CN1620754A - 改进正交混合电路和芯片尺度封装中使用其的改进矢量调制器 - Google Patents
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Abstract
根据本发明,提出了一种正交混合电路,其包括由绝缘层分开以内在地提供所有必要的电容的第一螺旋电感器和第二螺旋电感器。此外,提出了一种矢量调制器电路,其在包含在芯片尺度封装中的MMIC上合并多个正交混合电路。
Description
本发明涉及正交混合电路,特别涉及一种新颖的正交混合电路,还涉及矢量调制器,特别涉及一种小的芯片尺度封装(CSP,Chip Scale Package)中包含的使用该新颖正交混合电路的矢量调制器。
正交混合电路为一种通常用于分解(split)和合并信号的电路。正交混合电路广泛地用于功率放大器,以及用于要求噪声减少和信号清晰度的其它应用。通常,在需要分解或共享信号的应用如采样应用、测试应用和检测器应用中,它们也用作耦合器(coupler)。
由于可使用正交混合电路来实现功率分配(division)及移相,正交混合电路是用于创建噪声减少电路的有效工具。一种用于消除不需要的噪声信号的普及的技术,如互调失真,将信号分(divide)为两半以形成两个相位相差180度的分离的信号,然后重新合并这两个信号。这使得这两个信号在重新合并时彼此相消;由此,消除了不需要的噪声信号。
在开发正交混合电路之前,通过使用功率分配器电路分解信号,并且通过使用不同长度(计算出来使得产生期望的相移)的传输线产生相移来完成此过程。然而,使用传输线产生相移需要极大部分的宝贵的集成电路面积,因此对于很多应用并不实用。
响应对于分配和移动信号的更好的手段的需要,开发了正交混合电路。图1示出了用以代表电路图中的正交混合电路的符号。图1所示的符号表明了正交混合电路的功能。将输入施加到RF IN端口101。输入信号在两个输出(102a和102b)之间分配。两个输出具有相等的幅度,但是相位改变90度。正交混合电路103的剩余输出穿过50欧姆的端接电阻器(terminating resistor)到地。此端口给正交混合电路提供所需要的绝缘。正交混合电路的实际电路结构通常至少包括一对电感器和一对电容器。在现有技术中,各种各样的正交混合电路结构已广为人知。
已使用分立组件构造根据现有技术的正交混合电路。将一对分立电感器和一系列分立电容器安装到印刷电路板以形成正交混合电路。此方法极其占用空间,对于许多应用来说不实用。它还需要大量的组件和冗长的装配时间。
在减少正交混合电路的尺寸和成本的努力中,已做出将元件(element)合并到集成电路中的努力。然而,这些努力仅取得了有限的成功。可将需要的电感器合并到集成电路中;然而,正交混合电路正确运行需要附加的电容器。添加分立电容器增加了形成正交混合电路所需的空间。可通过薄膜沉积技术将电容器合并到集成电路中。然而,由于电容器需要集成电路上较大的面积,通常比电感器大,这将相当大地增加混合电路必要的芯片面积。
一个通常使用在功率放大器中用于抵消噪声的正交混合电路的电路为矢量调制器。矢量调制器电路使用一系列正交混合电路以提供改变RF信号的相位和幅度的手段。它们通常在功率放大器中使用以提高信号纯度和提供数字调制。
功率放大器使用前馈回路来提高信号纯度。可能因多个(multiple)RF信号的混合而产生信号的互调失真。这些不想要的失真信号称为互调产物。为抵消这些不想要的互调产物,创建具有相等的幅度和180度的相位差的信号,并与每个互调产物合并。
直到最近,这一点通过使用与用于控制信号相位的可变移相器串联的可变衰减器来控制幅度。然而,由于需要众多的组件和复杂的电路,此方法在大量生产环境中为不佳的方案。另外,可变移相器包含固有的相变限制。尽管使用可变移相器有可能达到满360度的移相范围,但是不可能随机选取特定的相位值。这意味着,为了达到特定的相位值,可变移相器必须在整个取值范围内依次循环以选定期望的相移。这导致与此技术相关联的瞬态响应时间相对较长。这可导致前馈放大性能显著降低。
