CN117954820A - 差分正交信号耦合器及片上射频收发系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种差分正交信号耦合器及片上射频收发系统，结合两段第一金属线结构、两段第二金属线结构及两段介电结构设计差分正交信号耦合器，一段第一金属线结构、一段第二金属线结构及一段介电结构形成一段类同轴线结构，将差分正交信号耦合器设计为两段对称的类同轴线结构，基于同轴设置的第二金属线结构与第一金属线结构之间的电容耦合效应，来实现射频信号的耦合传输，在保证信号耦合的基础上，能减小差分正交信号耦合器的平面占用面积，降低了对应耦合线的尺寸，减小了耦合器上的损耗；在设计制作时能根据实际需求调节第二金属线结构与第一金属线结构的尺寸参数，进而能调节耦合器的特征阻抗，增加了耦合器的工作带宽。

Description

差分正交信号耦合器及片上射频收发系统

技术领域

本发明涉及射频技术领域，特别是涉及一种差分正交信号耦合器及片上射频收发系统。

背景技术

在片上射频收发系统中，正交信号发射器有着重要作用。正交信号耦合器能够将高频本振信号转化为两路幅度相位，相位相差90°的信号。目前常用的耦合器有，利用四分之一波长传输线实现的传统正交耦合器、混合差分正交耦合器、兰格耦合器、基于变压器的耦合器等等，但是这些结构通常占用面积较大，且有较大的损耗。在集成电路设计中，更大的面积意味着需要更高的成本和更大的体积；更大的损耗，意味着更高的功耗。因此，小型化、低损耗的正交耦合器，能够有效降低射频收发芯片的面积与功耗。

但是，现有技术中的正交耦合器仍存在不少缺陷：对于分支线混合网络结构，是利用在不同节点出的反射与传输来实现功率分配及90°的移相，其每个臂的长度约为四分之一波；耦合线定向耦合器则是通过两个线之间的耦合来实现功率分配及90°的移相，长度也约为四分之一波长；如果对于一个频率为60GHz的信号，在相对介电常数为4的介质中传播，其四分之一波为625μm，这对于芯片而言将会占据很大一部分面积，使得结构小型化设计受限。

因此，目前亟需一种更小尺寸面积的片上正交耦合技术方案。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种片上差分正交信号耦合器技术方案，将差分正交信号耦合器设计为两段对称的类同轴线结构，基于同轴设置的第二金属线结构与第一金属线结构之间的电容耦合效应，来实现射频信号的耦合传输，整体为三维立体的层叠结构，相较二维平面内两段金属线直接相连的结构设计，其平面占用面积更小，能有效降低对应耦合线的尺寸，且减小了耦合器上的损耗。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案如下。

一种片上差分正交信号耦合器，包括：

两段沿着第一方向对称设置的第一金属线结构；

两段沿着所述第一方向对称设置的第二金属线结构，第一段所述第二金属线结构与第一段所述第一金属线结构同轴设置，且第一段所述第二金属线结构围绕着第一段所述第一金属线结构设置，第二段所述第二金属线结构与第二段所述第一金属线结构同轴设置，且第二段所述第二金属线结构围绕着第二段所述第一金属线结构设置；

两段沿着第一方向对称设置的介电结构，第一段所述介电结构填充设置在第一段所述第一金属线结构与第一段所述第二金属线结构之间，且第一段所述介电结构包覆第一段所述第二金属线结构，第二段所述介电结构填充设置在第二段所述第一金属线结构与第二段所述第二金属线结构之间，且第二段所述介电结构包覆第二段所述第二金属线结构。

可选地，所述第一金属线结构、所述第二金属线结构及所述介电结构还分别沿着第二方向对称设置。

可选地，第一段所述第一金属线结构的第一端与第二段所述第一金属线结构的第一端构成所述差分正交信号耦合器的差分输入端口，第一段所述第一金属线结构的第二端与第二段所述第一金属线结构的第二端构成所述差分正交信号耦合器的Q路差分输出端口，第一段所述第二金属线结构的第一端与第二段所述第二金属线结构的第一端构成所述差分正交信号耦合器的I路差分输出端口，第一段所述第二金属线结构的第二端与第二段所述第二属线结构的第二端构成所述差分正交信号耦合器的差分隔离端口。

