摘要

Balun為了解決非平衡到平衡端口的轉化而出現，由于單端到差分端口的特殊物理結構使得Balun成為一種特殊的三端口電路。英文balun由balanced和unbalanced組合并進行簡化而來。其主要功能有以下幾個方面，其一是將電信號從不平衡狀態轉化為平衡狀態，也就是將單端信號轉化為差分信號；其二是通過特殊的電路拓撲實現共模信號抑制的目標；其三通過物理疊層結構的變化進行前后級的阻抗匹配。

關鍵字

巴倫balun  幅度平衡性  相位平衡性 阻抗匹配

Ⅰ 內容簡述

從本質上講，巴倫的出現就是為了解決非平衡態到平衡態轉化的問題。應用巴倫結構設計可以實現單端信號到差分信號的良好過渡，并且使得前后級阻抗達到匹配狀態，由于巴倫物理結構的關系，前后級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到差分信號轉化的電路設計方向。

由于目前可見的文獻中對于射頻毫米波的巴倫設計和匹配介紹的比較少，本文對Ka波段1:1巴倫設計以及Smith匹配內容進行介紹和分享。                                        

Ⅱ 所提出拓撲和電路

本次設計的巴倫屬于變壓器巴倫，由于簡單的設計、良好的性能被頻繁采用。

巴倫設計匝數比1:1，采用電容匹配將Ka波段帶內匹配到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，實現了非平衡到平衡端口的轉換。

巴倫的重要指標是其幅度和相位平衡性，一個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可根據需要進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，微波射頻設計中使用的巴倫類型取決于所需的帶寬，工作頻率以及該設計的物理結構。

圖2為變壓器巴倫的版圖設計，分別采用相鄰的兩層金屬進行巴倫設計，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現阻抗變換，就需要改變不同的耦合匝數。一般情況下，用1:n來表示巴倫單端和差分端口的匝數比值。

圖2、巴倫物理layout

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

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

=1:n*1:n=1:n²

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

本文設計以匝數比1:1為例進行仿真設計驗證。

那么，巴倫實現單端到差分的轉換同時，如何實現前后級的匹配涉及到許多的設計技巧，同時也決定了設計的帶寬。

其中，常見的巴倫匹配方式如下：

- 巴倫前后級并聯電容諧振進行帶寬的擴展；
- 與一般的Smith匹配方式相同，進行電容串并聯L型匹配，具體參照Smith阻抗位置，不可一概而論；
- 調整巴倫自身的物理參數，如減小巴倫前后級電感耦合度，犧牲插損獲得更大的帶寬。

如下面圖3拓撲結構為常規的巴倫匹配方式。可以看到，巴倫的前后級分別并聯電容進行諧振匹配，期望達到良好的匹配和帶寬。電容的大小會影響到諧振點的位置實現不同的增益和帶寬組合，根據需要可以靈活進行調整，具體實現具體分析。

圖3、巴倫電容調諧

本文提到的巴倫設計及匹配方式適合單端到差分信號轉換電路的匹配方式，不同于單端匹配設計。由于巴倫寄生參數模型的復雜性，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，目前應用中，效率和準確性在巴倫設計中存在折衷關系。巴倫參與匹配的主要優勢在于：

- 兩級電感進行物理疊層設計，大大壓縮芯片面積降低成本，實現寬帶。而單端匹配如需實現寬帶設計，需要多級LC器件進行多節匹配設計，復雜度高而且面積較大。

- 巴倫可以將DC偏置于射頻匹配同時進行集成，將DC電源端作射頻接地應用減少端口和電路復雜性。

- 無需附加DC Block即可將前后兩級進行直流隔離。

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用于各種高集成度IC當中，如LNA、PA、MIXER等。一般不做單巴倫器件，以避免復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行巴倫前后級的匹配，實現了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于一組并行的電感實現空間上的電磁耦合，其寄生特性較為復雜。為了提升設計效率，可以將巴倫看做類似于電感電容一樣的匹配元件進行匹配處理，同時也可以看做是黑盒的s2p文件進行前后級的匹配處理。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，即系統阻抗50Ω附近，對應的輸入輸出回波損耗達到-10dB以下的指標要求。

Ⅲ 測試/仿真結果展示

匝數比1:1無法進行前后級阻抗的變化，目前針對巴倫layout進行EM仿真，分析各項基本參數。

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

圖6、巴倫S參數仿真結果

幅度平衡性指標由巴倫的結構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果所示，目前結構可達到的指標為帶內0.35dB到0.51dB范圍內。

圖7、幅度一致性仿真結果

巴倫的一項重要指標為其相位平衡度，即兩個平衡輸出與“功率水平相等，相位相差180°”這一理想狀態的接近程度。兩個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果所示，帶內差分信號相位差為181.2°到182.2°之間，與理想狀態的180°偏差為1.2°到2.2°之間，比較節接近理想巴倫的指標狀態。

圖8、相位一致性仿真結果

Ⅳ 總結

巴倫的實現形式多種多樣，根據應用場景，指標參數，實現材料等可以進行靈活的選擇。

本文之所以進行射頻毫米波巴倫的介紹以及匹配方式的說明，是因為在設計射頻毫米波LNA時遇到很多設計上的困難及困惑。在完成LNA設計的同時對巴倫使用有了更加深入的認識，包括巴倫的單端-差分轉換特性，寬帶匹配特性，幅相一致性優化方法及匹配與DC偏置一體化設計等。

本文是基于Ka波段26到40GHz進行的巴倫仿真設計，目前可實現插入損耗3.1dB左右，回波損耗滿足-10dB一下的設計要求。同時，幅度平衡性在0.35到0.51dB內，相位平衡性小于2.2°，實現了良好的幅相一致性。

表1、巴倫基本參數仿真指標

指標	仿真指標	單位
Freq	26~40	GHz
IL	3.1dB	dB
RL_bal	＜-10	dB
RL_unbal	＜-10	dB
dB_balance	0.35~0.51	dB
ph_balance	1.2~2.2	degrees