CN118073064A - 射频叠层变压器、输出匹配网络及射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种射频叠层变压器、输出匹配网络及射频功率放大器，射频叠层变压器呈多层基板结构，射频叠层变压器包括：主级线圈，设置在第一金属层；次级线圈，包括电性连接的主体部和桥接部，主体部设置在第二金属层，桥接部设置在第三金属层；以及，接地的第四金属层；其中，主级线圈和次级线圈反相耦合；第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层依次层叠设置且两两之间通过绝缘介质层隔开。输出匹配网络包括射频层叠变压器。射频功率放大器包括射频层叠变压器或输出匹配网络。射频叠层变压器呈多层基板结构，能实现较低的匹配损耗，且能够极大降低成本。

Description

射频叠层变压器、输出匹配网络及射频功率放大器

技术领域

本发明一般涉及射频微波领域，具体涉及一种射频叠层变压器、输出匹配网络及射频功率放大器。

背景技术

近年来，随着手机、物联网以及无线局域网等通信系统发展，射频变压器作为一种新型无源器件在集成电路得到广泛的应用。与电感等其他器件相比，变压器具有集成度高、面积小、损耗小以及便于直流偏置等特点，可被应用在阻抗匹配和功率放大器功率合成网络。此外，变压器还可以实现差分信号和单端信号之间的转换。

射频前端模组位于天线以及射频收发之间，是电子通信终端系统中核心组成器件。在一些射频功率放大器中，如推挽放大器电路中会使用到变压器等结构，一些应用中会将变压器结构集成在芯片或者基板上。

在一些特定应用中，采用差分结构能够提高阻抗变换比，从而降低匹配损耗，图1给出了对称互绕变压器线圈绕组。其中R1和R2可看成寄生串联电阻。由于对称互绕变压器结构完全对称，匝数比通常在1∶1到1∶2之间，次级线圈为串联结构，故电流相同。电流与匝数关系如下：

当M＝2时，采用差分结构，阻抗计算公式如下：

当M＝1时，采用单路匹配，公式如下：

其中，Rin为主级线圈输入端的输入阻抗。

目前，射频功率放大器的差分负载阻抗与50Ω阻抗的变换比一般在6-8左右，当阻抗变换比较大时候，由于基板或者芯片面积以及金属层数极为有限，难以同时兼顾变压器性能以及面积，从而加剧电路匹配损耗，制约射频功率放大器的性能。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种射频叠层变压器、输出匹配网络及射频功率放大器。

第一方面，本发明实施例提供一种射频叠层变压器，所述射频叠层变压器呈多层基板结构，所述射频叠层变压器包括：

主级线圈，设置在第一金属层；

次级线圈，包括电性连接的主体部和桥接部，所述主体部设置在第二金属层，所述桥接部设置在第三金属层；以及，

接地的第四金属层；其中，

所述主级线圈和所述次级线圈反相耦合；

所述第一金属层、所述第二金属层、所述第三金属层和所述第四金属层依次层叠设置且两两之间通过绝缘介质层隔开。

在一些示例中，所述主级线圈包括第一线圈段和第二线圈段，所述第一线圈段位于所述第二线圈段的内侧，且所述第一线圈段和所述第二线圈段并联连接；

所述主体部包括第一线段、第三线圈段、第四线圈段、第二线段、第五线圈段以及第三线段，所述第四线圈段设置在所述第三线圈段和所述第五线圈段之间及内侧；所述桥接部包括第四线段和第五线段；所述第一线段、所述第四线段、所述第三线圈段、所述第五线段、所述第四线圈段、所述第二线段、所述第五线圈段以及所述第三线段顺次相连；

所述第一线圈段与所述第四线圈段耦合；

所述第四线圈段与所述第二线圈段的部分耦合，且所述第五线圈段与所述第二线圈段的部分耦合。

在一些示例中，所述第四线圈段在所述第一金属层上的正投影落在所述第一线圈段内；

所述第三线圈段在所述第一金属层上的正投影落在所述第二线圈段内，且所述第五线圈段在所述第一金属层上的正投影落在所述第二线圈段内。

在一些示例中，所述第一线圈段、所述第二线圈段均呈圆弧段结构，所述主级线圈为轴对称结构，所述主级线圈的对称轴为所述第一线圈段的中点与所述第二线圈段的中点的连线；

所述第三线圈段、所述第四线圈段以及所述第五线圈段也均呈圆弧段结构，所述第四线圈段为轴对称结构，所述第四线圈段的对称轴为所述第四线圈段的中心与所述第四线圈段的中点的连线；