可选地，第一段所述第二金属线结构的第二端与第二段所述第二属线结构的第二端之间串接设置有匹配电阻，所述匹配电阻的阻值等于所述差分正交信号耦合器的特征阻抗的平均值。

可选地，沿着所述差分输入端口到所述Q路差分输出端口，所述差分正交信号耦合器的特征阻抗逐渐增加。

可选地，所述第一金属线结构为单层金属结构，所述第二金属线结构为三层金属加两层过孔结构。

可选地，所述第一金属线结构包括第一金属线，所述第二金属线结构包括第二金属线、第三金属线、第四金属线、第五金属线、第六金属线及第七金属线，所述第二金属线与所述第三金属线同层独立设置在第一层，所述第四金属线、所述第一金属线及所述第五金属线同层独立设置在第二层，所述第六金属线与所述第七金属线同层独立设置在第三层，所述第一层、所述第二层及所述第三层沿着第三方向依次间隔设置，所述第四金属线通过第一过孔与所述第二金属线连接，所述第四金属线通过第二过孔与所述第六金属线连接，所述第五金属线通过第三过孔与所述第三金属线连接，所述第五金属线通过第四过孔与所述第七金属线连接。

可选地，在所述第二金属线结构的两端处，所述第二金属线与所述第三金属线连接，或者所述第六金属线与所述第七金属线连接。

可选地，通过调节所述第一金属线沿着第二方向的尺寸，通过调节所述第一金属线与所述第四金属线及所述第五金属线之间沿着所述第二方向的间距，通过调节所述第一金属线与所述第二金属线、所述第三金属线、所述第六金属线及所述第七金属线之间沿着所述第三方向的重叠面积，通过调节所述第一金属线与所述第二金属线、所述第三金属线、所述第六金属线及所述第七金属线之间沿着所述第三方向的间距，来调节所述差分正交信号耦合器的特征阻抗。

一种片上射频收发系统，包括如上述中任一项所述的差分正交信号耦合器，所述差分正交信号耦合器基于半导体工艺集成设置在片上，对射频信号进行正交耦合处理。

如上所述，本发明提供的差分正交信号耦合器及片上射频收发系统，至少具有以下有益效果：

结合两段第一金属线结构、两段第二金属线结构及两段介电结构设计差分正交信号耦合器，一段第一金属线结构、一段第二金属线结构及一段介电结构形成一段类同轴线结构，使得差分正交信号耦合器设计为两段对称的类同轴线结构，基于同轴设置的第二金属线结构与第一金属线结构之间的电容耦合效应，来实现射频信号的耦合传输，整体为三维立体的层叠结构，相较二维平面内两段金属线直接相连的结构设计，其平面占用面积更小，能有效降低对应耦合线的尺寸，且减小了耦合器上的损耗；同时，通过调节第二金属线结构与第一金属线结构的尺寸参数，即可调节耦合器的特征阻抗，能有效增加耦合器的工作带宽；将这种小型化、低损耗的差分正交耦合器应用到片上射频收发系统时，能有效降低射频收发芯片的面积与功耗。

附图说明

图1显示为本发明中差分正交信号耦合器的结构俯视图。

图2显示为本发明中差分正交信号耦合器沿着轴线b方向的结构侧视图。

图3-图5显示为本发明不同可选实施例中差分正交信号耦合器的端口处沿着轴线a方向的结构侧视图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1-图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如前述在背景技术中所述的，发明人研究发现，现有技术中的正交耦合器的尺寸仍然不够小，将其应用到片上射频收发系统时，将会占据射频收发芯片的很大一部分面积，不利于射频收发芯片的面积及功耗的降低。

基于此，本发明提出一种简单高效的片上差分正交信号耦合技术方案：结合两段第一金属线结构、两段第二金属线结构及两段介电结构设计差分正交信号耦合器，一段第一金属线结构、一段第二金属线结构及一段介电结构形成一段类同轴线结构，将差分正交信号耦合器设计为两段对称的类同轴线结构，基于同轴设置的第二金属线结构与第一金属线结构之间的电容耦合效应，来实现射频信号的耦合传输，以减小其平面占用面积、降低对应耦合线的尺寸、减小耦合器上的损耗；同时，通过调节第二金属线结构与第一金属线结构的尺寸参数，即可调节耦合器的特征阻抗，以增加耦合器的工作带宽。

首先，如图1所示，本发明提出一种片上差分正交信号耦合器，其包括：

两段沿着第一方向(即Y轴方向或者轴线a的方向)对称设置的第一金属线结构1；

两段沿着第一方向对称设置的第二金属线结构2，第一段第二金属线结构2(即为左侧的第二金属线结构2)与第一段第一金属线结构1(即为左侧的第一金属线结构1)同轴设置，且第一段第二金属线结构2围绕着第一段第一金属线结构1设置，第二段第二金属线结构2(即为右侧的第二金属线结构2)与第二段第一金属线结构1(即为右侧的第一金属线结构1)同轴设置，且第二段第二金属线结构2围绕着第二段第一金属线结构1设置；

