一種小型化LTCC集總巴倫設(shè)計

1、 Hans Journal of Wireless Communications 無線通信, 2016, 6(2, 46-51 Published Online April 2016 in Hans. 文章引用: 王鑫, 戴永勝. 一種小型化LTCC 集總巴倫設(shè)計J. 無線通信, 2016, 6(2: 46-51.Design of a Miniaturized LTCC Lumped BalunXin Wang*, Yongsheng DaiSchool of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science

2、and Technology, Nanjing JiangsuReceived: Mar. 26th , 2016; accepted: Apr. 11th , 2016; published: Apr. 14th , 2016Copyright © 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY.Abstract This paper presented a design

3、 and realization method of lumped balun based on the LTCC tech-nology, which was derived from simple LC balun and designed by ADS circuit simulation and theHFSS software to optimize the 3D modeling. The measured results agree with the simulated data basically, the center frequency of balun sample is

4、 70 MHz, the bandwidth is 20 MHz, the insertion loss of the pass band is less than 4.7 dB, the phase difference between the two output ports is more than 172, the size is only 2.5 mm × 1.5 mm × 1 mm. The balun can totally be used in miniaturized mobile communication equipment. KeywordsLow

5、Temperature Co-Fired Ceramic, Lumped, Miniaturization, Balun一種小型化LTCC 集總巴倫設(shè)計王 鑫*，戴永勝南京理工大學電子工程與光電技術(shù)學院，江蘇 南京收稿日期：2016年3月26日；錄用日期：2016年4月11日；發(fā)布日期：2016年4月14日摘 要本文提出了一種基于LTCC 技術(shù)的集總巴倫的設(shè)計與實現(xiàn)方法。該小型化集總巴倫由簡易LC 巴倫結(jié)構(gòu)改進*通訊作者。王鑫，戴永勝而成，利用ADS 軟件進行電路仿真以及HFSS 軟件三維建模設(shè)計。性能測試結(jié)果表明：測量結(jié)果數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本一致，該巴倫的標稱中心頻率為70 MHz，頻帶寬20

6、 MHz，通帶內(nèi)插入損耗小于4.7 dB，兩端口相位差大于172，尺寸僅為2.5 mm × 1.5 mm × 1 mm。完全能夠滿足當今通信設(shè)備日益小型化的要求。關(guān)鍵詞低溫共燒陶瓷，集總，小型化，巴倫 1. 引言巴倫是由英文名balanced-unbalanced 的縮寫B(tài)ALUN 音譯而來，即平衡非平衡變換器。其中balanced 代表差分結(jié)構(gòu)，unbalanced 代表的是單端結(jié)構(gòu)，巴倫一般作為單端電路與雙端電路之間的轉(zhuǎn)換器，單端電路是指單輸入單輸出的一類電路，傳輸?shù)男盘枮榉瞧胶庑盘枺p端電路指雙端輸入的電路如偶極天線等，傳輸平衡信號。現(xiàn)如今差分電路因其高增益、抗電磁干

7、擾能力強、抗電源噪聲、抗地噪聲能力很高、抑制偶次諧波等優(yōu)點越來越受到歡迎。同時，在RF 電路和低頻電路中，由于差分電路廣泛使用使得巴倫的重要性也與日俱增1。LTCC (低溫共燒陶瓷 技術(shù)自面世以來便是令人矚目的整合組件技術(shù)，經(jīng)過這幾十年的發(fā)展更是成為無源集成技術(shù)的主流技術(shù)。為滿足軍用電子整機、通訊類電子產(chǎn)品及消費類電子產(chǎn)品迅速向短、小、輕、薄方向發(fā)展，手機、PDA 、MP3、筆記本電腦等終端系統(tǒng)須擁有愈來愈多的功能，各企業(yè)及高校不斷加大研發(fā)投入，越來越多的功能器件產(chǎn)品采用LTCC 工藝制造。低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC是一種多層陶瓷制造技術(shù)，經(jīng)過研磨、混料，留延，切片，打孔，印刷和填孔，疊層、切

8、割，排膠共燒等一系列加工過程2。LTCC 與其他集成技術(shù)相比，加工的電路品質(zhì)因數(shù)好，耐用性強，可用于惡劣環(huán)境，且易與其它集成技術(shù)兼容，成品率高，還有著節(jié)能節(jié)材綠色環(huán)保等優(yōu)點。LTCC 以其優(yōu)異的電子、機械、熱力特性已成為未來電子元件集成化、模組化的首選方式3。本文中對巴倫的設(shè)計，由于中心頻率低帶寬窄，選擇集總式設(shè)計亦可滿足指標。其具體指標如下：中心頻率為70 MHz，帶寬為20 MHz，通帶內(nèi)插入損耗小于4.7 dB，兩端口相位差大于172，尺寸僅為2.5 mm × 1.5 mm × 1 mm。2. 巴倫的原理分析巴倫是具有一個不平衡端口和兩個平衡端口的三端口器件。平衡端口

