0 引言

    隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)高密度,、小尺寸的電子產(chǎn)品提出了越來越高的要求,。低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技術(shù)由于其在集成度,、Q值等方面的特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域^[1],。將LTCC技術(shù)與傳統(tǒng)的PCB基板技術(shù)進(jìn)行對(duì)比可以看出，這兩種技術(shù)在處理組件方式上有著自己的特點(diǎn),，傳統(tǒng)的PCB基板中的無源器件是封裝的結(jié)構(gòu),，在LTCC技術(shù)中無源器件采用內(nèi)埋的方式，而這種內(nèi)埋的方式由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可以縮小器件的體積,。

    Balun是一種三端口器件,，由非平衡端口和平衡端口組成。它具有兩個(gè)功能：(1)完成兩個(gè)端口信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化,。(2)具有阻抗變換功能,。巴倫在電路系統(tǒng)中是一個(gè)非常重要的器件，在差分放大器,、天線的饋電網(wǎng)絡(luò),、平衡混頻器等需要差分電路的系統(tǒng)中都需要它的存在。

    本文設(shè)計(jì)的LTCC巴倫的帶寬為2.4~2.5 GHz,，相位不平衡度小于10°,，兩個(gè)平衡端口的幅度差小于2 dB,，巴倫的尺寸僅為2.0 mm×1.25 mm×0.8 mm。

1 Marchand balun巴倫理論

    Balun是一種單輸入和雙端輸出的器件,，它具有三個(gè)端口,，一個(gè)非平衡端口和兩個(gè)平衡端口。整體上來說,，Balun的形式有很多種，但是從總體上來說主要為無源和有源,。對(duì)于有源來說,，因?yàn)椴捎昧擞性雌骷w管，因此會(huì)產(chǎn)生噪聲和功耗,。對(duì)于無源來說,，主要為以下3大類：集總元件式巴倫、螺旋變壓器式巴倫和分布參數(shù)式巴倫^[2],。在分布參數(shù)式巴倫中有一種巴倫為微帶巴倫,，微帶巴倫主要有微帶集總式巴倫、微帶混合環(huán)巴倫,、微帶三線巴倫,、微帶Marchand巴倫和其他一些Marchand巴倫的變形結(jié)構(gòu)等多種形式^[3]。Marchand Balun幅值和相移都有其自己的特點(diǎn),，而且由于其帶寬比較寬,，所以很多都喜歡用這種結(jié)構(gòu)的Balun。如圖1所示為平面MarchandBalun的等效電路示意圖^[4],。但是Marchand Balun也有不足的地方,，Marchand Balun由兩段1/4波長(zhǎng)微帶耦合區(qū)段組成^[5]，如果設(shè)計(jì)為低頻結(jié)構(gòu),，會(huì)使器件的體積變大,。

    Marchand Balun是一種對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)相同的耦合區(qū)段組合而成,，在中心頻率處的波長(zhǎng)為λ/4,，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的巴倫，假設(shè)源端和負(fù)載端的阻抗均為Z₀,，在理想情況下,，得到耦合線的S矩陣如下：

    式中，k=-20logc,，單位為dB,，k(Coupling Figure)是耦合系數(shù)，c(Coupling Factor)是耦合因子,。其中k值為負(fù)數(shù),，c和k都表示耦合強(qiáng)度越的大小,，k的絕對(duì)值越小，c值越大,。

    當(dāng)Z₁=Z₀時(shí),，耦合線的耦合系數(shù)為c=4.8 dB^[6]，簡(jiǎn)化后的Marchand 巴倫 S參數(shù)如式(2)所示,，由式（2）可以看出,，S參數(shù)矩陣的每一行元素的平方和為1，這樣非平衡端口的功率就可以均分到平衡端口,，同時(shí)兩平衡端口之間存在180°的相位差,。

