CN112910437B - 一种高隔离输出且宽带匹配ipd射频巴伦芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供本发明实施例还提供了一种高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片，应用于芯片技术领域，包括：带有一个接地电容的耦合螺旋电感、低通T型网络、隔离网络；带有一个接地电容的耦合螺旋电感、低通T型网络、隔离网络依次呈环形串联；带有一个接地电容的耦合螺旋电感和低通T型网络通过并联连接；隔离网络，用于两个平衡输出端口之间的隔离。本发明实施例的高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片，将三个串联的Π型低通网络与两个电阻串联构成巴伦的两个平衡输出端口之间的隔离网络，不但可以实现平衡输出端口的隔离，还可以实现两个平衡输出端口与输入端口之间的阻抗匹配。

Description

一种高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片
技术领域
本发明涉及芯片技术领域，特别是涉及一种高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片。
背景技术
薄膜IPD技术(TFIPD)通过采用多种先进半导体加工技术，如光刻、薄膜沉积和刻蚀工艺，使得加工出来的器件在微米级有更高的工艺精度，并且在保证电路高集成度的同时依旧出现较低的相互干扰。
然而，虽然目前基于微带线、耦合线所设计的巴伦芯片种类繁多，但是巴伦芯片的平衡端口的隔离度往往较差。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片，以解决基于微带线或者耦合线所设计的巴伦平衡输出端口的隔离度较差的问题。具体技术方案如下：
本发明实施例还提供了一种高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片，包括：带有一个接地电容的耦合螺旋电感、低通T型网络、隔离网络；
所述带有一个接地电容的耦合螺旋电感、所述低通T型网络、所述隔离网络依次呈环形串联；所述带有一个接地电容的耦合螺旋电感包括一个第一端口；所述低通T型网络和所述隔离网络依次串联各包括一个平衡输出端口；
所述带有一个接地电容的耦合螺旋电感和所述低通T型网络通过并联连接，在工作频段内，用于平衡两个输出信号的幅度并且将两个输出信号的相位差调制为180度；
所述隔离网络，用于所述平衡输出端口之间的隔离。
可选的，所述隔离网络，包括：第二端口、第一电阻、第二电阻、第一螺旋电感、第二螺旋电感、第三螺旋电感、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容；所述第二端口为平衡输出端口；
所述第二端口与所述第一电阻串联，所述第一电阻、所述第一螺旋电感和所述第二电容呈T型连接，所述第二电容的另一端接地；
所述第一螺旋电感、所述第三电容和所述第二螺旋电感和呈T型连接，所述第三电容的另一端接地；
所述第一螺旋电感、所述第三电容和所述第二螺旋电感和呈T型连接，所述第三电容的另一端接地；
所述第二螺旋电感、所述第四电容和所述第三螺旋电感和呈T型连接，所述第四电容的另一端接地；
所述第三螺旋电感、所述第五电容和所述第二电阻和呈T型连接，所述第五电容的另一端接地。
可选的，所述低通T型网络，包括：第三端口、第四螺旋电感、第六电容、第五螺旋电感；所述第三端口为平衡输出端口；
所述第四螺旋电感、所述第三端口和所述第二电阻呈T型连接；
所述第四螺旋电感、所述第六电容和所述第五螺旋电感和呈T型连接，所述第六电容的另一端接地。
可选的，所述带有一个接地电容的耦合螺旋电感，包括：耦合螺旋电感、第一电容和所述第一端口；所述第一端口为输入端口；
所述螺旋电感的一侧线圈的一端与所述第一电容连接，所述一侧线圈的另一端与所述第二端口和第一电阻呈T型连接，所述第一电容的另一端接地；
所述螺旋电感的另一侧线圈一端接地，所述另一侧线圈的另一端与所述第一端口和第五螺旋电感呈T型连接。
可选的，所述芯片通过薄膜IPD技术制作而成。
本发明实施例有益效果：
本发明实施例提供本发明实施例还提供了一种高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片，包括：带有一个接地电容的耦合螺旋电感、低通T型网络、隔离网络；所述带有一个接地电容的耦合螺旋电感、所述低通T型网络、所述隔离网络依次呈环形串联；所述带有一个接地电容的耦合螺旋电感包括一个第一端口；所述低通T型网络和所述隔离网络依次串联各包括一个平衡输出端口；所述带有一个接地电容的耦合螺旋电感和所述低通T型网络通过并联连接，用于平衡两个平衡输出端口的幅度，和在工作频段内将输入信号调制为预设相位差；所述隔离网络，用于所述两个平衡输出端口之间的隔离。
