巴伦的出现解决了不平衡端口到平衡端口的转换。由于单端差分端口的特殊物理结构，巴伦成为一种特殊的三端口电路。英文balun是平衡和不平衡的组合和简化。其主要作用有：一是将电信号从不平衡状态转换为平衡状态，即将单端信号转换为差分信号；二是通过特殊的电路拓扑达到共模信号抑制的目的；第三，通过物理叠层结构的改变，进行前后级的阻抗匹配。
一.简介
本质上，巴伦的出现是为了解决从非平衡态向平衡态过渡的问题。巴伦结构设计可以实现单端信号到差分信号的良好过渡，并使前后级阻抗匹配。由于巴伦的物理结构，前级和后级的DC分量不能通过。巴伦常用于低噪声放大器、平衡输出混频器、平衡倍频器、可变增益放大器、移相器和其他需要单端信号到差分信号转换的电路设计方向。
由于现有文献中关于射频毫米波巴伦的设计和匹配的介绍很少，本文介绍并分享Ka波段1:1巴伦的设计和史密斯匹配内容。
建议的拓扑和电路
本文设计的巴伦属于变压器巴伦，因其设计简单、性能良好而被频繁使用。
巴伦的匝数比为1:1，Ka频段通过电容匹配实现约50欧姆的带内匹配，以获得良好的回波损耗和较小的插入损耗。
如图1所示，变压器巴伦是一种三端口器件。其中P为单端输入端口，S和S-为差分输出端口，实现了非平衡端口到平衡端口的转换。
巴伦的重要指标是它的幅度和相位平衡。理想的巴伦具有等输出幅度和180相位差的特性。
其中，巴伦的差分端中间需要有一个接地抽头，以保证巴伦良好的幅度和相位一致性。平衡端口抽头的接地质量直接影响巴伦的幅相平衡。处理差分输出中间抽头时，可根据需要进行交流电容接地或直接DC接地。
图1、理想巴伦示意图
巴伦有多种类型，微波RF设计中使用的巴伦类型取决于所需的带宽、工作频率和设计的物理结构。
图2显示了变压器巴伦的布局设计。巴伦设计使用两个相邻的金属层，以获得更高的耦合并降低插入损耗。
为了实现阻抗变换，巴伦不平衡端口和平衡端口需要改变不同的耦合匝数。一般来说，1:n用于表示巴伦单端和差分端口的匝数比。
图2、巴伦物理布局
由于巴伦匝数比等于电压比，例如1: n=v1/v2，巴伦匝数比等于电流比的倒数，例如1:n=I2/I1。如下所示：
(V1/V2)*(I2/I1)=(V1/I1)/(V2/I2)
=1n=1:n2
上述公式转换表明，巴伦前级和后级的阻抗比等于匝数比的平方。如果阻抗比为1:4，则匝数比为1:2。
本文以1:1的匝数比为例来验证仿真设计。
那么，如何实现前级和后级的匹配，涉及到很多设计技巧，也决定了设计带宽。
其中，常见的巴伦匹配方法如下：
-通过平衡-不平衡变换器的前级和后级中的并联电容器的谐振来扩展带宽；-和一般的史密斯匹配一样，进行电容的串并联L型匹配，具体参考史密斯阻抗位置，不能一概而论；-调整巴伦本身的物理参数，例如降低巴伦前后级之间的电感耦合，牺牲插入损耗以获得更大的带宽。
如下图3所示，该拓扑是传统的巴伦匹配模式。可以看出，巴伦的前级和后级分别并联电容进行谐振匹配，以达到良好的匹配和带宽。电容器的大小会影响位置
本文提到的巴伦设计和匹配方法适用于单端差分信号转换电路的匹配方法，不同于单端匹配设计。由于巴伦寄生参数模型的复杂性，其匹配方法不同于单端匹配。简单模型不能正确描述巴伦的高频寄生特性。目前，巴伦设计中存在效率和精度之间的折衷。巴伦参与配对的主要优势是：
-两级电感采用物理叠层设计，大大减小了芯片面积，降低了成本，实现了宽带。但如果单端匹配需要宽带设计，则需要多级LC器件进行多级匹配设计，复杂度高，面积大。
