Ka波段巴倫設(shè)計(jì)以及Smith匹配內(nèi)容的介紹

Balun為了解決非平衡到平衡端口的轉(zhuǎn)化而出現(xiàn)，由于單端到差分端口的特殊物理結(jié)構(gòu)使得Balun成為一種特殊的三端口電路。英文balun由balanced和unbalanced組合并進(jìn)行簡化而來。其主要功能有以下幾個(gè)方面，其一是將電信號(hào)從不平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化為平衡狀態(tài)，也就是將單端信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)；其二是通過特殊的電路拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)共模信號(hào)抑制的目標(biāo)；其三通過物理疊層結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行前后級(jí)的阻抗匹配。

Ⅰ 簡述

從本質(zhì)上講，巴倫的出現(xiàn)就是為了解決非平衡態(tài)到平衡態(tài)轉(zhuǎn)化的問題。應(yīng)用巴倫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)單端信號(hào)到差分信號(hào)的良好過渡，并且使得前后級(jí)阻抗達(dá)到匹配狀態(tài)，由于巴倫物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系，前后級(jí)的直流成分無法通過。巴倫常用于低噪聲放大器、平衡輸出混頻器、平衡式倍頻器、及可變增益放大器、移相器以及其他需要單端信號(hào)到差分信號(hào)轉(zhuǎn)化的電路設(shè)計(jì)方向。

由于目前可見的文獻(xiàn)中對(duì)于射頻毫米波的巴倫設(shè)計(jì)和匹配介紹的比較少，本文對(duì)Ka波段1:1巴倫設(shè)計(jì)以及Smith匹配內(nèi)容進(jìn)行介紹和分享。

Ⅱ 所提出拓?fù)浜碗娐?/p>

本次設(shè)計(jì)的巴倫屬于變壓器巴倫，由于簡單的設(shè)計(jì)、良好的性能被頻繁采用。

巴倫設(shè)計(jì)匝數(shù)比1:1，采用電容匹配將Ka波段帶內(nèi)匹配到50歐姆附近以獲得良好的回波損耗以及較小的插損。

如圖1所示，變壓器式巴倫為三端口器件。其中P為單端輸入端口，S+和S-為差分輸出端口，實(shí)現(xiàn)了非平衡到平衡端口的轉(zhuǎn)換。

巴倫的重要指標(biāo)是其幅度和相位平衡性，一個(gè)理想的巴倫具有成分輸出幅度相等，相位差值為180°的特性。

其中，巴倫差分端中間需要有接地的抽頭以保證巴倫良好的幅相一致性。平衡端口抽頭接地的好壞直接影響到巴倫的幅相平衡性，在處理差分輸出中間抽頭時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行交流電容接地或是直接DC接地處理。

圖1、理想巴倫示意

巴倫分為多種類型，微波射頻設(shè)計(jì)中使用的巴倫類型取決于所需的帶寬，工作頻率以及該設(shè)計(jì)的物理結(jié)構(gòu)。

圖2為變壓器巴倫的版圖設(shè)計(jì)，分別采用相鄰的兩層金屬進(jìn)行巴倫設(shè)計(jì)，目的是可以獲得較高的耦合度減小插損。

巴倫非平衡端口和平衡端口為了實(shí)現(xiàn)阻抗變換，就需要改變不同的耦合匝數(shù)。一般情況下，用1:n來表示巴倫單端和差分端口的匝數(shù)比值。

圖2、巴倫物理layout

由于巴倫匝數(shù)比等于電壓比，如1：n=V1/V2，巴倫匝數(shù)比等于電流比的倒數(shù)，如1:n=I2/I1。如下：

(V1/V2)*(I2/I1)=(V1/I1)/(V2/I2)

=1n=1:n2

以上公式變換說明，巴倫前后級(jí)的阻抗比相當(dāng)于匝數(shù)比的平方。如果阻抗比為1:4，那么匝數(shù)比為1:2。

本文設(shè)計(jì)以匝數(shù)比1:1為例進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

那么，巴倫實(shí)現(xiàn)單端到差分的轉(zhuǎn)換同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)前后級(jí)的匹配涉及到許多的設(shè)計(jì)技巧，同時(shí)也決定了設(shè)計(jì)的帶寬。

其中，常見的巴倫匹配方式如下：

- 巴倫前后級(jí)并聯(lián)電容諧振進(jìn)行帶寬的擴(kuò)展；
- 與一般的Smith匹配方式相同，進(jìn)行電容串并聯(lián)L型匹配，具體參照Smith阻抗位置，不可一概而論；
- 調(diào)整巴倫自身的物理參數(shù)，如減小巴倫前后級(jí)電感耦合度，犧牲插損獲得更大的帶寬。

如下面圖3拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為常規(guī)的巴倫匹配方式?？梢钥吹?，巴倫的前后級(jí)分別并聯(lián)電容進(jìn)行諧振匹配，期望達(dá)到良好的匹配和帶寬。電容的大小會(huì)影響到諧振點(diǎn)的位置實(shí)現(xiàn)不同的增益和帶寬組合，根據(jù)需要可以靈活進(jìn)行調(diào)整，具體實(shí)現(xiàn)具體分析。

圖3、巴倫電容調(diào)諧

本文提到的巴倫設(shè)計(jì)及匹配方式適合單端到差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的匹配方式，不同于單端匹配設(shè)計(jì)。由于巴倫寄生參數(shù)模型的復(fù)雜性，其匹配方式不同于單端匹配。簡單的Model又無法正確描述巴倫的高頻寄生特性，目前應(yīng)用中，效率和準(zhǔn)確性在巴倫設(shè)計(jì)中存在折衷關(guān)系。巴倫參與匹配的主要優(yōu)勢在于：