为克服这些问题,开发了矢量调制器。矢量调制器用于改变RF信号的相位和幅度。矢量调制器使用一系列正交混合电路来实现对相位和幅度的调节。图2图解了包括包含两个隔离的输出202a、202b的输入正交混合电路201的矢量调制器。每个输出馈送给单独的电压可变衰减器。每个电压可变衰减器包括以匹配二极管(205a、205b、205c、205d)或场效应晶体管(FET)端接在两个输出端口上的正交混合电路(203a和203b)。这形成了吸收式衰减器。将每个电压可变衰减器的隔离的端口馈送给另一个作为功率合成器的正交混合电路207。来自于功率合成器207的输出信号为具有新相位和幅度的RF输入信号。
矢量调制器被合并到前馈放大器中,以在不存在与先前使用的可变衰减器及可变移相器相关的问题的情况下消除互调失真。
虽然矢量调制器的使用是对包括与可变移相器串联的可变衰减器的电路的显著改进,但是它们仍有若干局限。由于它们包括上述若干独特的元件,根据现有技术的矢量调制器不适合大量生产技术。需要大量的手工装配来制造矢量调制器,这导致该装置较为昂贵。由于包含上述正交混合电路的元件的原因,矢量调制器不能容易地集成到集成电路中。
另外,作为在此包含的混合电路需要的大尺寸的结果,现有技术的矢量调制器为相对较大的装置。在现有技术中使用的典型集成电路矢量调制器的最小的x和y尺寸为大约25毫米×31毫米,这使得矢量调制器成为前馈放大器的面积集中(area intensive)元件。
期望开发这样一种装置,其可执行所需要的矢量调制(相移和幅度衰减),而其较小且有助于合并到集成电路中,并且,因此更适合于大量生产技术。这将能够在保留矢量调制器的性能优点的同时,减少在电路板上所需要的空间(real estate)的成本和数量。
本发明提出了一种改进的正交混合电路以及一种合并改进的正交混合电路的改进的矢量调制器。根据本发明的正交混合电路去除了在现有技术中必需的分离的电容器,作为替代,改变正交混合电路的电感器的物理布局,以内在地提供用于矢量调制器的电容。通过去除电容器,根据本发明的正交混合电路适合装入到小的集成电路中,并且能够在芯片尺度应用中使用。
根据本发明的正交混合电路提供在现有技术中实现的信号耦合和相位移动;然而,根据本发明的正交混合电路不需要分离的电感器和电容器来实现所期望的结果。
根据本发明的正交混合电路包括两个在集成电路上形成的螺旋电感器。第一螺旋电感器和第二螺旋电感器在集成电路中分离的衬底层上形成。第一和第二电感器跨电介质寄生耦合,以允许在两个输出之间分配经由RF输入进入正交混合电路的RF信号。
螺旋电感器设置为使得在由绝缘层分隔的金属层上形成第一螺旋电感器和第二螺旋电感器。因此,与绝缘层结合的两个电感器作为被介电层分隔的电容器的两极板(plate)。通过设计螺旋电感器以实现正交混合电路所需要的电容,消除了增加额外的电容器的需要。控制螺旋电感器的尺寸和间距以允许所产生的电容等于正交混合电路所需要的电容,以便按期望工作。
本发明的另外一方面提出了一种将一系列根据本发明的正交混合电路合并装入单片微波集成电路(MMIC)的改进的矢量调制器。根据本发明的矢量调制器使用与一系列二极管结合的MMIC芯片以进行矢量调制。所有组件合并到单个小芯片尺度封装中。
可将根据本发明的矢量调制器封装进尺寸为大约4毫米乘以6毫米的小芯片尺度封装中。
作为其独特的配置的结果,根据本发明的矢量调制器的芯片尺度封装提供较好的电子性能。通过将矢量调制器的正交混合电路放进带有提供RF地的柄(paddle)的芯片尺度封装中,减少了路径长度。这又减少了所生成的电感量,因而改进了矢量调制器的电子性能。
现在参照附图通过举例来描述本发明的实施例,附图中:
图1为用于在电路框图中代表正交混合电路的符号。
图2为现有技术中的矢量调制器的方框图。
图3为根据本发明的正交混合电路的电路图。
