CN114421112B - 一种高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络，包括完全相同的三个片上混合型差分正交耦合器，即片上混合型差分正交耦合器A、片上混合型差分正交耦合器B和片上混合型差分正交耦合器C；所述片上混合型差分正交耦合器B和片上混合型差分正交耦合器C均由片上混合型差分正交耦合器A平移得到，并且所述片上混合型差分正交耦合器B与片上混合型差分正交耦合器C呈轴对称分布。本发明的高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络中采用级联混合型差分正交耦合器的方式，使用相对较小的芯片面积实现适用于超宽带差分信号处理电路的正交耦合器，集成度高，成本低，具有良好的应用前景。

Description

一种高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络
技术领域
本发明涉及射频集成电路技术领域，具体而言，涉及一种高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络。
背景技术
在片上射频收发机中，正交信号(I路信号与Q路信号幅度相等，相位相差90度的信号)的产生是一个很重要的问题，正交信号常常用在混频器、移相器、矢量调制器等电路模块中，以提高镜像抑制比等性能。正交耦合器能够在某个特定的频段产生正交信号，同时进行功率的平均分配。但传统的正交耦合器，例如用四分之一波长传输线或微带线实现的传统正交耦合器、混合型差分正交耦合器、兰格耦合器(Lange couplers)和螺旋耦合器(spiral coupler)等等，都只能在比较窄的频段内产生正交信号，而在这个频段外产生的正交信号往往存在着较大的幅度偏差和相移偏差，严重影响了正交信号的生成质量，从而限制了它们在宽带射频收发机中的应用。
发明内容
本发明旨在提供一种高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络，以解决传统的正交耦合器产生的正交信号存在着较大的幅度偏差和相移偏差的问题。
本发明提供的一种高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络，包括完全相同的三个片上混合型差分正交耦合器，即片上混合型差分正交耦合器A、片上混合型差分正交耦合器B和片上混合型差分正交耦合器C；所述片上混合型差分正交耦合器B和片上混合型差分正交耦合器C均由片上混合型差分正交耦合器A平移得到，并且所述片上混合型差分正交耦合器B与片上混合型差分正交耦合器C呈轴对称分布；
每个片上混合型差分正交耦合器均包括设置在第n-1金属层的差分输入端和差分直通端，以及设置在第n-2金属层的差分耦合端和差分隔离端；片上混合型差分正交耦合器A的差分直通端与片上混合型差分正交耦合器B的差分输入端通过第n-1金属层相连接；片上混合型差分正交耦合器A的差分耦合端与片上混合型差分正交耦合器C的差分输入端通过第n-1金属层和第n-2金属层相连接；并且用于连接片上混合型差分正交耦合器A和片上混合型差分正交耦合器B的第n-1金属层与用于连接片上混合型差分正交耦合器A和片上混合型差分正交耦合器C的第n-1金属层呈轴对称设置；片上混合型差分正交耦合器B的差分直通端和片上混合型差分正交耦合器C的差分耦合端通过第n-1金属层和第n-2金属层相连接后再与差分Q信号输出端连接；片上混合型差分正交耦合器B的差分耦合端和片上混合型差分正交耦合器C的差分直通端通过第n-1金属层和第n-2金属层相连接后再与差分I信号输出端连接。
在一些实施例中，每个片上混合型差分正交耦合器中，差分输入端与差分直通端之间通过差分直通螺旋金属线圈相连接，差分耦合端与差分隔离端之间通过差分耦合螺旋金属线圈相连接。
在一些实施例中，差分输入端分为差分输入端A端和差分输入端B端；差分直通端分为差分直通端A和差分直通端B；差分隔离端分为差分隔离端A和差分隔离端B；差分耦合端分为差分耦合端A和差分耦合端B。
