以聚酰亚胺为介质材料的单片低损耗平衡——不平衡过渡及其在微波功率放大器中的应用
2007-08-07 10:47:51
来源：《国际电子变压器》2007年8月刊
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1 引言
混频器、推挽放大器和乘法器中需要使用平衡——不平衡过渡（Balun），以获得它们在工作中所必需的平衡信号。近几年来，人们投入了大量的人力物力开展这类元件的研究开发。众所周知，Marchand 平衡——不平衡过渡（Balun）已实现了同轴型和平面型两种结构形式，可以工作于超倍频程的宽频带。图1所示为这种结构形式的平衡——不平衡过渡。但不够理想的是这种由多层单片变型的平衡——不平衡过渡所带来的损耗达2db。这是因为设计认为该结构形式必须使用很窄的金属线。要求使用很窄的金属线是由于认为用氮化硅（SiN）作金属间介质时，必须限制其尺寸并小于3μm。
本文的宗旨在于论述一种损耗小于0.7db、频率范围为5.5GHz~20GHz的多层、单片Marchand 平衡——不平衡过渡的设计，制造和测试结果。这种平衡——不平衡过渡以很小的损耗问世，其基本原因是用聚酰亚胺膜代替氮化硅（SiN）作为金属间的介质材料。
2 平衡功率晶体管的基本特性
在功率晶体管问世初期，工程师们是以提高半导体的精加工技术得到更高量级输出功率的晶体管。上世纪七十年代以来，半导体加工技术迅速发展，其精密加工技术不再是有碍晶体管输出功率的本质因素，在许多情况下，晶体管的内部电路制作工艺和封装技术限制了晶体管多种性能的改善。于是晶体管设计制造者着手将两个管芯按平衡工作方式封装在一个管壳内形成平衡功率晶体管。与非平衡功率晶体管比较，平衡晶体管具有以下基本特性。
①平衡晶体管的输入、输出阻抗高。与其有相同输出功率电平的非平衡功率晶体管相比，平衡功率晶体管的输入、输出阻抗为非平衡功率晶体管的四倍。
②平衡晶体管具有很大的固有宽带潜能。据统计，其宽带潜能很大表现为，如在L波段以下，可以达到一个或几个倍频程，其原因是平衡功率晶体管的输入、输出电阻可以做得很大，从而使其固有的品质因数Q值很小。
③推挽工作模式。常规的平衡功率晶体管有两个射频输出端和两个射频输入端，它们分别通过晶体管的内匹配电路与两个管芯的输入、输出端相联接。在其正常工作时，要求两个输入端的入射电压矢量满足平衡条件，即模值相等、相位相反。为此，在其两个输出端显然可以得到两个放大了的电压矢量，而它们也满足模值相等、相位相反的平衡条件。
平衡晶体管的这种结构特点要求设计师在输入端采用不平衡——平衡过渡，而在输入端采用平衡——不平衡过渡。
④电热隔离性能优良。平衡功率晶体管的所有引线均对法兰盘隔离，电讯连接点均在印刷电路板的表面，故平衡功率晶体管工作时的电流回路不像传统晶体管那样要通过晶体管的法兰盘。这时的法兰盘只起导热作用，不产生电化学反应，因而也不会影响到平衡功率晶体管的导热性能。
⑤输入、输出电路的设计更为简单。由于平衡功率晶体管的输入、输出阻抗高，同时平衡端的对地电阻只是不平衡端对地电阻的一半，因此平衡功率晶体管放大器的输入电路（或输出电路）的Q值和阻抗变换比将较非平衡晶体管放大器小得多。这些都决定了其电路设计更为简单。
3 与SiN比较，聚酰亚胺树脂膜的优点
相对以SiN作为金属间介质材料的性能而言，聚酰亚胺膜优于SiN的两个基本优点是：①聚酰亚胺膜可以较容易地拉伸到25μm或更厚一些的厚度。同时，高质量的SiN仅能使用PECVD法沉积，其成膜速度很慢，而且，随着SiN膜厚度的增加，很容易发生破裂。因此，SiN膜的厚度被限制在10μm以内，而代表性的SiN膜厚度不会超过2μm或3μm。②聚酰亚胺树脂膜的相对介电常数εr=3，比较SiN的εr=6.8要小得多，使用聚酰亚胺材料所产生的阻抗相当于SiN所产生的阻抗时，以上两个优点就可以得到更宽的线宽，而所增加的线宽直接转换成了损耗的降低，在所有的无源元件中，这是极其重要的优点。