9、輸出的信號須具有相同的幅值，且兩信號還需要有180的相位差。許多電路需要將不平衡信號轉(zhuǎn)化為平衡信號，以減少電路的噪聲和高次諧波，改善電路的動態(tài)范圍。巴倫形式多樣，總體上可分為有源巴倫和無源巴倫兩大類。有源巴倫需要使用晶體管等有源器件，所以噪聲和功耗不可避免。而無源巴倫又可以分為分布參數(shù)形式巴倫、螺旋變壓器形式巴倫和集總元件形式巴倫三類。螺旋變壓器形式巴倫在低頻和超高頻(UHF時效果較好，且有一定的損耗；分布參數(shù)形式巴倫可細分為180混合環(huán)巴倫和Marchand 巴倫。在微波頻段，180混合環(huán)巴倫有相當好的頻率響應(yīng)，但是過大的尺寸限制它應(yīng)用于射頻頻段，即從200 MHz 到幾GHz 。March

10、and 巴倫性能較好帶寬較寬，故被最多使用。但是Marchand 巴倫用四分之一波長耦合線構(gòu)成，占用面積大，低頻段時尤其不可?。患傇问桨蛡悆奢敵龆丝谛盘栯m不容易達到180的相位差和幅值相同的輸出，但其體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)簡單且成本較低，且易于設(shè)計4。巴倫是一種三端口網(wǎng)絡(luò)，其中一個是不平衡輸入端口，另外兩個是平衡輸出端口，如圖1所示。 王鑫，戴永勝 端口3Figure 1. Balun structure and schematic diagram圖1. 巴倫結(jié)構(gòu)示意圖此三端口網(wǎng)絡(luò)的電壓電流關(guān)系，用Y 參數(shù)表示如下：111112213322112222333311322333I Y V Y

11、 V Y V I Y V Y V Y V I Y V Y V Y V =+ =+ =+ (1導納矩陣為：111213212223313233Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y =(2 由于巴倫其互易網(wǎng)絡(luò)的特性，故有ij ji Y Y =, 那么導納矩陣可表示成：112131122232132333Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y =(3兩輸出端口幅度相同相位相反，故端口2和端口3兩個平衡端口應(yīng)滿足：2323V V I I = =(4 (4式代入(3式得：12132233Y Y Y Y = = (5 上式就是巴倫阻抗(導納 匹配條件，即巴倫三端口網(wǎng)絡(luò)平衡條件的導納表示式，它給出了巴倫三

12、端口網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出的阻抗(導納 關(guān)系。設(shè)端口1的輸入導納為Y 1，端口2和端口3的輸出導納為Y 2，由式(5得：12111222232Y Y Y Y Y Y =+ (6 這是三端口網(wǎng)絡(luò)作為巴倫時，輸入導納和輸出導納之間應(yīng)滿足的關(guān)系。公式(6為輸入導納和輸出導納的關(guān)系式。從以上表達式可以看出，該巴倫可以輸出一對幅度相等信號，且均滿足3 dB 功率轉(zhuǎn)換效果。一般來說Y 1與頻率有關(guān)，且為復(fù)數(shù)，如果想使巴倫在較寬的頻帶內(nèi)工作，則應(yīng)使Y 1盡可能與頻率無關(guān)5。由基本的LC 巴倫進行改進得到以下原理圖，集總巴倫原理圖如圖2所示。從圖2中可以得出，該巴倫結(jié)構(gòu)中一路由兩個串聯(lián)電感中間接一接地電容在末端電感形

13、成輸出，而 王鑫，戴永勝端口1Z 0Z 0Z 0端口2端口3Figure 2. Lumped Balun structure and schematic diagram圖2. 集總巴倫結(jié)構(gòu)圖另一路則是兩串聯(lián)電容間接一接地電感并在末端電容形成輸出，信號從端口1輸入，經(jīng)過阻抗變換的作用，在端口2和端口3輸出兩路幅值相同相位相反的信號6。3. LTCC集總巴倫設(shè)計3.1. 設(shè)計理論由給定巴倫的設(shè)計指標，運用ADS 仿真軟件確定原理圖中各電容電感大小，使得整個電路參數(shù)滿足指標要求。然后根據(jù)設(shè)計要求結(jié)合HFSS 設(shè)計軟件進行建模，模型完成后對其與先前原理圖進行數(shù)次擬合，以確定各元件參數(shù)。最后進行總體試驗

