高集成射频模块巴伦详解

部分，可以改善振幅和相位平衡，以此来优化该巴伦结构，如图2a所示，其原理图如图2b 所示。

图2：用"平衡"部分优化巴伦

设计和仿真

平衡同轴电缆使180度端口拥有与0度端口相同的对地阻抗和共振。有了该平衡部分，两个端口便有效拥有了接地同轴护套，接地护套理论上可以制造出完美的振幅和相位平衡。重要的是，该巴伦可实现平面结构，如图3所示。耦合线可实现物理地侧端或末端耦合。

马卡德巴伦的布局有独立的主次之分，传输线变压器则没有。此外，差分输出端口对DC的对称连接允许DC和IF在混频器和其他器件中回流。

设计要求

本文中，我们将看到5-25GHz的平面马卡德巴伦的设计。该设计的物理要求如下：

*总长为：λ/2，其中λ为频段中最高频率的波长。

*预设长度为3575μm。

*耦合线长度为：λ/4，其中λ为频段中最高频率的波长。

*预设长度为1788μm。

*Z0e=高，尽可能将到地平面的距离设置为最大。

*Z0e=低，尽可能将到地平面的距离设置为最小。

*不平衡，单端输入端口阻抗=50?

*平衡，差分输出端口阻抗=50?

*输出单端端口=25?

该设计中，单端S-参数为：

S11=0,匹配

S21,S31,S12,S13=-3dB

S22,S33,S23,S32=-6dB

拥有平衡输出，S-参数变为：

S11,S21=0,匹配

S21,S12=低损耗.

使用IE3D进行EM仿真

随着对高系统集成和相应的高密度封装的需求，多层结构已成为必要。现代MMIC设计已采用了多种三维结构和布局。电传播为纯-横电磁波（TEM）的布局可使用电路模拟器。

TEM分析仅适用于设计低频MMIC，其中带材宽度和基材厚度比波导波长小的多。总之，EM求解器提供了一种优越的解决方案，解决方案中考虑如下因素：

1.多导线传输线

2.串扰效应

3.激振效应

4.计时误差

5.集肤效应损耗

6.电阻-电容时间常量效应

7.断点效应

8.互联效应

9.包装效应

Mentor Graphics的IE3D全波EM仿真解决方案在此用来模拟马卡德巴伦。（IE3D是该行业内唯一一个以全3D动差法为基础的仿真器，该仿真器可精确地解决在x/y坐标系统并压栈于z向标的图层集合的结构问题。）为了模拟巴伦结构，金属将模拟其真实厚度。IE3D适用于解决MMICs常见的多层无源结构问题和PCB设计，其中大部分结构基于水平叠加。

仿真结果

该巴伦模拟布局设置为三端口结构，端口1=50?，端口2和端口3=25?，如图4所示。

预期的仿真结果为：不平衡端口1匹配，在频段中心测到回波损耗-53dB。S21和S31平衡，在频段中心测到-3dB。S22和S33单端回波损耗和交叉耦合参数S23和S32在频段中心测到-6dB。结果如图5所示。

由于Ang[S(2,1)]与Ang[S(3,1)]间的相位差为180度，预期的相位平衡如图6所示。

接着，巴伦布局设置为两个端口，其中端口2和端口3设置为单差动端口，如下图7所示。

预期的仿真结果为：不平衡端口1匹配，在频段中心测到回波损耗(S11)为-53dB。S21单端转差分直通电路在频段中心测到低回拨损耗。图8表示差动端口在频段中心测到的回拨损耗（S22）为-35dB。

FastEM仿真利用IE3D能力参数化模拟结构的关键性能和重要的几何图形，并表征了在用户选择的频率范围内的结构。该特征数据保存在FastEM数据库中，使用户能够对结构进行实时EM调谐，并且更重要的是，在用户输入目标电性能后IE3D可以自动确定最佳几何结构并为该结构设置所需的S参数。使用FastEM排除最佳布局以外的其他方案以满足理想的性能目标。

定义调谐变量后，FastEM仿真可以获得一系列仿真结果。然后，用户可打开FastEM设计套件进行实时调谐和优化等，如图9所示。

图9：使用IE3D进行FastEM仿真时用户可通过移动滑块控制调谐变量进行实时EM调谐。

图9表示参数化的马卡德巴伦结构和FastEM仿真中定义的三个单独的调谐变量（滑块）。设计人员可通过单独移动滑块实现实时EM调谐，并看到几何图形和S参数模拟曲线的相对动态变化。实时EM调谐帮助设计者更好的理解结构性能中每个参数的效应，以此来改进原先的布局。

一旦设备结构最终定案，其他设计师可以分享该FastEM资料集，获得设备架构师的EM专业知识，从而达到再利用的效果。通过优化对话框，其他设计师可指定特殊的性能需求，然后确定满足该性能目的的最佳布局和s参数模型。在同一家公司内，针对通用的被动设计结构，如电感器、巴伦、过滤器和变压器等，这种方法使项目流程再利用简单化。

结论

巴伦在高频电路设计方案中是非常有益的被动支持电路。最常见的应用是将不平衡或单端的电路连接到平衡或者差动电路上。此外，作为项目流程（IP）再利用策略的一部分，设计者通过IE3D的FastEM性能可获得作为设备架构师的EM设计专业知识。通过设计范例，FastEM将传统的“布局模型分析重复”设计流程进行优化。对于一款能适用HBT和PHEMT 推挽放大器、平衡式混合器或者其他众多应用程序的马卡徳巴伦，使用者可以快速地确定其最佳的物理布局。