所述主级线圈的对称轴和所述第四线圈段的对称轴位于第一平面内，所述第三线圈段和所述第五线圈段关于所述第一平面对称。

在一些示例中，所述第四线圈段的内径为175μm，所述第四线圈段的外径为260μm；

所述第三线圈段的内径为310μm，所述第三线圈段的外径为430μm；

所述第一线圈段的内径为175μm，所述第一线圈段的外径为260μm；

所述第二线圈段的内径为310μm，所述第二线圈段的外径为500μm。

在一些示例中，所述主体部和所述桥接部之间通过铜柱互联。

第二方面，本发明实施例提供一种输出匹配网络，包括如上所述的射频叠层变压器、两个谐波控制电路、差分电容和消磁电容；

所述两个谐波控制电路、所述差分电容和所述消磁电容设置在半导体芯片上，所述半导体芯片与呈多层基板结构的所述射频叠层变压器互联；

所述射频叠层变压器的主级线圈的一端连接一路差分信号和一谐波控制电路，所述主级线圈的另一端连接另一路差分信号和另一谐波控制电路；

所述差分电容的一端与所述主级线圈的一端相连，所述差分电容的另一端与所述主级线圈的另一端相连；

所述射频叠层变压器的次级线圈的一端连接所述消磁电容的一端以及射频信号输出端，所述次级线圈的另一端以及所述消磁电容的另一端均接地。

在一些示例中，所述谐波控制电路包括串联的第一电感和第一电容，所述第一电感远离所述第一电容的一端接地，所述第一电容远离所述第一电感的一端与所述主级线圈相连。

在一些示例中，所述输出匹配网络还包括滤波电容和直流电源；

所述主级线圈的中间对称点连接所述滤波电容的一端，所述滤波电容的另一端接地，且所述主级线圈的中间对称点还连接所述直流电源的正极，所述直流电源的负极接地。

第三方面，本发明实施例提供一种射频功率放大器，包括如上所述的射频叠层变压器或者如上所述的输出匹配网络。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

第一，本发明实施例提供的射频叠层变压器呈多层基板结构，能实现较低的匹配损耗，且能够极大降低成本；射频叠层变压器的主级线圈和次级线圈反相耦合，即主级线圈和次级线圈分别在变压器两端，这种结构能够在级联电路时具有一定的优势；

第二，输出匹配网络包括两个谐波控制电路、差分电容和消磁电容，且主级线圈的两端分别连接两路差分信号，谐波控制电路能够抑制差分两路谐波，差分电容能够抵消主级线圈等效的电感，消磁电容能够吸收抵消变压器产生在次级线圈的漏磁；

优选输出匹配网络包括滤波电容和直流电源，在实现阻抗变换的同时，同时通过直流电源对主级线圈供电，不需要额外线路对射频功率放大器进行供电；不仅能够实现较高阻抗变换比，同时也能够降低损耗；

第三，包含该射频叠层变压器或包含该输出匹配网络的射频功率放大器，不仅能够实现较高阻抗变换比，同时也能够降低损耗；并且减少电路匹配复杂度，同时能够控制成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中对称互绕变压器线圈绕组的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的射频叠层变压器的俯视示意图；

图3为本发明实施例提供的射频叠层变压器的主级线圈的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的射频叠层变压器的第一金属层的俯视示意图；

图5为本发明实施例提供的射频叠层变压器的次级线圈的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的射频叠层变压器的第二金属层的俯视示意图；

图7为本发明实施例提供的射频叠层变压器的第三金属层的俯视示意图；

图8为沿着图2中A方向正投影得到的射频层叠变压器的侧视示意图；

图9为本发明实施例提供的输出匹配网络的电路图；

图10为本发明实施例提供的射频叠层变压器的损耗特性与频率的关系曲线；

图11为本发明实施例提供的射频叠层变压器的单路阻抗的示意图；

图12为本发明实施例提供的差分两路相位特性的示意图；

图13为本发明实施例提供的射频叠层变压器的反射系数与频率的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图2至图8所示，本发明实施例提供一种射频叠层变压器，该射频叠层变压器呈多层基板结构，射频叠层变压器包括：