在一些实施例中，第n-1金属层和第n-2金属层中通过金属线、金属跳线和通孔实现各片上混合型差分正交耦合器的连接。
在一些实施例中，差分直通螺旋金属线圈的差分输入端A依次通过第n-1金属层的金属线M15、通孔K14、第n金属层的金属跳线J11、通孔K13、第n-1金属层的金属线M16、通孔K12、第n金属层的金属线M17、通孔K11和第n-1金属层的金属线M18连接到差分直通端A；差分直通螺旋金属线圈的差分输入端B依次通过第n-1金属层的金属线M11、通孔K18、第n金属层的金属跳线J12、通孔K17、第n-1金属层的金属线M12、通孔K16、第n金属层的金属线M13、通孔K15和第n-1金属层的金属线M14连接到差分直通端B。
在一些实施例中，差分耦合螺旋金属线圈的差分隔离端A依次通过第n-2金属层的金属线M21、通孔K25、第n-3金属层的金属线M22、通孔K26、第n-2金属层的金属线M23、通孔K27、第n-3金属层的金属跳线J22、通孔K28和第n-2金属层的金属线M24连接到差分耦合端A；差分耦合螺旋金属线圈的差分隔离端B依次通过第n-2金属层的金属线M25、通孔K21、第n-3金属层的金属线M26、通孔K22、第n-2金属层的金属线M27、通孔K23、第n-3金属层的金属跳线J21、通孔K24和第n-2金属层的金属线M28连接到差分耦合端B。
在一些实施例中，片上混合型差分正交耦合器A的差分直通端A通过第n-1金属层的金属线M41连接到片上混合型差分正交耦合器C的差分输入端A；片上混合型差分正交耦合器A的差分直通端B通过第n-1金属层的金属线M42连接到片上混合型差分正交耦合器C的差分输入端B；片上混合型差分正交耦合器A的差分耦合端A通过通孔K41和第n-1金属层的金属线M43连接到片上混合型差分正交耦合器B的差分输入端B；片上混合型差分正交耦合器A的差分耦合端B通过通孔K42和第n-1金属层的金属线M44连接到片上混合型差分正交耦合器B的差分输入端A。
在一些实施例中，片上混合型差分正交耦合器C的差分直通端A通过第n-1金属层的金属线M31和通孔K36连接到片上混合型差分正交耦合器B的差分耦合端A；片上混合型差分正交耦合器C的差分直通端B通过第n-1金属层的金属线M32和通孔K35连接到混合型差分正交耦合器B的差分耦合端B；片上混合型差分正交耦合器B的差分直通端A通过通孔K38和第n-2金属层的金属线M36连接到片上混合型差分正交耦合器C的差分耦合端B；片上混合型差分正交耦合器B的差分直通端B通过通孔K37通孔和第n-2金属层的金属线M35连接到片上混合型差分正交耦合器C的差分耦合端A；第n-1金属层的金属线M33与第n-1金属层的金属线M31相连接，作为差分I信号输出端A；第n-1金属层的金属线M34通过通孔K31、第n-2金属层的金属线M39、通孔K32与第n-1金属层的金属线M32相连接，作为差分I信号输出端B；第n-1金属层的金属线M37通过通孔K33与第n-2金属层的金属线M35相连接，作为差分Q信号输出端A；第n-1金属层的金属线M38通过通孔K34与第n-2金属层的金属线M36相连接，作为差分Q信号输出端B。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络中采用级联混合型差分正交耦合器的方式，使用相对较小的芯片面积实现适用于超宽带差分信号处理电路的正交耦合器，集成度高，成本低，具有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本发明实施例中高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络的立体结构示意图。
图2是本发明实施例中高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络的平面结构示意图。
图3是本发明实施例中片上混合型差分正交耦合器的差分直通螺旋金属线圈的平面结构示意图。
图4是本发明实施例中片上混合型差分正交耦合器的差分耦合螺旋金属线圈的平面结构示意图。
图5是本发明实施例中高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络差分正交信号输出幅度偏差仿真结果。
