CN106100602A - 一种宽带巴伦阻抗变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带巴伦阻抗变换器，包括宽带差分阻抗变换器和宽带巴伦，所述宽带差分阻抗变换器包括四个耦合线圈，两两构成两对耦合线圈对，第一耦合线圈与第二耦合线圈构成第一耦合线圈对，第三耦合线圈与第四耦合线圈构成第二耦合线圈对。所述宽带巴伦阻抗变换器，能够覆盖700MHz～2700MHz频段，在带宽范围内具有较高的幅度平衡性和相位平衡性的特点，结构简单、易于实现、成本低廉。

Description

一种宽带巴伦阻抗变换器

技术领域

本发明涉及微电子电路领域，特别是涉及一种宽带巴伦阻抗变换器。

背景技术

为了更好地满足人们的通信需求，当前的移动智能终端都需要支持多个不同频段，这就要求移动智能终端中的射频前端器件具有支持多个不同频段的能力。巴伦(Balun)作为一种平衡-非平衡转换器，实现射频信号的差分到单端(或单端到差分)转换，是射频前端中重要的部件。

如图1所示为一个典型的采用电容和电感元器件实现的巴伦(LC巴伦)，包含两个电感101和104以及两个电容102和103，两个平衡端口分别为Bal1和Bal2，非平衡端口为Unb。当电感与电容元件值如下表的表格一所示时，所述LC巴伦的工作频率为900MHz，其射频响应曲线如图2所示。可以看出，尽管所述LC巴伦的相位差在较宽的频带范围内保持为180度，但其幅度平衡性能仅在900MHz附近的点频保持较好。因此，所述LC巴伦仅能应用于窄带应用，而不能应用于宽带应用。

900MHz	元件值
		101,104	12.5nH
102,103	2.5pF

表格一

如图3所示为一个改进的LC巴伦，包含六个电感201、202、203、204、205、206，以及六个电容207、208、209、210、211、212，两个平衡端口分别为Bal1和Bal2，非平衡端口为Unb。当电感与电容元件值如下表的表格二所示时，所述改进的LC巴伦的工作频率为840～960MHz，其射频响应曲线如图4所示。可以看到，相对于如图1所示的LC巴伦，所述改进的LC巴伦的幅度平衡特性的带宽性能有了显著提升；但仍然远远不能覆盖2G/3G/4G移动通信要求的所有通信频段(700MHz～2700MHz)，并且所述改进的LC巴伦结构复杂，使用多个电感和电容元件，实现困难而且成本高昂。

840-960MHz	元件值
		201,202,205,206	9.9nH
203,204	15.5nH
		209,210	2pF
207,208,211,212	3.2pF

表格二

因此，需要提供一种宽带巴伦，具有良好的宽带特性以覆盖700MHz～2700MHz频段，并且具有结构简单、易于实现、成本低廉的特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带巴伦阻抗变换器，覆盖700MHz～2700MHz频段，结构简单、易于实现、成本低廉。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种宽带巴伦阻抗变换器，包括宽带差分阻抗变换器和宽带巴伦，所述宽带差分阻抗变换器包括四个耦合线圈，两两构成两对耦合线圈对，第一耦合线圈与第二耦合线圈构成第一耦合线圈对，第三耦合线圈与第四耦合线圈构成第二耦合线圈对；所述第一耦合线圈的第一端、第三耦合线圈的第一端口与所述宽带差分阻抗变换器的第一输入端口连接，所述第一耦合线圈的第二端与所述宽带巴伦的第一输入端口连接，所述第二耦合线圈的第一端口、所述第四耦合线圈的第一端口与所述宽带差分阻抗变换器的第二输入端口连接，所述第二耦合线圈的第二端口与所述第三耦合线圈的第二端连接并接地，所述第四耦合线圈的第二端与所述宽带巴伦的第二输入端连接；所述宽带巴伦包含的两个耦合线圈构成一对耦合线圈对，所述宽带巴伦的第一耦合线圈的第一端口与所述宽带巴伦的第一输入端口连接，第二端口与非平衡端口连接，所述宽带巴伦的第二耦合线圈的第一端口与所述宽带巴伦的第二输入端口连接，第二端口接地；