图4为图解根据本发明的正交混合电路的组件的结构和关系的图。
图5为根据本发明的矢量调制器的方框图。
图6为根据本发明的芯片尺度封装的装配图。
根据本发明的正交混合电路包括合并到集成电路中的第一螺旋电感器和第二螺旋电感器,在两个螺旋电感器之间具有介电层。通过配置电感器和介电层的物理布局以内在地提供期望的电容来提供电容;因此可以消除构造单独的电容器的需要。
图3为根据本发明一个实施例的正交混合电路的分解透视图,图4为其等价电路图。首先参照图4的电路图,该电路包括带有在所示电感器端子之间耦接的电容器401、402的一对并联的电感器409、410。在节点411处施加输入。将在输入端411施加的信号的一部分通过电容器401(与输入信号的频带相关地选择其值,以自由地通过输入信号)以大约45度的相变和减少了的幅度传送到输出节点413。在通过了提供-45度的输出相位的电感器之后,输入信号的另一部分出现在输出端415。两个输出之间的相位差为90度。剩余的电容器表示通常在这样的电路的实际实现中固有的寄生电容。因此,电容器403、404、405、406、407和408的值远小于电容器401和402的值。尽管如此,出于精确性和完整性的考虑,仍然示出电容器403、404、405、406、407和408,但是,事实上,其经常是不期望。
相对于电路图中示出的所有其它电容器,电容器401和402为主要的电容器。为了使正交混合电路起到根据本发明所期望的功能,将这些电容有意地设计到电路中。
图3图解了根据本发明的正交混合电路的结构。在集成电路的第一金属层中形成第一螺旋电感器301。在优选实施例中,使用单片微波集成电路(MMIC);然而,应当理解,本发明可使用各种类型的集成电路制造。在图3中表示为空气或间隔的绝缘层317沉积在第一螺旋电感器301的顶部,而第二电感器303沉积在绝缘层317的顶部。实际上,本发明的实际实现中,绝缘层很可能为电介质金属。然而,为了不掩盖其它电路元件,绝缘层317在图3中仅显示为间隔。绝缘层服务于两个目的。首先,其提供两个螺旋电感器301、303之间需要的间距以允许适当级别的寄生耦合。其次,其充当使电感器的两个螺旋能够起到电容器的功能所需的电介质,因此,消除了对单独的电容器的需要。
在布置在绝缘层317的顶部的金属层上形成第二螺旋电感器303。在优选实施例中,第二螺旋电感器303为第一螺旋电感器301的精确复制,并且位于第一螺旋的正上方。将RF信号施加到顶部螺旋电感器303的RF输入305。作为寄生耦合的结果,信号在两个螺旋电感器之间分配。顶部螺旋电感器303的螺旋轨迹的末端308(输入端的相对端)连接到穿过绝缘层317向下延伸到第二输出309的通路(via)313。位于顶部螺旋电感器303的输入末端正下方的较低螺旋电感器301的末端包括第一输出307。在第一输出307和第二输出302上取得的输出幅度相等(各为输入信号的二分之一),相位相差90度。
与第一输出307相对的较低螺旋电感器301的末端310经由50欧姆的终端3 11端接到地。这为从较低螺旋电感器301反射回来的输入信号的任何部分提供到地的漏(drain),以阻止这些反射返回到输入。
根据本发明,物理地配置并联的螺旋电感器301、303以内在地提供两个电感器409、410之间的电容401、402。两个并联的导电极板之间的电容由下面的公式给出:
其中,
C=电容
E0=自由空间的介电常数(等于8.854e-12)
Er=两极之间的绝缘体的介电系数
A=每个电容极板的面积
D=电容极板之间的距离,其等于绝缘层的厚度
利用此公式,可选择螺旋电感器和/或其间的绝缘层的布置参数,以提供其值等于期望值的有效电容401、402。在上面的公式中,C为我们希望设为已知值的变量。E0为常数。因此,可调整任意或所有的下述内容:(1)介电层的厚度,即公式中的D;(2)介电层的介电系数,即公式中的Er;(3)螺旋电感器的导电轨迹的宽度;以及(4)螺旋电感器的导电轨迹的长度,其中,轨迹的宽度和长度共同决定公式中的变量A。出于在电路的制造过程中的需要和优选的原因,在很多情况下,介电层的厚度D及其介电系数Er可能实际上不可调整。在这些情况下,设计者将对电感器的轨迹的宽度和长度中的一个或全部做工作。在优选实施例中,绝缘层由介电系数为3.9的氮化硅构成。在优选实施例中,此层为0.75微米厚。此厚度由用于形成层的制造过程限定。
