CN114978086A - 基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片，包括共面波导输入端口、T型低通滤波器、π型高通滤波器和共面波导输出端口，T型低通滤波器连接共面波导输入端口；π型高通滤波器连接共面波导输入端口；两个共面波导输出端口分别连接T型低通滤波器和π型高通滤波器；T型低通滤波器的截止频率大于π型高通滤波器的截止频率，输入的信号能够完成平衡信号到两个相位差180°的不平衡信号的传输。本发明T型低通滤波器和π型高通滤波器的组合能够减少了相位不匹配错位，提高了差分信号的传输质量，且共面波导端口的结构进一步减小两个输出端口相位不匹配的缺点，实现高相位匹配的特点，其降低了输入端口的插入损耗。
Description
技术领域
本发明涉及微波器件及集成电路无源射频芯片设计技术领域，尤其是指一种基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片及其应用。
背景技术
随着5G及移动无线通信系统的快速发展，市场对高精度、高可靠性的射频前端器件的需求与日俱增。巴伦作为一种平衡-不平衡信号转化器被广泛应用在天线、混频器及推挽放大器等各类电路系统中，它能够将一个平衡信号转化成两个相位相差180°的非平衡信号，其基本目的是以最小的损耗在两个不同的传输环境中传输信号。
传统的巴伦设计包括Marchand型，Wilkinson型，混合型，微带线型以及集总元件型等，这些不同类型的巴伦设计在总体上可以分为分布式和集总式。分布式巴伦是由1/4波长耦合线和谐振器组合而成，虽然有着较宽的频带以及精确的相位差，但是由于在低频下占据较大的面积，这在日益小型化的射频芯片设计中存在着难以逾越的阻碍。相反，集总型巴伦利用先进的集成无源半导体加工技术，通过电容电感电阻组合成特定的电路结构实现具体的功能，相比于分布式巴伦，集总元件式巴伦不仅大大减小了芯片的面积，而且同样也可实现低损耗、高相位差的优秀传输性能。
为了提高移动通讯系统的终端续航能力，电池体积的大型化和微波器件的小型化及集成化是未来射频芯片的发展趋势，相比较于分布式，集总式的器件更利于小型化，而且经过长期的技术发展，基于集成无源(IPD)半导体加工工艺的技术手段被广泛应用于射频器件的加工制作中。对于一般单独的集成无源器件例如巴伦来说，通常工作在特定的工作频率如GSM、WIFI等特定频率下的损耗大小和相位匹配度直接决定了器件性能的优劣，因此基于IPD加工技术、利用共面波导端口来优化电路结构、物理版图结构以满足微波器件性能的提高具有重要意义和实际应用价值。
因此迫切需要提供一种基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提出一种基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片及其应用其不仅可以减小版图的面积利于小型化设计，而且提高了传输性能，方便封装并与其他电路系统结合并集成在移动终端设备中，有利于商业化推广使用。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片，包括：
共面波导输入端口，所述共面波导输入端口用于输入信号，所述共面波导输入端口设置有传输线；
T型低通滤波器，其通过传输线连接所述共面波导输入端口，所述T型低通滤波器用于接收来自共面波导输入端口的信号，并对信号的截止频率进行调制，得到在低频情况下的传输信号；
π型高通滤波器，其通过传输线连接所述共面波导输入端口，所述π型高通滤波器用于接收来自共面波导输入端口的信号，并对信号的截止频率进行调制，得到在高频情况下的传输信号；
两个共面波导输出端口，所述共面波导输出端口设置有传输线，两个共面波导输出端口通过传输线分别连接所述T型低通滤波器和所述π型高通滤波器；
其中，所述T型低通滤波器和π型高通滤波器的截止频率分布在两个频率上，且所述T型低通滤波器的截止频率大于所述π型高通滤波器的截止频率，在微波频段上，输入的信号能够通过T型低通滤波器和π型高通滤波器完成平衡信号到两个相位差180°的不平衡信号的传输。
在本发明的一个实施例中，所述T型低通滤波器包括第一螺旋电感、第二螺旋电感和第一MIM电容，所述第一螺旋电感串联第二螺旋电感，所述第一MIM电容并联在第一螺旋电感和第二螺旋电感之间的节点并接地组成第一信号通路。
