CN102290627B - 一种叠层蜿蜒结构的宽带低损耗片上无源巴伦 - Google Patents
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Abstract
一种叠层蜿蜒结构的宽带低损耗片上无源巴伦，设有三层金属导线，第一层为次级导线，第二层为初级导线，第三层为地线，每层导线的首、尾端之间均呈U形连续的折弯蜿蜒结构，所有U形折弯的几何形状完全一致，将第一层次级导线首、尾端之间的中点断开，构成不连续的左右两段U形折弯，不平衡端单端信号连接初级导线首端，初级导线尾端连接至地线，次级导线的首、尾端均接地线，与次级导线首端同一段导线的断开点为正相信号输出端，与次级导线尾端同一段导线的断开点为反相信号输出端，通过初级导线与次级导线的耦合作用，转换成平衡端差分信号输出。地线使得巴伦***损耗降低的同时，拓展了增益带宽和匹配带宽。
Description
技术领域
本发明涉及宽带无源巴伦，尤其涉及一种叠层蜿蜒结构的宽带低损耗片上无源巴伦，适用于毫米波电路。
背景技术
在无线接收和发射***中，通常需要采用巴伦进行单端信号与差分信号的转换。例如，将天线接收的单端信号转换成差分信号连接至低噪声放大器，或是将差分信号转换成单端信号连接至天线发射出去。巴伦是完成单端信号与差分信号转换功能的电路器件，其设计难点在于如何保证良好的幅度平衡、相位平衡以及较低的***损耗等。
传统结构巴伦主要是Marchand结构巴伦和螺旋结构变压器巴伦。图1(a)所示结构为最基本的巴伦结构，由两段四分之一波长的金属耦合线a和b构成。信号从端口1输入，理论上，在耦合效果理想的情况下，端口2和端口3处输出信号幅度为输入信号幅度的一半，相位分别超前输入信号90度和滞后90度。图1(b)所示结构为Marchand结构巴伦，对图1(a)中的巴伦进行了改进，为了获得宽带特性，引入开路短截线c和短路短截线d作为补偿，具有较低的***损耗，但其幅度平衡和相位平衡的设计相对比较困难。由于Marchand结构巴伦由两组四分之一波长金属耦合线组成，在设计时尺寸相对较大。图2(a)所示结构为螺旋结构变压器巴伦，具有良好的幅度平衡度和相位平衡度，但其衬底的涡流效应大，导致***损耗比较大，通常S21<-5dB。而且几何结构相对复杂，线圈之间存在交叉，如图2(b)所示，交叉线必须通过不同层金属桥接,难以保证几何机构完全对称，进而恶化幅度平衡度和相位平衡度，尤其在高频时，交叉部分桥接的影响更加严重。
发明内容
本发明克服现有技术之不足，提供一种叠层蜿蜒结构宽带低损耗片上无源巴伦，技术方案如下：一种叠层蜿蜒结构的宽带低损耗片上无源巴伦，其特征在于：设有三层金属导线，各层导线之间设有绝缘介质层，第一层金属导线为次级导线，第二层金属导线为初级导线，第三层金属导线为地线，各层导线的首、尾端之间均呈U形连续的折弯蜿蜒结构，U形折弯为奇数，所有U形折弯的几何形状完全一致，以导线的首、尾端之间的中心U形折弯为基准，左右两侧的U形折弯完全对称，三层金属导线层叠后，各层的U形折弯之间一一对应，将第一层次级导线首、尾端之间的中点断开，构成不连续的左右两段U形折弯，不平衡端单端信号连接初级导线首端，初级导线尾端连接至地线，次级导线的首、尾端均接地线，与次级导线首端同一段导线的断开点为正相信号输出端，与次级导线尾端同一段导线的断开点为反相信号输出端。
所说第一层与第二层金属导线之间的绝缘介质层厚度小于第二层与第三层金属导线之间的绝缘介质层厚度（第一层与第二层金属导线之间的绝缘介质层厚度在制造工艺允许的情况下尽量小，第二层与第三层金属导线之间的绝缘介质层厚度视具体性能要求可加以调整）；第三层金属导线的宽度≥第一、第二层金属导线的宽度。
本发明的优点及显著效果：
（1）降低了***损耗。本发明采用宽边耦合，其中第三层地线与初级导线形成微带结构，以降低初级导线与衬底之间的电磁耦合，从而大幅度减小非平衡端信号的衰减。见图8。
（2）减小了涡流效应。本发明采用蜿蜒结构，与传统的螺旋结构比较，大幅度减小衬底涡流效应，从而降低衬底损耗。
（3）拓展了带宽。见图8。
（4）增加了匹配带宽。本发明在较宽频带内匹配到50欧姆，见图9。
（5）几何结构简单且完全对称。幅度和相位的平衡度高，见图11和图12。
