基于ipd的小型化低插损宽带巴伦
阅读说明：本技术 基于ipd的小型化低插损宽带巴伦 (IPD-based miniaturized low-insertion-loss broadband balun ) 是由 王高峰 任启翔 曹芽子 于 2021-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于IPD的小型化低插损宽带巴伦。不平衡信号通过输入端口P1馈入第一微带耦合线,射频信号通过第一微带耦合线分别耦合给第二微带耦合线和第三微带耦合线；由于信号从输入到输出端口P2比输出端口P3多传输了半个波长,它们的输出信号幅度相等,相位相反。因此输出端口之间实现180°的相位差,实现不平衡信号转化为平衡信号。本发明三线耦合在传统的Marchand巴伦基础上,采用螺旋交叉耦合的结构加强了耦合,提高了巴伦的工作带宽。另一方面通过IPD工艺设计达到了微带巴伦小型化的结果,通过优化实现低插损和输出信号良好的平衡性。(The invention discloses a miniaturized low-insertion-loss broadband balun based on IPD. The unbalanced signal is fed into the first microstrip coupling line through an input port P1, and the radio-frequency signal is respectively coupled to the second microstrip coupling line and the third microstrip coupling line through the first microstrip coupling line; since the signals are transmitted one-half wavelength more from the input to the output port P2 than the output port P3, their output signals are equal in amplitude and opposite in phase. Therefore, a phase difference of 180 degrees is realized between the output ports, and the unbalanced signal is converted into a balanced signal. The three-wire coupling of the invention adopts a spiral cross-coupling structure to strengthen the coupling on the basis of the traditional Marchand balun, and improves the working bandwidth of the balun. On the other hand, the microstrip balun is miniaturized through IPD process design, and low insertion loss and good balance of output signals are achieved through optimization.)
技术领域
本发明属于微波集成无源器件技术领域，是一种基于IPD的小型化低插损宽带巴伦。
背景技术
巴伦是一种将不平衡信号转化成平衡信号的微波器件，在射频微波电路中得到广泛的应用，其种类也有很多，例如变压器式巴伦、微带巴伦、同轴线巴伦等。其中微带巴伦设计灵活、容易与微波电路集成，得到广泛的研究。最典型的微带巴伦是Marchand巴伦，它采用耦合线，形式多样。目前，微带Marchand巴伦普遍存在以下问题：首先随着电路设计进一步趋于小型化，对巴伦小型化的要求越来越高，Marchand巴伦是微带巴伦的一种，存在尺寸大的问题；其次传统的Marchand巴伦设计的频带不够宽，无法满足一些宽频带应用场景。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术中所提到的问题，设计了一种小型化宽通带巴伦，具有较宽的带宽、尺寸小，低插损的良好性能，采用IPD工艺，具有成本低、重量轻、集成度高的优点，并通过优化实现巴伦的小型化、宽频带、低插损。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于IPD的小型化低插损宽带巴伦，包括
衬底；
参考地平面，位于衬底的背面；
耦合线，位于衬底的正面；
接受不平衡信号单端输入端、一对输出幅度相等且相位差180°的平衡信号的输出端口；
其中，所述耦合线螺旋构成两轴对称的第一、第二平面螺旋结构；
所述耦合线包括第一微带耦合线、第二微带耦合线和第三微带耦合线；第二微带耦合线和第三微带耦合线分别位于第一微带耦合线的两侧且不接触；第二微带耦合线和第三微带耦合线的电流路径长度相同；
第一平面螺旋结构中第一微带耦合线的外侧端与第二平面螺旋结构中第一微带耦合线的外侧端连接后通过贯穿衬底的过孔Via2接参考地平面；第一平面螺旋结构中第二微带耦合线和第三微带耦合线的外侧端连接后通过中央馈线接输出端口P2；第二平面螺旋结构中第二微带耦合线和第三微带耦合线的外侧端连接后接输出端口P3；
第一平面螺旋结构中第一微带耦合线的内侧端通过贯穿衬底的过孔(Via1)接参考地平面；第二平面螺旋结构中第一微带耦合线的内侧端接输入端口P1；第一平面螺旋结构中第二微带耦合线和第三微带耦合线的外侧端与第二平面螺旋结构中第二微带耦合线和第三微带耦合线的外侧端通过一根微带线连接；
作为优选，第一微带耦合线、第二微带耦合线间空隙宽度与第二微带耦合线、第三微带耦合线间空隙宽度相同。
作为优选，所述第一微带耦合线、第二微带耦合线和第三微带耦合线均包括从下至上设置的金属层M1、过孔层、金属层M2；