在本发明的一个实施例中，所述第一螺旋电感的一端连接共面波导输入端口，另一端连接到第二螺旋电感，第一螺旋电感和第二螺旋电感的连接处连接第一MIM电容，第一MIM电容的另一端接地。
在本发明的一个实施例中，所述第一螺旋电感的尺寸与所述第二螺旋电感的尺寸相同。
在本发明的一个实施例中，所述π型高通滤波器包括第三螺旋电感、第四螺旋电感和第二MIM电容，所述第三螺旋电感和第四螺旋电感并联在第二MIM电容的两侧节点组成第二信号通路。
在本发明的一个实施例中，所述共面波导输入端口通过传输线与第二MIM电容的一端连接，所述第三螺旋电感和所述第四螺旋电感分别并联在所述第二MIM电容的两侧节点，所述第三螺旋电感和第四螺旋电感的另一侧接地。
在本发明的一个实施例中，第三螺旋电感的尺寸与所述第四螺旋电感的尺寸相同。
在本发明的一个实施例中，第一螺旋电感、第二螺旋电感、第三螺旋电感和第四螺旋电感的尺寸相同，均基于IPD加工工艺的金属堆叠构成圆形螺旋型结构。
在本发明的一个实施例中，第一MIM电容的尺寸与所述第二MIM电容的尺寸不同。
此外，本发明还提供一种如上述所述的基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片在用于传输幅度相等且相位相差180°的电路中的应用。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明包括T型低通滤波器、π型高通滤波器、传输线和CPWG共面波导端口，其中T型低通滤波器和π型高通滤波器的组合能够减少了相位不匹配错位，从而提高了差分信号的传输质量，且CPWG共面波导端口的结构可以进一步减小两个输出端口相位不匹配的缺点，实现高相位匹配的特点，同时相比于普通的输入端口，其降低了输入端口的插入损耗；
(2)本发明低通滤波器和高通滤波器分别采用T型和π型结构，不仅可以减小版图的面积利于小型化设计，而且提高了传输性能，方便封装并与其他电路系统结合并集成在移动终端设备中，有利于商业化推广使用。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例一的巴伦器件的电路原理结构示意图。
图2是本发明实施例一中巴伦器件的版图平面结构示意图。
图3是本发明实施例一中巴伦器件的螺旋电感和MIM电容的3D结构放大示意图。
图4是本发明实施例一中巴伦器件的输入端回波损耗和输出端插入损耗仿真结果示意图。
图5是本发明实施例一中巴伦器件的两个输出端信号的相位相差幅度仿真结果示意图。
说明书附图标记说明：100、输入信号源；110、接地信号源；120、传输线；130、延展接地层；140、第一螺旋电感；141、第二螺旋电感；142、第三螺旋电感；143、第四螺旋电感；150、第一MIM电容；151、第二MIM电容；200、螺旋电感；210、打孔金属块；220、MIM电容。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
请参阅图1所示，本发明实施例提供一种基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片，包括一个共面波导输入端口、两个共面波导输出端口；所述共面波导输入端口设置有传输线120，其分别连接一个T型低通滤波器和一个π型高通滤波器；两个共面波导输出端口分别连接T型低通滤波器和π型高通滤波器。
上述所述T型低通滤波器结构是由两个螺旋电感和一个MIM(Metal-Insulator-Metal)电容组合而成，具体电路结构为第一螺旋电感140和第二螺旋电感141串联组成，第一MIM电容150并联在第一螺旋电感140和第二螺旋电感141之间的节点并接地组成第一信号通路；所述T型低通滤波器接收来自输入端口的信号，并对相应信号截止频率进行调制，得到在低频情况下的传输信号。
进一步的，所述第一螺旋电感140的一端连接输入端口，另一端的底层金属通过IPD加工技术的金属堆叠连接到第二螺旋电感141，在两个螺旋电感的连接处同样通过金属堆叠以完成与第一MIM电容150的连接，第一MIM电容150的另一端连接到地信号；第二螺旋电感141的底层金属同样经过金属堆叠连接到传输线120，完成第一信号通路的低频信号传输。
进一步的，第一螺旋电感140的尺寸与所述第二螺旋电感141的尺寸完全相同。
