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LTCC小型化Balun设计

第37卷增刊电子科技大学学报

Vol.37suppl 2008年6月Journal of University of Electronic Science and Technology of China Jun.2008

LTCC 小型化Balun 设计

厉

强1，杨

涛2，金

龙1，尉旭波1

(1.电子科技大学电子科学技术研究院成都610054;

2.电子科技大学电子工程学院成都

610054)

【摘要】介绍了一种基于L TCC(低温共烧陶瓷)技术的小型化balun 的设计。设计的Balun 采用Marchand balun 结构，使用LTCC 技术实现多层结构、上下耦合的方式减小balun 的体积并拓展带宽。该balun 工作在1.7～2.2GHz ，体积为2.8mm ×3mm ×1mm ，并且平衡端口输出具有良好的幅值平衡和180°相位差。

关键词巴伦;耦合线;低温共烧陶瓷;多层电路中图分类号文献标识码A

A Miniaturized LTCC Balun

LI Qiang 1,YANG Tao 2,JIN Long 1,and WEI Xu-bo 1

(1.Research Institute of Electroni c Science and Technol ogy,University of El ectronic Science and Technology of Chi na

Chengdu 610054;

2.School of El ectronic Engineering,University of Electroni c Science and Technology of China

Chengdu

610054)

Abstr act In this paper,we present a miniaturized low temperature co-fired ceramic (LTCC)balun.The size of Marchand balun is reduced by the LTCC mulilayer technology and the broadband is improved by using vertical solenoid coupled transmission lines.The designed balun shows the maximum amplitude imbalance of 0.1dB and the maximum phase imbalance of 5in the 1.7～2.2GHz frequency band.The overall dimension is as small as 2.8mm ×3mm ×1mm.

Key wor ds balun;coupled line;low temperature co-fired ceramic;multilayer circuit 收稿日期：200803

作者简介：厉

强()，男，硕士生，主要从事微波毫米波电路方面的研究巴伦是一种三端口器件，由一个不平衡端口和两个平衡端口组成。两个平衡端口的信号有相同的幅值，但是有180°的相移。许多电路需要平衡的输入和输出，从而用来减少电路的噪声和高次谐波，改善电路的动态范围。Balun 作为一个关键性器件，被广泛地应用于平衡混频器、推挽放大器和天线等电路中[1]。

Balun 的形式有多种，但从总体上可分为有源balun 和无源balun 两大类。有源balun 由于要使用晶体管等有源器件，所以不可避免地会产生噪声和功耗。无源balun 又可以分为集总元件形式balun 、螺旋变压器形式balun 和分布参数形式balun 三类。集总元件形式balun 的优点是体积小、重量轻，但是不容易达到180°的相移和相等的输出幅值；螺旋变压器形式balun 仅适用于低频和超高频(UHF)，并且有一定的损耗；分布参数形式balun 可细分为180°混合环balun

和Marchand balun [2]

。在微波频段，180°混合环balun 有相当好的频率响应，但是过大的尺寸限制它应用于射频频段，即从200兆赫兹到几吉赫兹。Marchand balun 由于有较好的输出等幅值和输出180°相移，并

且带宽较宽，所以被许多设计者选用。但是Marchand

balun 由两段四分之一波长耦合线构成，会占用较大的面积，特别是在低频频段[3]。

低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic,LTCC)技术是一种多层基板结构，可以将许多无源组件内埋在L TCC 中，与传统PCB 基板以封装方式处理这些组件不同，L TCC 的这种内埋方式大幅缩小了无线模块体积。这种材料具有高可靠性和设计上的灵活性，从而真正实现三维结构。LTCC 较高的介电常数可以缩小元件需要的体积，而其较低的介质损耗则可以降低功耗。鉴于以上优点，本文选用L TCC 技术实现balun 小型化的设计。

本文设计的L TCCbalun 工作在1.7～2.2GHz ，两个平衡端口的幅值差小于0.2dB ，相位不平衡度小于5°。整个Balun 的尺寸为2.8mm ×3mm ×1mm ，共11层，使用螺旋线代替四分之一波长传输线，从而减小整个balun 的尺寸。