4 平衡——不平衡过渡的设计程序
一些文章分析了平面型平衡——不平衡过渡的耦合线结构。Marchand 平衡——不平衡过渡对这些文章的分析提出了如下问题：①这是一种产生偶数模和奇数模的不同相速度的混合介质材料的问题；②该耦合线段是不对称的，存在着底层线段比上层线段要宽一些的情况；③这上下两条耦合线的截面积是不相等的。这里所分析的耦合线段为紧耦合并具有相同的相速度，这时要求使用较薄的聚酰亚胺介质材料，而且，如果聚酰亚胺膜被扭转，则将导致损耗增大。在Marchand平衡——不平衡过渡中不存在其工作的两根耦合线的截面积相等的情况，所以，工业生产中使用的电磁模拟器、声定位器等器件都采用多层Marchadn平衡——不平衡过渡。
不平衡端的输入阻抗为25Ω，平衡端的输出阻抗则是50Ω。图2所示为叠层型Marchand平衡——不平衡过渡的顶视图和侧视图，它是在金属间用介质材料分隔两层金属片组成的。输入信号利用上层整个金属片的一端，其另一端绕制成开口环。底部金属片的外侧一端被截短至与底平面对齐，利用其通道获得来自底部金属片内部一端的平衡信号。这种结构布局产生了两对宽边耦合线。
模拟试验由假设的理想方式简化后进行。表1列出了模拟试验条件，包括估算得到的导体损耗。
图3~图5所示为平衡——不平衡过渡电磁模拟的结果。在6GHz以上到23GHz频段的平衡——不平衡过渡的回路损耗小于-10db，更重要的是其插入损耗小于3.4db。此外，频率高于这个频段时，其幅度的不平衡小于0.5db。这些结果表明，这种结构布局的平衡——不平衡过渡可以获得宽频段、低损耗的优异性能。这种结构的相位差变化在178°角和173°角之间进行。表2列出了平衡——不平衡过渡的尺寸。
5 平衡——不平衡过渡成品的检测
图6是尺寸为3580μm×1302μm的平衡——不平衡过渡制成品的照片。平衡——不平衡过渡的参数是在薄片上采用ANA测量的。平衡——不平衡过渡的输入回路损耗S11是由测量平衡——不平衡过渡连接到制造在薄片上的平衡负载决定的。这证明了S11测量值在5.5GHz~20GHz频率范围内小于10db（请见图7）。这是用稍微变窄了的频率范围与模拟结果的比较。两个相背的平衡——不平衡过渡证明了从6GHz~21GHz频率范围的单个平衡——不平衡过渡的损耗小于0.7db（请见图5）。在7~21GHz频率范围，具有对应的从178°角~172°角的相应相位差时，测得的平衡——不平衡过渡的幅度平衡度在0.5db之内（请见图8）。测量的结果与模拟的结果两者之差值被认为是在电磁模拟中简化了通道结构的缘故，同时，两者的理论介电性能与实际的聚酰亚胺膜的介电性能也不相同。
平衡——不平衡过渡用于异质结双极型晶体管（HBT—heterojunction bipolar transistor）推挽放大器和PHEMT推挽放大器。HBT推挽放大器采用单一480μm晶体管的一级HBT MMIC放大器构成。在8GHz频率（为HBT MMIC的设计频率）具有6db增益和43%PAE时，可以得到2W的输出功率。在考虑存在相同增益和效率时，单个MMIC产生1W输出功率。以上结果说了平衡——不平衡过渡具有良好的功率分配和功率合成性能。
PHEMT放大器采用两个分立晶体管构成，它在10GHz频率、10db增益和50%APE时，具有1W的输出功率。