上述所述π型高通滤波器结构是由两个螺旋电感和一个MIM电容组合而成，所述具体电路结构为第三螺旋电感142和第四螺旋电感143并联在第二MIM电容151的两侧节点组成第二信号通路；所述π型高通滤波器接收来自输入端口的信号，并对相应信号截止频率进行调制，得到在高频情况下的传输信号。
进一步的，所述输入端口通过传输线120与第二MIM电容151的一端进行连接，所述第三螺旋电感142和所述第四螺旋电感143分别并联连接在所述第二MIM电容151的两侧节点，所述第三螺旋电感142和第四螺旋电感143的另一侧通过金属堆叠连接到地信号；所述第二MIM电容151同样经过金属堆叠连接到传输线120，完成第二信号通路的高频信号传输。
进一步的，第三螺旋电感142的尺寸与所述第四螺旋电感143的尺寸完全相同。
所述第一至第四螺旋电感的尺寸完全相同，均基于IPD工艺通过传输线的六层金属堆叠构成圆形螺旋型结构。
进一步的，第一MIM电容150的尺寸与所述第二MIM电容151的尺寸不相同，故对应的电容值也不相同；所述第一MIM电容150和第二MIM电容151分别是在两个平行的金属层之间铺设绝缘的氮化硅层来形成隔离介质层。
所述T型低通滤波器和π型高通滤波器的截止频率分布在两个频率上，所述T型低通滤波器的截止频率大于所述π型高通滤波器的截止频率，以此来拓宽巴伦的工作带宽；所述T型低通滤波器和π型高通滤波器通过传输线连接并在同一高电阻率低损耗的砷化镓基板上完成电路结构布局，在微波频段上，其输入信号能够在低通和高通两个支路上辐射穿透所述金属的电容电感结构,实现巴伦模块以低插入损耗的微波频带信号的传输，最终完成一个平衡信号到两个相位差180°的不平衡信号的传输。
本发明包括T型低通滤波器、π型高通滤波器、传输线和CPWG共面波导端口，其中T型低通滤波器和π型高通滤波器的组合能够减少了相位不匹配错位，从而提高了差分信号的传输质量，且CPWG共面波导端口的结构可以进一步减小两个输出端口相位不匹配的缺点，实现高相位匹配的特点，同时相比于普通的输入端口，其降低了输入端口的插入损耗。
本发明低通滤波器和高通滤波器分别采用T型和π型结构，不仅可以减小版图的面积利于小型化设计，而且提高了传输性能，方便封装并与其他电路系统结合并集成在移动终端设备中，有利于商业化推广使用。
实施例一
下面对本发明提供的一种基于共面波导的低损耗高相位匹配的射频巴伦实施例一进行介绍，参见图1至图5，实施例一包括：
请参见图1至图5所示，一种基于共面波导的低损耗高相位匹配的射频巴伦包括依次层叠设置的接地层、基板层、金属层、隔离介质层，以及在金属层上形成的特定电路结构，所述电路结构包括输入端口Port1、输出端口Port2和Port3、T型低通滤波器、π型高通滤波器。
输入端口Port1包括输入信号源100，以及三个输入输出端口相同接地信号源110。
所述输出端口包括输出端口Port2和输出端口Port3，输出端口Port2和输出端口Port3的结构尺寸完全相同，均由一个相同的信号输入源100和两个相同的接地信号源110组成。
所述延展接地层包括130在内的所有外层金属块。
所述隔离介质层包括第一MIM电容150的氮化硅层介质和第二MIM电容151的氮化硅层介质。
所述特有的电路结构包括T型低通滤波器和π型高通滤波器，T型低通滤波器包括第一螺旋电感140、第二螺旋电感141以及第一MIM电容150；π型高通滤波器包括第三螺旋电感142、第四螺旋电感143以及第二MIM电容151。
所述T型低通滤波器的输入端和输入端口Port1通过传输线120连接，T型低通滤波器的输出端和输出端口Port2通过传输线120连接；所述π型高通滤波器的输入端和第一输入端口Port1通过传输线120连接，π型高通滤波器的输出端和输出端口Port3通过传输线120连接。
所述T型低通滤波器由第一螺旋电感140和第二螺旋电感141串联，第一MIM电容150并联在第一螺旋电感140和第二螺旋电感141的连接处，同时第一MIM电容150的另一侧通过传输线120直接连接在地信号处组成的特定的电路结构组成的，信号从第一螺旋电感140的一端进入，经过完整的低通滤波结构后从第二螺旋电感141的另一端流出。
所述π型高通滤波器由第三螺旋电感142和第四螺旋电感143分别并联在第二MIM电容151的两侧连接处组成的特定的π型电路结构组成的，信号从第二MIM电容151的一端进入，经过完整的高通滤波结构后从第二MIM电容151的另一端流出。