1Marchand balun

Marchand balun 由于有良好的平衡输出和较大

1980

电子科技大学学报第37卷

的带宽，所以被广泛地应用于微波和毫米波电路中。图1为平面Marchand balun 的等效电路[4]，由两段四分之一波长直耦合线构成[5]。

λ/2

λ/4

开路

不平衡端口

平衡端口

图1Marchand balun 的等效电路

从半波长开路线的一端馈入能量，两段四分之

一波长短路线置于半波长开路线的旁边，并从半波长开路线上耦合得到能量，从而在两个平衡端口得到幅值相同，相位相差180°的输出能量。Marchand balun 虽然有诸多优点，但由于涉及到半波长传输线，balun 在较低的频率上会占用较大的面积[6]。

2耦合线的设计

Marchand balun 可以看成是两段四分之一波长

的耦合线构成的。而balun 的带宽直接与这两段耦合

线的耦合系数k 有关，耦合系数k 的表达式为：

211122Im()

Im()Im()

Z k Z Z =

×端口1

端口2

接地端

图2

螺旋耦合线三维结构图

stra ight c ouple d line spiral coupled line

35302520

151050S 2

1/d B 0.00.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

St raight coupled line Spi ral coupled li ne

f/GHz

图3不同耦合线结构的传输系数在本文的设计中选用螺旋耦合线、上下耦合的

方式，可以在缩小balun 体积的同时提高耦合线的耦

合系数。直耦合线的耦合系数大概为0.3左右，而上下耦合的螺旋耦合线的耦合系数可以达到0.45左右。图2所示为螺旋耦合线的三维结构图。图3对两种结构耦合线的传输常数进行了仿真对比，可以看出，直耦合线由于采用侧面耦合，耦合系数较低，所以带宽明显小于上下耦合的螺旋耦合线[7-8]。

3Balun 的设计

基于上述耦合线的设计，本文设计了多层的Marchand balun ，其三维结构和每层之间的互连如图4所示。选用带状线实现耦合线，整个balun 共由11层组成，层与层之间通过通孔连接，上下为对称结构，其中第1层和第11层为陶瓷保护层，第2层、第6层和第10层为接地层，第6层把上下两段耦合线分开，从而避免产生不需要的寄生耦合[9-10]。使用电子科技大学电子科学技术研究院的LTCC 生产线提供的工艺参数进行优化设计，每层陶瓷基片的厚度为0.1mm ，陶瓷基片的介电常数εr =14，

损耗正切tan δ=0.002，陶瓷上敷金属银作为导带，金属导带厚度为0.007mm ，带状线的线宽为0.2mm 。整个balun 的体积大小为2.8mm ×3mm ×1mm

。

不平衡端口

平衡端口1

平衡端口2

接地端

图4Marchand balun 三维结构图

-20

-18-16-14

-12-10-8

-6-4-20

21(d B )S 31(d B )S

11(d B )S 21S 31S 11

S 21/d B S 31/d B S

11/d B 1.0

3.0

S 21S 31S 1120468

101214161820

1.5

2.0 2.5

f/GHz

图5balun 的S 21、S 31与S 11幅值的仿真结果

(下转第105页)

增刊季军等:双环模拟预失真功率放大器研究

105

失真方案，实现了基于该方案用于WCDMA 直放站下行频段的10W 模拟预失真功率放大器，预失真效果明显。

参

考

文

献

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编辑黄莘

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------(上接第90页)

-200-150-100-50050100

150200S 21(

d e g )S 31(d e g )S 21

S 31

S 21/d B S 31/d B 1.0

3.0

S 21

S 31

200

1.5

2.0

2.5f/GHz

10015010050

015050

200

图6balun 的S 21与S 31相位的仿真结果

使用Ansoft 公司的HFSS TM 进行仿真优化，仿真结果如图5和图6所示。由图5可以看出，在1.7～2.2GHz 的频率范围内S 21和S 31的幅值在3～3.8dB 之间，且差值小于0.2dB 。图6所示为S 21和S 31的相位变化仿真结果图，在1.7～2.2GHz 的频率范围内S 21和S 31的相位呈线性变化，相位不平衡度小于5°。

4结论

本文介绍了一种基于LTCC 技术的小型化balun 的设计，其物理尺寸大小仅为2.8mm ×3mm ×1mm ，工作在1.7～2.2GHz 的频率范围内，平衡端口的输出幅值差值小于0.2dB ，输出相位不平衡度小于5°。

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编辑税红