两段沿着第一方向对称设置的介电结构3，第一段介电结构3(即为左侧的介电结构3)填充设置在第一段第一金属线结构1与第一段第二金属线结构2之间，且第一段介电结构3包覆第一段第二金属线结构2，第二段介电结构3(即为右侧的介电结构3)填充设置在第二段第一金属线结构1与第二段第二金属线结构2之间，且第二段介电结构3包覆第二段第二金属线2结构。

详细地，如图1所示，在XY平面内，第一段第一金属线结构1、第一段第二金属线结构2及第一段介电结构3构成第一段类同轴线结构，第二段第一金属线结构1、第二段第二金属线结构2及第二段介电结构3构成第二段类同轴线结构，第一段类同轴线结构与第二段类同轴线结构沿着第一方向对称设置。

详细地，如图1所示，第一金属线结构1、第二金属线结构2及介电结构3还分别沿着第二方向(即X轴方向或者轴线b的方向)对称设置，即第一段类同轴线结构与第二段类同轴线结构分别沿着第二方向对称设置。

详细地，如图1所示，第一段第一金属线结构1的第一端与第二段第一金属线结构1的第一端构成差分正交信号耦合器的差分输入端口P1，第一段第一金属线结构1的第二端与第二段第一金属线结构1的第二端构成差分正交信号耦合器的Q路差分输出端口P2，第一段第二金属线结构2的第一端与第二段第二金属线结构2的第一端构成差分正交信号耦合器的I路差分输出端口P3，第一段第二金属线结构2的第二端与第二段第二属线结构2的第二端构成差分正交信号耦合器的差分隔离端口P4。

更详细地，如图1所示，第一段第二金属线结构2的第二端与第二段第二属线结构2的第二端之间串接设置有匹配电阻R，为了使得各个端口都是处于匹配状态，匹配电阻R的阻值等于差分正交信号耦合器的特征阻抗的平均值，也可以在平均值上下波动，从而调整差分正交信号耦合器的工作频率。

需要说明的是，差分正交信号耦合器关于轴线a两边对称，左右两侧的类同轴线结构由多个类同轴线的金属走线组成。为了提高差分正交信号耦合器的工作带宽，金属走线的特征阻抗可以是不一致的，例如在图1中，金属走线的阻抗从差分输入端口P1到Q路差分输出端口P2是逐渐增加的，这使得差分正交信号耦合器的特征阻抗逐渐增加，当然为了绘制版图的方便，所有金属走线的特征阻抗可以是一致的，具体的阻抗排列方式取决于想要的工作带宽。

详细地，如图2所示，第一金属线结构1为单层金属结构，第二金属线结构2为三层金属加两层过孔结构。

更详细地，如图2所示，第一金属线结构1包括第一金属线M1，第二金属线结构2包括第二金属线M2、第三金属线M3、第四金属线M4、第五金属线M5、第六金属线M6及第七金属线M7，第二金属线M2与第三金属线M3同层独立设置在第一层，第四金属线M4、第一金属线M1及第五金属线M5同层独立设置在第二层，第六金属线M6与第七金属线M7同层独立设置在第三层，第一层、第二层及第三层沿着第三方向(即Z轴方向)依次间隔设置，第四金属线M4通过第一过孔V1与第二金属线M2连接，第四金属线M4通过第二过孔V2与第六金属线M6连接，第五金属线M5通过第三过孔V3与第三金属线M3连接，第五金属线M5通过第四过孔V4与第七金属线M7连接。

详细地，如图3-图5所示，为了增强耦合性，在第二金属线结构2的两端处，针对每段第二金属线结构2，左右两侧相互独立的半包围金属线结构连接在一起，如第二金属线M2与第三金属线M3连接，或者第六金属线M6与第七金属线M7连接。

更详细地，如图3所示，在本发明的一可选实施例中，在第二金属线结构2的两端处，第六金属线M6与第七金属线M7连接。

更详细地，如图4所示，在本发明的另一可选实施例中，在第二金属线结构2的两端处，第二金属线M2与第三金属线M3连接。

更详细地，如图5所示，在本发明的又一可选实施例中，在第二金属线结构2的两端处，第二金属线M2与第三金属线M3连接，且第六金属线M6与第七金属线M7连接。

详细地，如图2所示，第二金属线M2及第三金属线M3可通过第一层的金属层刻蚀得到，第四金属线M4、第一金属线M1及第五金属线M5可通过第二层的金属层刻蚀得到，第六金属线M6及第七金属线M7可通过第三层的金属层刻蚀得到。通常而言为了减小线的损耗，第一层的金属层的厚度取决于需要的特征阻抗值，第二层的金属层和第三层的金属层为集成电路工艺中的顶层厚金属。