图6是本发明实施例中高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络差分正交信号输出相位偏差仿真结果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本实施例提出一种高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络，包括完全相同的三个片上混合型差分正交耦合器，即片上混合型差分正交耦合器A、片上混合型差分正交耦合器B和片上混合型差分正交耦合器C；所述片上混合型差分正交耦合器B和片上混合型差分正交耦合器C均由片上混合型差分正交耦合器A平移得到，并且所述片上混合型差分正交耦合器B与片上混合型差分正交耦合器C呈轴对称分布；
如图2所示，每个片上混合型差分正交耦合器均包括设置在第n-1金属层的差分输入端和差分直通端，以及设置在第n-2金属层的差分耦合端和差分隔离端；片上混合型差分正交耦合器A的差分直通端与片上混合型差分正交耦合器B的差分输入端通过第n-1金属层相连接；片上混合型差分正交耦合器A的差分耦合端与片上混合型差分正交耦合器C的差分输入端通过第n-1金属层和第n-2金属层相连接；并且用于连接片上混合型差分正交耦合器A和片上混合型差分正交耦合器B的第n-1金属层与用于连接片上混合型差分正交耦合器A和片上混合型差分正交耦合器C的第n-1金属层呈轴对称设置；片上混合型差分正交耦合器B的差分直通端和片上混合型差分正交耦合器C的差分耦合端通过第n-1金属层和第n-2金属层相连接后再与差分Q信号输出端连接；片上混合型差分正交耦合器B的差分耦合端和片上混合型差分正交耦合器C的差分直通端通过第n-1金属层和第n-2金属层相连接后再与差分I信号输出端连接。
本实施例中，每个片上混合型差分正交耦合器中，差分输入端与差分直通端之间通过差分直通螺旋金属线圈相连接，如图3所示，差分耦合端与差分隔离端之间通过差分耦合螺旋金属线圈相连接，如图4所示。
本实施例中，差分输入端分为差分输入端A端和差分输入端B端；差分直通端分为差分直通端A和差分直通端B；差分隔离端分为差分隔离端A和差分隔离端B；差分耦合端分为差分耦合端A和差分耦合端B。
第n-1金属层和第n-2金属层中通过金属线、金属跳线和通孔实现各片上混合型差分正交耦合器的连接。需要说明的是，所述差分直通螺旋金属线圈和差分耦合螺旋金属线圈中，螺旋金属线圈的形状包括圆形、椭圆形、方形、五边形、六边形、七边形、八边形或多边形等。本实施例以八边形为例，如图2、图3、图4所示，具体地：
差分直通螺旋金属线圈的差分输入端A依次通过第n-1金属层的金属线M15、通孔K14、第n金属层的金属跳线J11、通孔K13、第n-1金属层的金属线M16、通孔K12、第n金属层的金属线M17、通孔K11和第n-1金属层的金属线M18连接到差分直通端A；
差分直通螺旋金属线圈的差分输入端B依次通过第n-1金属层的金属线M11、通孔K18、第n金属层的金属跳线J12、通孔K17、第n-1金属层的金属线M12、通孔K16、第n金属层的金属线M13、通孔K15和第n-1金属层的金属线M14连接到差分直通端B。
进一步：
差分耦合螺旋金属线圈的差分隔离端A依次通过第n-2金属层的金属线M21、通孔K25、第n-3金属层的金属线M22、通孔K26、第n-2金属层的金属线M23、通孔K27、第n-3金属层的金属跳线J22、通孔K28和第n-2金属层的金属线M24连接到差分耦合端A；
差分耦合螺旋金属线圈的差分隔离端B依次通过第n-2金属层的金属线M25、通孔K21、第n-3金属层的金属线M26、通孔K22、第n-2金属层的金属线M27、通孔K23、第n-3金属层的金属跳线J21、通孔K24和第n-2金属层的金属线M28连接到差分耦合端B。
进一步：
片上混合型差分正交耦合器A的差分直通端A通过第n-1金属层的金属线M41连接到片上混合型差分正交耦合器C的差分输入端A；
片上混合型差分正交耦合器A的差分直通端B通过第n-1金属层的金属线M42连接到片上混合型差分正交耦合器C的差分输入端B；