14、調(diào)試，加工生產(chǎn)，分析并測試性能。3.2. 設(shè)計過程由給定巴倫的設(shè)計指標，運用ADS 仿真軟件畫出集總形式巴倫原理圖并設(shè)置變量進行優(yōu)化，使得整個電路參數(shù)滿足指標要求。在合適的尺寸下一次畫出各電感電容等元件完成三維設(shè)計。首先對各元件逐個擬合：將原理圖中需擬合的元件用SNP 文件代替并接地，在三維設(shè)計中利用相應(yīng)元件進行單獨的電磁仿真得到SNP 文件加載到原理圖中，通過對比已優(yōu)化完成的指標圖確定三維設(shè)計中各電感電容的大小。其次再對每一路電路分別進行擬合調(diào)試直到滿足指標，最后整體仿真對模型稍作調(diào)整優(yōu)化確定最終三維結(jié)構(gòu)7。3.3. LTCC集總巴倫的三維實現(xiàn)本設(shè)計的中心頻率是70 MHz，屬于VHF 波段

15、，帶寬為20 MHz。基于LTCC 的三維設(shè)計模型，確定該集總形式巴倫的尺寸為2.5 mm × 1.5 mm × 1 mm，陶瓷材料選用相對介電常數(shù)為13.3的材料 ，介質(zhì)損耗角為tan 0.00058377=，金屬導體材料為銀，厚度均為0.01 mm 8。如圖3、圖4所示，兩電感中間引出輸出端口2的兩個電容值較大，考慮到空間大小及巴倫尺寸，采用垂直方向平行板疊層電容，不僅能夠滿足電容參數(shù)，對減小器件尺寸也有重要意義9。電容在器件內(nèi)部右下方串聯(lián)且直接引出輸出端口2，兩電容中間向上接入接地電感。層疊電容平行板的面積以及上下平行板之間的距離主要會影響電容值的變化，面積越大，層間

16、間距越小的電容值越大。該巴倫中電感采用三維螺旋結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是減小電感線長，增大空間的利用率10。信號從輸入端口進入，分兩路將能量等分傳導至電感及層疊電容，最終形成幅度相等相位相反的兩路信號在兩輸出端口輸出。本設(shè)計由于中心頻率較低，電感電容值均較大，故電容采用層疊電容而電感則有著相對較多的層數(shù)，器件尺寸比較理想。 王鑫，戴永勝3.4. 仿真測試結(jié)果小型化LTCC 集總巴倫的模擬仿真結(jié)果如圖5所示，中心頻率為70 MHz，帶寬為20 MHz，通帶內(nèi)插入損耗小于3.75 dB (60 MHz < f < 80 MHz，兩端口相位差大于174。經(jīng)過生產(chǎn)加工，并進行測試，其測試結(jié)果如圖6所示

17、，在通帶60 MHz與80 MHz處，其中3端口3插入損耗分別為3.41 dB，4.69 dB。通帶范圍內(nèi)插入損耗優(yōu)于4.7 dB。兩輸出端口幅度差優(yōu)于0.65 dB。其兩端口相位測試曲線如圖7所示，兩端口相位差為180 ± 8，其性能測試基本達到預(yù)期。經(jīng)過對比分析，仿真與測試結(jié)果存在一定誤差，原理圖中的仿真相位差與實物測試相位差經(jīng)計算會存在著2到4的誤差，但總體來說還是在170以上，通帶內(nèi)插損也有著1 dB左右的誤差，主這要是由于 Figure 3. The lumped Balun internal three-dimensionalstructure圖3. 集總巴倫的內(nèi)部三維結(jié)

18、構(gòu) Figure 4. Front view of the Lumped Balun圖4. 集總巴倫的正視圖 (a (bFigure 5. The Lumped Balun simulation result; (a Insertion loss; (b Phase difference of two output port圖5.集總巴倫仿真圖；(a插入損耗；(b 兩端口相位差 王鑫，戴永勝 Figure 6. The Lumped Balun test curve 圖 6. 集總測試曲線圖 Figure 7. The Lumped Balun physical and test figure

19、 圖 7. 集總巴倫實物圖與測試夾具圖 所用陶瓷介質(zhì)差異、加工過程不能完全精確、測試夾具存在損耗等原因造成。但總體來說，該產(chǎn)品達到 了預(yù)期的目標，可以進行批量生產(chǎn)加工。 4. 結(jié)論 本設(shè)計是一種基于 LTCC 技術(shù)的小型化集總窄帶巴倫，中心頻率是 70 MHz，屬 VHF 頻段，頻率較 低，波長較長，采用集總結(jié)構(gòu)完全可以滿足其窄帶以及小型化的要求。利用電路仿真及三維設(shè)計軟件對 巴倫進行仿真設(shè)計，要獲得輸出端口插損和兩端口相位差的理想值需對三維設(shè)計不斷進行調(diào)試。實際測 試結(jié)果基本達到仿真測試結(jié)果。可以進行批量生產(chǎn)。 參考文獻 (References 1 2 3 4 5 6 7 8 9 黃昆. 一種微型 LTCC 巴倫的設(shè)計與實現(xiàn)J. IT 時代周刊, 2014: