0 引言

    隨著無線通信技術的快速發(fā)展，人們對高密度、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）技術由于其在集成度、Q值等方面的特點已廣泛應用于通信領域^[1]。將LTCC技術與傳統(tǒng)的PCB基板技術進行對比可以看出，這兩種技術在處理組件方式上有著自己的特點，傳統(tǒng)的PCB基板中的無源器件是封裝的結構，在LTCC技術中無源器件采用內(nèi)埋的方式，而這種內(nèi)埋的方式由于其結構的特點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。它具有兩個功能：(1)完成兩個端口信號的相互轉化。(2)具有阻抗變換功能。巴倫在電路系統(tǒng)中是一個非常重要的器件，在差分放大器、天線的饋電網(wǎng)絡、平衡混頻器等需要差分電路的系統(tǒng)中都需要它的存在。

    本文設計的LTCC巴倫的帶寬為2.4~2.5 GHz，相位不平衡度小于10°，兩個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，它具有三個端口，一個非平衡端口和兩個平衡端口。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。對于有源來說，因為采用了有源器件晶體管，因此會產(chǎn)生噪聲和功耗。對于無源來說，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巴倫的變形結構等多種形式^[3]。Marchand Balun幅值和相移都有其自己的特點，而且由于其帶寬比較寬，所以很多都喜歡用這種結構的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]，如果設計為低頻結構，會使器件的體積變大。

    Marchand Balun是一種對稱的結構，由兩個相同的耦合區(qū)段組合而成，在中心頻率處的波長為λ/4，對于這種結構的巴倫，假設源端和負載端的阻抗均為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值為負數(shù)，c和k都表示耦合強度越的大小，k的絕對值越小，c值越大。

    當Z₁=Z₀時，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，同時兩平衡端口之間存在180°的相位差。

    對于直耦合線而言，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值可以達到0.45左右。如圖3所示，對上述兩種耦合線的傳輸系數(shù)進行了仿真對比，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所示的結構，這種結構被稱為螺旋寬邊耦合帶狀線(Spiral Broadside Coupled Stripline)結構^[9]。

2 設計實例

    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。本文設計的LTCC微型化寬帶巴倫的指標如表1所示。

    圖4和圖5為設計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構，第9層和第10層金屬為另一組螺旋寬邊耦合帶狀線結構，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)都符合指標的要求。

3 實際測試

    根據(jù)上述設計的模型，將低溫燒制的陶瓷粉經(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將生瓷帶按模型電路疊壓在一起，隨后按照模型所對應尺寸進行切割，然后在900 ℃下進行排膠、成燒，再利用含鈀銀漿進行外電極端印，制成文中所述的巴倫。巴倫的實物如圖7所示。

    測試使用焊接的方法，利用安捷倫5071B網(wǎng)絡分析儀進行測試。測試的結果如圖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，基本上達到了預期的目標。

    經(jīng)過比較，實際焊接曲線和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)絡分析儀。但是該巴倫性能總體上達到了最初的設計要求。

4 結論

    本文設計了一款基于LTCC技術的微型巴倫，尺寸僅為2.0 mm×1.25 mm×0.8 mm，從實物測試結果可以看出，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°。從仿真和實測的結果看出兩者趨勢一致，符合最初的設計要求。

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作者信息：

劉  紅，葉  強

（中國計量大學 信息工程學院，浙江 杭州310018）