[发明专利]一种毫米波宽边耦合集成变压器的高精度模型建立方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种片上集成变压器等效电路模型的建立方法，尤其是用于建立片上毫米波宽边耦合变压器的模型，属于信息技术领域。

技术背景

片上集成变压器在射频微波前端电路（放大器、混频器、振荡器等）中得到了广泛应用。在毫米波频段，片上变压器通常采用宽边耦合结构可以有效的减小尺寸和降低损耗，现有毫米波段变压器的模型主要采用2π等效电路结构实现。

当频率低于10GHz时，变压器的模型通常采用传统的π等效电路结构实现，其可以较好的模拟变压器的特性。随着频率的提高，由于变压器线圈分布效应的增加，传统的基于π等效电路的变压器模型已不能满足仿真精度的要求，此时一般采用2π等效电路实现变压器的模型。

毫米波变压器的2π等效电路模型请参照B. Leite, E. Kerherve, J. B. Begueret, et al. An Analytical Broadband Model for Millimeter-Wave Transformers in Silicon Technologies.IEEE Transactions on Electron Devices, 2012, 59(3):582-589.（参考文献1）。该方法基于传统的2π等效电路模型建立毫米波宽边耦合变压器的模型，虽然能够模拟变压器在频率范围0~110GHz的特性，但是该模型在大于80GHz时误差较大，而且并未给出变压器线圈匝数大于1时的模型，因此具有一定的应用局限性。

发明内容

本发明针对宽边耦合结构的毫米波变压器，提供一种比传统模型更高精度及适用频率范围更广的分布式等效电路模型建立方法，该模型同时兼容Spice电路仿真软件，可方便快速的应用于包含变压器的电路及系统的仿真。

为了达到以上目的，本发明提出的宽边耦合变压器等效电路模型的建立方法，包括以下步骤：

（1）建立子变压器的等效电路模型结构。

（2）基于子变压器模型，建立完整变压器的等效电路模型。

（3）提取变压器的模型参数。

上述方法中，步骤（1）所说的建立子变压器等效电路模型结构的方法为：将变压器从中心抽头处分成两个相同的子变压器，每个子变压器的模型基于宽边耦合线的模型实现，通过三个线间耦合电容把两个RLC（电阻、电感、电容）双π结构的电路网络并联在一起作为宽边耦合线的等效电路模型。根据宽边耦合线的物理意义，上下两根导线与地平面之间均存在电场，因此在衬底和介质中有寄生的等效电容为C_Psub、C_Pox、C_Ssub、C_Sox，等效电阻为R_Psub和R_Ssub，导线之间由于电场的作用，存在着耦合电容C_ps，流过导线的电流会产生磁场，因此上下导线自身存在有等效电感L_p和L_s，导线的等效电阻为R_p和R_s，导线之间由于磁场的作用，存在着等效的互感k。考虑到线圈的最外圈和内圈导体的长度不同，为了使模型参数自适应内外线圈尺寸的变化，因此对子变压器的原边线圈导体、副边线圈导体分别引入了长度比例系数α、β，其中α=0.5*（外圈长度/内圈长度），β=0.5*（外圈长度/内圈长度）。

上述方法中，步骤（2）所说的建立完整变压器等效电路模型的方法为：将2个步骤（1）中建立的子变压器的模型级联在一起，由于2个子变压器之间存在电磁场的耦合，所以在两个子变压器的原边/副边之间加入了等效电容C_p和C_s，等效互感M_p和M_s，原边和副边的线圈匝数分别为n和m（n和m不大于2）。

上述方法中，步骤（3）所说的提取变压器模型参数的方法为：

模型参数通过全波电磁场仿真和物理公式结合进行提取，对M_p、M_s、C_p和C_s参数的提取可依据全波电磁场仿真后对结果曲线进行拟合获得，子变压器模型的参数提取依据宽边耦合线的物理尺寸和工艺参数的闭式方程获得。其中曲线拟合技术为数学领域中的现有成熟方法，闭式方程来自本领域中已有的公式，在说明书的参考文献中有详细表述。

上述方法中，变压器的原边和副边线圈处于上下不同的金属层，它们之间是宽边耦合关系。