Brevet FR2859584A1 — publié le 20050311

BALUN DISTRIBUÉ DE TYPE MARCHAND La présente invention concerne le domaine des transformateurs à changement de mode qui sont utilisés pour convertir une tension de mode commun en mode différentiel et inversement. De tels transformateurs sont généralement appelés "balun", de l'anglais "balanced-unbalanced". Un exemple d'application d'un transformateur à changement de mode concerne les chaînes d'émission-réception radio fréquence, par exemple, de téléphone mobile. Ce genre d'application a couramment recours à des dispositifs de type balun dans la mesure où, côté antenne, il s'agit le plus souvent d'un dispositif à une seule extrémité. On connaît essentiellement deux catégories de transformateurs à changement de mode, à savoir des baluns à lignes couplées, dits distribués, et des baluns à éléments localisés. Les baluns à lignes couplées sont constitués de pistes conductrices couplées l'une à l'autre, la fréquence de fonctionnement du transformateur étant conditionnée par la longueur des lignes. Les baluns à éléments localisés sont constitués d'éléments capacitifs et inductifs constituant des cellules LC. La présente invention concerne plus particulièrement les baluns à lignes couplées. Parmi ceux-ci, l'invention concerne plus particulièrement un balun de type Marchand, c'est- à-dire un balun symétrique dont les lignes couplées sont calculées en À/4, où À représente la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande passante souhaitée pour le balun. La figure 1 représente, de façon très schématique, le schéma électrique équivalent d'un balun classique de type Marchand. Un tel transformateur est constitué de quatre sections conductrices ayant une longueur quart d'onde couplées deux à deux. Deux premières sections 1 et 2 sont en série entre deux accès ou bornes 5 et 6 de mode différentiel et ont leur point milieu 7 connecté à la masse constituant la référence du côté différentiel. Les deux autres sections 3 et 4 sont en série entre un port d'accès 8 de mode commun et un accès 9 généralement ouvert ou laissé en l'air. La borne 8 de mode commun est destinée, par exemple, à être connectée à une antenne. Le signal correspondant est référencé, par exemple, à la masse M de l'équipement comprenant le transformateur à changement de mode. Les bornes 5 et 6 d'entrée-sortie de mode différentiel sont déphasées de 180 l'une par rapport à l'autre. Les baluns distribués sont généralement utilisés pour leur caractère large bande et pour le fait que la polarisation des accès différentiels s'effectue par l'intermédiaire du point milieu 7 représenté connecté à la masse. La figure 2 illustre la réalisation pratique d'un balun du type de celui schématisé en figure 1, par exemple sur un substrat de verre 10. Chaque section 1 à 4 est réalisée sous la forme d'une piste conductrice P1 à P4 enroulé de façon à gagner de la place par rapport à une ligne rectiligne. Le couplage entre les sections 1 et 3, respectivement 2 et 4 est obtenu en réalisant ces sections sur le même niveau ou dans des niveaux conducteurs différents. Les pistes P1 et P2 sont réalisées dans un premier niveau et sont constituées d'enrou- lements espacés latéralement et jointes (liaison P12) dans le même niveau. Les pistes P3 et P4 sont réalisées dans un deuxième niveau et sont constituées d'enroulements espacés latéralement 2859584 3 et respectivement interdigités ou superposés aux enroulements P1 et P4. Les pistes P3 et P4 sont reliées par une connexion par vias et ponts P7 dans un troisième niveau. D'autres vias sont requis pour ramener toutes les bornes dans un même niveau. Un transformateur à changement de mode se caractérise essentiellement par quatre paramètres mesurés en chargeant les différents accès avec des impédances normalisées de 50 ohms. Un premier paramètre concerne les pertes d'insertion différentielles (insertion loss) correspondant à l'atténuation en transmission entre la borne de mode commun et les deux bornes différentielles. On considère généralement ce paramètre collure bon si les pertes sont inférieures à 1 dB. Un deuxième paramètre est la différence d'amplitude d'une voie par rapport à l'autre (amplitude imbalance) qui correspond à la différence entre les pertes d'insertion d'une voie par rapport à l'autre. Dans un transformateur idéal, c'est-à-dire parfaitement équilibré et sans pertes d'insertion, le signal de divise en deux