高集成射频模块巴伦详解

作者：Mark Forbes, Mentor Graphics公司

Mark Gorbett, Microwave Assurance公司

如今，为了满足日益增长的高级系统集成的需求，设计多芯片模块的RF/MMIC工程师需要进行“电路级”电磁仿真和建模。除典型主动元件外，具有完整系统级功能的模块还需要被动支持电路。这些被动元件通常包括如下电路：90度耦合器，180度的耦合器，同相耦合器，滤波器，双工器和传输线结构。

巴伦(Balun)是高频电路设计中非常重要的支持电路。180度巴伦是异质结双极晶体管（HBT）以及假晶高电子迁移晶体管(pHEMT)推挽放大器，平衡混频器，平衡倍频器，移相器，平衡调制器，偶极子源，针对差分信号的非平衡差分转换器和许多其他应用的一个重要元件。此外，模拟电路需要平衡输入和输出以减少噪音，尽量减少高次谐波并提高电路的动态范围，模拟电路也可从这种巴伦结构中获益。

马卡德巴伦的起源

根据定义，巴伦是用来连接平衡或差动传输线电路和不平衡或单端传输线电路的一种变压器。近年来，已经开发出了几种不同的巴伦结构；然而，对传输线式巴伦的全新关注，更强调了这种巴伦必须是平面的，紧凑的并更适合于混频器和推挽功率放大器。此外，有几种巴伦已应用于微波集成电路(MIC)和单片微波集成电路(MMIC)。

最流行的是马卡德巴伦的平面版本，因为它容易实现，并提供宽带宽。由于改善了相位和振幅平衡，马卡德巴伦拥有比其他巴伦设计更宽的带宽。从典型巴伦设计展望马卡德巴伦的发展，便可以解释为什么马卡德巴伦拥有优越的实体设计和测量结果。图1a为典型巴伦设计，图1b为巴伦原理图。

图1 典型巴伦的实体设计和原理图

当中心导体和内导体之间的射频电流处于理想均衡状态时，图中的同轴巴伦效果最佳。另一方面，同轴屏蔽上的电流可在屏蔽内外流动。随着屏蔽外的电流增多，平衡端口之间的振幅和相位平衡将会降级。图2说明了同轴巴伦的原理图以及180度端口有接地特性阻抗和同轴电缆的外护套屏蔽相应的共振频率。

该巴伦的振幅和相位平衡随着接地护套阻抗的变化而变化。通过增加同轴电缆的一个“平衡”部分，可以改善振幅和相位平衡，以此来优化该巴伦结构，如图2a所示，其原理图如图2b所示。

图 2：用"平衡"部分优化巴伦

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设计和仿真

平衡同轴电缆使180度端口拥有与0度端口相同的对地阻抗和共振。有了该平衡部分，两个端口便有效拥有了接地同轴护套，接地护套理论上可以制造出完美的振幅和相位平衡。重要的是，该巴伦可实现平面结构，如图3所示。耦合线可实现物理地侧端或末端耦合。

马卡德巴伦的布局有独立的主次之分，传输线变压器则没有。此外，差分输出端口对DC的对称连接允许DC和IF在混频器和其他器件中回流。

设计要求

本文中，我们将看到5-25 GHz的平面马卡德巴伦的设计。该设计的物理要求如下：

* 总长为：λ/2，其中λ为频段中最高频率的波长。

* 预设长度为3575 μm。

* 耦合线长度为：λ/4，其中λ为频段中最高频率的波长。

* 预设长度为1788μm。

* Z0e = 高，尽可能将到地平面的距离设置为最大。

* Z0e = 低，尽可能将到地平面的距离设置为最小。

* 不平衡，单端输入端口阻抗= 50?

* 平衡，差分输出端口阻抗= 50?

* 输出单端端口= 25?

该设计中，单端S-参数为：

S11 = 0, 匹配

S21, S31, S12, S13 = -3dB

S22, S33, S23, S32 = -6 dB

拥有平衡输出，S-参数变为：

S11, S21 = 0, 匹配

S21, S12 = 低损耗.