主级线圈10，设置在第一金属层M1；

次级线圈20，包括电性连接的主体部和桥接部，主体部设置在第二金属层M2，桥接部设置在第三金属层M3；以及，

接地的第四金属层M4；其中，

主级线圈10和次级线圈20反相耦合；

第一金属层M1、第二金属层M2、第三金属层M3和第四金属层M4依次层叠设置且两两之间通过绝缘介质层隔开。

其中，第一金属层M1、第二金属层M2、第三金属层M3和第四金属层M4以及相邻两金属层之间的绝缘介质层，构成了多层基板结构，该实施例提供的射频层叠变压器具体为四层基板结构。

该实施例提供的射频层叠变压器呈多层基板结构，能实现较低的匹配损耗，且能够极大降低成本；

射频叠层变压器的主级线圈10和次级线圈20反相耦合，能够在级联电路时具有一定的优势；

再者，主级线圈10设置在第一金属层M1，次级线圈20设置在第二金属层M2和第三金属层M3，如此主级线圈10和次级线圈20之间垂直耦合，利用垂直耦合的变压器结构要比利用横向耦合的变压器结构占用的面积更紧凑。

在一些示例性实施例中，参照图3和图4，主级线圈10包括第一线圈段101和第二线圈段102，第一线圈段101位于第二线圈段102的内侧，且第一线圈段101和第二线圈段102并联连接；

参照图5和图6，设置在第二金属层M2的主体部包括第一线段201、第三线圈段202、第四线圈段203、第二线段204、第五线圈段205以及第三线段206，第四线圈段203设置在第三线圈段202和第五线圈段205之间及内侧；参照图5和图7，设置在第三金属层M3的桥接部包括第四线段207和第五线段208；第一线段201、第四线段207、第三线圈段202、第五线段208、第四线圈段203、第二线段204、第五线圈段205以及第三线段206顺次相连；

第一线圈段101与第四线圈段203耦合；

第四线圈段203与第二线圈段102的部分耦合，且第五线圈段205与第二线圈段102的部分耦合。

主级线圈10包含并联的第一线圈段101和第二线圈段102，能够减小主级线圈感值；

次级线圈20中第一线段201用于接地、第三线段206用于连接射频信号输出端；

第一线圈段101为主级线圈10的内圈，第二线圈段102为主级线圈10的外圈，第四线圈段203为次级线圈20的内圈，第三线圈段202和第五线圈段205为次级线圈20的外圈，第一线圈段101与第四线圈段203耦合，即主级线圈10的内圈与次级线圈20的内圈的耦合；第四线圈段203与第二线圈段102的第一部分耦合，第五线圈段205与第二线圈段102的第二部分耦合，第一部分与第二部分合计为第二线圈段102的一部分，即主级线圈10的外圈与次级线圈20的外圈的耦合，如此有效提高主级线圈10和第二绕组20之间的耦合度，从而达到提高变压器整体性能的效果。

在一些示例性实施例中，第四线圈段203在第一金属层M1上的正投影落在第一线圈段101内；

第三线圈段202在第一金属层M1上的正投影落在第二线圈段102内，且第五线圈段205在第一金属层M1上的正投影落在第二线圈段102内。

如此，能够提升第四线圈段203与第一线圈段101之间的耦合度，第三线圈段202、第五线圈段205与第二线圈段102之间的耦合度，从而能够进一步提高主级线圈10和次级线圈20之间的耦合度，达到提高变压器整体性能的效果。

在一些示例性实施例中，主级线圈10和次级线圈20是同轴的。

进一步地，第一线圈段101、第二线圈段102均呈圆弧段结构，主级线圈10为轴对称结构，主级线圈10的对称轴为第一线圈段101的中点与第二线圈段102的中点的连线；

第三线圈段202、第四线圈段203以及第五线圈段205也均呈圆弧段结构，第四线圈段203为轴对称结构，第四线圈段203的对称轴为第四线圈段203的中心与第四线圈段203的中点的连线；

