毫米波在片可调巴伦的研究+文献综述(4)
低功耗、低噪声、低失真、小型化、低价格等性能特点的通讯系统电路，已远远不能
满足应用需要。因此，推动了工艺集成技术的继续发展和竞争。随着 CMOS工艺技术
的快速进步，在新的技术竞争中，硅CMOS集成工艺已成为最具综合技术优势的竞争
对手之一[31]
。
一种技术的成功依赖其产品的尺寸和成本，毫米波通信系统的成功也需要满足系
统要求的集成电路技术。在60 GHz产品中，存在3种竞争性的技术： GaAs技术、 SiGe
技术、CMOS 技术。没有一种单一的技术满足系统的全部要求，例如 GaAs 技术满足
快速、高增益、低噪声等特性要求，但比较昂贵，究竟何种技术会成功仍是一个争论
的话题。IBM已经采用SiGe技术开发了60 GHz的射频芯片。美国Berkeley大学已采
用130 nm的CMOS技术开发了收发信机芯片。CMOS工艺最大的特点是工艺的规范
性、大批量生产及由此带来的低成本。由于它采用标准材料和工艺制程，这使得半导
体制造商能够确保低成本和高产出率。考虑到为了实现60GHz频段的民用化，采用成
本较低的硅基CMOS工艺开发60GHz产品引起了学术和工业界的强烈兴趣。
1.5 国内外研究现状
巴伦的形式有多种，但从总体上可分为有源巴伦和无源巴伦两大类。有源巴伦由
于要使用晶体管等有源器件所以不可避免地会产生噪声和功耗。而无源巴伦又可以分
为集总元件形式巴伦、螺旋变压器形式巴伦和微带巴伦三类。目前工作在 60GHz频段，
变压器形式和微带巴伦都有实现的先例[2][3]
。微带巴伦可细分为 180°混合环巴伦和
Marchand巴伦。Marchand巴伦由于实现方法简单，具有较好的输出平衡度和大带宽，
因此被许多设计者选用。不过，其主要由两段四分之一波长耦合线组成，占用面积较
大。国内外很多文献对微带巴伦，尤其是 Marchand 巴伦，进行了大量的研究，提出
了多种实现方案。主要围绕的问题是如何提高其输出平衡度以及最大程度上减小其版
图面积。在现代通信技术越来越小型化的趋势下，微带巴伦是应用最广泛的一种结构。
而美国和西欧各国对共面波导研究较多，其中德国的研究比较全面和深入，共面波导
和微带相比的优点是地线均敷设在衬底的上表面，不需要通过通孔接到衬底的下表面，
使工艺简单;波速色散小，传输特性好，损耗较低。现在我国用在微波集成电路中的无
源元件巴伦大多采用微带线构成。近年来，巴伦的主要研究进展如下。
文献[2]提出的巴伦为螺旋变压器形式，工作频带为 50~65GHz。实现的版图拓扑
面积小于0.05 mm2
，幅度不平衡度在3dB以内，相位不平衡度最大不超过5°。
文献[3]和文献[5]提出的Marchand巴伦采用双层结构，在标准CMOS工艺的最上
面两层金属层上螺旋布线。文献[3]采用65nm技术，实现了拓扑面积小于0.01 mm2
，
幅度不平衡度在0.1dB以内，相位不平衡度最大不超过5°（60GHz处）。文献[5]采用
90nm 技术，在最底层金属上开条带状金属屏蔽槽，减小基底损耗，最终实现了巴伦
结构带宽为22.4~37.3GHz，拓扑面积在0.05 mm2
左右，幅度不平衡度小于1dB，相位
不平衡度最大不超过10°。
文献[4]在宽带 Marchand 巴伦的设计中，为获得高带宽和较好的端口匹配性能，
采用三线窄边耦合微带线代替双线窄边耦合线增加耦合度以扩展带宽。同时利用电容、
电感补偿法和阻抗网络法提高端口匹配性能。在20~55GHz带宽内有相对理想的性能。
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