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)行測試。測試的結(jié)果如圖8所示。由圖6和圖8可知，測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，主要是焊接測試板沒有焊接好、SMA頭與測試板之間有間隙、校正時(shí)的夾具與測試基板之間PCB板沒有統(tǒng)一以及測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)測的結(jié)果看出兩者趨勢一致，符合最初的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] SCRANTOM C Q，LAWSON J C.LTCC technology：where we are and where we’re going-Ⅱ[C]/IEEE MTT-S International Microwave Symprium Digest.NY，USA：IEEE，1999：193-200.

[2] 張有志，張穎，夏鳳仙，等.巴倫在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].上海：上海海事大學(xué)，2010.

[3] Lew Dae won，Park Jun seok，Ahn Dal，et al.A design of the ceramic chip balun using the multilayer configuration[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2001，49(1)：220-224.

[4] 方安.基于低溫共燒陶瓷技術(shù)的微帶濾波器和巴倫模塊設(shè)計(jì)方法研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2006.

[5] LIM H A，LEONG M S，CHEW B L O T.A new method of designing marchand baluns for multilayer applications[C]//Taiwan Proceeding of APMC2001.Taipei：[s.n]，2001.

[6] 姚友芳.微型LTCC平衡濾波器的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2010.

[7] SCHWINDT R，NGUYEN C.A CAD procedure for the double-layer broadside-coupled marchand balun[J].IEEE MTT-S Digest，1994，94(4)：389-391.

[8] TSAI C M，GUPTA K C.A generalized model forcoupled lines and its application to planar balun synthesis[J].IEEE MTT-S Int Microwave Sjmp Dig，1992，40(12)：873-876.

[9] FUJIKI Y，MANDAI H，Morikawa Takehiko.Chip type spiral broadside coupled directional couples and baluns using low temperature co-fired ceramic[A].1999 IEEE Electronic Components and Technology Conference[C]，1999：105-110.

作者信息：

劉  紅，葉  強(qiáng)

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