CN108389681B - 耦合度增强的变压器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合度增强的变压器结构，包括：底层金属，用于为传输线结构的参考地；输入结构与输出结构，输入结构与输出结构用于传输线上准TEM传输模式与表面波传播模式的转换，使得电场能量分布在传输线的周期枝节一侧，减少信号之间串扰，其中，输入结构与输出结构均为采用背靠背结构；初级线圈和次级线圈，初级线圈和次级线圈均采用周期性枝节结构，以将电场能量分布在初级线圈和次级线圈的周期枝节状结构中，增强线圈之间的磁场强度，从而提高变压器耦合度。该结构可以通过采用周期性枝节结构，特别是在毫米波频段能有效提高变压器耦合度，减小临近线之间的串扰现象，并且增强线圈内部磁感应强度。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种耦合度增强的变压器结构。
背景技术
近年来，随着无线通信***的快速发展，给人们生活带来了许多便利，与此同时，随着生活质量的提升，通信技术中GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术)、EDGE(Enhanced Data Rate for GSM Evolution，增强型数据速率GSM(GlobalSystem for Mobile Communication，全球移动通信***)演进技术)等提供数据通道***的提出，开发出更快速的数据传输，人们对于无线通信速率的需求日益增长。从第一代无线通信***(1G)技术到如今第五代无线通信***(5G)技术，以及将来发展的无线通信技术，***工作频率越来越高，低频频段的资源变得越发缺乏。但通过对电子学和光学的研究、半导体技术的不断革新，微波毫米波技术给无线通信技术的发展瓶颈带来了有效的解决方向。传统上，微波频段定义为300MHz-26.5GHz，毫米波频段为26.5-300GHz，更高频段至光频段之间，则是太赫兹频段。毫米波频具有带宽高达273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍。根据香浓定理C＝B*log2(1+S/N)，其中，C是信道容量，B为带宽，S/N为信噪比，因此在毫米波频段具有高速度、高宽带、短波长、抗干扰能力强的特点，毫米波电路在无线通信领域将得到了广泛的应用。
在无线通信技术中，MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit，单片毫米波集成电路)和MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入输出技术)将得到广泛的应用。MMIC对于降低通信成本、减小功放尺寸，使SoC(System-on-a-chip，片上***)成为一种可能；MIMO技术需要多个天线进行发射和接收信号。因此，MMIC电路需要大量使用变压器，如应用于低噪声放大器中的噪声抵消，电路模块级间匹配和隔离，功率放大器中有效功率合成和阻抗转换，单端和差分变换，以及一些压控振荡器和接收机电路中等。如图1所示，利用变压器结构构成的Balun应用于功率放大器功率合成结构。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种耦合度增强的变压器结构，该结构可以减小临近线之间的串扰现象，增强线圈内部磁感应强度，提高变压器耦合度。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种耦合度增强的变压器结构，包括：底层金属，用于为所述传输线结构的参考地；输入结构与输出结构，所述输入结构用于将传输线馈入能量由准TEM(Transverse Electric and Magnetic Field，TEM波)模式转变为表面波传播模式，使得电场能量分布在所述传输线的周期枝节一侧，所述输出结构将表面波模式转化为准TEM馈回电路中，其中，所述输入结构与所述输出结构均为采用背靠背结构；初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和次级线圈均采用周期性枝节结构，以将所述电场能量分布在所述初级线圈和所述次级线圈的周期枝节状结构中，增强线圈之间的磁场强度，以提高变压器耦合度。