使用IE3D进行EM仿真

随着对高系统集成和相应的高密度封装的需求，多层结构已成为必要。现代MMIC设计已采用了多种三维结构和布局。电传播为纯-横电磁波（TEM）的布局可使用电路模拟器。

TEM分析仅适用于设计低频MMIC，其中带材宽度和基材厚度比波导波长小的多。总之，EM求解器提供了一种优越的解决方案，解决方案中考虑如下因素：

1. 多导线传输线

2. 串扰效应

3. 激振效应

4. 计时误差

5. 集肤效应损耗

6. 电阻-电容时间常量效应

7. 断点效应

8. 互联效应

9. 包装效应

Mentor Graphics的IE3D全波EM仿真解决方案在此用来模拟马卡德巴伦。（IE3D是该行业内唯一一个以全3D动差法为基础的仿真器，该仿真器可精确地解决在x/y坐标系统并压栈于z向标的图层集合的结构问题。）为了模拟巴伦结构，金属将模拟其真实厚度。IE3D适用于解决MMICs常见的多层无源结构问题和PCB设计，其中大部分结构基于水平叠加。

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仿真结果

该巴伦模拟布局设置为三端口结构，端口1 = 50?，端口2和端口3= 25?，如图4所示。

预期的仿真结果为：不平衡端口1匹配，在频段中心测到回波损耗-53dB。S21和S31平衡，在频段中心测到-3dB。S22和S33单端回波损耗和交叉耦合参数S23和S32在频段中心测到-6dB。结果如图5所示。

由于Ang[ S(2,1)] 与Ang[S(3,1)]间的相位差为180度，预期的相位平衡如图6所示。

接着，巴伦布局设置为两个端口，其中端口2和端口3设置为单差动端口，如下图7所示。

预期的仿真结果为：不平衡端口1匹配，在频段中心测到回波损耗(S11)为-53dB。S21单端转差分直通电路在频段中心测到低回拨损耗。图8表示差动端口在频段中心测到的回拨损耗（S22）为-35dB。

FastEM 仿真利用IE3D能力参数化模拟结构的关键性能和重要的几何图形，并表征了在用户选择的频率范围内的结构。该特征数据保存在FastEM数据库中，使用户能够对结构进行实时EM调谐，并且更重要的是，在用户输入目标电性能后IE3D可以自动确定最佳几何结构并为该结构设置所需的S参数。使用FastEM排除最佳布局以外的其他方案以满足理想的性能目标。

定义调谐变量后，FastEM仿真可以获得一系列仿真结果。然后，用户可打开FastEM设计套件进行实时调谐和优化等，如图9所示。

图9：使用IE3D进行 FastEM仿真时用户可通过移动滑块控制调谐变量进行实时EM调谐。

图9表示参数化的马卡德巴伦结构和FastEM仿真中定义的三个单独的调谐变量（滑块）。设计人员可通过单独移动滑块实现实时EM调谐，并看到几何图形和S参数模拟曲线的相对动态变化。实时EM调谐帮助设计者更好的理解结构性能中每个参数的效应，以此来改进原先的布局。

一旦设备结构最终定案，其他设计师可以分享该FastEM资料集，获得设备架构师的EM专业知识，从而达到再利用的效果。通过优化对话框，其他设计师可指定特殊的性能需求，然后确定满足该性能目的的最佳布局和s参数模型。在同一家公司内，针对通用的被动设计结构，如电感器、巴伦、过滤器和变压器等，这种方法使项目流程再利用简单化。

结论

巴伦在高频电路设计方案中是非常有益的被动支持电路。最常见的应用是将不平衡或单端的电路连接到平衡或者差动电路上。此外，作为项目流程（IP）再利用策略的一部分，设计者通过IE3D的FastEM性能可获得作为设备架构师的EM设计专业知识。通过设计范例，FastEM将传统的“布局模型分析重复”设计流程进行优化。对于一款能适用HBT和PHEMT推挽放大器、平衡式混合器或者其他众多应用程序的马卡徳巴伦，使用者可以快速地确定其最佳的物理布局。

本文来自《电子工程专辑》2011年8月刊，版权所有，拒绝转载。