片上混合型差分正交耦合器A的差分耦合端A通过通孔K41和第n-1金属层的金属线M43连接到片上混合型差分正交耦合器B的差分输入端B；
片上混合型差分正交耦合器A的差分耦合端B通过通孔K42和第n-1金属层的金属线M44连接到片上混合型差分正交耦合器B的差分输入端A。
进一步：
片上混合型差分正交耦合器C的差分直通端A通过第n-1金属层的金属线M31和通孔K36连接到片上混合型差分正交耦合器B的差分耦合端A；
片上混合型差分正交耦合器C的差分直通端B通过第n-1金属层的金属线M32和通孔K35连接到混合型差分正交耦合器B的差分耦合端B；
片上混合型差分正交耦合器B的差分直通端A通过通孔K38和第n-2金属层的金属线M36连接到片上混合型差分正交耦合器C的差分耦合端B；
片上混合型差分正交耦合器B的差分直通端B通过通孔K37通孔和第n-2金属层的金属线M35连接到片上混合型差分正交耦合器C的差分耦合端A；
第n-1金属层的金属线M33与第n-1金属层的金属线M31相连接，作为差分I信号输出端A；
第n-1金属层的金属线M34通过通孔K31、第n-2金属层的金属线M39、通孔K32与第n-1金属层的金属线M32相连接，作为差分I信号输出端B；
第n-1金属层的金属线M37通过通孔K33与第n-2金属层的金属线M35相连接，作为差分Q信号输出端A；
第n-1金属层的金属线M38通过通孔K34与第n-2金属层的金属线M36相连接，作为差分Q信号输出端B。
所述高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络工作时，差分输入端接标准差分100欧姆阻抗的信号源，片上混合型差分正交耦合器A、片上混合型差分正交耦合器B、片上混合型差分正交耦合器C的差分隔离端接100欧姆电阻。差分I信号输出端、差分Q信号输出端分别接匹配负载。如图5、图6所示，可以看出差分I信号输出端、差分Q信号输出端的幅度偏差在20GHz～50GHz的频段范围内小于0.5dB；差分I信号输出端、差分Q信号输出端的相位偏差在20GHz～50GHz的频段范围内小于1°。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络，其特征在于，包括完全相同的三个片上混合型差分正交耦合器，即片上混合型差分正交耦合器A、片上混合型差分正交耦合器B和片上混合型差分正交耦合器C；所述片上混合型差分正交耦合器B和片上混合型差分正交耦合器C均由片上混合型差分正交耦合器A平移得到，并且所述片上混合型差分正交耦合器B与片上混合型差分正交耦合器C呈轴对称分布；
每个片上混合型差分正交耦合器均包括设置在第n-1金属层的差分输入端和差分直通端，以及设置在第n-2金属层的差分耦合端和差分隔离端；片上混合型差分正交耦合器A的差分直通端与片上混合型差分正交耦合器B的差分输入端通过第n-1金属层相连接；片上混合型差分正交耦合器A的差分耦合端与片上混合型差分正交耦合器C的差分输入端通过第n-1金属层和第n-2金属层相连接；并且用于连接片上混合型差分正交耦合器A和片上混合型差分正交耦合器B的第n-1金属层与用于连接片上混合型差分正交耦合器A和片上混合型差分正交耦合器C的第n-1金属层呈轴对称设置；片上混合型差分正交耦合器B的差分直通端和片上混合型差分正交耦合器C的差分耦合端通过第n-1金属层和第n-2金属层相连接后再与差分Q信号输出端连接；片上混合型差分正交耦合器B的差分耦合端和片上混合型差分正交耦合器C的差分直通端通过第n-1金属层和第n-2金属层相连接后再与差分I信号输出端连接。
2.根据权利要求1所述的高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络，其特征在于，每个片上混合型差分正交耦合器中，差分输入端与差分直通端之间通过差分直通螺旋金属线圈相连接，差分耦合端与差分隔离端之间通过差分耦合螺旋金属线圈相连接。