主级线圈10的对称轴和第四线圈段203的对称轴位于第一平面内，第三线圈段202和第五线圈段205关于第一平面对称。

这样设置，一方面简化主级线圈10、次级线圈20的设计和加工，能够简化射频叠层变压器的制作，另一方面能够提高射频层叠变压器的输出对称性。

进一步地，第四线圈段203的内径为175μm，第四线圈段203的外径为260μm；第三线圈段202的内径为310μm，第三线圈段202的外径为430μm；第一线圈段101的内径为175μm，第一线圈段101的外径为260μm；第二线圈段102的内径为310μm，第二线圈段102的外径为500μm。可见，主级线圈10的内圈和外圈之间间隔50μm，次级线圈20的内圈和外圈之间间隔50μm，满足设计规则检查(DesignRule Check，DRC)。

进一步地，次级线圈20的主体部和桥接部之间通过铜柱互联。第二金属板M2和第三金属板M3之间设有铜柱，以连接主体部和桥接部，实现第一线段201、第四线段207、第三线圈段202、第五线段208、第四线圈段203、第二线段204、第五线圈段205以及第三线段206的串联。

如图9所示，本发明实施例提供一种输出匹配网络，包括如上的射频叠层变压器、两个谐波控制电路30、差分电容C2和消磁电容C5；

两个谐波控制电路30、差分电容C2和消磁电容C5设置在半导体芯片上，半导体芯片与呈多层基板结构的射频叠层变压器互联；

射频叠层变压器的主级线圈10的一端连接一路差分信号PA+，另一端连接另一路差分信号PA-；射频叠层变压器的主级线圈10的两端分别连接有谐波控制电路30；

差分电容C2的一端与主级线圈10的一端相连，差分电容C2的另一端与主级线圈10的另一端相连；

射频叠层变压器的次级线圈20的一端连接消磁电容C5的一端以及射频信号输出端，次级线圈20的另一端以及消磁电容C5的另一端均接地。

谐波控制电路30抑制差分两路谐波，差分电容C2能够抵消主级线圈10等效的电感，消磁电容C5能够吸收抵消变压器产生在次级线圈20的漏磁，从而能够将较低的阻抗变换至50Ω负载，实现阻抗变换特性，同时能够抑制二次谐波特点。

进一步地，半导体芯片与多层基板结构之间通过倒扣焊相连。例如半导体芯片通过倒装铜柱连接到主级线圈的两端口，以将两路差分信号输入到主级线圈。

在一些示例性实施例中，谐波控制电路30包括串联的第一电感L1和第一电容C1，第一电感L1远离第一电容C1的一端接地，第一电容C1远离第一电感L1的一端与主级线圈10相连。

在一些示例性实施例中，输出匹配网络还包括滤波电容C4和直流电源DC；

主级线圈10的中间对称点连接滤波电容C4的一端，滤波电容C4的另一端接地，且主级线圈10的中间对称点还连接直流电源DC的正极，直流电源DC的负极接地。主级线圈10的中心抽头为主级线圈10的中间对称点，主级线圈10的中心抽头连接第一线圈段101的中点和第二线圈段102的中点，滤波电容C4、直流电源DC与主级线圈10的中心抽头相连，能够减少电路的复杂度，在实现阻抗变换的同时，同时通过直流电源DC对主级线圈10供电，不需要额外线路对射频放大器进行供电，有效减少电路的复杂程度；不仅能够实现较高阻抗变换比，同时也能够降低损耗。

本发明实施例提供一种射频功率放大器，包括如上的射频叠层变压器或者如上的输出匹配网络。

该射频功率放大器中，射频叠层变压器结构能够基于四层基板，实现较低的匹配损耗，并且谐波控制电路集成于芯片内部，差分电容应用于主级线圈两个输入端口之间；两路差分信号进入输出匹配网络，通过谐波控制电路抑制差分两路谐波。

参照图10，在2.3GHz-2.7GHz内，该射频叠层变压器的损耗只有0.626-0.8dB，且二次谐波抑制达到-20dB以下；参照图11，该射频叠层变压器的主级线圈的单路阻抗只有1.8Ω，而次级线圈的单端输出阻抗为50Ω，阻抗变比更是达到13.8；参照图12，相位平衡特性两路在对应频段内满足180度相位特性；参照图13，回波损耗能够在目标频段实现15dB以上。

包含该射频叠层变压器或包含该输出匹配网络的射频功率放大器，基于半导体芯片以及基板四层叠层结构，合理布局，不仅能够实现较高阻抗变换比，变换比高于12.5，同时也能够降低损耗；并且减少电路匹配复杂度，同时能够控制成本。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明采用第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应局限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种射频叠层变压器，其特征在于，所述射频叠层变压器呈多层基板结构，所述射频叠层变压器包括：