pour les deux ports différentiels et on obtient donc sur chaque voie -3 dB par rapport au signal de mode commun. La différence d'amplitude est alors nulle. On considère que le paramètre de différence d'amplitude est bon s'il est compris entre -0,5 dB et 0,5 dB. Un troisième paramètre est la différence de phase (phase imbalance) qui mesure l'écart entre la différence de phase des deux accès différentiels par rapport aux 180 degrés souhaités dans le cas idéal. On considère que la différence de phase est bonne si elle est comprise entre -5 et 5 . Un quatrième paramètre est la perte en réflexion (matching ou return loss) qui correspond à l'adaptation d'impé- dance sur les accès de mode commun et de mode différentiel. Ce dernier paramètre est évalué en fonction des circuits connectés à chaque extrémité du transformateur et est considéré conune acceptable s'il est inférieur à -15 dB. Tous les paramètres ci-dessus sont évalués pour 35 différentes fréquences de signaux et sont en fait donnés pour une bande de fréquences de fonctionnement du transformateur (operating frequency range) autour d'une fréquence centrale. Un inconvénient des baluns à lignes couplées est lié à la taille importante requise par les lignes en X/4, ce qui, outre un encombrement important, entraîne des pertes d'insertion élevées. La présente invention vise à proposer une nouvelle structure de balun de type distribué qui réduise l'encombrement du transformateur par rapport à un transformateur de type Marchand classique, dimensionné pour la même bande de fréquences. L'invention vise également à préserver le caractère symétrique d'un tel transformateur et à ce que la réduction de taille ne s'accompagne pas d'une dégradation de ses paramètres. Pour atteindre ces objets et d'autres, la présente invention prévoit un transformateur à changement de mode comprenant une première ligne conductrice en deux bornes d'accès de mode commun et une deuxième ligne conductrice entre deux bornes d'accès de mode différentiel, lesdites lignes étant couplées et dimensionnées en fonction d'une fréquence centrale de fonctionnement du transformateur, chaque ligne étant formée de deux spires empilées dans deux niveaux de métallisation distincts et chaque spire d'une ligne étant interdigitée avec une spire de l'autre ligne. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un troisième niveau de métallisation est utilisé pour ressortir vers l'extérieur de la structure un contact central de l'enroulement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, tous les points d'accès au transformateur sont ramenés dans un même niveau de métallisation, le nombre de vias étant limité à cinq pour l'ensemble de la structure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les spires sont dimensionnées à partir d'une valeur d'inductance souhaitée pour une structure non empilée, sachant que l'augmen- tation de la valeur est proportionnelle au carré du nombre de tours de la structure empilée. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, décrite précédemment, représente un exemple classique de balun de type Marchand; la figure 2, décrite précédemment, illustre un mode de réalisation pratique du balun de type Marchand de la figure 1; et les figures 3A à 3C sont des vues de dessus d'un transformateur à changement de mode selon un mode de réalisation 15 de la présente invention. Les mêmes éléments sont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. En particulier, les circuits applicatifs connectés en amont et en aval d'un transformateur à changement de mode selon l'invention n'ont pas été détaillés, l'invention s'appliquant quel que soit l'exploitation faite du transformateur et étant parfaitement compatible avec les utilisations classiques d'un transformateur à lignes couplées. Une caractéristique de la présente invention est d'entrelacer ou interdigiter les enroulements constitutifs d'un transformateur à changement de mode dans deux niveaux de métallisation. En d'autres termes et de façon simplifiée, l'invention prévoit de replier l'une sur l'autre en les entre-laçant les deux parties latéralement espacées de la structure classique de la figure 2. Contrairement à toute attente, l'inventeur s'est aperçu que le fait d'empiler et d'entrelacer les enroulements de la sorte est compatible avec le fonctionnement du balun. Jusqu'alors, la recherche de structure symétrique pour préserver le caractère