高集成射頻模塊巴倫詳解

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1、高集成射頻模塊巴倫詳解如今，為了滿足日益增長(zhǎng)的高級(jí)系統(tǒng)集成的需求，設(shè)計(jì)多芯片模塊的RF/MMIC工程師需要進(jìn)行“電路級(jí)”電磁仿真和建模。除典型主動(dòng)元件外，具有完整系統(tǒng)級(jí)功能的模塊還需要被動(dòng)支持電路。這些被動(dòng)元件通常包括如下電路：90度耦合器，180度的耦合器，同相耦合器，濾波器，雙工器和傳輸線結(jié)構(gòu)。巴倫(Balun)是高頻電路設(shè)計(jì)中非常重要的支持電路。180度巴倫是異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）以及假晶高電子遷移晶體管(pHEMT)推挽放大器，平衡混頻器，平衡倍頻器，移相器，平衡調(diào)制器，偶極子源，針對(duì)差分信號(hào)的非平衡差分轉(zhuǎn)換器和許多其他應(yīng)用的一個(gè)重要元件。此外，模擬電路需要平衡輸入和輸出以減

2、少噪音，盡量減少高次諧波并提高電路的動(dòng)態(tài)范圍，模擬電路也可從這種巴倫結(jié)構(gòu)中獲益。馬卡德巴倫的起源根據(jù)定義，巴倫是用來連接平衡或差動(dòng)傳輸線電路和不平衡或單端傳輸線電路的一種變壓器。近年來，已經(jīng)開發(fā)出了幾種不同的巴倫結(jié)構(gòu)；然而，對(duì)傳輸線式巴倫的全新關(guān)注，更強(qiáng)調(diào)了這種巴倫必須是平面的，緊湊的并更適合于混頻器和推挽功率放大器。此外，有幾種巴倫已應(yīng)用于微波集成電路(MIC)和單片微波集成電路(MMIC)。最流行的是馬卡德巴倫的平面版本，因?yàn)樗菀讓?shí)現(xiàn)，并提供寬帶寬。由于改善了相位和振幅平衡，馬卡德巴倫擁有比其他巴倫設(shè)計(jì)更寬的帶寬。從典型巴倫設(shè)計(jì)展望馬卡德巴倫的發(fā)展，便可以解釋為什么馬卡德巴倫擁有優(yōu)

3、越的實(shí)體設(shè)計(jì)和測(cè)量結(jié)果。圖1a為典型巴倫設(shè)計(jì)，圖1b為巴倫原理圖。圖1典型巴倫的實(shí)體設(shè)計(jì)和原理圖當(dāng)中心導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體之間的射頻電流處于理想均衡狀態(tài)時(shí)，圖中的同軸巴倫效果最佳。另一方面，同軸屏蔽上的電流可在屏蔽內(nèi)外流動(dòng)。隨著屏蔽外的電流增多，平衡端口之間的振幅和相位平衡將會(huì)降級(jí)。圖2說明了同軸巴倫的原理圖以及180度端口有接地特性阻抗和同軸電纜的外護(hù)套屏蔽相應(yīng)的共振頻率。該巴倫的振幅和相位平衡隨著接地護(hù)套阻抗的變化而變化。通過增加同軸電纜的一個(gè)“平衡”部分，可以改善振幅和相位平衡，以此來優(yōu)化該巴倫結(jié)構(gòu)，如圖2a所示，其原理圖如圖2b所示。圖2：用"平衡"部分優(yōu)化巴倫設(shè)計(jì)和仿真平衡同軸電纜使1

4、80度端口擁有與0度端口相同的對(duì)地阻抗和共振。有了該平衡部分，兩個(gè)端口便有效擁有了接地同軸護(hù)套，接地護(hù)套理論上可以制造出完美的振幅和相位平衡。重要的是，該巴倫可實(shí)現(xiàn)平面結(jié)構(gòu)，如圖3所示。耦合線可實(shí)現(xiàn)物理地側(cè)端或末端耦合。馬卡德巴倫的布局有獨(dú)立的主次之分，傳輸線變壓器則沒有。此外，差分輸出端口對(duì)DC的對(duì)稱連接允許DC和IF在混頻器和其他器件中回流。設(shè)計(jì)要求本文中，我們將看到5-25GHz的平面馬卡德巴倫的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的物理要求如下：*總長(zhǎng)為：λ/2，其中λ為頻段中最高頻率的波長(zhǎng)。*預(yù)設(shè)長(zhǎng)度為3575μm。*耦合線長(zhǎng)度為：λ/4，其中λ為頻段中最高頻率的波長(zhǎng)。*預(yù)設(shè)長(zhǎng)度為1788μm。*Z0

5、e=高，盡可能將到地平面的距離設(shè)置為最大。*Z0e=低，盡可能將到地平面的距離設(shè)置為最小。*不平衡，單端輸入端口阻抗=50?*平衡，差分輸出端口阻抗=50?*輸出單端端口=25?該設(shè)計(jì)中，單端S-參數(shù)為：S11=0,匹配S21,S31,S12,S13=-3dBS22,S33,S23,S32=-6dB擁有平衡輸出，S-參數(shù)變?yōu)椋篠11,S21=0,匹配S21,S12=低損耗.使用IE3D進(jìn)行EM仿真隨著對(duì)高系統(tǒng)集成和相應(yīng)的高密度封裝的需求，多層結(jié)構(gòu)已成為必要?，F(xiàn)代MMIC設(shè)計(jì)已采用了多種三維結(jié)構(gòu)和布局。電傳播為純-橫電磁波（TEM）的布局可使用電路模擬器。TEM分析僅適用于設(shè)計(jì)低頻MMIC

6、，其中帶材寬度和基材厚度比波導(dǎo)波長(zhǎng)小的多?？傊?，EM求解器提供了一種優(yōu)越的解決方案，解決方案中考慮如下因素：1.多導(dǎo)線傳輸線2.串?dāng)_效應(yīng)3.激振效應(yīng)4.計(jì)時(shí)誤差5.集膚效應(yīng)損耗6.電阻-電容時(shí)間常量效應(yīng)7.斷點(diǎn)效應(yīng)8.互聯(lián)效應(yīng)9.包裝效應(yīng)MentorGraphics的IE3D全波EM仿真解決方案在此用來模擬馬卡德巴倫。（IE3D是該行業(yè)內(nèi)唯一一個(gè)以全3D動(dòng)差法為基礎(chǔ)的仿真器，該仿真器可精確地解決在x/y坐標(biāo)系統(tǒng)并壓棧于z向標(biāo)的圖層集合的結(jié)構(gòu)問題。）為了模擬巴倫結(jié)構(gòu)，金屬將模擬其真實(shí)厚度。IE3D適用于解決MMICs常見的多層無源結(jié)構(gòu)問題和PCB設(shè)計(jì)，其中大部分結(jié)構(gòu)基于水平疊加。仿真結(jié)果該

7、巴倫模擬布局設(shè)置為三端口結(jié)構(gòu)，端口1=50?，端口2和端口3=25?，如圖4所示。預(yù)期的仿真結(jié)果為：不平衡端口1匹配，在頻段中心測(cè)到回波損耗-53dB。S21和S31平衡，在頻段中心測(cè)到-3dB。S22和S33單端回波損耗和交叉耦合參數(shù)S23和S32在頻段中心測(cè)到-6dB。結(jié)果如圖5所示。由于Ang[S(2,1)]與Ang[S(3,1)]間的相位差為180度，預(yù)期的相位平衡如圖6所示。接著，巴倫布局設(shè)置為兩個(gè)端口，其中端口2和端口3