主级线圈，设置在第一金属层；

次级线圈，包括电性连接的主体部和桥接部，所述主体部设置在第二金属层，所述桥接部设置在第三金属层；以及，

接地的第四金属层；其中，

所述主级线圈和所述次级线圈反相耦合；

所述第一金属层、所述第二金属层、所述第三金属层和所述第四金属层依次层叠设置且两两之间通过绝缘介质层隔开。

2.根据权利要求1所述的射频叠层变压器，其特征在于，所述主级线圈包括第一线圈段和第二线圈段，所述第一线圈段位于所述第二线圈段的内侧，且所述第一线圈段和所述第二线圈段并联连接；

所述主体部包括第一线段、第三线圈段、第四线圈段、第二线段、第五线圈段以及第三线段，所述第四线圈段设置在所述第三线圈段和所述第五线圈段之间及内侧；所述桥接部包括第四线段和第五线段；所述第一线段、所述第四线段、所述第三线圈段、所述第五线段、所述第四线圈段、所述第二线段、所述第五线圈段以及所述第三线段顺次相连；

所述第一线圈段与所述第四线圈段耦合；

所述第四线圈段与所述第二线圈段的部分耦合，且所述第五线圈段与所述第二线圈段的部分耦合。

3.根据权利要求2所述的射频叠层变压器，其特征在于，所述第四线圈段在所述第一金属层上的正投影落在所述第一线圈段内；

所述第三线圈段在所述第一金属层上的正投影落在所述第二线圈段内，且所述第五线圈段在所述第一金属层上的正投影落在所述第二线圈段内。

4.根据权利要求2所述的射频叠层变压器，其特征在于，所述第一线圈段、所述第二线圈段均呈圆弧段结构，所述主级线圈为轴对称结构，所述主级线圈的对称轴为所述第一线圈段的中点与所述第二线圈段的中点的连线；

所述第三线圈段、所述第四线圈段以及所述第五线圈段也均呈圆弧段结构，所述第四线圈段为轴对称结构，所述第四线圈段的对称轴为所述第四线圈段的中心与所述第四线圈段的中点的连线；

所述主级线圈的对称轴和所述第四线圈段的对称轴位于第一平面内，所述第三线圈段和所述第五线圈段关于所述第一平面对称。

5.根据权利要求4所述的射频叠层变压器，其特征在于，所述第四线圈段的内径为175μm，所述第四线圈段的外径为260μm；

所述第三线圈段的内径为310μm，所述第三线圈段的外径为430μm；

所述第一线圈段的内径为175μm，所述第一线圈段的外径为260μm；

所述第二线圈段的内径为310μm，所述第二线圈段的外径为500μm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的射频叠层变压器，其特征在于，所述主体部和所述桥接部之间通过铜柱互联。

7.一种输出匹配网络，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的射频叠层变压器、两个谐波控制电路、差分电容和消磁电容；

所述两个谐波控制电路、所述差分电容和所述消磁电容设置在半导体芯片上，所述半导体芯片与呈多层基板结构的所述射频叠层变压器互联；

所述射频叠层变压器的主级线圈的一端连接一路差分信号和一谐波控制电路，所述主级线圈的另一端连接另一路差分信号和另一谐波控制电路；

所述差分电容的一端与所述主级线圈的一端相连，所述差分电容的另一端与所述主级线圈的另一端相连；

所述射频叠层变压器的次级线圈的一端连接所述消磁电容的一端以及射频信号输出端，所述次级线圈的另一端以及所述消磁电容的另一端均接地。

8.根据权利要求7所述的输出匹配网络，其特征在于，所述谐波控制电路包括串联的第一电感和第一电容，所述第一电感远离所述第一电容的一端接地，所述第一电容远离所述第一电感的一端与所述主级线圈相连。

9.根据权利要求7所述的输出匹配网络，其特征在于，还包括滤波电容和直流电源；

所述主级线圈的中间对称点连接所述滤波电容的一端，所述滤波电容的另一端接地，且所述主级线圈的中间对称点还连接所述直流电源的正极，所述直流电源的负极接地。

10.一种射频功率放大器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的射频叠层变压器或者如权利要求7-9任一项所述的输出匹配网络。