上述螺旋电感200的局部放大部分包括空气桥在内的缠绕结构，其由六层基板或金属堆叠而成；上述MIM电容220的放大结构包括上金属层、下金属层以及中间的介质隔离层在空间内堆叠而成；螺旋电感200和MIM电容220之间通过打孔金属块210连接而成以便信号传输。
上述电容和电感构成的等效电路可以为后续巴伦的分析提供更加精确的等效电路建模。其中T型低通滤波器的电容值和电感值可以通过下面的等式确定：
其中π型高通滤波器的电容值和电感值可以通过下面的等式确定：
式中，LT_LPF和CT_LPF分别表示等效电感和等效电容,Lpi_HPF和Cpi_HPF分别表示等效电感和等效电容,Z0表示特征阻抗，ω表示角频率，角频率与所设计的中心频率有关。在实施案例中螺旋电感尺寸相同，故电感值相同且都为4.69nH，第一MIM电容值为0.80pF，第二MIM电容值为0.89pF。
上述实施例的优点在于：设计的巴伦器件的工作频带约为2.07GHz-2.77GHz，工作频带的范围是依据回波损耗在-15dB以下对应的频率，中心工作频率为2.375GHz，相对带宽可达到29.17％，工作频带内的插入损耗最低为-35.56dB，工作频带内的回波损耗均在-35.56dB至-15.05dB内，整体尺寸仅为940μm×907μm，能够应用于S波段的射频系统；工作频段内的输出的差分信号之间的相位差始终保持稳定在180±3°；高相位匹配的巴伦芯片有利于高质量微波信号的传输同时降低信号的插入损耗；对于小型化的巴伦芯片，能够有效的集成到有源或无源电路系统中。
实施例二
本发明实施例提供了一种基于IPD技术的巴伦模块，其使用基于高介电常数的砷化镓基板，采用先进的集成无源半导体加工工艺，使用多层圆形螺旋结构的电感加强电场耦合作用，采用了空间立体的MIM电容结构，相较于分布式巴伦的微带线设计等方法，不仅大大降低了信号的传输损耗，而且在保证了信号的完整传输的同时，进一步降低了芯片的所占面积，从而降低了成本，更重要的是可以通过金属跳线的方法将所设计的射频巴伦连接到其他电路系统中，并且可以兼容在其他无源或有源电路中，封装组装在多个芯片模块中，满足移动无线终端系统对高性能射频芯片的需求。
在本发明的一个实施例中，所述巴伦芯片包括T型低通滤波器和π型高通滤波器，同时包括传输线120和CPWG接口端口，CPWG端口是由地-信号源-地组合而成的结构，该结构是为了方便利用探针台完成片上测试，目的是为了提高所设计芯片的精确度；所述的所有结构都基于IPD加工工艺的多层金属层构成，组成完整的芯片结构。
在本发明的一个实施例中，所述传输线120和圆形螺旋电感的线宽度均为10-20μm；第一至第四螺旋电感的内径均为90-110μm，线间距均为10-20μm，绕制4圈；所述第一和第二的MIM电容的金属基板延伸层的宽度为10-20μm，所述第一MIM电容的有效电容金属层的长度为20-30μm，宽度为90-94μm；所述第二MIM电容的有效电容金属层的长度为45-55μm，宽度为49-53μm。所述CPWG结构由三个金属接触方形焊盘组成，中间的信号源焊盘的长度为150-170μm，宽度为65-75μm；左右两侧的金属焊盘的长度为190-210μm，宽度为140-160μm；中间信号源的焊盘距离两侧地信号的焊盘的距离相等且水平竖直间距均为35-45μm。
作为优选的，所述传输线和圆形螺旋电感的线宽度均为15μm；第一至第四螺旋电感的内径均为100μm，线间距均为15μm，绕制4圈；所述第一和第二的MIM电容的金属基板延伸层的宽度为15μm，所述第一MIM电容的有效电容金属层的长度为25μm，宽度为92μm；所述第二MIM电容的有效电容金属层的长度为50μm，宽度为51μm。所述CPWG结构由三个金属接触方形焊盘组成，中间的信号源焊盘的长度为160μm，宽度为70μm；左右两侧的金属焊盘的长度为200μm，宽度为150μm；中间信号源的焊盘距离两侧地信号的焊盘的距离相等且水平竖直间距均为40μm。
上述优选的数值具有至少以下优点：1)从元件层面来看，这些数值可以确定电容电感等电气元件的数值，而不同数值电容电感的搭配可以实现器件的高品质因数，从而实现高性能；2)从整体器件层面来看，优化线宽，间距，长度等数值，可以实现巴伦器件的低损耗、高相位匹配度特性，从而提高整体器件的性能；3)从器件整体尺寸层面来看，优化匝数，内径、匝数等数值，可以有效减小器件的整体尺寸、面积，从而实现器件的小型化，便于集成在其他电路系统中。