其中，所述宽带差分阻抗变换器的第一输入端口为第一平衡信号端口，所述宽带差分阻抗变换器的第二输入端为第二平衡信号端口。

其中，还包括扼流电感，所述宽带差分阻抗变换器的第二耦合线圈的第二端、所述宽带差分阻抗变换器的第三耦合线圈的第二端与所述扼流电感连接，并通过所述扼流电感与去耦电容连接接地，所述扼流电感与所述去耦电容的公共端与馈电端口VDD连接。

其中，所述宽带差分阻抗变换器或所述宽带巴伦由设置于基板或IPD芯片上的耦合线圈连接组成。

其中，所述宽带巴伦阻抗变换器包括高阻衬底、设置于所述高阻衬底上的多层金属布线层和设置于所述多层金属布线层上的耦合传输线。

其中，所述高阻衬底的电阻率高于1000ohm·cm，所述多层金属布线层为四层金属布线层，包括设置于所述高阻衬底第一表面上从下到上依次设置的连接的第一层金属布线层、第二金属布线层、第三金属布线层和第四金属布线层，设置于所述第一层金属布线层内的第一层金属走线层、设置于所述第二金属布线层内的第二金属走线层、设置于所述第三金属布线层内的第三金属走线层和设置于所述第四金属布线层内的第四金属走线层顺次连接。

其中，所述第一金属走线层与所述第二金属走线层通过设置于所述第一金属布线层与所述第二金属布线层之间的第一连通孔连接，所述第二金属走线层与所述第三金属走线层通过设置于所述第二金属布线层与所述第三金属布线层之间的第二连通孔连接，所述第三金属走线层与所述第四金属走线层通过设置于所述第三金属布线层与所述第四金属布线层之间的第三连通孔连接。

其中，所述第一金属布线层、所述第二金属布线层、所述第三金属布线层和/或所述第四金属布线层包括铁氧体介质层。

其中，所述宽带差分阻抗变换器、所述宽带巴伦的耦合线圈由设置于所述多层金属布线层上的相邻金属走线层上的螺旋金属走线构成。

本发明实施例所提供的宽带巴伦阻抗变换器，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器，包括宽带差分阻抗变换器和宽带巴伦，所述宽带差分阻抗变换器包括四个耦合线圈，两两构成两对耦合线圈对，第一耦合线圈与第二耦合线圈构成第一耦合线圈对，第三耦合线圈与第四耦合线圈构成第二耦合线圈对；所述第一耦合线圈的第一端、第三耦合线圈的第一端口与所述宽带差分阻抗变换器的第一输入端口连接，所述第一耦合线圈的第二端与所述宽带巴伦的第一输入端口连接，所述第二耦合线圈的第一端口、所述第四耦合线圈的第一端口与所述宽带差分阻抗变换器的第二输入端口连接，所述第二耦合线圈的第二端口与所述第三耦合线圈的第二端连接并接地，所述第四耦合线圈的第二端与所述宽带巴伦的第二输入端连接；所述宽带巴伦包含的两个耦合线圈构成一对耦合线圈对，所述宽带巴伦的第一耦合线圈的第一端口与所述宽带巴伦的第一输入端口连接，第二端口与非平衡端口连接，所述宽带巴伦的第二耦合线圈的第一端口与所述宽带巴伦的第二输入端口连接，第二端口接地；

其中，所述宽带差分阻抗变换器的第一输入端口为第一平衡信号端口，所述宽带差分阻抗变换器的第二输入端为第二平衡信号端口。

所述宽带巴伦阻抗变换器，通过采用将宽带差分阻抗变换器的两对耦合的线圈彼此交叉连接，再过宽带巴伦输出，即可使得宽带巴伦阻抗变换器的宽带特性覆盖在700MHz～2700MHz频段，带宽内具有较高的幅度平衡性和相位平衡性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种LC巴伦的结构示意图；

图2为图1中的LC巴伦的频率响应曲线图；

图3为现有技术中的另一种LC巴伦的结构示意图；

图4为图3中的LC巴伦的淋滤响应曲线曲线图；

图5为本发明实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的一种具体实施方式结构示意图；

图6为本发明实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的另一种具体实施方式结构示意图；

图7为本发明实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的四层金属布线IPD工艺的层叠结构示意图；

图8为本发明实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的在一实施例中的频率响应曲线图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术中需要提供一种宽带巴伦阻抗变换器，具有良好的宽带特性以覆盖700MHz～2700MHz频段，并且具有结构简单、易于实现、成本低廉的特性。

