CN116206873A

CN116206873A - 变压器

Info

Publication number: CN116206873A
Application number: CN202211381888.9A
Authority: CN
Inventors: 奥利弗·泰森; 康斯坦丁诺斯·吉安纳基迪斯
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2022-11-04
Publication date: 2023-06-02
Also published as: EP4191619A1; US20230170126A1

Abstract

公开一种变压器(100、100′)，所述变压器(100、100′)包括第一导电元件(110)，所述第一导电元件(110)具有被布置成形成第一多个凸瓣(116)的第一带凸瓣部分(114)；以及第二导电元件(120)，所述第二导电元件(120)具有被布置成形成第二多个凸瓣(126)的第二带凸瓣部分(124)；其中所述第一带凸瓣部分(114)与所述第二带凸瓣部分(124)重叠以限定多个封闭区域(130)。所述变压器适用于需要具有弱、负磁耦合系数的自耦变压器的应用。

Description

变压器

技术领域

本公开涉及一种变压器。特别地，但非排他地，本公开涉及一种适合于提供小、负值磁耦合系数的单片自耦变压器。

背景技术

存在多种设计片上单片变压器的方式。电路设计者感兴趣的主要电参数为变压器匝比n和磁耦合系数k。如果绕组之间的磁耦合是完美的(即，不泄漏磁通量)，那么k为1，而非耦合线圈具有为零的k因数。实际变压器将具有这两个极值之间的k因数。通常对于片上单片变压器，可以实现0.7与0.85之间的k因数。

片上单片变压器的架构包括平行式架构(柴田(Shibata)型)、交错式架构(弗兰(Frlan)型)和堆叠式架构(芬利(Finlay)型)。图1的(a)示出柴田型，在柴田型中，将初级绕组10与次级绕组12提供为嵌套式线圈。此拓扑易于设计，但初级绕组与次级绕组的总长度不相等。因此，尽管每一绕组上具有相同数目的金属匝，但变压器匝比可能不同于1。图1的(b)示出弗兰型，所述弗兰型通过将初级绕组20与次级绕组22提供为交错线圈或双线线圈而部分地消除此不对称性。图1的(c)示出芬利型，在芬利型中，将初级绕组30与次级绕组32提供为堆叠式线圈。相比于交错式架构，此需要更少区域，并且因此允许达到更高耦合系数。然而，上部金属层通常比中间金属层更厚，从而引起更高电阻，并且因此增加上部绕组的IL(插入损耗)。此可能引起变压器的电响应中的不对称性。此外，上部绕组通过下部绕组而对“导电”基板进行电屏蔽，并且因此对于每一绕组，基板的寄生电容(和相关联的耗散)不同。此外，由于重叠的金属层，在绕组之间存在电容的大型平行板组件，鉴于毫米波应用，这限制了频率响应。

然而，用于设计具有中级或高磁耦合系数的变压器与自耦变压器的现有技术和架构不适合于需要弱(例如，低于0.1)和负耦合系数的应用。低磁耦合系数不能够通过简单地增加现有架构中的初级绕组与次级绕组的分离来实现，因为此引起大区域与增加的损耗。

发明内容

所附权利要求书中陈述了本公开的各方面。来自从属权利要求的特征的组合可以任选地与独立权利要求的特征进行组合，而不仅仅是按照权利要求书中所明确陈述的那样组合。

根据本公开的一方面，提供一种变压器，所述变压器包括：

第一导电元件，所述第一导电元件具有被布置成形成第一多个凸瓣的第一带凸瓣部分；以及

第二导电元件，所述第二导电元件具有被布置成形成第二多个凸瓣的第二带凸瓣部分；

其中所述第一带凸瓣部分与所述第二带凸瓣部分重叠以限定多个封闭区域。

本公开的变压器的优点在于，所述变压器可以提供既具有低绝对值的磁耦合系数(例如低于0.1)，又具有相对小区域或占据面积的变压器(包括自耦变压器)。变压器还可以具有负磁耦合系数。

第一多个凸瓣中的连续凸瓣可以由第一导电元件的被布置成在相反方向上缠绕的部分形成。

因此，第一导电元件中的电流流动可以在多个封闭区域中产生磁场，所述磁场可以在临近封闭区域中的相反方向上定向。此还可以帮助减弱变压器对外部辐射的耦合的敏感度。类似地，第二多个凸瓣中的连续凸瓣可以由第二导电元件的被布置成在相反方向上缠绕的部分形成。