作为优选，第一平面螺旋结构和第二平面螺旋结构中每圈均设有交叉结构，所述交叉结构包括第二微带耦合线电流路径调控组件和第三微带耦合线电流路径调控组件；
第二微带耦合线电流路径调控组件包括第一过孔层I1、第一L型微带线；第三微带耦合线电流路径调控组件包括第二过孔层I2、第二L型微带线；第二微带耦合线金属层M2通过贯穿介质层的第一过孔层I1接第一L型微带线的一端，第一L型微带线的另一端接第三微带耦合线金属层M1；第三微带耦合线金属层M2接第二L型微带线的一端，第二L型微带线的另一端通过贯穿介质层的第二过孔层I2接第二微带耦合线金属层M1；第一L型微带线、第二L型微带线不接触；
作为优选，第一L型微带线位于下层，第二L型微带线位于上层；
第一微带耦合线位于交叉结构位置开有槽，使得第一L型微带线、第二L型微带线不与第一微带耦合线接触。
工作原理如下：不平衡信号通过输入端口P1馈入第一微带耦合线，射频信号通过第一微带耦合线分别耦合给第二微带耦合线和第三微带耦合线；由于信号从输入到输出端口P2比输出端口P3多传输了半个波长，它们的输出信号幅度相等，相位相反。因此输出端口之间实现180°的相位差，实现不平衡信号转化为平衡信号。
本发明的有益效果：
本发明三线耦合在传统的Marchand巴伦基础上，采用螺旋交叉耦合的结构加强了耦合，提高了巴伦的工作带宽。另一方面通过IPD工艺设计达到了微带巴伦小型化的结果，通过优化实现低插损和输出信号良好的平衡性。
附图说明
图1为IPD巴伦等效电路结构示意图；
图2为IPD巴伦芯片结构示意图；
图3为IPD巴伦芯片的交叉结构示意图；
图4为IPD巴伦回波损耗结果图；
图5为IPD巴伦插入损耗结果图；
图6为IPD巴伦幅度平衡度结果图；
图7为IPD巴伦相位平衡度结果图。
具体实施方式
为了更加清楚地说明本发明解决的问题、采用的技术方案和有益效果，下面结合图示说明本发明的具体实施方式，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用以限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应在本发明的保护范围之内。
如图2所示，一种基于IPD的小型化低插损宽带巴伦包括衬底；参考地平面，位于衬底的背面；耦合线，位于衬底的正面；接受不平衡信号单端输入端、一对输出幅度相等且相位差180°的平衡信号的输出端口；图1为图2IPD巴伦的等效电路结构示意图；
其中，所述耦合线螺旋构成两轴对称的第一、第二平面螺旋结构；
所述耦合线包括第一微带耦合线1、第二微带耦合线2和第三微带耦合线3；第二微带耦合线2和第三微带耦合线3分别位于第一微带耦合线1的两侧，且第一微带耦合线1和第二微带耦合线2留有的间隙宽度与第二微带耦合线2和第三微带耦合线3留有的间隙宽度相同；第二微带耦合线2和第三微带耦合线3的电流路径长度相同；
第一平面螺旋结构中第一微带耦合线1的外侧端与第二平面螺旋结构中第一微带耦合线1的外侧端连接后通过贯穿衬底的过孔Via2接参考地平面；第一平面螺旋结构中第二微带耦合线2和第三微带耦合线3的外侧端通过传输线连接后接输出端口P2；第二平面螺旋结构中第二微带耦合线2和第三微带耦合线3的外侧端通过传输线连接后接输出端口P3；
第一平面螺旋结构中第一微带耦合线1的内侧端通过贯穿衬底的过孔Via1接参考地平面；第二平面螺旋结构中第一微带耦合线1的内侧端通过中央馈线接输入端口P1；第一平面螺旋结构中第二微带耦合线2和第三微带耦合线3的外侧端与第二平面螺旋结构中第二微带耦合线2和第三微带耦合线3的外侧端通过一根微带线6连接；
所述第一微带耦合线1、第二微带耦合线2和第三微带耦合线3均包括从下至上设置的金属层M1、过孔层4、金属层M2；
第一平面螺旋结构和第二平面螺旋结构中每匝均设有一缺口，该缺口处设有交叉结构，如图3所述交叉结构包括第二微带耦合线电流路径调控组件和第三微带耦合线电流路径调控组件；
第二微带耦合线电流路径调控组件包括第一过孔层I1、第一L型微带线51；第三微带耦合线电流路径调控组件包括第二过孔层I2、第二L型微带线52；缺口一端位置的第二微带耦合线2金属层M2通过贯穿介质层的第一过孔层I1接第一L型微带线51的一端，第一L型微带线51的另一端接缺口另一端位置的第三微带耦合线3金属层M1；缺口一端位置的第三微带耦合线3金属层M2接第二L型微带线52的一端，第二L型微带线52的另一端通过贯穿介质层的第二过孔层I2接缺口另一端位置的第二微带耦合线2金属层M1；第一L型微带线51、第二L型微带线52不接触；
第一L型微带线51位于下层，第二L型微带线52位于上层；
第一微带耦合线1位于交叉结构位置开有槽，使得第一L型微带线51、第二L型微带线52不与第一微带耦合线1接触。
如图2所示，第一微带耦合线1、第二微带耦合线2和第三微带耦合线3的金属宽度设为常规宽度，为保证宽带效果，可将适当拓宽线宽，而影响输出端口的平衡度，为补偿平衡度，本发明在输出端口P2和P3处控制传输线的补偿长度。
第一、第二平面螺旋结构的匝数为3，螺旋匝数可以控制中心频率，而影响插入损耗，根据实例设计的频段，将匝数设定为3。
该实施实例巴伦是不平衡信号通过输入端口P1，馈入第一微带耦合线111，射频信号通过第一平面螺旋结构中第一微带耦合线1分别耦合给第二微带耦合线2和第三微带耦合线3，第二微带耦合线2和第三微带耦合线3通过微带线6将信号传输到第二平面螺旋结构中第二微带耦合线2和第三微带耦合线3，使得信号从输入到输出端口P2比输出端口P3多传输了半个波长，它们的输出信号幅度相等，相位相反。因此输出端口之间实现180°的相位差，实现不平衡信号转化为平衡信号。
如图4、5、6、7所示，该实施实例的基于IPD的小型化低插损宽带巴伦可应用于5G频段，设计通过优化，得到2.8GHz～6GHz通带内插入损耗小于1.5dB，回波损耗小于-9.8dB，幅度平衡度±0.5dB，相位平衡度±4°,可见该实例能够显示出本发明低插损和宽频带的优点。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
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