Глибоке А. А., Бондар Д. Б., Шелковніков Б. Н. Київський політехнічний інститут (національний технічний університет) КПІ Проспект Перемоги, д. 37, Київ – 03056, України e-mail: shelk@ukrpost.net

Fig. 2. Inductance coil cross-section

Анотація – Розглянуто пасивні елементи для інтегральних схем, засновані на симетричної спіральної котушці індуктивності квадратної форми. Добротність змодельованих котушок індуктивності досягає 100, а частота власного резонансу – 3,6 ГГц. Для трансформатора 1:1 отриманий коефіцієнт зв’язку 0,35, збільшується до 0,9 з ростом частоти до 2,7 ГГц. Для Балунов розбіжність параметрів S2i і S31 по амплітуді становить близько 0,6 дБ на частоті 2,45 ГГц, а фазовий розбіжність не перевищує 8 “в діапазоні від 0,5 ГГц до 2,5 ГГц. Всі елементи виготовлені в технології LTCC (Dupont 951).

Puc. 2. Поперечний перетин котушки індуктивності.

I. Вступ

Котушки індуктивності є ключовими елементами інтегральних схем, що визначають розмір радіоелектронних пристроїв і їх характеристики. Тому, багато дослідників загострюють увагу на конструюванні високодобротних котушок, що займають невелику площу. Деякі досягнення в дослідженнях котушок індуктивності в технології LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) були представлені в [1-3], [6]. Там були сконструйовані котушки вертикальної гвинтовий структури, однак гвинтова структура вимагає використання великої кількості шарів для зменшення паразитної ємності між витками [1-2]. Було показано, що розміщення котушки індуктивності на поверхні модуля з використанням багатошарової заземлювальної пластини [3] веде до поліпшення характеристик елемента.

Fig.1. Topology of symmetric inductance coil

Знаючи вхідний опір ZBX, Визначимо параметри L і Q:

Вхідний опір ZBX виражається [4] наступним чином:

f. ГГц

Puc. 10b. Фазові залежності S21 і S31 від частоти.

f, ГГц

Рис. 8. Параметри трансформатора.

Fig. 8. Baiun parameters

IV. Балун

Fig. 10b. Phase dependences S21 і S31 on frequency

Балун може бути сконструйований на основі симетричної котушки індуктивності і трансформатора, розглянутих вище. Дві котушки розташовуються в різних шарах одна над іншою (рис. 9).

Рис. 10а. Амплітудні залежності S21 і S31 від частоти.

IV. Висновок

Таким чином, розглянуті пасивні елементи для інтегральних схем, засновані на симетричної спіральної котушці індуктивності квадратної форми. Індуктивність розглянутих котушок змінюється від 3,5 до 10 нГн. Добротність змодельованих котушок індуктивності досягає 100, а частота власного резонансу – 3,6 ГГц. Для трансформатора 1:1 отриманий коефіцієнт зв’язку

0, 35, збільшується до 0,9 з ростом частоти до 2,7 ГГц. Для Балунов отримані задовільні амплітудні і фазові характеристики.

V. Список літератури

[1]  A. Sutono, A. Pham, J. Laskar, W. R. Smith. «Development of Three Dimensional Ceramic-Based MCM Inductors for Hybrid RF/Microwave Applications», IEEE RFIC Symposium, pp. 175-178, 1999.

[2]  Martti Rytivaara. «Buried Passive Elements Manufactured in LTCC», IEE Seminar, pp.6/1-6/5, 2000.

[3]  Albert Sutono, Deukhyoun Heo, Yi-Jan Emery Chen, and Joy Laskar. «High-Q LTCC-Based Passive Library for Wireless System-on-Package (SOP) Module Development»,

IEEE MTT-S, vol. 49, pp. 1715-1724, 2001.

[4]  InderJ. Baht. «High-Performance Inductors», IEEE MTT-S, vol. 49, pp. 654-664, 2001.

[5]  Wei-Zen Chen, Wen-Hui Chen. «Symmetric 3D Passive Components for RF ICs Application», IEEE MTT-S Digest, pp. 85-88, 2003.

[6]  W. Eurskens, W. Wersing, S. Gohlke, V. Wannenmacher,

P. Hild, R. Weigel. «Design and Performance of UHF Band Inductors, Capacitors and Resonators Using LTCC Technology for Mobile Communication Systems», IEEE MTT-S Digest, pp. 1285-1288, 1998.

SYMMETRIC PASSIVE COMPONENTS FOR ICs IN LTCC TECHNOLOGY

Glubokov A. A., Bondar D. B. and Shelkovnikov B. N.

Kyiv Poiytechnical Institute (Technical University) KPI 37, Prospekt Pobedy, Kyiv – 03056, Ukraine e-mail: shelk@ukrpost.net

Abstract – The design and performance of symmetric spiral square inductor, 1:1 transformer and symmetric balun have been described.

I.  Introduction

The inductor is one of the key passive components in RF module determining the total chip size and the RF/microwave module performance. Therefore, many researchers have been focused on design of high-Q inductor with compact size. Several achievements have been reported on the inductors based on LTCC technology.

In this paper 1:1 transformer and symmetric balun, based on symmetric spiral square inductor, have been designed. Also, the main performance characteristics of symmetric spiral square inductor have been considered.

II.  Symmetric inductor

Fig. 1 and Fig. 2 illustrate the layout example of the symmetric spiral square inductor. Inductors with different dimensions have been designed and simulated. Such important parameters of the inductor as self inductance L, maximum Q- factor Q„aKC and self resonant frequency fpe3 have been extracted and are given in Table 1. Variations of L, Q„aKC and fpe3 for different inductor dimensions are shown in Fig. 3, Fig. 4, Fig.

5   and Fig. 6. The extracted self inductances L of simulated inductors are in range from 3.5 nH to 10 nH. The Q-factor of inductors mounts to 100. The self resonant frequencies of simulated symmetric spiral square inductors are in range from

1.6  GHz to 3.6 GHz.

III.  Transformer

Fig. 7 illustrates a 1:1 symmetric transformer, built up by center-tapping the middle point of a symmetric spiral square inductor. For the transformer with such dimensions as R = 800 |jm, w = 200 |jm and H = 400 |jm it’s self resonant frequency is about 2.8 GHz, self inductances L1 and L2 are about 4 nH and coupling coefficient k is 0.35 at 0.5 GHz. In addition, k increases along with the increment of frequency, which is about

0.    9 at 2.7 GHz (Fig. 8).

IV.  Balun

A balun can be built up by upraising the symmetric spiral square inductor above the symmetric transformer. Fig. 9 depicts the corresponding layout topology. The simulation results of the balun with R = 500 |jm, w = 200 |jm and H = 400 |jm are shown in Fig. 10. The insertion loss is about 5 dB at 2.45 GHz. Fig. 10a and Fig. 10b show the simulation results of gain and phase response. The balun manifests less then 0.6 dB gain mismatch at 2.45 GHz and phase error doesn’t exceed 8" in the frequency range from 0.5 GHz to 2.5 GHz.

V.  Conclusion

In conclusion, some passive components for ICs based on symmetric spiral square inductor have been considered. Self inductance of inductors is in range from 3.5 nH to 10 nH. The Q-factor of inductors mounts to 100. For 1:1 transformer coupling coefficient is 0.35 and increases to 0.9. For balun satisfactory simulation results have been obtained.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»