在两种推挽放大器测试中，检测了二次谐波。在所有情况下，甚至在饱和时，二次谐波信号都大于40db。这表明二次谐波的相互抵消作用可以修正推挽放大器的工作状态。
6 平衡推挽微波功率放大器设计举例
与非平衡功率晶体管放大器相比较，平衡推挽功率晶体管放大器除了要设计阻抗匹配网络以外，还必须设计平衡——不平衡过渡网络和不平衡——平衡过渡网络。通常的平衡推挽功率晶体管放大器电路如图10所示。
6.1 平衡——不平衡过渡网络及不平衡——平衡过渡网络设计，即Balun设计
其实，平衡——不平衡过渡网络与不平衡——平衡过渡网络的结构是完全相同的，只是在使用时将输入端和输出端相互变换即可。所以设计中只要讨论其中一种网络。
在电讯上，Balun的作用是在宽频带范围内建立平衡状态，在实际的电路制作上，要求Balun的结构简单、尺寸体积小。1/4波长的同轴Balun具有结构简单、电性能良好的特性。因为平衡功率晶体管放大器一般工作在L波段与P波段，所以，如果以1/4波长制作电路就显得尺寸太大了（见表3）。因此，设计时可以采用电抗补偿的方法来压缩Balun的尺寸，如图11所示。由于使用的同轴线长度L不是1/4波长，这样便在图1的8点上引入一个电感Z3以补偿，出于对平衡的要求，必须在P点并入一个同样大小的电感Z3（具体实现方法是在P点对地并入一个型号相同、长度也为1的同轴线，但其连接点在同轴线外皮，其中心导体则悬置不用）。
于是得到：
由式可见，V2/V3与频率和Balun的长度无关，在理论上永远平衡。但由于Z3对功率的旁路作用，故从0点传输到P点或q点的功率不是1/2，而要小于1/2，具体小到什么程度则取决于Z3与R1的比值。
图13至15是取L=5mm（同轴线的型号为SFT~50~2）长度时P、q点的相位差，0、P点之间的幅值比和0、q点间的幅值比。由三图可见，在100MHz到700MHz的频率范围内，P、q两点之间较理想地满足了平衡条件。
6.2 阻抗匹配网络设计
平衡功率晶体管的阻抗匹配电路设计与传统的晶体管阻抗匹配电路设计相类似。但平衡晶体管电路的输入、输出引线是微带引线，因此在其电路设计中，采用了半分布半集中式设计方法，对于窄带电路而言，可以根据电路带宽选取电路的平均Q值，然后再用谐振法计算出电路中所用元件的量值，最后将其中的电感值转变为分布参数即可。但对于宽带电路来说，以上方法则不适用。这时，必须考虑晶体管的阻抗——频率特性和增益——频率特性。另外应该注意的是，在一个50Ω的系统中，则不能将平衡功率晶体管的输入、输出阻抗匹配到25Ω（对单路而言），而要共轭匹配到2511Z3（Z3的含意见图12所示），这样便可以消除Balun中的Z3之旁路作用。
6.3 设计实例
利用MOTOROLA公司的MRF392型平衡功率晶体管，在225~255MHz频率范围设计了一个平衡功率晶体管放大器，其所用Balun即为L=5mm同轴线（型号为SFT-50-2）。图16、17、18分别为其输出功率——频率曲线（Pout-f曲线）、增益——频率曲线（G-f曲线）和效率——频率曲线（η-f曲线）。
需要指出的是，由于Balun的对地电感值Z3无法求出，这给设计工作带来了很大困难。在实际设计时，是通过与Z3并联一个印制电感器并调节该电感值，使电路得到匹配。
7 结束语
a.使用精密加工并与GaAs技术结合为一体的聚酰亚胺膜为介质的单片、多层5.5GHz~50GHz的Marchand 平衡——不平衡过渡，其损耗小于0.7db。它们已用于HBT和PHEMT推挽功率放大器，显示出可抑制掉大于40db的二次谐波的优异推挽特性。