基于此，本发明实施例所提供了一种宽带巴伦阻抗变换器，包括宽带差分阻抗变换器和宽带巴伦，所述宽带差分阻抗变换器包括四个耦合线圈，两两构成两对耦合线圈对，第一耦合线圈与第二耦合线圈构成第一耦合线圈对，第三耦合线圈与第四耦合线圈构成第二耦合线圈对；所述第一耦合线圈的第一端、第三耦合线圈的第一端口与所述宽带差分阻抗变换器的第一输入端口连接，所述第一耦合线圈的第二端与所述宽带巴伦的第一输入端口连接，所述第二耦合线圈的第一端口、所述第四耦合线圈的第一端口与所述宽带差分阻抗变换器的第二输入端口连接，所述第二耦合线圈的第二端口与所述第三耦合线圈的第二端连接并接地，所述第四耦合线圈的第二端与所述宽带巴伦的第二输入端连接；所述宽带巴伦包含的两个耦合线圈构成一对耦合线圈对，所述宽带巴伦的第一耦合线圈的第一端口与所述宽带巴伦的第一输入端口连接，第二端口与非平衡端口连接，所述宽带巴伦的第二耦合线圈的第一端口与所述宽带巴伦的第二输入端口连接，第二端口接地；

其中，所述宽带差分阻抗变换器的第一输入端口为第一平衡信号端口，所述宽带差分阻抗变换器的第二输入端为第二平衡信号端口。

综上所述，本发明实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器，通过采用将宽带差分阻抗变换器的两对耦合的线圈彼此交叉连接，再通过宽带巴伦输出，即可使得宽带巴伦阻抗变换器的宽带特性覆盖在700MHz～2700MHz频段，带宽内具有较高的幅度平衡性和相位平衡性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

请参考图5-8，图5为本发明实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的一种具体实施方式结构示意图；图6为本发明实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的另一种具体实施方式结构示意图；图7为本发明实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的四层金属布线IPD工艺的层叠结构示意图；图8为本发明实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的在一实施例中的频率响应曲线图。

在一种具体实施方式中，所述宽带巴伦阻抗变换器，包括宽带差分阻抗变换器10和宽带巴伦20，所述宽带差分阻抗变换器10包括四个耦合线圈，两两构成两对耦合线圈对，第一耦合线圈11与第二耦合线圈12构成第一耦合线圈对，第三耦合线圈13与第四耦合线圈14构成第二耦合线圈对；所述第一耦合线圈11的第一端、第三耦合线圈13的第一端口与所述宽带差分阻抗变换器10的第一输入端口连接，所述第一耦合线圈11的第二端与所述宽带巴伦20的第一输入端口连接，所述第二耦合线圈12的第一端口、所述第四耦合线圈14的第一端口与所述宽带差分阻抗变换器10的第二输入端口连接，所述第二耦合线圈12的第二端口与所述第三耦合线圈13的第二端连接并接地，所述第四耦合线圈14的第二端与所述宽带巴伦20的第二输入端；所述宽带巴伦包含的两个耦合线圈构成一对耦合线圈对，所述宽带巴伦的第一耦合线圈21的第一端口与所述宽带巴伦20的第一输入端口连接，第二端口与非平衡端口连接，所述宽带巴伦的第二耦合线圈22的第一端口与所述宽带巴伦的第二输入端口连接，第二端口接地；

其中，所述宽带差分阻抗变换器10的第一输入端口为第一平衡信号端口，所述宽带差分阻抗变换器10的第二输入端为第二平衡信号端口。

宽带巴伦具有1:1的阻抗变换比，即将非平衡端口的单端负载阻抗Z1变换为其第一输入端口与第二输入端口之间的平衡差分阻抗Z2，满足Z1＝Z2；宽带差分阻抗变换器具有1:4的阻抗变换比，即将阻抗Z2变换为其两个平衡信号端口Bal1和Bal2之间的平衡差分阻抗Z3，满足Z3＝Z2/4。譬如，当Z1＝50ohm时，满足Z2＝50ohm，Z3＝12.5ohm。所述宽带巴伦阻抗变换器可以应用于宽带差分功率放大器的输出阻抗匹配网络，即其两个平衡信号端口Bal1和Bal2分别连接到差分功率放大器的两个差分输出端口。

所述宽带巴伦阻抗变换器，通过采用将宽带差分阻抗变换器的两对耦合的线圈彼此交叉连接，再通过宽带巴伦输出，即可使得宽带巴伦阻抗变换器的宽带特性覆盖在700MHz～2700MHz频段，带宽内具有较高的幅度平衡性和相位平衡性。