-Barron可以同时将DC偏置集成到射频匹配中，使用DC电源端作为射频接地应用，降低端口和电路复杂度。
-前级和后级可以DC隔离，无需额外的DC块。
常见的巴伦匹配使用片内集成电容，如MIM电容和MOM电容。如下图4所示，分别由MIM(金属-绝缘体-金属)和MOM(金属-氧化物-金属)的金属边缘上下堆叠而成的电容。
图4 (a)，MIM电容
图4 (b)，MOM电容
射频毫米波巴伦应用于各种高度集成的集成电路中，如LNA、功放、混频器等。通常，不使用单个平衡-不平衡转换器来避免复杂的微组装和更多的插入损耗和失配，以及更多的可靠性问题。
本文利用电容谐振来匹配巴伦的前后级，实现了26 ~ 40g Hz的阻抗匹配，获得了良好的插入损耗和回波损耗。
如果将非匹配巴伦等效为一组并联电感实现空间电磁耦合，其寄生特性就更加复杂。为了提高设计效率，巴伦可以看作类似电感电容的匹配元件，也可以看作前后匹配的黑盒s2p文件。匹配原理与一般的史密斯匹配基本一致。
图5、巴伦匹配史密斯图
其中，S11是巴伦单端输入全频带阻抗位置，S22是差分输出阻抗位置。史密斯圆图已经匹配到合适的位置，即系统阻抗在50左右，对应的输入输出回波损耗达到-10dB以下的指标要求。
测试/模拟结果显示
匝数比为1:1，不能改变前后级的阻抗。目前对Barron布局进行了EM模拟，分析了各种基本参数。
下图6显示了巴伦参数的模拟结果。目前平衡终端的插入损耗约为3.1dB，回波损耗小于-10dB，满足常规射频毫米波巴伦的要求。
图6、巴伦参数模拟结果
幅度平衡的指标由巴伦的结构和线路的匹配程度决定。幅度平衡是指输出功率之间的匹配，两个输出功率之差称为幅度不平衡。如图7幅度一致性仿真结果所示，当前结构可实现的指标在带内0.35dB至0.51dB范围内。
图7、振幅一致性模拟结果
巴伦的一个重要指标是它的相位平衡，即两路平衡输出与“功率电平相等、相位差180”的理想状态有多接近。两个差分输出之间的相角差偏离180，称为巴伦的相位不平衡。
如图8相位一致性仿真结果所示，带内差分信号的相位差在181.2 ~ 182.2之间，与理想状态180的偏差在1.2 ~ 2.2之间，比较段接近理想巴伦的指数状态。
图8、相位一致性模拟结果
四、总结
巴伦的实现形式多种多样，可以根据应用场景、指标参数、实现材料等灵活选择。
本文之所以介绍射频毫米波巴伦并说明匹配方式，是因为在设计射频毫米波LNA时，存在很多设计难点和困惑。同时，我们对巴伦的使用有了更深入的了解，包括巴伦的单端-差分转换特性、宽带匹配特性、幅相一致性优化方法和积分运算
本文是一个基于Ka频段26 ~ 40g Hz的巴伦仿真设计。目前插入损耗可以做到3.1dB左右，回波损耗可以达到-10dB以下的设计要求。同时幅度平衡在0.35至0.51dB以内，相位平衡小于2.2，实现了良好的幅相一致性。
表1、巴伦基本参数模拟指数
指数模拟指数单元freq 26 ~ 40 GHz il 3.1 dbdbrl _ bal <-10 dbrl _ un bal <-10 dbdb _ balance 0.35 ~ 0.51 dbph _ balance 1.2 ~ 2.2度。
原标题：Ka频段26-40G巴伦匹配
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