différentiel du balun laissait à penser qu'un tel empilement n'était pas possible. De plus, le besoin d'une connexion au milieu de l'enroulement de mode différentiel laissait croire à la nécessité d'un via dans l'enroulement même, ce qui aurait accru considérablement la taille de la structure. Par rapport à ces préjugés, l'invention permet de placer le via nécessaire à la connexion de point milieu au centre de l'enroulement, ce qui n'impose pas d'écarter les lignes conductrices les unes par rapport aux autres le long de l'enroulement lui-même. De plus, par le tracé donné aux pistes conductrices et le fait qu'elle soit interdigitées deux à deux, les quatre sections peuvent être réalisées dans seulement trois niveaux de métallisation, interconnexion comprise. Les figures 3A à 3C représentent des vues de dessus d'un mode de réalisation d'un balun selon la présente invention. Pour clarifier l'exposé, ces figures illustrent les tracés conducteurs dans les trois niveaux A, B, C de la structure. Toujours pour des raisons de clarté, le nombre de spires des enroulements a été limité à un. Ces figures sont à rapprocher de la représentation de la figure 2 par rapport à laquelle on voit que l'ensemble des lignes conductrices de l'invention se retrouve dans un seul encombrement circulaire. Toutefois, si la réalisation d'enrou- lements circulaires constitue un mode de réalisation préféré (notamment pour éviter les effets de bord), l'invention est parfaitement compatible avec des enroulements présentant des formes différentes (polygonales notamment). Un intérêt d'empilement les spires comme le prévoit l'invention est que l'on profite alors du couplage entre deux spires empilées qui augmentent la valeur de l'inductance. Le fait d'empiler permet d'élever au carré la valeur de l'induc- tance par rapport à un même enroulement dans un seul niveau. Pour obtenir un coefficient de mutuelle positif et tirer profit de cet effet, il est nécessaire que la circulation du courant dans l'enroulement s'effectue dans le même sens dans les deux niveaux. Pour préserver la symétrie et donc le caractère balun de la structure, on prévoit le même nombre de spires dans les deux niveaux de métallisation réalisant un enroulement. Le primaire du transformateur, définit calme étant la ligne de mode commun, c'est-à-dire entre l'accès de mode commun 8 et la borne en l'air 9 est réalisée dans deux niveaux de métallisation A et B. Une première section P3 de l'enroulement est réalisée par exemple dans le niveau A en tournant dans le sens des aiguilles d'une montre depuis la borne 8 (placée par exemple à l'Ouest dans l'orientation de la figure). Au milieu de cet enroulement, un via 13 passe sur le niveau de métallisation B et l'enroulement se poursuit dans le même sens, mais cette fois-ci vers l'extérieur réalisant ainsi sa deuxième section P4 qui, dans cet exemple, se termine par un port ouvert 9 dans le même niveau B, à l'Est. On considère le cas d'un balun où l'extrémité de la ligne de mode commun, opposée à l'accès 8, reste en l'air. Dans la structure représentée, et comme cela ressortira mieux par la suite, cela permet de disposer de quatre bornes de connexion (connexion 7 comprise) aux quatre point cardinaux. Côté secondaire, ou ligne de mode différentiel (entre les bornes 5 et 6), on prévoit la réalisation de la première section P1 devant être couplée à la première section P3 de la première ligne dans le niveau B. L'enroulement est alors placé de façon entrelacée (interdigitée) avec la section P4 en partant d'un via 14 à l'Est (pour récupérer la borne 5 dans le premier niveau) jusqu'à arriver à son milieu en tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Un via 15 passe alors dans le niveau A pour poursuivre l'enroulement par la section P2 jusqu'à la borne 6 au Sud, en tournant toujours dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. La connexion du point milieu jusqu'à la borne 7 (au nord) dans la niveau A est assurée par une pont P7 dans le troisième niveau C connectant un via externe 16 entre les niveau A et C à un via central 17 connectant les niveaux A, B et C, les sections P1 et P2 étant reliées à ce via 17 dans les niveaux B et A. On voit donc que la structure prévue par l'invention nécessite trois niveaux de métallisation, cinq vias et un pont pour réaliser l'ensemble du transformateur. Cela est à comparer avec les quatre ponts, dix vias et trois niveaux