- 兩級(jí)電感進(jìn)行物理疊層設(shè)計(jì)，大大壓縮芯片面積降低成本，實(shí)現(xiàn)寬帶。而單端匹配如需實(shí)現(xiàn)寬帶設(shè)計(jì)，需要多級(jí)LC器件進(jìn)行多節(jié)匹配設(shè)計(jì)，復(fù)雜度高而且面積較大。

- 巴倫可以將DC偏置于射頻匹配同時(shí)進(jìn)行集成，將DC電源端作射頻接地應(yīng)用減少端口和電路復(fù)雜性。

- 無需附加DC Block即可將前后兩級(jí)進(jìn)行直流隔離。

常見的巴倫匹配使用片上集成電容，如MIM電容和MOM電容。如下圖4中分別是上下疊層的MIM（Metal-Insulator-Metal）和MOM（Metal-Oxide-Metal）以金屬邊緣形成的電容。

圖4 (a)、MIM電容

圖4 (b)、MOM電容

射頻毫米波段巴倫應(yīng)用于各種高集成度IC當(dāng)中，如LNA、PA、MIXER等。一般不做單巴倫器件，以避免復(fù)雜的微組裝方式和帶入更多的插損和失配，以及更多的可靠性問題。

本文采用電容諧振進(jìn)行巴倫前后級(jí)的匹配，實(shí)現(xiàn)了26到40GHz的阻抗匹配，獲得了良好的插入損耗以及回波損耗。

如未匹配的巴倫相當(dāng)于一組并行的電感實(shí)現(xiàn)空間上的電磁耦合，其寄生特性較為復(fù)雜。為了提升設(shè)計(jì)效率，可以將巴倫看做類似于電感電容一樣的匹配元件進(jìn)行匹配處理，同時(shí)也可以看做是黑盒的s2p文件進(jìn)行前后級(jí)的匹配處理。匹配原則與一般的Smith匹配基本一致。

圖5、巴倫匹配Smith圓圖

其中，S11是巴倫單端輸入全頻段阻抗位置，S22為差分輸出端阻抗位置。Smith圓圖已匹配到合適的位置，即系統(tǒng)阻抗50Ω附近，對(duì)應(yīng)的輸入輸出回波損耗達(dá)到-10dB以下的指標(biāo)要求。

Ⅲ 測試/仿真結(jié)果展示

匝數(shù)比1:1無法進(jìn)行前后級(jí)阻抗的變化，目前針對(duì)巴倫layout進(jìn)行EM仿真，分析各項(xiàng)基本參數(shù)。

如下圖6為巴倫S參數(shù)仿真結(jié)果。目前，平衡端插損在3.1dB左右，回波損耗小于-10dB，滿足常規(guī)的射頻毫米波巴倫要求參數(shù)。

圖6、巴倫S參數(shù)仿真結(jié)果

幅度平衡性指標(biāo)由巴倫的結(jié)構(gòu)和線路的匹配程度決定。幅度平衡是指輸出功率的大小之間相匹配，兩輸出功率大小之間的差值稱為幅度不平衡度。如圖7的幅度一致性仿真結(jié)果所示，目前結(jié)構(gòu)可達(dá)到的指標(biāo)為帶內(nèi)0.35dB到0.51dB范圍內(nèi)。

圖7、幅度一致性仿真結(jié)果

巴倫的一項(xiàng)重要指標(biāo)為其相位平衡度，即兩個(gè)平衡輸出與“功率水平相等，相位相差180°”這一理想狀態(tài)的接近程度。兩個(gè)差分輸出之間的相位角度差與180°的偏離程度稱為巴倫的相位不平衡度。

如圖8中的相位一致性仿真結(jié)果所示，帶內(nèi)差分信號(hào)相位差為181.2°到182.2°之間，與理想狀態(tài)的180°偏差為1.2°到2.2°之間，比較節(jié)接近理想巴倫的指標(biāo)狀態(tài)。

圖8、相位一致性仿真結(jié)果

Ⅳ 總結(jié)

巴倫的實(shí)現(xiàn)形式多種多樣，根據(jù)應(yīng)用場景，指標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)材料等可以進(jìn)行靈活的選擇。

本文之所以進(jìn)行射頻毫米波巴倫的介紹以及匹配方式的說明，是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)射頻毫米波LNA時(shí)遇到很多設(shè)計(jì)上的困難及困惑。在完成LNA設(shè)計(jì)的同時(shí)對(duì)巴倫使用有了更加深入的認(rèn)識(shí)，包括巴倫的單端-差分轉(zhuǎn)換特性，寬帶匹配特性，幅相一致性優(yōu)化方法及匹配與DC偏置一體化設(shè)計(jì)等。

本文是基于Ka波段26到40GHz進(jìn)行的巴倫仿真設(shè)計(jì)，目前可實(shí)現(xiàn)插入損耗3.1dB左右，回波損耗滿足-10dB一下的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，幅度平衡性在0.35到0.51dB內(nèi)，相位平衡性小于2.2°，實(shí)現(xiàn)了良好的幅相一致性。

表1、巴倫基本參數(shù)仿真指標(biāo)

原文標(biāo)題：Ka波段26-40G巴倫匹配

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