本发明实施例的耦合度增强的变压器结构，输入结构和输出结构可以通过周期性枝节状结构将传输线上准TEM模式与表面波传播模式相互转换，使得电场能量主要分布在传输线的周期枝节一侧，从而减小临近线之间的串扰现象；初级线圈和次级线圈通过将电场能量主要分布在初级线圈和次级线圈的周期枝节状结构中，增强线圈内部磁感应强度，提高变压器耦合度，调节各个参数可以使得所设计频段内变压器耦合度得到提升。
另外，根据本发明上述实施例的耦合度增强的变压器结构还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述背靠背结构的微带线线宽为预设宽度，相邻微带线间隔为第一预设间隔，所述微带线两侧为所述周期性枝节状结构，所述背靠背结构的周期为预设长度，所述背靠背结构的相邻枝节间隔为第二预设间隔，所述输入结构和所述输出结构的所述枝节高度由0逐渐递增至预设高度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述线圈增加的周期性枝节状结构的周期为所述预设长度，所述周期性枝节状结构的相邻枝节间隔为所述第二预设间隔，所述周期性枝节状结构的所述枝节高度为所述预设高度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述参考地采用具有多层金属结构硅基工艺的底层金属。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述初级线圈和所述次级线圈处于上下不同的金属层。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述上下不同的金属层分别为工艺顶层金属层和次顶层金属层，其中，所述初级线圈处于顶层金属层，所述次级线圈处于次顶金属层。
进一步地，在本发明的一个实施例中，线圈正下方不存在所述底层金属参考地。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述变压器从信号源获得的功率比率定义为：
其中，P为功率
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述变压器功率耦合效率定义为：
其中，P为功率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为相关技术中的变压器构成Balun结构用于功率放大器功率合成原理示意图；
图2为相关技术中的片上变压器的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的耦合度增强的变压器结构的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的应用毫米波频段增强耦合度技术片上变压器的结构示意图；
图5为根据本发明一个实施例的输入结构和输出结构的结构示意图；
图6为根据本发明一个实施例的变压器初级线圈和次级线圈结构示意图；
图7为根据本发明一个实施例的变压器结构测试电路原理示意图；
图8为根据本发明一个实施例的相关技术中变压器与本发明实施例的变压器S参数曲线示意图；
图9为根据本发明一个实施例的相关技术中变压器与本发明实施例的变压器的电压电流变化示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在介绍本发明实施例的耦合度增强的变压器结构之前，先简单介绍下相关技术中的片上变压器。
如图2所示，图2(a)为片上变压器硅基工艺截面示意图，图2(b)为初级线圈与次级线圈在不同层的变压器示意图；图2(c)为初级线圈与次级线圈在同一层的变压器示意图。相关技术中的片上变压器一般采用硅基工艺中的顶层最厚的两层金属作为变压器的初级线圈和次级线圈，使变压器两级线圈远离硅基底，防止过多的电磁能量在衬底中损耗掉；变压器的输入端通过片上微带线结构馈入能量，通过法拉第电磁感应原理，初级线圈和次级线圈之间在低频段通过磁耦合来传递能量，输出端在由微带线结构将能量接入电路中。这种片上变压器结构在频率低时呈现出较好特性，寄生参数影响较小，能量很好的馈入变压器结构并且能获得较好的耦合度。
然而，在毫米波频段，输入输出端采用传统的微带线结构传输能量。电磁波在微带线中是以准TEM模式进行传输，工作频率太高时会导致电磁波在导体中出现趋肤效应，使得导体电流分布主要集中在金属表面，导体表面电流密度增大，则在输入端口两段相邻微带线之间存在严重的串扰问题，导致馈入变压器的能量受到了限制，输入输出端口出现失配现象。同时在变压器线圈之间存在各种寄生参数，如线圈之间的耦合电容效应导致变压器电抗降低，使得变压器磁性耦合性能下降以及片上变压器的能量耦合效率明显下降；在毫米波频段趋肤效应影响增强，变压器的导体损耗增加，导致能量部分耗散在金属导体中，传输效率下降。现有的硅基工艺厂商都不会提供变压器模型，因此，在MMIC中设计出高耦合度的变压器成为一个亟待解决的问题。