所述第一多个凸瓣和/或第二多个凸瓣中的每一凸瓣可以仅包括相应导电元件的仅一部分匝。

以此方式，所述多个封闭区域中的每一封闭区域可以由一侧上的第一导电元件的一部分匝与另一侧上的第二导电元件的一部分匝限定。举例来说，每一凸瓣可以包括相应导电元件的半匝。多个封闭区域的邻近封闭区域可以由所述第一导电元件与所述第二导电元件的交叉点间隔开。

由所述第一多个凸瓣组成的凸瓣的数目可以等于由所述第二多个凸瓣组成的凸瓣的数目。

所述第一带凸瓣部分与所述第二带凸瓣部分可以一起形成对称图案。

由所述第一多个凸瓣组成的凸瓣的数目可以为偶数。

通过提供偶数个凸瓣，可以改良邻近封闭区域处的磁场的抵消与对环境辐射的耦合的抗扰性。

在一些实施例中，所述第一导电元件另外包括第一外部部分，所述第一外部部分在一端处连接到所述第一带凸瓣部分的第一端；并且第二导电元件另外包括第二外部部分，所述第二外部部分在一端处连接到所述第二带凸瓣部分的第一端。

所述第一外部部分与所述第一带凸瓣部分可以被布置成形成第一环；并且所述第二外部部分与所述第二带凸瓣部分可以被布置成形成第二环，所述第二环与所述第一环至少部分地重叠。

在一些实施例中，所述第一外部部分和/或所述第二外部部分的至少一部分大体上是直的。

此可以有助于减少变压器的总区域。

变压器可以大体上对称。

在一些实施例中，所述第一带凸瓣部分的第二端连接到所述第二带凸瓣部分的第二端。

以此方式，可以将变压器配置成自耦变压器。有利地，第一带凸瓣部分的第二端与第二带凸瓣部分的第二端之间的连接可以提供对自耦变压器的中心抽头的便利接入。所述第一带凸瓣部分的所述第二端可以与所述第二带凸瓣部分的所述第二端邻近或重叠。举例来说，所述第一带凸瓣部分的所述第二端与所述第二带凸瓣部分的所述第二端可以定位于所述第一导电元件与所述第二导电元件的交叉点处。

所述第一带凸瓣部分的所述第二端与所述第二带凸瓣部分的所述第二端可以连接到接地，例如连接到接地平面。

可以经由开关连接到接地。

在一些实施例中，变压器为自耦变压器。

第一导电元件和第二导电元件可以分别提供自耦变压器、串联连接的第一导电元件和第二导电元件的初级侧和次级侧。

在一些实施例中，所述第一外部元件被另外布置成限定第一导电元件的全部匝；和/或所述第二外部元件被另外布置成限定第二导电元件的全部匝。

将全部匝包括在第一外部元件与第二外部元件中的一个或两个中可以促进将用于特定应用的变压器的设计优化到取决于应用的特定频率或频率范围。然而，如果需要，可以省略这些调谐元件以减少变压器的占据面积或总区域。

变压器可以形成在基板上。

举例来说，本公开的变压器可以实施为平面单片变压器。举例来说，变压器可以形成在PCB上或形成在包括硅和GaN的任何介电或半导体基板上。变压器可以实施于例如RFIC的集成电路中。

根据本公开的另一方面，提供一种包括如上文所限定的变压器的无源移相器。

上文所限定的变压器可以特别适用于必须将相位-增益最小化的应用中，举例来说，适用于用于模拟波束形成应用的集成式0/90°无源移相器(PPS)中，所述集成式0/90°无源移相器(PPS)可能要求相位-增益在两种模式之间的变化小于0.5dB，因为此仅可对弱负值k(例如在-0.05到-0.15的范围内)实现。

附图说明

将仅借助例子参考附图来描述本公开的示例实施例，在附图中，类似附图标记指代类似元件，并且在附图中：

图1示意性地示出各种单片变压器架构：(a)平行式绕组、(b)交错式绕组和(c)堆叠式绕组；

图2示出根据本公开的示例实施例的变压器的配置；

图3示出根据本公开的另一示例实施例的变压器的配置；

图4示出包括根据本公开的示例实施例的变压器的无源移相器；并且

图5呈现以下的模拟结果：(a)随频率而变化的图2的变压器(针对28GHz优化)的初级侧与次级侧的个别电感(顶部两个迹线)与互电感(下部迹线)；以及(b)随频率而变化的图2的变压器(针对28GHz优化)的初级侧与次级侧的电阻。