b.使用平衡——不平衡过渡进行放大器设计可以获得很多好处，如大功率量级的输出、高稳定性、多模式工作、电路设计简单等等。但其应用还局限在L波段以下频率。
混频器、推挽放大器和乘法器中需要使用平衡——不平衡过渡（Balun），以获得它们在工作中所必需的平衡信号。近几年来，人们投入了大量的人力物力开展这类元件的研究开发。众所周知，Marchand 平衡——不平衡过渡（Balun）已实现了同轴型和平面型两种结构形式，可以工作于超倍频程的宽频带。图1所示为这种结构形式的平衡——不平衡过渡。但不够理想的是这种由多层单片变型的平衡——不平衡过渡所带来的损耗达2db。这是因为设计认为该结构形式必须使用很窄的金属线。要求使用很窄的金属线是由于认为用氮化硅（SiN）作金属间介质时，必须限制其尺寸并小于3μm。
本文的宗旨在于论述一种损耗小于0.7db、频率范围为5.5GHz~20GHz的多层、单片Marchand 平衡——不平衡过渡的设计，制造和测试结果。这种平衡——不平衡过渡以很小的损耗问世，其基本原因是用聚酰亚胺膜代替氮化硅（SiN）作为金属间的介质材料。
2 平衡功率晶体管的基本特性
在功率晶体管问世初期，工程师们是以提高半导体的精加工技术得到更高量级输出功率的晶体管。上世纪七十年代以来，半导体加工技术迅速发展，其精密加工技术不再是有碍晶体管输出功率的本质因素，在许多情况下，晶体管的内部电路制作工艺和封装技术限制了晶体管多种性能的改善。于是晶体管设计制造者着手将两个管芯按平衡工作方式封装在一个管壳内形成平衡功率晶体管。与非平衡功率晶体管比较，平衡晶体管具有以下基本特性。
①平衡晶体管的输入、输出阻抗高。与其有相同输出功率电平的非平衡功率晶体管相比，平衡功率晶体管的输入、输出阻抗为非平衡功率晶体管的四倍。
②平衡晶体管具有很大的固有宽带潜能。据统计，其宽带潜能很大表现为，如在L波段以下，可以达到一个或几个倍频程，其原因是平衡功率晶体管的输入、输出电阻可以做得很大，从而使其固有的品质因数Q值很小。
③推挽工作模式。常规的平衡功率晶体管有两个射频输出端和两个射频输入端，它们分别通过晶体管的内匹配电路与两个管芯的输入、输出端相联接。在其正常工作时，要求两个输入端的入射电压矢量满足平衡条件，即模值相等、相位相反。为此，在其两个输出端显然可以得到两个放大了的电压矢量，而它们也满足模值相等、相位相反的平衡条件。
平衡晶体管的这种结构特点要求设计师在输入端采用不平衡——平衡过渡，而在输入端采用平衡——不平衡过渡。
④电热隔离性能优良。平衡功率晶体管的所有引线均对法兰盘隔离，电讯连接点均在印刷电路板的表面，故平衡功率晶体管工作时的电流回路不像传统晶体管那样要通过晶体管的法兰盘。这时的法兰盘只起导热作用，不产生电化学反应，因而也不会影响到平衡功率晶体管的导热性能。
⑤输入、输出电路的设计更为简单。由于平衡功率晶体管的输入、输出阻抗高，同时平衡端的对地电阻只是不平衡端对地电阻的一半，因此平衡功率晶体管放大器的输入电路（或输出电路）的Q值和阻抗变换比将较非平衡晶体管放大器小得多。这些都决定了其电路设计更为简单。
3 与SiN比较，聚酰亚胺树脂膜的优点
相对以SiN作为金属间介质材料的性能而言，聚酰亚胺膜优于SiN的两个基本优点是：①聚酰亚胺膜可以较容易地拉伸到25μm或更厚一些的厚度。同时，高质量的SiN仅能使用PECVD法沉积，其成膜速度很慢，而且，随着SiN膜厚度的增加，很容易发生破裂。因此，SiN膜的厚度被限制在10μm以内，而代表性的SiN膜厚度不会超过2μm或3μm。②聚酰亚胺树脂膜的相对介电常数εr=3，比较SiN的εr=6.8要小得多，使用聚酰亚胺材料所产生的阻抗相当于SiN所产生的阻抗时，以上两个优点就可以得到更宽的线宽，而所增加的线宽直接转换成了损耗的降低，在所有的无源元件中，这是极其重要的优点。