本发明正是基于上述问题，而提出的一种耦合度增强的变压器结构。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的耦合度增强的变压器结构。
图3是本发明实施例的耦合度增强的变压器结构的结构示意图。
如图3所示，该耦合度增强的变压器结构10包括：底层金属100、输入结构与输出结构200和初级线圈和次级线圈300。
其中，底层金属100用于为传输线结构的参考地。输入结构与输出结构200用于将传输线上准TEM模式与表面波传播模式转化，使得电场能量分布在传输线的周期枝节一侧，减少相邻线之间串扰，其中，输入结构与输出结构200均为采用背靠背结构。初级线圈和次级线圈300均采用周期性枝节结构，以将电场能量分布在初级线圈和次级线圈的周期枝节状结构中，以提高变压器耦合度。本发明实施例的结构10可以通过采用周期性枝节结构，减小临近线之间的串扰现象，并且增强线圈内部磁感应强度，有效提高变压器耦合度。
可以理解的是，如图4所示，图4(a)为本发明实施例的应用毫米波频段增强耦合度技术片上变压器的立体图；图4(b)本发明实施例的应用毫米波频段增强耦合度技术片上变压器的俯视图；图4(c)本发明实施例的应用毫米波频段增强耦合度技术片上变压器的正视图；图4(d)本发明实施例的应用毫米波频段增强耦合度技术片上变压器的侧视图。本发明实施例通过减少串扰的馈入馈出结构，即在变压器初级和次级线圈边缘上增加一些周期性枝节状结构来增强耦合性能，也就是说，本发明实施例的变压器通过输入结构与输出结构200将传输线馈入能量由准TEM模式转变为表面波传播模式，使得电场能量主要分布在传输线的周期枝节一侧，从而减小临近线之间的串扰现象，调节各个参数可以使得所设计频段内输入端口两段传输线的串扰现象得到较好的改善，同时能使得端口更好的匹配。初级线圈和次级线圈300通过这种结构电场能量主要分布在初级线圈和次级线圈300的周期枝节状结构中，增强线圈内部磁感应强度，提高变压器耦合度，调节各个参数可以使得所设计频段内变压器耦合度得到提升。
进一步地，在本发明的一个实施例中，背靠背输入输出结构的微带线线宽为预设宽度，相邻微带线间隔为第一预设间隔，微带线两侧为周期性枝节状结构，背靠背结构的周期为预设长度，背靠背结构的相邻枝节间隔为第二预设间隔，背靠背结构的枝节高度由0逐渐递增至预设高度。
举例而言，如图5所示，本发明实施例的输入结构与输出结构200的两段传输线可以结构采用背靠背结构，其中，微带线线宽为w，相邻微带线间隔为space，在微带线两侧增加周期性枝节状结构，周期为d，相邻枝节间隔为a，枝节高度由0逐渐递增到h。
进一步地，在本发明的一个实施例中，线圈上周期性枝节状结构的周期为预设长度，周期性枝节状结构的相邻枝节间隔为第二预设间隔，周期性枝节状结构的枝节高度为预设高度。
举例而言，如图6所示，本发明实施例的初级线圈和次级线圈300均采用周期性枝节状结构，周期为d，相邻枝节间隔为a，枝节高度为h。
其中，在本发明的一个实施例中，底层金属100作为参考地，采用具有多层金属结构硅基工艺的底层金属。
进一步地，在本发明的一个实施例中，初级线圈和次级线圈300处于上下不同的金属层，且初级线圈和次级线圈下不存在参考地。
进一步地，在本发明的一个实施例中，上下不同的金属层分别为顶层金属层和次顶层金属层，其中，初级线圈处于顶层金属层，次级线圈处于次顶金属层。
可以理解的是，本发明实施例以底层金属M1作为传输线结构的参考地，初级线圈和次级线圈分别处于最顶上不同两层厚金属层MTop和MTop-1。
进一步地，在本发明的一个实施例中，变压器正下方不存在底层金属参考地。
进一步地，在本发明的一个实施例中，变压器从信号源获得的功率比率定义为：
其中，P为功率
进一步地，在本发明的一个实施例中，变压器功率耦合效率定义为：
其中，P为功率。
举例而言，在本发明以基于0.13um SiGe工艺的工作在70GHz-120GHz频段的变压器为例进一步介绍本发明实施例的耦合度增强的变压器结构10，但不局限于此。