3.根据权利要求2所述的高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络，其特征在于，差分输入端分为差分输入端A端和差分输入端B端；差分直通端分为差分直通端A和差分直通端B；差分隔离端分为差分隔离端A和差分隔离端B；差分耦合端分为差分耦合端A和差分耦合端B。
4.根据权利要求3所述的高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络，其特征在于，第n-1金属层和第n-2金属层中通过金属线、金属跳线和通孔实现各片上混合型差分正交耦合器的连接。
5.根据权利要求4所述的高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络，其特征在于，差分直通螺旋金属线圈的差分输入端A依次通过第n-1金属层的金属线M15、通孔K14、第n金属层的金属跳线J11、通孔K13、第n-1金属层的金属线M16、通孔K12、第n金属层的金属线M17、通孔K11和第n-1金属层的金属线M18连接到差分直通端A；差分直通螺旋金属线圈的差分输入端B依次通过第n-1金属层的金属线M11、通孔K18、第n金属层的金属跳线J12、通孔K17、第n-1金属层的金属线M12、通孔K16、第n金属层的金属线M13、通孔K15和第n-1金属层的金属线M14连接到差分直通端B。
6.根据权利要求5所述的高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络，其特征在于，差分耦合螺旋金属线圈的差分隔离端A依次通过第n-2金属层的金属线M21、通孔K25、第n-3金属层的金属线M22、通孔K26、第n-2金属层的金属线M23、通孔K27、第n-3金属层的金属跳线J22、通孔K28和第n-2金属层的金属线M24连接到差分耦合端A；差分耦合螺旋金属线圈的差分隔离端B依次通过第n-2金属层的金属线M25、通孔K21、第n-3金属层的金属线M26、通孔K22、第n-2金属层的金属线M27、通孔K23、第n-3金属层的金属跳线J21、通孔K24和第n-2金属层的金属线M28连接到差分耦合端B。
7.根据权利要求6所述的高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络，其特征在于，片上混合型差分正交耦合器A的差分直通端A通过第n-1金属层的金属线M41连接到片上混合型差分正交耦合器C的差分输入端A；片上混合型差分正交耦合器A的差分直通端B通过第n-1金属层的金属线M42连接到片上混合型差分正交耦合器C的差分输入端B；片上混合型差分正交耦合器A的差分耦合端A通过通孔K41和第n-1金属层的金属线M43连接到片上混合型差分正交耦合器B的差分输入端B；片上混合型差分正交耦合器A的差分耦合端B通过通孔K42和第n-1金属层的金属线M44连接到片上混合型差分正交耦合器B的差分输入端A。
8.根据权利要求7所述的高集成度片上超宽带差分正交信号生成网络，其特征在于，片上混合型差分正交耦合器C的差分直通端A通过第n-1金属层的金属线M31和通孔K36连接到片上混合型差分正交耦合器B的差分耦合端A；片上混合型差分正交耦合器C的差分直通端B通过第n-1金属层的金属线M32和通孔K35连接到混合型差分正交耦合器B的差分耦合端B；片上混合型差分正交耦合器B的差分直通端A通过通孔K38和第n-2金属层的金属线M36连接到片上混合型差分正交耦合器C的差分耦合端B；片上混合型差分正交耦合器B的差分直通端B通过通孔K37通孔和第n-2金属层的金属线M35连接到片上混合型差分正交耦合器C的差分耦合端A；第n-1金属层的金属线M33与第n-1金属层的金属线M31相连接，作为差分I信号输出端A；第n-1金属层的金属线M34通过通孔K31、第n-2金属层的金属线M39、通孔K32与第n-1金属层的金属线M32相连接，作为差分I信号输出端B；第n-1金属层的金属线M37通过通孔K33与第n-2金属层的金属线M35相连接，作为差分Q信号输出端A；第n-1金属层的金属线M38通过通孔K34与第n-2金属层的金属线M36相连接，作为差分Q信号输出端B。
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