4 平衡——不平衡过渡的设计程序
一些文章分析了平面型平衡——不平衡过渡的耦合线结构。Marchand 平衡——不平衡过渡对这些文章的分析提出了如下问题：①这是一种产生偶数模和奇数模的不同相速度的混合介质材料的问题；②该耦合线段是不对称的，存在着底层线段比上层线段要宽一些的情况；③这上下两条耦合线的截面积是不相等的。这里所分析的耦合线段为紧耦合并具有相同的相速度，这时要求使用较薄的聚酰亚胺介质材料，而且，如果聚酰亚胺膜被扭转，则将导致损耗增大。在Marchand平衡——不平衡过渡中不存在其工作的两根耦合线的截面积相等的情况，所以，工业生产中使用的电磁模拟器、声定位器等器件都采用多层Marchadn平衡——不平衡过渡。
不平衡端的输入阻抗为25Ω，平衡端的输出阻抗则是50Ω。图2所示为叠层型Marchand平衡——不平衡过渡的顶视图和侧视图，它是在金属间用介质材料分隔两层金属片组成的。输入信号利用上层整个金属片的一端，其另一端绕制成开口环。底部金属片的外侧一端被截短至与底平面对齐，利用其通道获得来自底部金属片内部一端的平衡信号。这种结构布局产生了两对宽边耦合线。
模拟试验由假设的理想方式简化后进行。表1列出了模拟试验条件，包括估算得到的导体损耗。
图3~图5所示为平衡——不平衡过渡电磁模拟的结果。在6GHz以上到23GHz频段的平衡——不平衡过渡的回路损耗小于-10db，更重要的是其插入损耗小于3.4db。此外，频率高于这个频段时，其幅度的不平衡小于0.5db。这些结果表明，这种结构布局的平衡——不平衡过渡可以获得宽频段、低损耗的优异性能。这种结构的相位差变化在178°角和173°角之间进行。表2列出了平衡——不平衡过渡的尺寸。
5 平衡——不平衡过渡成品的检测
图6是尺寸为3580μm×1302μm的平衡——不平衡过渡制成品的照片。平衡——不平衡过渡的参数是在薄片上采用ANA测量的。平衡——不平衡过渡的输入回路损耗S11是由测量平衡——不平衡过渡连接到制造在薄片上的平衡负载决定的。这证明了S11测量值在5.5GHz~20GHz频率范围内小于10db（请见图7）。这是用稍微变窄了的频率范围与模拟结果的比较。两个相背的平衡——不平衡过渡证明了从6GHz~21GHz频率范围的单个平衡——不平衡过渡的损耗小于0.7db（请见图5）。在7~21GHz频率范围，具有对应的从178°角~172°角的相应相位差时，测得的平衡——不平衡过渡的幅度平衡度在0.5db之内（请见图8）。测量的结果与模拟的结果两者之差值被认为是在电磁模拟中简化了通道结构的缘故，同时，两者的理论介电性能与实际的聚酰亚胺膜的介电性能也不相同。
平衡——不平衡过渡用于异质结双极型晶体管（HBT—heterojunction bipolar transistor）推挽放大器和PHEMT推挽放大器。HBT推挽放大器采用单一480μm晶体管的一级HBT MMIC放大器构成。在8GHz频率（为HBT MMIC的设计频率）具有6db增益和43%PAE时，可以得到2W的输出功率。在考虑存在相同增益和效率时，单个MMIC产生1W输出功率。以上结果说了平衡——不平衡过渡具有良好的功率分配和功率合成性能。
PHEMT放大器采用两个分立晶体管构成，它在10GHz频率、10db增益和50%APE时，具有1W的输出功率。
在两种推挽放大器测试中，检测了二次谐波。在所有情况下，甚至在饱和时，二次谐波信号都大于40db。这表明二次谐波的相互抵消作用可以修正推挽放大器的工作状态。
6 平衡推挽微波功率放大器设计举例
