0 引言

    隨著無線通信技術的快速發展，人們對高密度、小尺寸的電子產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埋的方式，而這種內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。巴倫在電路系統中是一個非常重要的器件，在差分放大器、天線的饋電網絡、平衡混頻器等需要差分電路的系統中都需要它的存在。

    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式巴倫^[2]。在分布參數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，c(Coupling Factor)是耦合因子。其中k值為負數，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，耦合線的耦合系數為c=4.8 dB^[6]，簡化后的Marchand 巴倫 S參數如式(2)所示，由式（2）可以看出，S參數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境對巴倫的干擾并且減小巴倫內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都符合指標的要求。

3 實際測試

    根據上述設計的模型，將低溫燒制的陶瓷粉經過流延制成厚度精確而且致密的生瓷帶，然后經過切片、打孔、內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，相位的一致性也比較好，基本上達到了預期的目標。

    經過比較，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板沒有統一以及測試之前沒有校正好網絡分析儀。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。

參考文獻

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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）