在另一种实施方式中，为了给差分功率放大器提供供电电源，宽带巴伦阻抗变换器还包括扼流电感15，所述宽带差分阻抗变换器的第二耦合线圈12的第二端、所述宽带差分阻抗变换器的第三耦合线圈13的第二端与所述扼流电感连接，并通过所述扼流电感15与去耦电容16连接接地，所述扼流电感15与所述去耦电容16的公共端与馈电端口VDD连接。

为了与现有的半导体技术结合，降低工艺难度，降低成本，所述宽带差分阻抗变换器或所述宽带巴伦由设置于基板或IPD芯片上的耦合线圈连接组成。

为进一步降低工艺难度，降低成本，使得宽带巴伦阻抗变换器的结构简单，易于实现，成本低廉，宽带巴伦阻抗变换器包括高阻衬底、设置于所述高阻衬底上的多层金属布线层和设置于所述多层金属布线层上的耦合传输线。而高阻衬底完全可以在现有的半导体工艺技术轻易实现，工艺简单，而在高阻衬底上设置金属布线层也是领域的常规技术手段，工艺相当成熟，成本较低。

为使得宽带巴伦阻抗变换器获得以下的宽带特性，覆盖700MHz～2700MHz频段；带宽内小于0.25dB的幅度平衡特性；带宽内小于1°的相位平衡特性；带宽内小于1dB的***损耗；采用多层金属走线耦合线圈结构；结构简单、易于实现、成本低廉，所述高阻衬底的电阻率高于1000ohm·cm，所述多层金属布线层为四层金属布线层，如图7所示，包括设置于所述高阻衬底310第一表面上从下到上依次设置的连接的第一层金属布线层320、第二金属布线层330、第三金属布线层340和第四金属布线层350，设置于所述第一层金属布线层320内的第一层金属走线层321、设置于所述第二金属布线层330内的第二金属走线层331、设置于所述第三金属布线层340内的第三金属走线层341和设置于所述第四金属布线层350内的第四金属走线层350顺次连接。

所述金属第一走线层321与所述第二金属走线层331通过设置于所述第一金属布线层320与所述第二金属布线层330之间的第一连通孔360连接，所述第二金属走线层331与所述第三金属走线层341通过设置于所述第二金属布线层330与所述第三金属布线层340之间的第二连通孔370连接，所述第三金属走线层341与所述第四金属走线层351通过设置于所述第三金属布线层340与所述第四金属布线层350之间的第三连通孔380连接。

需要说明的是，第一连通孔360、第二连通孔370、第三连通孔380的作用是连通其所在的上下两层金属走线层，实际可以完全是位于上层的金属布线层的底部，也可以完全是下层金属布线层的顶部，还可以部分位于上层金属布线层，部分位于下层金属布线层。

在本发明中，每层的金属布线层包括介质层和设置在介质层内的金属走线层，为提高耦合线圈的耦合系数，可以在介质层中设置磁导率较高的介质层用来提高宽带巴伦阻抗变换器的性能，并减小其物理尺寸，便于器件的小型化、低功耗化。磁导率较高的介质层一般选用如铁氧体材料制作，因此，一般所述第一金属布线层320、所述第二金属布线层330、所述第三金属布线层340和/或所述第四金属布线层350包括铁氧体介质层。

需要说明的是，第一金属布线层320、第二金属布线层330、第三金属布线层340或第四金属布线层350中的铁氧体介质层是设置在自身的介质层中的，至于如何将铁氧体介质层设置在第一金属布线层320、第二金属布线层330、第三金属布线层340或第四金属布线层350中的介质层，本发明不做具体限定。

优选的，所述宽带差分阻抗变换器、所述宽带巴伦的耦合线圈由设置于所述多层金属布线层上的相邻金属走线层上的螺旋金属走线构成。耦合线圈对通过相邻金属走线层上的螺旋金属走线构成，通过设计各个螺旋金属走线结构的几何样式及长度，可以实现满足要求的耦合线圈及耦合线圈对。

图8所示为一种实施方式中宽带巴伦阻抗变换器的射频响应曲线，可以看到在700MHz-2700MHz频率范围内，该宽带巴伦阻抗变换器不仅有低于1dB的低***损耗，而且在整个宽频带范围内具有小于0.25dB的幅度平衡特性及小于1°的相位平衡特性，同时实现了宽带单端到差分阻抗变换。本发明所提出的技术方案所实现的宽带巴伦阻抗变换器，具有良好的宽带特性以覆盖2G/3G/4G移动通信所需的700MHz～2700MHz频段，并且具有结构简单、易于实现、成本低廉的特性