与非平衡功率晶体管放大器相比较，平衡推挽功率晶体管放大器除了要设计阻抗匹配网络以外，还必须设计平衡——不平衡过渡网络和不平衡——平衡过渡网络。通常的平衡推挽功率晶体管放大器电路如图10所示。
6.1 平衡——不平衡过渡网络及不平衡——平衡过渡网络设计，即Balun设计
其实，平衡——不平衡过渡网络与不平衡——平衡过渡网络的结构是完全相同的，只是在使用时将输入端和输出端相互变换即可。所以设计中只要讨论其中一种网络。
在电讯上，Balun的作用是在宽频带范围内建立平衡状态，在实际的电路制作上，要求Balun的结构简单、尺寸体积小。1/4波长的同轴Balun具有结构简单、电性能良好的特性。因为平衡功率晶体管放大器一般工作在L波段与P波段，所以，如果以1/4波长制作电路就显得尺寸太大了（见表3）。因此，设计时可以采用电抗补偿的方法来压缩Balun的尺寸，如图11所示。由于使用的同轴线长度L不是1/4波长，这样便在图1的8点上引入一个电感Z3以补偿，出于对平衡的要求，必须在P点并入一个同样大小的电感Z3（具体实现方法是在P点对地并入一个型号相同、长度也为1的同轴线，但其连接点在同轴线外皮，其中心导体则悬置不用）。
于是得到：
由式可见，V2/V3与频率和Balun的长度无关，在理论上永远平衡。但由于Z3对功率的旁路作用，故从0点传输到P点或q点的功率不是1/2，而要小于1/2，具体小到什么程度则取决于Z3与R1的比值。
图13至15是取L=5mm（同轴线的型号为SFT~50~2）长度时P、q点的相位差，0、P点之间的幅值比和0、q点间的幅值比。由三图可见，在100MHz到700MHz的频率范围内，P、q两点之间较理想地满足了平衡条件。
6.2 阻抗匹配网络设计
平衡功率晶体管的阻抗匹配电路设计与传统的晶体管阻抗匹配电路设计相类似。但平衡晶体管电路的输入、输出引线是微带引线，因此在其电路设计中，采用了半分布半集中式设计方法，对于窄带电路而言，可以根据电路带宽选取电路的平均Q值，然后再用谐振法计算出电路中所用元件的量值，最后将其中的电感值转变为分布参数即可。但对于宽带电路来说，以上方法则不适用。这时，必须考虑晶体管的阻抗——频率特性和增益——频率特性。另外应该注意的是，在一个50Ω的系统中，则不能将平衡功率晶体管的输入、输出阻抗匹配到25Ω（对单路而言），而要共轭匹配到2511Z3（Z3的含意见图12所示），这样便可以消除Balun中的Z3之旁路作用。
6.3 设计实例
利用MOTOROLA公司的MRF392型平衡功率晶体管，在225~255MHz频率范围设计了一个平衡功率晶体管放大器，其所用Balun即为L=5mm同轴线（型号为SFT-50-2）。图16、17、18分别为其输出功率——频率曲线（Pout-f曲线）、增益——频率曲线（G-f曲线）和效率——频率曲线（η-f曲线）。
需要指出的是，由于Balun的对地电感值Z3无法求出，这给设计工作带来了很大困难。在实际设计时，是通过与Z3并联一个印制电感器并调节该电感值，使电路得到匹配。
7 结束语
a.使用精密加工并与GaAs技术结合为一体的聚酰亚胺膜为介质的单片、多层5.5GHz~50GHz的Marchand 平衡——不平衡过渡，其损耗小于0.7db。它们已用于HBT和PHEMT推挽功率放大器，显示出可抑制掉大于40db的二次谐波的优异推挽特性。
b.使用平衡——不平衡过渡进行放大器设计可以获得很多好处，如大功率量级的输出、高稳定性、多模式工作、电路设计简单等等。但其应用还局限在L波段以下频率。
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