宽度方向，所述第一组四分之一波长耦合线的两侧均设有地，所述第二组四分之一波长耦合线的两侧均设有地。

11.如权利要求10所述的巴伦，其特征在于，所述第一上层金属线和所述第二上层金属线之间设有第一共用地，所述第一下层金属线和所述第二下层金属线之间设有第二共用地。

12.如权利要求11所述的巴伦，其特征在于，所述第一上层金属线和所述第二上层金属线相对所述第一共用地对称设置。

13.如权利要求11所述的巴伦，其特征在于，所述第一下层金属线和所述第二下层金属线相对所述第二共用地对称设置。

14.如权利要求11至13任一项所述的巴伦，其特征在于，所述第一共用地包括垂直交叉的第一部分和第二部分，所述第一共用地的所述第一部分沿所述长度方向延伸，所述第一共用地的所述第二部分沿所述宽度方向延伸；所述第二共用地包括垂直交叉的第一部分和第二部分，所述第二共用地的所述第一部分沿所述长度方向延伸，所述第二共用地的所述第二部分沿所述宽度方向延伸。

15.如权利要求3所述的巴伦，其特征在于，每一个金属线包括两个所述直线段和一个所述弯折段；其中，

每一个金属线的其中一个直线段与该金属线的弯折段的第一段连接，每一个金属线的另外一个直线段与该金属线的弯折段的第三段连接；

所述第一上层金属线的两个直线段未与弯折段连接的一端，分别包括所述第一上层金属线的所述一端和所述另一端；

所述第二上层金属线的两个直线段未与弯折段连接的一端，分别包括所述第二上层金属线的所述一端和所述另一端；

所述第一下层金属线的两个直线段未与弯折段连接的一端，分别包括所述第一下层金属线的所述一端和所述另一端；

所述第二下层金属线的两个直线段未与弯折段连接的一端，分别包括所述第二下层金属线的所述一端和所述另一端。

16.如权利要求3所述的巴伦，其特征在于，所述第一金属层的每一个金属线包括三个所述直线段和两个所述弯折段，所述第二金属层的每一个金属线包括两个所述直线段和两个所述弯折段；其中，

所述第一金属层的每一个金属线的每一个弯折段位于相邻的两个直线段之间；

所述第一上层金属线中未与弯折段连接的两个直线段的一端，分别包括所述第一上层金属线的所述一端和所述另一端；

所述第一下层金属线中，其中一个直线段的一端包括所述第一下层金属线的所述一端，另一端与其中一个弯折段的第一段连接，其中一个弯折段的第三段与另外一个直线段的一端连接，另外一个直线段的另一端与另外一个弯折段的第一段连接，另外一个弯折段的第三段未与该弯折段的第二段连接的一端包括所述第一下层金属线的所述另一端；

所述第二下层金属线中，其中一个直线段的一端包括所述第二下层金属线的所述一端，另一端与其中一个弯折段的第一段连接，其中一个弯折段的第三段与另外一个直线段的一端连接，另外一个直线段的另一端与另外一个弯折段的第一段连接，另外一个弯折段的第三段未与该弯折段的第二段连接的一端包括所述第二下层金属线的所述另一端。

17.一种差分放大器，其特征在于，包括权利要求1至16任一项所述的巴伦。