附图说明
图1(a)是简单耦合线巴伦示意图；
图1(b)是传统Marchand结构巴伦的等效电路示意图；
图2(a)是传统螺旋结构变压器巴伦平面图；
图2(b)是传统螺旋结构变压器巴伦三维立体结构图；
图3(a)是本发明巴伦的等效电路示意图；
图3(b)是本发明巴伦的应用电路示意图；
图4是本发明巴伦的三维立体结构图；
图5是本发明巴伦的第一层金属导线（次级导线）俯视图；
图6是本发明巴伦的第二层金属导线（初级导线）俯视图；
图7是本发明巴伦的第三层金属导线（地线）俯视图；
图8是本发明巴伦的***损耗曲线；
图9是本发明巴伦的输入匹配曲线；
图10是本发明巴伦的平衡端相位曲线；
图11是本发明巴伦的平衡端幅度平衡度曲线；
图12是本发明巴伦的平衡端相位平衡度曲线。
具体实施方式
参看图4、5、6、7，一种叠层蜿蜒结构宽带低损耗片上无源巴伦，设有三层金属导线，各层导线之间设有绝缘介质层，第一层金属导线为次级导线，如图5所示。第二层金属导线为初级导线，如图6所示。第三层金属导线为地线，如图7所示。各层金属导线的首尾端之间均呈U形连续的折弯蜿蜒结构（折弯处可设置倒角），几何结构完全对称（为便于端口引线，中间的U形可略高）不平衡端单端信号输入至初级导线首端1，初级导线尾端6连接至地线，通过初级导线与次级导线的耦合作用（为加强耦合，初级导线与次级导线之间的绝缘介质层厚度在制造工艺允许的情况下尽量小），将非平衡端单端信号转换成平衡端差分信号输出，其中次级导线中断点2输出正相信号，次级导线中断点3输出反相信号，次级导线的首、尾端4、5分别连接至地线。地线使得巴伦***损耗降低的同时，拓展了增益带宽和匹配带宽。第三层金属导线的端口4、5、7均连接至地。U形连续的折弯设置为奇数，以保证不平衡端单端信号输入端口1与输出正相信号端口2和输出反相信号端口3分列于U形高度的两侧，达到本发明的效果。第一层金属导线与第二层金属导线的线宽可以视工作频率而变动，第三层地线可以尽量宽一些。
图3(a)是本发明的等效电路，与Marchand结构巴伦相比较，有着显著不同。单端信号从端口1输入，经过两组金属导线耦合线后，连接至地。由于金属导线线之间电磁耦合作用，在平衡端端口2和端口3处输出差分信号。由于初级金属导线一端的交流接地，使得本发明巴伦可以更方便应用于有源电路，如图3(b)所示电路结构是本发明巴伦的一个应用举例，其中初级导线一端连接至晶体管的漏极，另一端连接至直流电源。这一应用的优点非常显著，巴伦直接为晶体管提供漏极直流偏置，节省了芯片面积，提高了电路的线性度，降低了等效输入噪声。
参看图8，图中所示曲线为巴伦的***损耗曲线，即S21和S31的幅度，巴伦在保持低损耗的同时具有较宽的带宽，相对带宽为66.2%。
参看图9，图中所示曲线为巴伦的回波损耗曲线S11，巴伦在较宽的频带内与50欧姆匹配。
参看图10，图中所示曲线为差分端口的相位，即S21和S31的相位。
参看图11，图中所示曲线为巴伦的幅度平衡度。
参看图12，图中所示曲线为巴伦的相位平衡度。
本发明面积大小视工作频率范围而定，如工作频率在27-80GHz的时候，巴伦的面积小于0.03mm2。
Claims (1)
1.一种叠层蜿蜒结构的宽带低损耗片上无源巴伦，其特征在于：设有三层金属导线，各层导线之间设有绝缘介质层，第一层金属导线为次级导线，第二层金属导线为初级导线，第三层金属导线为地线，各层导线的首、尾端之间均呈U形连续的折弯蜿蜒结构，U形折弯为奇数，所有U形折弯的几何形状完全一致，以导线的首、尾端之间的中心U形折弯为基准，左右两侧的U形折弯完全对称，三层金属导线层叠后，各层的U形折弯之间一一对应，将第一层次级导线首、尾端之间的中点断开，构成不连续的左右两段U形折弯，不平衡端单端信号连接初级导线首端，初级导线尾端连接至地线，次级导线的首、尾端均接地线，与次级导线首端同一段导线的断开点为正相信号输出端，与次级导线尾端同一段导线的断开点为反相信号输出端；
所述第一层与第二层金属导线之间的绝缘介质层厚度小于第二层与第三层金属导线之间的绝缘介质层厚度；第三层金属导线的宽度≥第一、第二层金属导线的宽度。
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