如图7所示，本发明实施例采用0.13um SiGe设计变压器工作在70GHz-120GHz频段内，该工艺具有7层金属，最顶层金属TM1，次顶层金属TM2作为初级线圈和次级线圈300以及传输线走线层，底层金属M1作为传输线的参考地，在变压器正下方不存在底层金属M1参考地。采用本发明实施例的输入结构和输出结构200的传输线线宽w为15um，枝节周期d为10um，相邻枝节间隔a为2um，枝节高度h由2um到16um以2um的步长递增。本发明实施例的变压器初级线圈和次级线圈300均采用线宽为15um，线圈内径长和宽均为78um，线圈均有三条边增加周期枝节，枝节周期d为10um，相邻枝节间隔a为2um，枝节高度h为30um，如图4至图6所示。此外，本发明实施例可以设计相关技术中的变压器如图2(b)用作对比参考，输入输出线宽为15um，变压器初级线圈和次级线圈线宽均为15um，线圈内径长和宽均为78um。
根据变压器电路接入输入输出负载，如图7所示。初级线圈接一信号源，信号源内阻50ohm电阻并产生0dBm的工作频率为100GHz正弦信号功率，经过所设计变压器，次级线圈接50ohm负载，表征70GHz-120GHz频段的无源器件性能的S参数如图8(a)和图8(b)所示，在100GHz工作频率下初级线圈和次级线圈电压电流曲线如图9(a)、图9(b)、图9(c)和图9(d)所示。
本发明实施例的变压器结构，输入端口匹配特性S11在70GHz-120GHz很好的匹配到50ohm，70GHz-120GHz频段内传输性能S21提高了3dB-13dB,在整个测试频段内S21都非常的平缓。变压器在输入信号为100GHz正弦信号时，从信号源获取的功率0.957mW，几乎从信号源获取全部功率，本发明实施例的变压器从信号源获得的功率比率比传统变压器提高了53％，次级线圈耦合到的功率为0.657mW，功率耦合效率相比传统变压器提高了13％，并且本发明的变压器电压电流相位也得到改善，可以看出这种结构在使得变压器的性能在毫米波频段得到了明显的提升和改善。
其中，变压器从信号源获得的功率比率定义为：
变压器功率耦合效率定义为：
根据本发明实施例提出的耦合度增强的变压器结构，输入结构和输出结构可以通过周期性枝节状结构将传输线馈入能量由准TEM模式转变为表面波传播模式，使得电场能量主要分布在传输线的周期枝节一侧，从而减小临近线之间的串扰现象；初级线圈和次级线圈通过将电场能量主要分布在初级线圈和次级线圈的周期枝节状结构中，增强线圈内部磁感应强度，提高变压器耦合度，调节各个参数可以使得所设计频段内变压器耦合度得到提升。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种耦合度增强的变压器结构，其特征在于，包括：
底层金属，用于为传输线结构的参考地；
输入结构与输出结构，所述输入结构将馈入能量由准TEM模式转变为表面波传播模式，使得电场能量分布在所述传输线的周期枝节一侧，所述输出结构将表面波模式转化为准TEM馈回电路中，其中，所述输入结构与所述输出结构均为采用背靠背结构；以及
初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和次级线圈均采用周期性枝节结构，以使得所述电场能量分布在所述初级线圈和所述次级线圈的周期枝节状结构中，增强线圈之间的磁场强度，从而提高变压器耦合度。
2.根据权利要求1所述的耦合度增强的变压器结构，其特征在于，所述背靠背结构的微带线线宽为预设宽度，相邻微带线间隔为第一预设间隔，所述微带线两侧为所述周期性枝节状结构，所述背靠背结构的周期为预设长度，所述背靠背结构的相邻枝节间隔为第二预设间隔，所述输入结构和所述输出结构的所述枝节高度由0逐渐递增至预设高度。
3.根据权利要求1或2所述的耦合度增强的变压器结构，其特征在于，所述初级线圈和次级线圈增加的周期性枝节状结构的周期为预设长度，所述周期性枝节状结构的相邻枝节间隔为第二预设间隔，所述周期性枝节状结构的所述枝节高度为预设高度。
4.根据权利要求1所述的耦合度增强的变压器结构，其特征在于，所述变压器结构采用具有多层金属结构硅基工艺，所述参考地为工艺的底层金属。
5.根据权利要求1所述的耦合度增强的变压器结构，其特征在于，所述初级线圈和所述次级线圈处于上下不同的金属层。
6.根据权利要求5所述的耦合度增强的变压器结构，其特征在于，所述上下不同的金属层分别为工艺顶层金属层和次顶层金属层，其中，所述初级线圈处于顶层金属层，所述次级线圈处于次顶金属层。
7.根据权利要求1所述的耦合度增强的变压器结构，其特征在于，线圈正下方的底层金属参考地呈现为矩形开窗结构，且所述矩形开窗结构形成的开窗区域无参考地金属。
8.根据权利要求1所述的耦合度增强的变压器结构，其特征在于，所述变压器从信号源获得的功率比率定义为：
其中，P为功率。
9.根据权利要求1所述的耦合度增强的变压器结构，其特征在于，所述变压器功率耦合效率定义为：
其中，P为功率。
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