本发明实施例的高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片，将三个串联的Π型低通网络与两个电阻串联构成巴伦的两个平衡输出端口之间的隔离网络，不但可以实现平衡输出端口的隔离，还可以实现两个平衡输出端口与输入端口之间的阻抗匹配。
当然，实施本发明的任一产品或芯片并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
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，下面描述中的附图仅仅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实施例。
图1为本发明实施例提供的高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片的电路图；
图2为本发明实施例提供的高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片的一种实例图；
图3为本发明实施例提供的巴伦芯片的回波损耗和插入损耗仿真结果示意图；
图4为本发明实施例提供的巴伦芯片的幅度不平衡仿真结果示意图；
图5为本发明实施例提供的巴伦芯片的相位不平衡仿真结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员基于本发明所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例还提供了一种高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片，包括：带有一个接地电容的耦合螺旋电感、低通T型网络、隔离网络；
带有一个接地电容的耦合螺旋电感、低通T型网络、隔离网络依次呈环形串联；带有一个接地电容的耦合螺旋电感包括一个第一端口；低通T型网络和隔离网络依次串联各包括一个平衡输出端口；
带有一个接地电容的耦合螺旋电感和低通T型网络通过并联连接，在工作频段内，用于平衡两个输出信号的幅度并且将两个输出信号的相位差调制为180度；
隔离网络，用于所述的两个平衡输出端口之间的隔离。
通过本发明实施例的高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片，将三个串联的Π型低通网络与两个电阻串联构成巴伦的两个平衡输出端口之间的隔离网络，不但可以实现平衡输出端口的隔离，还可以实现两个平衡输出端口与输入端口之间的阻抗匹配。
可选的，参见图1，隔离网络，包括：第二端口(端口2)、第一电阻R1、第二电阻R2、第一螺旋电感L1、第二螺旋电感L2、第三螺旋电感L3、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5；第二端口(端口2)与第一电阻R1串联，第一电阻R1、第一螺旋电感L1和第二电容C2呈T型连接，第二电容C2的另一端接地；第一螺旋电感L1、第三电容C3和第二螺旋电感L2和呈T型连接，第三电容C3的另一端接地；第一螺旋电感L1、第三电容C3和第二螺旋电感L2和呈T型连接，第三电容C3的另一端接地；第二螺旋电感L2、第四电容C4和第三螺旋电感L3和呈T型连接，第四电容C4的另一端接地；第三螺旋电感L3、第五电容C5和第二电阻R2和呈T型连接，第五电容C5的另一端接地。其中，第二端口(端口2)和第三端口(端口3)为平衡输出端口。
可选的，参见图1，低通T型网络，包括：第三端口(端口3)、第四螺旋电感L4、第六电容C6、第五螺旋电感L5；第四螺旋电感L4、第三端口(端口3)和第二电阻R2呈T型连接；第四螺旋电感L4、第六电容C6和第五螺旋电感L5和呈T型连接，第六电容C6的另一端接地。
可选的，参见图1，带有一个接地电容的耦合螺旋电感，包括：耦合螺旋电感、第一电容C1和第一端口(端口1)；螺旋电感的一侧线圈的一端与第一电容C1连接，该侧线圈的另一端与第二端口和第一电阻R1呈T型连接，第一电容C1的另一端接地；螺旋电感的另一侧线圈一端接地，该另一侧线圈的另一端与第一端口(端口1)和第五螺旋L5电感呈T型连接。其中，第一端口为输入端口。
可选的，本发明实施例中的芯片使用GaAs衬底的薄膜IPD技术，通过在衬底上生长金属来构成所需的电阻、电感和电容。
本发明实施例中的螺旋电感通过螺旋绕制的多圈传输线来构成，通过两个螺旋电感的相互螺旋缠绕来实现耦合的功能。可选的，本发明实施例中的螺旋电感由三层以螺旋形绕制的金属传输线构成，传输线的外部端口可直接与其他器件相连，而内部的端口则通过底层金属引出后再与外部的器件相连。在底层金属与三层螺旋绕制的金属传输线的交叉部分去掉传输线的底层和中间层金属，以便顶层和底层金属构成空气桥，不会相互导通从而实现电隔离。
本发明实施例中的电容通过在平行的两层金属之间加入一个不导电的隔离层的方式实现。可选的，本发明实施例中的电容为MIM电容，由顶层和底层金属以及两者之间的氮化硅隔离层构成。
本发明实施例中的电阻是通过在金属层之间加入介质层的方式实现。具体的，该电阻带下可以根据实际情况设定，例如可以为50Ω。
可见，本发明实施例的高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片，将三个串联的Π型低通网络与两个电阻串联构成巴伦的两个平衡输出端口之间的隔离网络，不但可以实现平衡输出端口的隔离，还可以实现两个平衡输出端口与输入端口之间的阻抗匹配。
参见图2，图2为本发明实施例提供的高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片的一种实例图。
第一螺旋电感4的外圈接头通过传输线同时与第二MIM电容11和第一电阻16的右端口相连，第一电阻16的左端口通过两段传输线分别与输出端口2和耦合螺旋电感18的右端口相连，而第一螺旋电感4的内圈接头则直接同时与第三MIM电容12和第一螺旋电感5的外圈接头直接相连。第一螺旋电感5的内圈接头通过一小段传输线同时与第三MIM电容13和第一螺旋电感6的外圈接头相连。第一螺旋电感6的内圈接头则直接同时与第二MIM电容14和第一电阻17的上端口相连，而第一电阻17的下端口直接连接于第一螺旋电感7的内圈接头与第二输出端口3之间的传输线上。4、5、6为三个尺寸相同的螺旋电感，11、14为两个尺寸相同的MIM电容，12、13为两个尺寸相同的MIM电容，16、17为两个尺寸相同的电阻，并且4、5、6、11、12、13、14、16、17共同组成了巴伦的隔离网络。
第二螺旋电感7的外圈接头通过一段传输线直接与第三螺旋电感8内圈接头和第四MIM电容15同时相连，而第三螺旋电感8的外圈接头则通过一段传输线连接于耦合螺旋电感18的下端口和第一端口1之间的一小段传输线。7、8为两个尺寸不相同的螺旋电感，并且7、8、15共同构成了低通T型滤波网络。
耦合螺旋电感18的上端口同时与第一MIM电容9和第一MIM电容10相连。9、10为两个尺寸相同的MIM电容。此处考虑到版图布局的美观与寄生效应的影响，因此将一个MIM电容改成由两个小的MIM电容并联组成，即第一MIM电容9和第一MIM电容10。耦合螺旋电感的左端口19为一个接地端口。
MIM电容9、10、11、12、13、14、15的另一端均通过接地金属接地。第一端口1和输出端口2、3与其上下两侧的接地金属间距均为150um。它们与接地金属构成“接地-信号-接地”的结构，该结构用于与探针相连，利用探针台能完成在片测试，提高测试的准确性。耦合螺旋电感上的电容的作用是让从耦合螺旋电感引出的平衡输出端口能够实现与不平衡第一端口的阻抗匹配。19为耦合螺旋电感的接地端口。
可选的，本发明实施例中的高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片，以生长在GaAs衬底材料上用于实现平衡到不平衡转换的巴伦为主体，GaAs衬底主要作为电磁信号的传输介质，且用于支撑在其上生长的多层金属，厚度为200um，介电常数为12.85。
可选的，第一端口1和输出端口2、3均为长和宽100um的正方形焊盘。用于绕制螺旋电感及耦合螺旋电感的传输线线宽均为15um。第一螺旋电感4、5、6的内径为175um，线间距15um，绕制2.5圈；第二螺旋电感7的内径是145um，线间距为15um，绕制2.5圈；第三螺旋电感8的内径是105um，线间距为15um，绕制2.5圈；耦合螺旋电感18的内径是505um，线间距为15um，绕制5.5圈。
第一MIM电容9、10的长为130um，宽为50um，第二MIM电容11和14的长为30um，宽为22um，第三MIM电容12、13的长和宽分别为44um和30um，第四MIM电容15的长和宽分别为33um和30um。
第一电阻16、17的长和宽分别为17um和5um，第一端口1的焊盘到耦合螺旋电感18的下端口的传输线长为111.375um，第三螺旋电感8的外圈接头到第一端口1的焊盘与耦合螺旋电感18的下端口之间的传输线的距离是449um，第二螺旋电感7的外圈接头与第三螺旋电感8的内圈接头之间的传输线长为379.5um，第二螺旋电感7的内圈接头与输出端口3的焊盘之间的传输线长为254.75um，第一螺旋电感5的内圈接头与第一螺旋电感6的外圈接头之间的传输线长为80.375um，第一电阻16的左端口与耦合螺旋电感的右端口之间的传输线的长为100um，第一电阻16的左端口与第一输出端口2的焊盘之间的传输线的长为206.625um，第一MIM电容9和第一MIM电容10之间的传输线的长为131um，第二MIM电容11上下两个端口连接的小段传输线长度分别为48.5um和50um，第三MIM电容12上下两个端口连接的小段传输线长度分别为37um和40um，第三MIM电容13左右两个端口连接的小段传输线长度分别为40um和37um，第二MIM电容14左右两个端口连接的小段传输线长度分别为50um和48.5um，第四MIM电容15上下两个端口连接的小段传输线长度分别为40um和40um，第一端口1和输出端口2、3与其上下两侧的接地金属间距均为150um。它们与接地金属构成“接地-信号-接地”的结构，该结构用于与探针相连。
当采用本发明的巴伦芯片进行测试时，测试结果可以参见图3、参见图4和图5。参见图3，对在本发明实施例的高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片进行仿真，其回波损耗小于-15dB的频率范围为3.24GHz到5.35GHz，相对带宽达到49.13％。当将-15dB带宽作为本实施例的通带，隔离度的参数S32小于-20dB，而且S22和S33也小于-15dB。在3.24GHz到5.35GHz范围内S21和S31幅值均在-3dB附近，在中心频率4.30GHz处的S21和S31的幅值大小分别为-3.45dB和-3.72dB。在例如，参见图4和图5，在通带范围内幅度不平衡均小于0.6dB，中心频率4.30GHz处的幅度不平衡度为0.27dB。
可见，本发明实施例的高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片，将三个串联的Π型低通网络与两个电阻串联构成巴伦的两个平衡输出端口之间的隔离网络，不但可以实现平衡输出端口的隔离，还可以实现两个平衡输出端口与输入端口之间的阻抗匹配。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、芯片、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、芯片、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、芯片、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。相关之处参见芯片实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高隔离输出且宽带匹配IPD射频巴伦芯片，其特征在于，包括：带有一个接地电容的耦合螺旋电感、低通T型网络、隔离网络；
所述带有一个接地电容的耦合螺旋电感包括一个第一端口；所述低通T型网络和所述隔离网络依次串联各包括一个平衡输出端口；
所述带有一个接地电容的耦合螺旋电感和所述低通T型网络相对于所述第一端口通过并联连接，在工作频段内，用于平衡两个输出信号的幅度并且将两个输出信号的相位差调制为180度；
所述隔离网络，用于所述平衡输出端口之间的隔离；
所述隔离网络，包括：第二端口、第一电阻、第二电阻、第一螺旋电感、第二螺旋电感、第三螺旋电感、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容；所述第二端口为平衡输出端口；
所述第二端口与所述第一电阻串联，所述第一电阻、所述第一螺旋电感和所述第二电容呈T型连接，所述第二电容的另一端接地；
所述第一螺旋电感、所述第三电容和所述第二螺旋电感和呈T型连接，所述第三电容的另一端接地；
所述第二螺旋电感、所述第四电容和所述第三螺旋电感和呈T型连接，所述第四电容的另一端接地；
所述第三螺旋电感、所述第五电容和所述第二电阻和呈T型连接，所述第五电容的另一端接地；
所述低通T型网络，包括：第三端口、第四螺旋电感、第六电容、第五螺旋电感；所述第三端口为平衡输出端口；
所述第四螺旋电感、所述第三端口和所述第二电阻呈T型连接；
所述第四螺旋电感、所述第六电容和所述第五螺旋电感和呈T型连接，所述第六电容的另一端接地；
所述带有一个接地电容的耦合螺旋电感，包括：耦合螺旋电感、第一电容和所述第一端口；所述第一端口为输入端口；
所述螺旋电感的一侧线圈的一端与所述第一电容连接，所述一侧线圈的另一端与所述第二端口和第一电阻呈T型连接，所述第一电容的另一端接地；
所述螺旋电感的另一侧线圈一端接地，所述另一侧线圈的另一端与所述第一端口和第五螺旋电感呈T型连接。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，
所述芯片通过薄膜IPD技术制作而成。
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