具体实施方式

图2示出根据本公开的示例实施例的呈平面单片自耦变压器100形式的变压器100的配置。自耦变压器100包括第一导电元件110和第二导电元件120，从而高效地分别形成自耦变压器100的初级侧和次级侧。第一导电元件110包括一起形成第一环的第一外部部分112和第一带凸瓣部分114。第一外部部分112从第一端P1延伸到第一带凸瓣部分114的第一端。类似地，第二导电元件120包括一起形成第二环的第二外部部分122和第二带凸瓣部分124，第二外部部分122从第二端P2延伸到第二带凸瓣部分124的第一端。第一带凸瓣部分114被布置成形成第一多个凸瓣116，并且第二带凸瓣部分124被布置成形成第二多个凸瓣126。

第一多个凸瓣116和第二多个凸瓣126中的每一个对应于相应导电元件110、120的一连串部分匝，其中每一连续凸瓣116、126在相反方向上缠绕到前一凸瓣116、126。第一导电元件110和第二导电元件120被布置成使得第一带凸瓣部分114与第二带凸瓣部分124重叠以限定多个封闭区域130。每一封闭区域130由一侧上的第一导电元件110的凸瓣116和另一侧上的第二导电元件120的凸瓣126限界，其中邻近封闭区域130由所述第一导电元件110与所述第二导电元件120的交叉点间隔开。

第一带凸瓣部分114中的电流流动由此在封闭区域130中的每一个中产生磁场，所述磁场与邻近封闭区域130中的磁场方向相反。

在此实施例中，第一带凸瓣部分114与第二带凸瓣部分124的相应第二端在中心抽头140处彼此连接以形成自耦变压器。中心抽头140连接到接地。因此，在每一封闭区域130处的第一带凸瓣部分114与第二带凸瓣部分124的相应凸瓣之间的磁耦合为负。因此，第一带凸瓣部分114与第二带凸瓣部分124之间的磁耦合具有负磁耦合系数k。

在此实施例中，中心抽头140定位于第一带凸瓣部分114与第二带凸瓣部分124的交叉点处以促进连接。如果定位于第一带凸瓣部分114与第二带凸瓣部分124的末端处，并且定位于第一端P1与第二端P2之间，那么变压器100的设计提供对中心抽头140的便利接入。

在此实施例中，第一带凸瓣部分114与第二带凸瓣部分124具有相等并且偶数数目个凸瓣116、126，从而形成对称图案。此引起来自邻近对封闭区域130的磁场的至少部分抵消，由此减弱变压器对外部辐射的敏感度。

在图2中所示出的实施例中，第一带凸瓣部分114与第二带凸瓣部分124各自包括四个凸瓣116、126，每一凸瓣包括相应导电元件110、120的半匝。然而，取决于所需的耦合强度和可用区域，可以使用不同数目与形状的凸瓣。

第一外部元件112与第二外部元件122另外包括相应调谐元件150、152，所述调谐元件150、152呈相应第一导电元件110/第二导电元件120的全部匝的形式。调谐元件150、152提供用于便利地调谐变压器值以在设计阶段期间进行微调与优化的构件。调谐元件150、152的尺寸可在竖直和水平方向中的一个或两个上(即，变压器100的平面中)延伸，例如以针对给定频率范围优化变压器。调谐元件150、152的环的形状也可以变化。然而，如果变压器需要特别小的占据面积，那么可以省略调谐元件150、152。

图2中所示出的第一调谐元件150和第二调谐元件152也用低负耦合系数k进行磁耦合，因此自耦变压器100的总磁耦合系数仍为负。

在图2中所示出的实施例中，第一外部部分112和第二外部部分122具有笔直部分，所述笔直部分可以有助于减小变压器100的总区域。然而，可以使用其它配置。

图3示出根据本公开的另一示例实施例的变压器100′。用相同附图标记标记对应于上文参考图2所描述的变压器100的那些元件。

图3与图2的不同之处在于，图3示出变压器100被接地平面160包围。变压器100′形成于基板(例如，包括硅和GaN或PCB的任何介电或半导体基板)上。第一导电元件110和第二导电元件120通过金属化形成在基板上。第(n-1)个金属化层用于形成由黑色和白色图案指示的导电部件110、120的部分。第n个金属化层用于形成由灰色阴影指示的导电元件110、120的部分。在本实施例中，仅使用GaN制造工艺中可用的角(0、45、90度)形成导电元件110、120。然而，可以在其它工艺中使用其它角和曲度。接地平面160可以形成为第(n-1)个金属化层或第n个金属化层的部分，或形成为下部层。在图3中所示出的实施例中，通过开关162将中心抽头140连接到接地平面160。然而，取决于应用，可以使用永久连接。