同时，能通过调节各个金属线的横向(即第二方向)尺寸、各个金属线之间的横向距离或者纵向(即第三方向)距离，来调节差分正交信号耦合器的特征阻抗，使得差分正交信号耦合器的特征阻抗沿着差分输入端口P1到Q路差分输出端口P2方向具有多种不同的变化趋势，如逐渐增加或者保持不变等，使得差分正交信号耦合器的特征阻抗灵活可调，能适用于多种不同的工作带宽。

详细地，如图2所示，调节第一金属线M1沿着第二方向的尺寸，通过调节第一金属线M1与第四金属线M4及第五金属线M5之间沿着第二方向的间距，通过调节第一金属线M1与第二金属线M2、第三金属线M3、第六金属线M6及第七金属线M7之间沿着第三方向的重叠面积，通过调节第一金属线M1与第二金属线M2、第三金属线M3、第六金属线M6及第七金属线M7之间沿着第三方向的间距，来调节差分正交信号耦合器的特征阻抗。

更详细地，如图2所示，可采用以下调节步骤来增加差分正交信号耦合器的特征阻抗：

1)、减小第一金属线M1沿着第二方向的尺寸，或者增加第一金属线M1与第四金属线M4及第五金属线M5之间沿着第二方向的间距；

2)、减小第一金属线M1与第二金属线M2、第三金属线M3、第六金属线M6及第七金属线M7之间沿着第三方向的重叠面积；

3)、增加第一金属线M1与第二金属线M2、第三金属线M3、第六金属线M6及第七金属线M7之间沿着第三方向的间距。

更详细地，如图2所示，可采用以下调节步骤来减小差分正交信号耦合器的特征阻抗：

1)、增加第一金属线M1沿着第二方向的尺寸，或者减小第一金属线M1与第四金属线M4及第五金属线M5之间沿着第二方向的间距；

2)、增加第一金属线M1与第二金属线M2、第三金属线M3、第六金属线M6及第七金属线M7之间沿着第三方向的重叠面积；

3)、减小第一金属线M1与第二金属线M2、第三金属线M3、第六金属线M6及第七金属线M7之间沿着第三方向的间距。

需要说明的是，还能通过调节第二金属线M2与第三金属线M3之间沿着第二方向的距离，或者调节第六金属线M6与第七金属线M7之间沿着第二方向的距离，来调节特征阻抗。但是，第二金属线M2与第三金属线M3之间沿着第二方向的距离，或者第六金属线M6与第七金属线M7之间沿着第二方向的距离，以及第一金属线M1与第四金属线M4及第五金属线M5之间沿着第二方向的间距，不能取到小于工艺所允许的最小尺寸。

其中，第二金属线M2与第三金属线M3之间沿着第二方向的距离，或者第六金属线M6与第七金属线M7之间沿着第二方向的距离，可以为零；第一金属线M1与第四金属线M4及第五金属线M5之间沿着第二方向的间距不能为零。

因此，在本发明中，基于多段金属走线形成类同轴线结构的差分正交信号耦合器，差分正交信号耦合器的特征阻抗可根据金属走线的尺寸、距离等参数灵活调节，进而能提高差分正交信号耦合器的工作带宽。

其次，本发明还提供一种片上射频收发系统，包括所述差分正交信号耦合器，所述差分正交信号耦合器基于半导体工艺(如交替多层的沉积和刻蚀)集成设置在片上，所述差分正交信号耦合器对片上收发的射频信号进行正交耦合处理，基于类同轴线结构，在保证射频信号进行耦合传输的基础上，减小了所述差分正交信号耦合器的占用面积和整体尺寸，便于片上系统的高密度小型化集成。同时，类同轴线结构中的各段金属走线的参数灵活可调，可根据实际需求形成各种不同分布情况的特征阻抗，进而能提高所述差分正交信号耦合器的工作带宽，使得其适用于多种不同频率射频信号的耦合。

综上所述，在本发明提供的差分正交信号耦合器及片上射频收发系统中，结合两段第一金属线结构、两段第二金属线结构及两段介电结构设计差分正交信号耦合器，一段第一金属线结构、一段第二金属线结构及一段介电结构形成一段类同轴线结构，将差分正交信号耦合器设计为两段对称的类同轴线结构，基于同轴设置的第二金属线结构与第一金属线结构之间的电容耦合效应，来实现射频信号的耦合传输，在保证信号耦合的基础上，能减小差分正交信号耦合器的平面占用面积，降低了对应耦合线的尺寸，减小了耦合器上的损耗；同时，类同轴线结构中第二金属线结构与第一金属线结构的尺寸参数灵活可调，在设计制作时能根据实际需求调节第二金属线结构与第一金属线结构的尺寸参数，进而能调节耦合器的特征阻抗，增加了耦合器的工作带宽，使得其适用于多种不同频率射频信号的耦合；将其应用到片上射频收发系统时，能有效降低射频收发芯片的面积与功耗。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种片上差分正交信号耦合器，其特征在于，包括：