给定E0、Er和D为已知值,为了实现期望的电容量C,需要控制面积A。总面积A基本上为轨迹的总长度乘以其宽度。
在优选实施例中,用于形成螺旋电感器的轨迹的宽度为大约0.6微米。选择这一宽度是因为其为在所选的特定制造过程中可实现的最小实际宽度,并且确信选择最小可能宽度可使电路具有最小的总模(die)面积。因此,调整轨迹的长度以达到产生使正交混合电路正确工作需要的电容的面积A。
然而,调整螺旋电感器的轨迹的长度以产生期望的电容也可影响螺旋电感器的电感值。电感值还受到轨迹的各个支路(leg)彼此的间隔的影响。因此,给定轨迹的面积可调整螺旋轨迹的各个支路之间的间隔,以产生期望的电感值。通过使用适当的公式和/或电路仿真软件,可确定间隔参数以匹配带有期望电容的期望电感。在优选实施例中,每个螺旋电感器的轨迹之间的间隔等于轨迹的宽度,均等于0.6微米。用于创建根据本发明的正交混合电路的螺旋电感器的总尺寸为200微米×200微米。
现有技术中已知的构造正交混合电路的技术不能实现这么小的尺寸。根据本发明的正交混合电路提供适合于集成电路制造的正交混合电路,使其比现有技术的正交混合电路具有更高的成本效率。因为其不需要单独的电容器,并且,可被制造为非常小的尺寸,所以其对于以前由于尺寸的缘故而不适合芯片尺度封装的应用较为有用。结果,根据本发明的正交混合电路对创建矢量调制器提供了更进一步地提高。
在现有技术中,矢量调制器为较大装置,其不适合装配在集成电路或芯片尺度封装上。通过使用一系列根据本发明的正交混合电路,可构造根据本发明的提供具有360度移相范围并且有最小10分贝的衰减的矢量调制的改进的矢量调制器。在优选实施例中,根据本发明的矢量调制器在UMTS频带(2040赫兹到2240赫兹)中工作;然而,应当理解,可将其用于其它频带。
根据本发明的优选实施例的矢量调制器包括MMIC 601以及如图6所示的四个PIN二极管605a、605b、605c和605d。图5为MMIC芯片的内部工作的方框图。MMIC部分包括三端口90度混合电路501、3个超前/滞后滤波器(502a、502b)、2个根据本发明的正交混合电路(503a、503b)以及同相功率分配器507。
将MMIC与四个PIN二极管在小芯片尺度封装(6毫米×4毫米)中结合以形成完成的矢量调制器。将在下面更详细的讨论每个元件。
单片微波集成电路
MMIC配置为包括产生矢量调制器的期望性能的所需的混合电路和功率分配器组件。在优选实施例中,从4密耳(mil)GaAs衬底中形成具有内部接地通路的MMIC。MMIC的以及内部通路的薄的特性使电路元件能够放置在挨近接地层的位置。以这种方式,可使所创建的电感量最小化。
RF信号在输入513处进入MMIC。RF IN 513连接到输入功率分配器501。本发明的优选实施例将现有技术矢量调制器中使用的四端口输入功率分配器替换为与一对超前/滞后滤波器502a、502b结合使用的三端口输入功率分配器501。将RF信号输入施加到三端口功率分配器501的输入,并且将功率分配器(508a、508b)的输出各自施加到超前/滞后滤波器502a、502b。每个滤波器部分的相位为+45度和-45度;因此,可获得90度的输出相位差。这些元件的内部组成在本领域中广为人知;因此,不在这里讨论这些元件的组成。
在MMIC中,来自于功率分配器(通过超前/滞后滤波器之后)的每个输出流到如上所述根据本发明构建的正交混合电路(503a、503b)。对于每个正交混合电路,存在一对用来连接到匹配的PIN二极管(505a、505b、505c和505d)的输出端口(504a、504b、504c和504d)。这些输出与放置在MMIC的表面的输出端口相对应,并在图6中在604a、604b、604c和604d显示。