本发明设计的巴伦模块可以集成嵌入在各类电路系统中，例如推挽放大器、宽带天线、平衡混频器、平衡倍频器、调制器、移相器等以及任何需要在两条传输线路上传输幅度相等且相位相差180°的电路设计中。此外，设计的巴伦模块也可用于无线电及基带视频、雷达、发射机、卫星等无源电路模块中。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片，其特征在于，包括：
共面波导输入端口，所述共面波导输入端口用于输入信号，所述共面波导输入端口设置有传输线；
T型低通滤波器，其通过传输线连接所述共面波导输入端口，所述T型低通滤波器用于接收来自共面波导输入端口的信号，并对信号的截止频率进行调制，得到在低频情况下的传输信号；
π型高通滤波器，其通过传输线连接所述共面波导输入端口，所述π型高通滤波器用于接收来自共面波导输入端口的信号，并对信号的截止频率进行调制，得到在高频情况下的传输信号；
两个共面波导输出端口，所述共面波导输出端口设置有传输线，两个共面波导输出端口通过传输线分别连接所述T型低通滤波器和所述π型高通滤波器；
其中，所述T型低通滤波器和π型高通滤波器的截止频率分布在两个频率上，且所述T型低通滤波器的截止频率大于所述π型高通滤波器的截止频率，在微波频段上，输入的信号能够通过T型低通滤波器和π型高通滤波器完成平衡信号到两个相位差180°的不平衡信号的传输。
2.根据权利要求1所述的基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片，其特征在于：所述T型低通滤波器包括第一螺旋电感、第二螺旋电感和第一MIM电容，所述第一螺旋电感串联第二螺旋电感，所述第一MIM电容并联在第一螺旋电感和第二螺旋电感之间的节点并接地组成第一信号通路。
3.根据权利要求2所述的基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片，其特征在于：所述第一螺旋电感的一端连接共面波导输入端口，另一端连接到第二螺旋电感，第一螺旋电感和第二螺旋电感的连接处连接第一MIM电容，第一MIM电容的另一端接地。
4.根据权利要求2所述的基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片，其特征在于：所述第一螺旋电感的尺寸与所述第二螺旋电感的尺寸相同。
5.根据权利要求1或4所述的基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片，其特征在于：所述π型高通滤波器包括第三螺旋电感、第四螺旋电感和第二MIM电容，所述第三螺旋电感和第四螺旋电感并联在第二MIM电容的两侧节点组成第二信号通路。
6.根据权利要求5所述的基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片，其特征在于：所述共面波导输入端口通过传输线与第二MIM电容的一端连接，所述第三螺旋电感和所述第四螺旋电感分别并联在所述第二MIM电容的两侧节点，所述第三螺旋电感和第四螺旋电感的另一侧接地。
7.根据权利要求5所述的基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片，其特征在于：第三螺旋电感的尺寸与所述第四螺旋电感的尺寸相同。
8.根据权利要求5所述的基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片，其特征在于：第一螺旋电感、第二螺旋电感、第三螺旋电感和第四螺旋电感的尺寸相同，均基于IPD加工工艺的金属堆叠构成圆形螺旋型结构。
9.根据权利要求5所述的基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片，其特征在于：第一MIM电容的尺寸与所述第二MIM电容的尺寸不同。
10.一种如权利要求1至9任一项所述的基于共面波导的低损耗高相位匹配的巴伦芯片在用于传输幅度相等且相位相差180°的电路中的应用。
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