重要的是，优化本公开的变压器100、100′的设计以允许对中心抽头140的便利接入，从而实现本实施例中的简单并且高效的接地连接。此外，第一端P1和第二端P2对称地定位到变压器100的每一侧，从而促进连接的选路并且因此最小化损耗。

图4示出0/90°无源移相器(PPS)200，所述0/90°无源移相器(PPS)200包括可以使用上文参考图2和3所描述的变压器100、100′实施的自耦变压器250。对于此应用，需要具有低、负值k的自耦变压器250来最小化损耗。此外，输入和输出必须尽可能地接近，以便于选路并且因此最小化损耗。布局还必须顺应于到接地参考的低阻抗路径。

图5呈现针对28GHz优化的变压器100的模拟结果。上部曲线示出随频率而变化的第一导电元件110和第二导电元件120(即，变压器的初级侧和次级侧)的个别电感(顶部两个迹线)和互电感(下部迹线)。可以看到，电感跨越大频率范围大体上相等，并且互电感为弱并且为负，其中绝对值低于0.05。图5的下部曲线示出随频率而变化的第一导电元件110和第二导电元件120(即，变压器的初级侧和次级侧)的电阻。可以看到，电阻跨越大频率范围大体上相等。变压器可在宽频带上操作，并且可以在设计阶段期间针对任何频率优化，尤其通过变化调谐元件150、152的区域来进行优化。

尽管现有变压器设计极耗费区域或具有引起高损耗的高磁耦合系数，但本公开的变压器100的设计提供具有弱磁耦合系数的变压器，而不耗费高区域，并且因此在需要低k变压器的应用中是有利的。举例来说，集成式0/90°无源移相器(PPS)200需要负耦合自耦变压器，所述负耦合自耦变压器具有：低绝对值的磁耦合系数k(以便实现低绝对损耗)、0°与90°模式(也就是说，低相位-增益或P2G)之间的低损耗差，以及随磁耦合系数k变化的无源移相器200的0°与90°模式之间的低相位移动变化ΔΦ。

因此，已描述变压器和包括所述变压器的集成式无源移相器。所述变压器包括第一导电元件，所述第一导电元件具有被布置成形成第一多个凸瓣的第一带凸瓣部分。所述变压器包括第二导电元件，所述第二导电元件具有被布置成形成第二多个凸瓣的第二带凸瓣部分。所述第一带凸瓣部分与所述第二带凸瓣部分重叠以限定多个封闭区域。

变压器的实施例包括单片片上变压器。变压器可以完全对称。变压器特别适合于作为具有弱、负磁耦合的自耦变压器来实施。

虽然上文已经描述本公开的特定示例实施例，但是应了解，可以在所附权利要求书的范围内进行包括添加和/或替代的许多修改。

Claims

1.一种变压器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一多个凸瓣中的连续凸瓣由所述第一导电元件的被布置成在相反方向上缠绕的部分形成。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的变压器，其特征在于，所述第一多个凸瓣和/或所述第二多个凸瓣中的每一凸瓣仅包括相应导电元件的一部分匝。

4.根据在前的权利要求中任一项所述的变压器，其特征在于，由所述第一多个凸瓣组成的凸瓣的数目等于由所述第二多个凸瓣组成的凸瓣的数目。

5.根据在前的权利要求中任一项所述的变压器，其特征在于，由所述第一多个凸瓣组成的凸瓣的所述数目为偶数。

6.根据在前的权利要求中任一项所述的变压器，其特征在于

所述第一导电元件另外包括第一外部部分，所述第一外部部分在一端处连接到所述第一带凸瓣部分的第一端，并且

所述第二导电元件另外包括第二外部部分，所述第二外部部分在一端处连接到所述第二带凸瓣部分的第一端。

7.根据权利要求6所述的变压器，其特征在于

所述第一外部部分与所述第一带凸瓣部分被布置成形成第一环；并且

所述第二外部部分与所述第二带凸瓣部分被布置成形成第二环，所述第二环至少部分地与所述第一环重叠。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的变压器，其特征在于，所述第一外部部分和/或所述第二外部部分的至少一部分大体上是直的。

9.根据在前的权利要求中任一项所述的变压器，其特征在于，所述变压器大体上对称。

10.一种无源移相器，其特征在于，所述无源移相器包括根据在前的权利要求中任一项所述的变压器。