将每个正交混合电路的剩余输出(509a、509b)连接到功率合成器507。该功率合成器507合并来自提供带有可控幅度和相位的输出的电压可变衰减器的矢量。将所得信号通过RF输出节点510输出。用于RF输出的端子限定在MMIC上,并且在图6显示为607。此端子连接到在被指定为RF OUT 615的芯片尺度封装的管脚。
PIN二极管
MMIC与一系列终端元件结合使用。可以使用包括PIN二极管、场效应晶体管(FET)、或其它晶体管如PHEMT晶体管或双极性晶体管的各种装置作为终端元件。在优选实施例中,为了使互调性能最大化,终端元件是PIN二极管。将PIN二极管505a、505b、505c和505d用于端接正交混合电路503a、503b。在本发明的优选实施例中,正交混合电路包含在MMIC中。以前由于需要使用独立电容器,这是不可能的。然而,通过使用上述根据本发明的正交混合电路,可以将正交混合电路制作在单个小型MMIC集成电路中。二极管505a、505b、505c和505d连接到与包含在MMIC中的正交混合电路的输出对应的MMIC输出604a、604b、604c和604d。
芯片尺度封装
为了使所需要的PC板空间的量最小化,将MMIC和PIN二极管合并到芯片尺度封装之中。在优选实施例中,使用尺寸为6毫米×4毫米的芯片尺度封装。图6示出了芯片尺度封装的装配图。在芯片尺度封装上放置有两个RF连接(RF IN 613和RF OUT 615)和四个偏压(bias)连接(617a、617b、618a、618b)。所有剩余的连接都耦接到地。在图6中在619a、619b、619c和619d使出地连接。
偏压管脚617a、617b、618a、618b提供操作PIN二极管所需要的电流。管脚617a和617c给与两个包含在MMIC中的正交混合电路中的一个相关联的二极管提供电流。管脚617b和617d给与两个包含在MMIC中的正交混合电路中的第二个相关联的二极管提供电流。通过改变提供给二极管的电流,可调整二极管的RF阻抗,这对于执行矢量调制器中的可变衰减和移相功能是必要的。
在优选实施例中,芯片尺度封装的基底(base)和柄(paddle)为金属的,并且提供RF地。这带来比在现有技术中使用的矢量调制器更为优良的电子性能。在现有技术中,矢量调制器电路通过使用通路来穿过基底(通常为陶瓷或层压材料)的衬底到接地表面,或通过在衬底周围缠绕接地表面进行连接来接地。这两种方法都产生比在本发明的优选实施例中产生的电感更高级别的电感。在优选实施例中,直接将芯片尺度封装的基底焊接到地,从而提供非常低的电感路径。
本发明的优选实施例提出了一种在小芯片尺度封装中的矢量调制器。由于其通过使用根据本发明的改进正交混合电路,合并了MMIC中进行矢量调制所需要的电路元件,所以其适合于有效的大量生产。通过减少制造和装配时间,相对于现有矢量调制器,这产生了显著的成本节约。整个组装件合并到尺寸为6毫米×4毫米的小芯片尺度封装中,这与用于执行矢量调制的现有技术的装置相比,这是尺寸上显著的减小。根据本发明的矢量调制器的小尺寸导致所需要的板空间的量相对于现有技术的矢量调制器显著地减小,因为现有技术的矢量调制器的尺寸为大约25毫米×31毫米或更大。根据本发明的矢量调制器的物理尺寸也导致与矢量调制器相关联的更低的电感,其又导致更佳的电子性能。
应当理解,前述作为说明性的而并非限定性的,并且,本领域的技术人员可以在不脱离本发明的精神的情况下作出明显的修改。因此,本说明书试图覆盖这些包含在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围中的替换、修改和等价物。
Claims (24)
1、一种起具有多个电感器和多个电容的正交混合电路的作用的电路,其中,所有所述电容都是内在的。