两段沿着第一方向对称设置的第一金属线结构；

两段沿着所述第一方向对称设置的第二金属线结构，第一段所述第二金属线结构与第一段所述第一金属线结构同轴设置，且第一段所述第二金属线结构围绕着第一段所述第一金属线结构设置，第二段所述第二金属线结构与第二段所述第一金属线结构同轴设置，且第二段所述第二金属线结构围绕着第二段所述第一金属线结构设置；

两段沿着所述第一方向对称设置的介电结构，第一段所述介电结构填充设置在第一段所述第一金属线结构与第一段所述第二金属线结构之间，且第一段所述介电结构包覆第一段所述第二金属线结构，第二段所述介电结构填充设置在第二段所述第一金属线结构与第二段所述第二金属线结构之间，且第二段所述介电结构包覆第二段所述第二金属线结构。

2.根据权利要求1所述的差分正交信号耦合器，其特征在于，所述第一金属线结构、所述第二金属线结构及所述介电结构还分别沿着第二方向对称设置。

3.根据权利要求2所述的差分正交信号耦合器，其特征在于，第一段所述第一金属线结构的第一端与第二段所述第一金属线结构的第一端构成所述差分正交信号耦合器的差分输入端口，第一段所述第一金属线结构的第二端与第二段所述第一金属线结构的第二端构成所述差分正交信号耦合器的Q路差分输出端口，第一段所述第二金属线结构的第一端与第二段所述第二金属线结构的第一端构成所述差分正交信号耦合器的I路差分输出端口，第一段所述第二金属线结构的第二端与第二段所述第二属线结构的第二端构成所述差分正交信号耦合器的差分隔离端口。

4.根据权利要求3所述的差分正交信号耦合器，其特征在于，第一段所述第二金属线结构的第二端与第二段所述第二属线结构的第二端之间串接设置有匹配电阻，所述匹配电阻的阻值等于所述差分正交信号耦合器的特征阻抗的平均值。

5.根据权利要求3所述的差分正交信号耦合器，其特征在于，沿着所述差分输入端口到所述Q路差分输出端口，所述差分正交信号耦合器的特征阻抗逐渐增加。

6.根据权利要求1所述的差分正交信号耦合器，其特征在于，所述第一金属线结构为单层金属结构，所述第二金属线结构为三层金属加两层过孔结构。

7.根据权利要求6所述的差分正交信号耦合器，其特征在于，所述第一金属线结构包括第一金属线，所述第二金属线结构包括第二金属线、第三金属线、第四金属线、第五金属线、第六金属线及第七金属线，所述第二金属线与所述第三金属线同层独立设置在第一层，所述第四金属线、所述第一金属线及所述第五金属线同层独立设置在第二层，所述第六金属线与所述第七金属线同层独立设置在第三层，所述第一层、所述第二层及所述第三层沿着第三方向依次间隔设置，所述第四金属线通过第一过孔与所述第二金属线连接，所述第四金属线通过第二过孔与所述第六金属线连接，所述第五金属线通过第三过孔与所述第三金属线连接，所述第五金属线通过第四过孔与所述第七金属线连接。

8.根据权利要求7所述的差分正交信号耦合器，其特征在于，在所述第二金属线结构的两端处，所述第二金属线与所述第三金属线连接，或者所述第六金属线与所述第七金属线连接。

9.根据权利要求7所述的差分正交信号耦合器，其特征在于，通过调节所述第一金属线沿着第二方向的尺寸，通过调节所述第一金属线与所述第四金属线及所述第五金属线之间沿着所述第二方向的间距，通过调节所述第一金属线与所述第二金属线、所述第三金属线、所述第六金属线及所述第七金属线之间沿着所述第三方向的重叠面积，通过调节所述第一金属线与所述第二金属线、所述第三金属线、所述第六金属线及所述第七金属线之间沿着所述第三方向的间距，来调节所述差分正交信号耦合器的特征阻抗。

10.一种片上射频收发系统，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的差分正交信号耦合器，所述差分正交信号耦合器基于半导体工艺集成设置在片上，对射频信号进行正交耦合处理。