文 献 综 述
一．研究背景
在现代无线通信系统中，为了获得更大的信道容量和更高的数据传输速率，射频载波信号的频率也在不断地增加，目前已经可达数十GHZ。为了满足这种高频无线通信的需求，低成本的宽带硅基RF集成电路（RFIC：Radio Frequency Integrated Circuit）是不可缺少的。由于其具有批量生产，低成本以及与数字和模拟电路的兼容性的优点，对低成本RFIC的不断增长的需求刺激了对CMOS技术中的片上高质量无源部件的设计和实现的研究。
巴伦（Balun，balance-unbalance）是微波平衡混频器、倍频器、推挽放大器和天线馈电网络等平衡电路布局的关键部件。在天线领域中,如平面螺旋天线,印刷振子天线，曲折臂天线以及对称振子天线等,当对这些天线进行馈电时,不仅需要阻抗匹配,还需要馈电网络有宽频带的工作带宽。然而，来自收发器天线的信号通常是单端的。因此，需要巴伦来实现平衡电路和单端信号源或负载之间的有效连接。但传统巴伦不能很好地应用于此类天线馈电网络中,特别地,随着当今通讯技术的发展,通讯容量的不断扩大,要求巴伦能够在更宽的频带内工作。
二.CMOS射频集成电路的发展
随着CMOS器件特征尺寸的进一步减小,器件的特征频率和最高工作频率进一步升高,使得CMOS技术在射频领域得到广泛的应用。随着市场需求的进一步推进,体硅CMOS技术在射频领域的应用除了对低噪声、低成本、低功耗方面的优化以外,体硅CMOS技术正逐步朝着更高频率和更宽频带的方向发展。更高频率的RF电路应用器件尺寸的缩小使器件的特征频率增加,从而使CMOS技术在微波领域的应用成为可能。对体硅CMOS技术在微波和射频领域的应用进行了研究,对有源器件和无源元件进行了仔细的优化和模拟,采用0.13mu;mCMOS工艺,实现了60GHz的电路。另外,通过采用90nmCMOS技术,实现了工作频率为64GHz和100GHz的压控振荡器。从以上的研究可以看出,体硅CMOS技术的进一步发展为更高频率的应用提供了可能性。更宽频带的RF电路应用无线通信领域的快速发展促使新的通信协议不断出现。
超宽带(UWB,Ultra-Wide-Band)技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术,它将为无线局域网和个人局域网的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关信号传播方面的重大难题。尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用[1]。CMOS技术由于其低成本、低功耗的优点在超宽带领域得到了应用。随着体硅CMOS技术的不断发展和完善,它将会成为射频和微波IC的主要技术。硅基CMOS技术必将推动无线通信产业的快速发展。
三.巴伦及CMOS片上巴伦的国内外研究现状
随着天线频带的变宽,对巴伦频带的要求也越来越宽。微带传输线具有体积小、质量小、频带宽、便于与微波集成电路相连、并能构成各种用途的微波元器件等优点,因此得到了广泛的应用。由微带传输线构成的微带巴伦具有以上微带传输线的性能和可实现宽频带的特性,因此,宽频带巴伦的研究已经成为当今的一个热门研究方向[2]。国内外很多文献对片上微带巴伦进行了大量的研究,设计了很多结构新颖的微带巴伦,也对已有的微带巴伦进行了很多的研究和改进。
Marchand于1944年首次提出了基于TEM模的同轴传输线巴伦结构[3]。最近,研发用于微波集成电路（MIC：Microwave integrated circuits)和微波单片集成电路（MMIC：Microwave monolithic integrated circuit）的平面巴伦日益受到人们的关注。文献[4]中M. Shimozawa等人修改了Marchand的设计,使用平面宽边传输线设计出了MIC和MMIC巴伦,但他们没有提出定量分析或设计方法。之后Tsai和Gupta基于准TEM模双耦合线巴伦的等效电路,提出了Pavio巴伦的分析和设计方法[5]。Kian和Yoke提出了多节阻抗变换传输线巴伦,通过提高传输线的等效偶模阻抗来提高巴伦的性能。[6]