2、如权利要求1所述的电路,包括:
其中,所述多个电感器包括第一螺旋电感器和第二螺旋电感器;
所述电路还包括放置在所述第一螺旋电感器和所述第二螺旋电感器之间的绝缘层,其中,所述第一螺旋电感器和所述第二螺旋电感器以及所述绝缘层彼此相关地定位,以产生内在电容。
3、如所述的电路,其中,所述第一螺旋电感器和所述第二螺旋电感器对齐。
4、如权利要求2所述的电路,还包括:
第一输出和第二输出,其中,所述第二输出与所述第一输出相比有大约90度的相位差。
5、如权利要求2所述的电路,其中,所述第一螺旋电感器、所述第二螺旋电感器和所述绝缘层包含在单片微波集成电路中。
6、如权利要求2所述的电路,其中,所述绝缘层包括氮化硅。
7、如权利要求2所述的电路,其中,所述第一螺旋电感器和所述第二螺旋电感器的总长度和宽度尺寸各为大约200微米×200微米。
8、如权利要求2所述的电路,其中,所述第一螺旋电感器和所述第二螺旋电感器的表面积受控制,以产生特定的内在电容,所述表面积根据下面的参数确定:
其中:
C=电容
E0=自由空间的介电常数(等于8.854e-12)
Er=两极板之间的绝缘体的介电系数
A=每个电容极板的面积
D=电容极板之间的距离,其等于所述绝缘层的厚度。
9、如权利要求2所述的电路,其中,所述第一螺旋电感器和所述第二螺旋电感器还各包括具有轨迹长度、轨迹宽度和所述轨迹的线彼此之间的间隔的螺旋轨迹,
其中,所述轨迹长度、所述轨迹宽度和所述间隔被选择为提供预定电容。
10、如权利要求8所述的电路,其中,所述第一螺旋电感器和所述第二螺旋电感器还各包括具有轨迹长度、轨迹宽度和所述轨迹的线彼此之间的间隔的螺旋轨迹,
其中,所述轨迹长度、所述轨迹宽度和所述间隔被选择为提供预定电容。
11、如权利要求2所述的电路,还包括:
经由50欧姆的终端端接到地的第三输出。
12、一种用于进行矢量调制的电路,所述电路被装入芯片尺度封装中,该电路包括:
MMIC;
多个终端元件。
13、如权利要求12所述的电路,其中,所述MMIC还包括两个正交混合电路,
其中,所述正交混合电路包括第一螺旋电感器和第二螺旋电感器;
放置在所述第一螺旋电感器和所述第二螺旋电感器之间的绝缘层,其中,所述第一螺旋电感器和所述第二螺旋电感器以及所述绝缘层彼此相关地定位,以产生内在电容。
14、如权利要求12所述的电路,其中,所述芯片尺度封装的尺寸为大约4毫米×6毫米。
15、如权利要求12所述的电路,其中,所述MMIC包括GaAs层。
16、如权利要求12所述的电路,其中,所述GaAs层的厚度约等于.004″。
17、如权利要求12所述的电路,其中,所述MMIC配置为包括:
输入正交混合电路;
第一正交混合电路和第二正交混合电路;以及
输出功率合成器。
18、如权利要求12所述的电路,其中,所述输入正交混合电路驱动器还包括:
三端口功率分配器;
第一和第二超前/滞后滤波器,所述第一滤波器具有45度的超前相移,而所述第二滤波器具有45度的滞后相移。
19、如权利要求12所述的电路,其中,所述终端元件为PIN二极管。
20、如权利要求12所述的电路,其中,所述终端元件为场效应晶体管。
21、如权利要求12所述的电路,其中,所使用的终端元件的数目等于四。
22、如权利要求12所述的电路,其中,所述芯片尺度封装包括柄,所述柄是金属的,并且电耦接到地。
23、如权利要求12所述的电路,其中,所述芯片尺度封装包括多个偏压管脚,以将电流提供给所述二极管。
24、如权利要求12所述的电路,其中,所述芯片尺度封装还包括:
用于接受第一RF信号的输入管脚;以及,
用于输出第二RF信号的输出管脚,所述第二信号为在对所述第一RF信号进行矢量调制处理之后的产物。
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---|---|---|---|
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |