CN114024119A - 一种全差分叠层变压器结构耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全差分叠层变压器结构耦合器，包括依次排布的四层金属层：金属层MQ、金属层M4、金属层M3和金属层M2；所述金属层MQ和所述金属层M2对称；所述金属层M3和所述金属层M4对称；金属层MQ和金属层M2上的金属线为跳线，金属层M3的金属线为底部线圈，金属层M4的金属线为顶部线圈；金属层M3和金属层M4的金属线迹线布局均由外、中、内三层正八边形构成；所述金属层M4具有四个端口，分别为端口+1、端口‑1、端口+3、端口‑3；所述金属层M3具有四个端口，分别为端口+2、端口‑2、端口+4、端口‑4。本发明采用垂直堆叠的多匝变压器宽边耦合结构，在增强变压器间磁耦合的同时，减少了耦合器布局时的占用面积。

Description

一种全差分叠层变压器结构耦合器

技术领域

本发明涉及耦合器技术领域，具体为一种全差分叠层变压器结构耦合器。

背景技术

定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分配与合成，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。定向耦合器作为许多微波电路的重要组成部分被广泛应用于现代电子系统之中。

而在实际应用过程中，为实现较高的耦合效率，则需要较长的耦合长度，从而使得耦合器整体尺寸较大，而耦合长度的增加也会增加制作时的尺寸误差，从而对定向耦合器的耦合产生不良影响。

公开号为CN101599571A的中国专利申请公开了一种定向耦合器，该申请在两耦合线的中心位置处均向外延伸出一扇形结构，从而可缩短其耦合线的长度。但仍为解决上述提到的问题。

发明内容

本发明基于所要解决的技术问题：提供一种能增强变压器间的磁耦合的同时减少布局占用面积的全差分叠层变压器结构耦合器。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种全差分叠层变压器结构耦合器，包括依次排布的四层金属层：金属层MQ、金属层M4、金属层M3和金属层M2；

所述金属层MQ和所述金属层M2对称；所述金属层M3和所述金属层M4对称；

金属层MQ和金属层M2上的金属线为跳线，金属层M3的金属线为底部线圈，金属层M4的金属线为顶部线圈；金属层M3和金属层M4的金属线迹线布局均由外、中、内三层正八边形构成；

所述金属层M4具有四个端口，分别为端口+1、端口-1、端口+3、端口-3；

所述金属层M3具有四个端口，分别为端口+2、端口-2、端口+4、端口-4。

优点：本发明采用垂直堆叠的多匝变压器宽边耦合结构，通过设计对称的金属层MQ、金属层M4、金属层M3和金属层M2，并采用八边形的结构设计，在增强变压器间磁耦合的同时，减少了耦合器布局时的占用面积。

优选地，以正八边形的金属层M4的中心为原点建立直角坐标系，其中端口+1位于第二象限，端口-1位于第三象限，端口+3位于第一象限，端口-3位于第四象限；

端口+1经第二象限的外层金属线绕至第一象限，该段金属线呈半外八边形结构；随后由一段连接金属线连接至第四象限的中层金属线，中层金属线从第四象限绕至第三象限处，该段金属线呈半中间的八边形结构；然后再由一段连接金属线绕至第二象限的内层金属线，内层金属线从第二象限绕至第一象限，该段金属线为半内八边形结构；最后经金属层MQ的金属线接端口+3；

端口-1经第三象限的外层金属线绕至第四象限，该段金属线为另一半的外八边形结构；随后经金属层MQ的连接金属线绕至第一象限的中间金属线，中层金属线从第一象限绕至第二象限，该段金属线为另一半的中间的八边形结构；然后经金属层MQ的连接金属线后绕至第三象限的内层金属线；内层金属线从第三象限绕至第四象限，该段金属线为另一半的内八边形结构；最后经金属层MQ的金属线接端口-3。

优选地，以正八边形的金属层M3的中心为原点建立直角坐标系，其中端口+2位于第二象限，端口-2位于第三象限，端口+4位于第一象限，端口-4位于第四象限；

端口+2经第二象限的外层金属线绕至第一象限，该段金属线呈半外八边形结构；随后由一段连接金属线连接至第四象限的中层金属线，中层金属线从第四象限绕至第三象限处，该段金属线呈半中间的八边形结构；然后再由一段连接金属线绕至第二象限的内层金属线，内层金属线从第二象限绕至第一象限，该段金属线为半内八边形结构；最后经金属层M2的金属线接端口+4；

端口-2经第三象限的外层金属线绕至第四象限，该段金属线为另一半的外八边形结构；随后经金属层M2的连接金属线绕至第一象限的中间金属线，中层金属线从第一象限绕至第二象限，该段金属线为另一半的中间的八边形结构；然后经金属层M2的连接金属线后绕至第三象限的内层金属线；内层金属线从第三象限绕至第四象限，该段金属线为另一半的内八边形结构；最后经金属层M2的金属线接端口-4。

优选地，所述连接金属线均为45°斜金属线。

优选地，金属层MQ与金属层M4之间、金属层M3与金属层M2之间均采用过孔形式连接，所述过孔为实心矩形。

优选地，所述金属线的线宽均为3μm。

优选地，金属层M4和金属层M3相邻的正八边形的金属线之间的间距均为3μm，内层金属线的外径为12μm。

优选地，还包括等效电路，等效电路包括变压器T1、变压器T2、电容CP1、电容CP2、电容CP3和电容CP4、电容CM1、电容CM2、电容CM3、电容CM4；

变压器T1具有端口+1、端口+2、端口+3、端口+4；变压器T2具有端口-1、端口-2、端口-3、端口-4；

变压器T1的端口+2通过电容CP2与变压器T2的端口-2连接；变压器T1的端口+3通过电容CP3与变压器T2的端口-3连接；

电容CP1接在端口+1与端口-1之间，电容CP4接在端口+4与端口-4之间；

电容CM1接在端口+1与端口+4之间；电容CM2接在端口+2与端口+3之间；电容CM3接在端口-2与端口-3之间；电容CM4接在端口-1与端口-4之间。

优选地，所述变压器T1包括电感L1、电感L2；所述变压器T2包括电感L3、电感L4；

电感L1接在端口+1和端口+2之间，电感L2接在端口+3和端口+4之间；

电感L3接在端口-1和端口-2之间，电感L4接在端口-3和端口-4之间。

优选地，本耦合器具有四个端口，分别为输入端口1，直通端口2，耦合端口3和隔离端口4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用垂直堆叠的多匝变压器宽边耦合结构，通过设计对称的金属层MQ、金属层M4、金属层M3和金属层M2，并采用八边形的结构设计，在增强变压器间磁耦合的同时，减少了耦合器布局时的占用面积。

(2)本发明的等效电路中，变压器T1和变压器T2的电流方向相同，因此本发明能够将两个单端变压器折叠呈一个，从而实现差分操作。

(3)同时垂直耦合的结构能够提供更好的毫米波频率约束，从而使衬底损耗和寄生耦合达到最小化，保证本发明具有低损耗的优点。

附图说明

图1为本发明的实施例的整版布局示意图；

图2为本发明的实施例的金属层MQ与金属层M4的布局示意图；

图3为本发明的实施例的金属层M3与金属层M2的布局示意图；

图4为本发明的实施例的金属层MQ与金属层M4的俯视图；

图5为本发明的实施例的金属层M3与金属层M2的俯视图；

图6为本发明的实施例的等效电路图；

图7为本发明的实施例的端口分布图；

图8为本发明的实施例的S21和S31幅值参数；

图9为本发明的实施例的S21和S31幅值不平衡度；

图10为本发明的实施例的S21和S31相位参数；

图11为本发明的实施例的S21和S31相位不平衡度。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1至图5，本实施例公开了一种全差分叠层变压器结构耦合器，包括从上到下依次排布的四层金属层：金属层MQ、金属层M4、金属层M3和金属层M2；整体结构采用对称的上下层的结构设计，即金属层MQ和金属层M2对称；金属层M3和金属层M4对称。其中，金属层MQ和金属层M2上的金属线为跳线，金属层M3的金属线为底部线圈，金属层M4的金属线为顶部线圈。

金属层M3的金属线与金属层M4的金属线的布局均由外、中、内三层正八边形构成，所有金属线线宽均为3μm，每一圈金属线间距均为3μm，外层金属线外径为36μm，中间层金属线外径为24μm，内层金属线外径为12μm。

参阅图2和图3，以正八边形的中心为坐标轴原点，建立直角坐标系，其中X轴为端口+1和端口-1、端口+3和端口-3的对称轴，Y轴与X轴垂直。

金属层M4具有四个端口，分别为端口+1、端口-1、端口+3、端口-3。

端口+1位于第二象限，端口+1经第二象限的外层金属线绕至第一象限，该段金属线呈半外八边形结构。随后由一段45°斜金属线至第四象限，中层金属线从第四象限绕至第三象限处，该段金属线半中间的八边形结构。然后再由一段45°斜金属线绕至第二象限，内层金属线从第二象限绕至第一象限，该段金属线为半内八边形结构。最后经M4-MQ孔接金属层MQ的金属线，然后经MQ-M4孔接端口+3。

端口-1位于第三象限，端口-1经第三象限的外层金属线绕至第四象限，该段金属线为另一半的外八边形结构。随后经金属层MQ的金属线绕至第一象限，该段金属线为45°斜金属线。中层金属线从第一象限绕至第二象限，该段金属线为另一半的中间的八边形结构。然后经金属层MQ的45°斜金属线后绕至第三象限。内层金属线从第三象限绕至第四象限，该段金属线为另一半的内八边形结构。最后经金属层MQ的金属线接端口-3。

同理，参阅图4和图5，由于金属层MQ和金属层M2对称；金属层M3和金属层M4对称，因此金属层M3和金属层M2的金属线的布局分别与金属层M4和金属层MQ的布局相同，这里不一一赘述。

端口分布如图6所示，本实施例的装置从输入端口1输入功率，功率分配给直通端口2和耦合端口3，隔离端口4无功率输出。在理想状态下，能够实现功率的平均分配，直通端口2和耦合端口3的信号相位相差90°，隔离端口4可接入100Ω电阻。

本耦合器的工作频率为80GHz-88GHz，其结构构成两个变压器结构，依赖于两个互相折叠的变压器间的磁耦合，采用了垂直堆叠的多匝变压器宽边耦合结构，在增强变压器间磁耦合的同时，还减少了布局占用面积。

除了交叉使用较低层的金属层外﹐金属层M3的3圈底部线圈和金属层M4的3圈顶部线圈以及端口位置都保留了布局对称性，这有助于最小化幅度和相位不平衡并改善共模抑制。保障本实施的耦合效率。

观察两个耦合端口的耦合强度，耦合度相等的频点对应为本耦合器的工作频率，如果工作频率高于设定频率，则等比例增加线圈外径，相反则减少。

微调底部线圈和顶部线圈的宽度可以调整两个耦合端口的相位差。顶部线圈寄生电容通常小于底层线圈电容，可以增加金属层M4的金属线的宽度来调节。

参阅图7，本实施例还包括等效电路，等效电路包括变压器T1、变压器T2、电容CP1、电容CP2、电容CP3和电容CP4、电容CM1、电容CM2、电容CM3、电容CM4。

变压器T1具有端口+1、端口+2、端口+3、端口+4；变压器T2具有端口-1、端口-2、端口-3、端口-4。变压器T1的端口+2通过电容CP2与变压器T2的端口-2连接；变压器T1的端口+3通过电容CP3与变压器T2的端口-3连接。电容CP1接在端口+1与端口-1之间，电容CP4接在端口+4与端口-4之间。电容CM1接在端口+1与端口+4之间；电容CM2接在端口+2与端口+3之间；电容CM3接在端口-2与端口-3之间；电容CM4接在端口-1与端口-4之间。

变压器T1包括电感L1、电感L2；变压器T2包括电感L3、电感L4。电感L1接在端口+1和端口+2之间，电感L2接在端口+3和端口+4之间。电感L3接在端口-1和端口-2之间，电感L4接在端口-3和端口-4之间。

寄生电容CP和CM分别表示各个线圈和绕组之间的寄生电容；同时由于变压器T1和变压器T2的电流方向相同，因此可以将两个单端变压器折叠成一个从而实现差分操作。

参照图8至图11，本实施例还利用电磁仿真软件进行电磁仿真，仿真结果如下：

如图8和图9所示，在84GHz时S21为-3.66dB，S31为-3.45dB，幅度不平衡度为0.21dB。

如图10和图11所示，|S21-S31|的角度＝93.25°，相位不平衡度为3.25°。

从仿真结果可知，本耦合器能够使用在平衡式功率放大器的设计中，进行功率的分配和组合。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种全差分叠层变压器结构耦合器，其特征在于：包括依次排布的四层金属层：金属层MQ、金属层M4、金属层M3和金属层M2；

所述金属层MQ和所述金属层M2对称；所述金属层M3和所述金属层M4对称；

金属层MQ和金属层M2上的金属线为跳线，金属层M3的金属线为底部线圈，金属层M4的金属线为顶部线圈；金属层M3和金属层M4的金属线迹线布局均由外、中、内三层正八边形构成；

所述金属层M4具有四个端口，分别为端口+1、端口-1、端口+3、端口-3；

所述金属层M3具有四个端口，分别为端口+2、端口-2、端口+4、端口-4。

2.根据权利要求1所述的全差分叠层变压器结构耦合器，其特征在于：以正八边形的金属层M4的中心为原点建立直角坐标系，其中端口+1位于第二象限，端口-1位于第三象限，端口+3位于第一象限，端口-3位于第四象限；

端口+1经第二象限的外层金属线绕至第一象限，该段金属线呈半外八边形结构；随后由一段连接金属线连接至第四象限的中层金属线，中层金属线从第四象限绕至第三象限处，该段金属线呈半中间的八边形结构；然后再由一段连接金属线绕至第二象限的内层金属线，内层金属线从第二象限绕至第一象限，该段金属线为半内八边形结构；最后经金属层MQ的金属线接端口+3；

端口-1经第三象限的外层金属线绕至第四象限，该段金属线为另一半的外八边形结构；随后经金属层MQ的连接金属线绕至第一象限的中间金属线，中层金属线从第一象限绕至第二象限，该段金属线为另一半的中间的八边形结构；然后经金属层MQ的连接金属线后绕至第三象限的内层金属线；内层金属线从第三象限绕至第四象限，该段金属线为另一半的内八边形结构；最后经金属层MQ的金属线接端口-3。

3.根据权利要求1所述的全差分叠层变压器结构耦合器，其特征在于：以正八边形的金属层M3的中心为原点建立直角坐标系，其中端口+2位于第二象限，端口-2位于第三象限，端口+4位于第一象限，端口-4位于第四象限；

端口+2经第二象限的外层金属线绕至第一象限，该段金属线呈半外八边形结构；随后由一段连接金属线连接至第四象限的中层金属线，中层金属线从第四象限绕至第三象限处，该段金属线呈半中间的八边形结构；然后再由一段连接金属线绕至第二象限的内层金属线，内层金属线从第二象限绕至第一象限，该段金属线为半内八边形结构；最后经金属层M2的金属线接端口+4；

端口-2经第三象限的外层金属线绕至第四象限，该段金属线为另一半的外八边形结构；随后经金属层M2的连接金属线绕至第一象限的中间金属线，中层金属线从第一象限绕至第二象限，该段金属线为另一半的中间的八边形结构；然后经金属层M2的连接金属线后绕至第三象限的内层金属线；内层金属线从第三象限绕至第四象限，该段金属线为另一半的内八边形结构；最后经金属层M2的金属线接端口-4。

4.根据权利要求2或3所述的全差分叠层变压器结构耦合器，其特征在于：所述连接金属线均为45°斜金属线。

5.根据权利要求2或3所述的全差分叠层变压器结构耦合器，其特征在于：金属层MQ与金属层M4之间、金属层M3与金属层M2之间均采用过孔形式连接，所述过孔为实心矩形。

6.根据权利要求1所述的全差分叠层变压器结构耦合器，其特征在于：所述金属线的线宽均为3μm。

7.根据权利要求1所述的全差分叠层变压器结构耦合器，其特征在于：金属层M4和金属层M3相邻的正八边形的金属线之间的间距均为3μm，内层金属线的外径为12μm。

8.根据权利要求1所述的全差分叠层变压器结构耦合器，其特征在于：还包括等效电路，等效电路包括变压器T1、变压器T2、电容CP1、电容CP2、电容CP3和电容CP4、电容CM1、电容CM2、电容CM3、电容CM4；

变压器T1具有端口+1、端口+2、端口+3、端口+4；变压器T2具有端口-1、端口-2、端口-3、端口-4；

变压器T1的端口+2通过电容CP2与变压器T2的端口-2连接；变压器T1的端口+3通过电容CP3与变压器T2的端口-3连接；

电容CP1接在端口+1与端口-1之间，电容CP4接在端口+4与端口-4之间；

电容CM1接在端口+1与端口+4之间；电容CM2接在端口+2与端口+3之间；电容CM3接在端口-2与端口-3之间；电容CM4接在端口-1与端口-4之间。

9.根据权利要求1所述的全差分叠层变压器结构耦合器，其特征在于：所述变压器T1包括电感L1、电感L2；所述变压器T2包括电感L3、电感L4；

电感L1接在端口+1和端口+2之间，电感L2接在端口+3和端口+4之间；

电感L3接在端口-1和端口-2之间，电感L4接在端口-3和端口-4之间。

10.根据权利要求1-9任一项所述的全差分叠层变压器结构耦合器，其特征在于：本耦合器具有四个端口，分别为输入端口1，直通端口2，耦合端口3和隔离端口4。

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