    對(duì)于直耦合線而言，它的k值為0.3左右,，但是采用上下耦合形式的螺旋耦合線,，它的k值可以達(dá)到0.45左右。如圖3所示,，對(duì)上述兩種耦合線的傳輸系數(shù)進(jìn)行了仿真對(duì)比,，從圖中可以看出，直線耦合線的帶寬明顯小于上下耦合螺旋耦合線的帶寬^[7-8],。所以,，為了增大微帶耦合線之間的耦合作用，采用如圖2所示的結(jié)構(gòu),，這種結(jié)構(gòu)被稱為螺旋寬邊耦合帶狀線(Spiral Broadside Coupled Stripline)結(jié)構(gòu)^[9],。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

    本文為一款頻帶2.4~2.5 GHz，尺寸僅為2.0 mm×1.25 mm×0.8 mm的微型寬帶巴倫,。本文設(shè)計(jì)的LTCC微型化寬帶巴倫的指標(biāo)如表1所示,。

    圖4和圖5為設(shè)計(jì)完成后巴倫的正視圖和立體圖，從圖中可以看出,，該巴倫由12層金屬導(dǎo)電材料和其間的介質(zhì)陶瓷基板組成,，層與層之間通過金屬柱相連，第2層,、第7層,、第12層為金屬屏蔽地層，屏蔽層的主要目的是為了隔離周圍環(huán)境對(duì)巴倫的干擾并且減小巴倫內(nèi)部各部件之間不需要的寄生耦合作用,；第4層和第5層金屬為一組寬邊耦合帶狀線結(jié)構(gòu),，第9層和第10層金屬為另一組螺旋寬邊耦合帶狀線結(jié)構(gòu)，該巴倫采用的陶瓷材料的ε_γ=6.8,，tanδ=0.003,。

    由HFSS仿真得出的結(jié)果如圖6所示，根據(jù)圖6可知，該巴倫的駐波,、插損,、平衡端口的相位差以及幅度差在帶寬范圍內(nèi)都符合指標(biāo)的要求。

3 實(shí)際測(cè)試

    根據(jù)上述設(shè)計(jì)的模型,，將低溫?zé)频奶沾煞劢?jīng)過流延制成厚度精確而且致密的生瓷帶,，然后經(jīng)過切片、打孔,、內(nèi)電極印刷等一系列工藝制出所需要的電路圖形,，然后利用溫水等靜壓技術(shù)將生瓷帶按模型電路疊壓在一起，隨后按照模型所對(duì)應(yīng)尺寸進(jìn)行切割,，然后在900 ℃下進(jìn)行排膠,、成燒，再利用含鈀銀漿進(jìn)行外電極端印,，制成文中所述的巴倫。巴倫的實(shí)物如圖7所示,。

    測(cè)試使用焊接的方法,，利用安捷倫5071B網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的結(jié)果如圖8所示,。由圖6和圖8可知,，測(cè)試曲線和仿真曲線一致，平衡端的插損誤差也在允許范圍之內(nèi),，相位的一致性也比較好,，基本上達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

    經(jīng)過比較,，實(shí)際焊接曲線和HFSS仿真曲線還是存在一定誤差,，主要是焊接測(cè)試板沒有焊接好、SMA頭與測(cè)試板之間有間隙,、校正時(shí)的夾具與測(cè)試基板之間PCB板沒有統(tǒng)一以及測(cè)試之前沒有校正好網(wǎng)絡(luò)分析儀,。但是該巴倫性能總體上達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一款基于LTCC技術(shù)的微型巴倫,，尺寸僅為2.0 mm×1.25 mm×0.8 mm,，從實(shí)物測(cè)試結(jié)果可以看出，該款巴倫的工作帶寬為2.4~2.5 GHz,，Amplitude Difference（平衡輸出差）小于1.0 dB,，Phase Difference（相位差）小于10°。從仿真和實(shí)測(cè)的結(jié)果看出兩者趨勢(shì)一致,，符合最初的設(shè)計(jì)要求,。

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作者信息：

劉  紅,，葉  強(qiáng)

（中國(guó)計(jì)量大學(xué) 信息工程學(xué)院,，浙江 杭州310018）