综上所述，本发明实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器，通过采用将宽带差分阻抗变换器的两对耦合的线圈彼此交叉连接，再通过宽带巴伦输出，即可使得宽带巴伦阻抗变换器的宽带特性覆盖在700MHz～2700MHz频段，带宽内有较高的幅度平衡性和相位平衡性。

以上对本发明所提供的宽带巴伦阻抗变换器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种宽带巴伦阻抗变换器，其特征在于，包括宽带差分阻抗变换器和宽带巴伦，所述宽带差分阻抗变换器包括四个耦合线圈，两两构成两对耦合线圈对，第一耦合线圈与第二耦合线圈构成第一耦合线圈对，第三耦合线圈与第四耦合线圈构成第二耦合线圈对；所述第一耦合线圈的第一端、第三耦合线圈的第一端口与所述宽带差分阻抗变换器的第一输入端口连接，所述第一耦合线圈的第二端与所述宽带巴伦的第一输入端口连接，所述第二耦合线圈的第一端口、所述第四耦合线圈的第一端口与所述宽带差分阻抗变换器的第二输入端口连接，所述第二耦合线圈的第二端口与所述第三耦合线圈的第二端连接并接地，所述第四耦合线圈的第二端与所述宽带巴伦的第二输入端连接；所述宽带巴伦包含的两个耦合线圈构成一对耦合线圈对，所述宽带巴伦的第一耦合线圈的第一端口与所述宽带巴伦的第一输入端口连接，第二端口与非平衡端口连接，所述宽带巴伦的第二耦合线圈的第一端口与所述宽带巴伦的第二输入端口连接，第二端口接地；

其中，所述宽带差分阻抗变换器的第一输入端口为第一平衡信号端口，所述宽带差分阻抗变换器的第二输入端为第二平衡信号端口。

2.如权利要求1所述的宽带巴伦阻抗变换器，其特征在于，还包括扼流电感，所述宽带差分阻抗变换器的第二耦合线圈的第二端、所述宽带差分阻抗变换器的第三耦合线圈的第二端与所述扼流电感连接，并通过所述扼流电感与去耦电容连接接地，所述扼流电感与所述去耦电容的公共端与馈电端口VDD连接。

3.如权利要求1所述的宽带巴伦阻抗变换器，其特征在于，所述宽带差分阻抗变换器或所述宽带巴伦由设置于基板或IPD芯片上的耦合线圈连接组成。

4.如权利要求3所述的宽带巴伦阻抗变换器，其特征在于，所述宽带巴伦阻抗变换器包括高阻衬底、设置于所述高阻衬底上的多层金属布线层和设置于所述多层金属布线层上的耦合传输线。

5.如权利要求4所述的宽带巴伦阻抗变换器，其特征在于，所述高阻衬底的电阻率高于1000ohm·cm，所述多层金属布线层为四层金属布线层，包括设置于所述高阻衬底第一表面上从下到上依次设置的连接的第一层金属布线层、第二金属布线层、第三金属布线层和第四金属布线层，设置于所述第一层金属布线层内的第一层金属走线层、设置于所述第二金属布线层内的第二金属走线层、设置于所述第三金属布线层内的第三金属走线层和设置于所述第四金属布线层内的第四金属走线层顺次连接。

6.如权利要求5所述的宽带巴伦阻抗变换器，其特征在于，所述第一金属走线层与所述第二金属走线层通过设置于所述第一金属布线层与所述第二金属布线层之间的第一连通孔连接，所述第二金属走线层与所述第三金属走线层通过设置于所述第二金属布线层与所述第三金属布线层之间的第二连通孔连接，所述第三金属走线层与所述第二金属走线层通过设置于所述第三金属布线层与所述第四金属布线层之间的第三连通孔连接。

7.如权利要求6所述的宽带巴伦阻抗变换器，其特征在于，所述第一金属布线层、所述第二金属布线层、所述第三金属布线层和/或所述第四金属布线层包括铁氧体介质层。

8.如权利要求7所述的宽带巴伦阻抗变换器，其特征在于，所述宽带差分阻抗变换器、所述宽带巴伦的耦合线圈由设置于所述多层金属布线层上的相邻金属走线层上的螺旋金属走线构成。