de métallisation nécessaire dans le cas d'un balun classique (figure 2). Bien que le fait d'entrelacer les enroulements requiert un espacement légèrement supérieur entre les lignes conductrices (en raison des limites technologiques), le fait que ces enroulements soient moins longs grâce à la mutuelle entre chacune des sections, conduit à un encombrement global plus faible du balun de l'invention. En variante, on pourra prévoir des terminaisons des sections à des endroits différents qu'aux points cardinaux, pourvu que cela soit compatible avec le maintien de caractère symétrique du balun. Plus le nombre de spires est élevé, plus la différence de longueur du dernier tour entre deux sections d'une même ligne peut être élevé (par exemple, un quart, voire un demi tour). Le schéma électrique équivalent est le même que celui d'un balun classique (figure 1), à la différence près que les lignes ne sont désormais plus en 2/4 par rapport à la fréquence centrale du balun. En effet, le couplage additionnel permet, à valeur d'inductance constante, de diminuer la longueur. A titre d'exemple particulier de réalisation, un transformateur à changement de mode réalisé conformément à la structure de la figure 2 pour une fréquence centrale de 1 GHz requiert, avec des pistes de même largeur, un même espacement entre pistes et un même rayon interne des spires, 7 tours et demi pour chacun des enroulements contre seulement 4 tours et demi dans la structure de l'invention (figure 3), la longueur requise pour préserver les valeurs d'inductance passant de 25 alun dans le cas classique à 9 mm selon l'invention. L'invention permet de diviser au moins par deux la taille nécessaire pour réalisation du transformateur à changement de mode. La réduction de longueur des enroulements s'accompagne 5 d'une réduction des pertes d'insertion sans nuire aux autres paramètres du balun. Pour dimensionner un balun selon l'invention, on part de la fréquence centrale souhaitée pour la bande passante du balun. Cette fréquence centrale f permet de déterminer la longueur d'onde requise en application de la formule c f..fi où c représente la célérité de la lumière dans le vide et É la permittivité du substrat dans lequel est réalisé la structure. La longueur des pistes est, dans le cas classique, calculée pour correspondre à É/4 et conduit à une valeur d'inductance L fonction de cette longueur, du nombre de spires, de la largeur de piste et de leur écart. Selon l'invention, on veut maintenir la valeur d'inductance L par rapport à un dimensionnement classique. Cela conduit à réduire la longueur nécessaire dans la mesure où l'empilement des enroulements permet, pour une longueur de piste conductrice donnée, d'élever approximativement au carré la valeur de l'inductance par rapport à un enroulement réalisé dans un seul niveau. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les dimensions à donner aux lignes conductrices seront déterminées, comme dans un transformateur classique, en utilisant des outils de simulation permettant d'optimiser les différents paramètres. REVENDICATIONS 1. Transformateur à changement de mode comprenant une première ligne conductrice en deux bornes (7, 8) d'accès de mode commun et une deuxième lignes conductrice entre deux bornes (5, 6) d'accès de mode différentiel, lesdites lignes étant couplées et dimensionnées en fonction d'une fréquence centrale de fonctionnement du transformateur, caractérisé en ce que chaque ligne est formée de deux spires empilées dans deux niveaux de métallisation (A, B) distincts, chaque spire d'une ligne étant interdigitée avec une spire de l'autre ligne. 2. Transformateur selon la revendication 1, dans lequel un troisième niveau de métallisation (C) est utilisé pour ressortir vers l'extérieur de la structure un contact central (7) de l'enroulement. 3. Transformateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel tous les points d'accès (5, 6, 7, 8) au transformateur sont ramenés dans un même niveau de métallisation (A), le nombre de vias {13, 14, 15, 16, 17) étant limité à cinq pour l'ensemble de la structure. 4. Transformateur selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, dans lequel les spires (P1, P2, P3, P4) sont dimensionnées à partir d'une valeur d'inductance souhaitée pour une structure non empilée, sachant que l'augmentation de la valeur est proportionnelle au carré du nombre de tours de la structure empilée.