CN209691515U - 双螺旋结构变压器及射频功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种双螺旋结构变压器及射频功率放大器。所述变压器整体呈双螺旋结构，包括：至少四层金属层，每层金属层具有两端；介质层，所述介质层为绝缘板，设置在相邻金属层之间，所述介质层设置通孔；其中，部分或全部奇数金属层的各端与其相邻奇数金属层的各端依次通过所述通孔连接，作为初级线圈，部分或全部偶数金属层的各端与其相邻偶数金属层的各端依次通过所述通孔相连接，作为次级线圈。本实用新型实施例提供的技术方案具有功率传输效率高、插损小、谐振于工作频带内，高频谐波抑制好的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及变压器技术领域，具体涉及双螺旋结构变压器及射频功率放大器。
背景技术
随着移动通信技术的快速演进，从2G、3G、4G到5G，射频功率放大器扮演着越来越重要的角色，是移动通信终端不可缺失的环节。其中，G是generation(一代)的简称，4G是第四代通讯技术的简称。4G 系统能够以100Mbps的速度下载，比目前的拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。
在射频功率放大器芯片中，变压器耦合技术被广泛应用，不论是 2G CMOS PA的低成本领域，还是在SiGe放大器领域，变压器技术被用于单端转差分、以及差分转单端的变换，同时承担着功率耦合的功能。即使在4G LTE HPUE(High Power User End)在未来的5G通信系统中，通信终端对发射功率的要求都有较大的提升，要求达到Power Class2(26dBm)的水平，相比较传统的Power Class3(23dBm)，功率要求增加一倍，即使用砷化镓(GaAs)工艺，也很难同时满足功率和线性度的要求。此时，采用变压器技术的差分结构是一个潜在的备选方案。可见，变压器技术在射频功率放大器的应用中有着广泛的应用。
传统的变压器多采用平层结构，如图1所示，或者简单的叠层结构，如图2所示。
图1的平层结构设计简单，适用于金属层数较少的集成电路工艺或者基板工艺，但是由于同层金属之间的间距由工艺规则限制，不可能无限靠近，导致初级线圈到次级线圈的磁场泄漏较大，图6是传统变压器结构的初次级线圈耦合效率对比图。如图6所示，平层结构变压器耦合效率低。
图2的叠层结构可以使得初级线圈和次级线圈靠的更近，磁场泄漏更少，耦合效率更高，在5GHz时，效率可达到70％，相比于图1平层结构的55％效率，已经有明显提升，但是仍然有较大的提升空间。而且这种简单平层或者叠层结构，由于其寄生的感值和容值较小，谐振频率较高，传递效率反而在高频处得到最大化。如图6所示，叠层结构耦合效率随着频率的增加而增加，也就是说在通常的基波(f0)工作频段，例如6GHz以下，其耦合效率并没有达到最大，反而在其高次谐波处 (2f0，3f0，4f0)，耦合效率更高，将不需要的谐波高效的传递到输出端。
实用新型内容
本实用新型实施例拟提供双螺旋结构变压器及射频功率放大器，以解决传统变压器结构耦合效率低、谐波抑制差的问题。
本实用新型实施例提供了一种双螺旋结构变压器，其特征在于，所述变压器整体呈双螺旋结构，包括：至少四层金属层，每层金属层具有两端；介质层，所述介质层为绝缘板，设置在相邻金属层之间，所述介质层设置通孔；其中，部分或全部奇数金属层的各端与其相邻奇数金属层的各端依次通过所述通孔连接，作为初级线圈；部分或全部偶数金属层的各端与其相邻偶数金属层的各端依次通过所述通孔相连接，作为次级线圈。
作为本实用新型一个可选的方案，所述次级线圈的金属层数比所述初级线圈的金属层数多一层。
作为本实用新型一个可选的方案，所述初级线圈的金属层数比所述次级线圈的金属层数多一层。
作为本实用新型一个可选的方案，所述次级线圈的金属层数与所述初级线圈的金属层数相等。
本实用新型实施例还提供一种射频功率放大器，其特征在于，所述射频功率放大器包含上述所述的双螺旋结构变压器。
本实用新型实施例提供的技术方案具有功率传输效率高、插损小、谐振于工作频带内，高频谐波抑制好的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统变压器结构一实施例提供的平层结构示意图；
图2是传统变压器结构另一实施例提供的叠层结构示意图；
图3是本实用新型一实施例提供的一种双螺旋结构变压器的组成示意图；
图4是图3实施例提供的一种双螺旋结构变压器的初级线圈的组成示意图；
图5是图3实施例提供的一种双螺旋结构变压器的次级线圈的组成示意图；
图6是传统变压器结构的初次级线圈耦合效率对比图；
图7是本实用新型一实施例提供的一种双螺旋结构变压器的不同层数的初次级线圈耦合效率对比图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图和实施例，对本实用新型技术方案的具体实施方式进行更加详细、清楚的说明。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本实用新型的限制。其只是包含了本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员对于本实用新型的各种变化获得的其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
应该理解的是，虽然第一、第二、第三等用语可使用于本文中用来描述各种元件或组件，但这些元件或组件不应被这些用语所限制。这些用语仅用以区分一个元件或组件与另一元件或组件。因此，下述讨论之第一元件或组件，在不脱离本实用新型之内容下，可被称为第二元件或第二组件。
图3是本实用新型一实施例提供的一种双螺旋结构变压器的组成示意图，变压器整体呈双螺旋结构，包括至少四层金属层、介质层。
至少四层金属层，每层金属层具有两端。介质层，该介质层为绝缘板，设置在相邻金属层之间，介质层设置通孔。其中，部分或全部奇数金属层的各端与其相邻奇数金属层的各端依次通过通孔连接，作为初级线圈，部分或全部偶数金属层的各端与其相邻偶数金属层的各端依次通过通孔相连接，作为次级线圈。
变压器利用集成电路工艺或先进基板工艺的多层金属连接特性进行连接制作，利用多层金属实现初级和次级线圈。介质层包括电路板或基板。初级线圈与次级线圈根据变压器的变比进行耦合。初级线圈与次级线圈的自谐振频率≤6GHz。
图4是图3实施例提供的一种双螺旋结构变压器的初级线圈的组成示意图。图5是图3实施例提供的一种双螺旋结构变压器的次级线圈的组成示意图。
如图4、图5所示，次级线圈的金属层数比初级线圈的金属层数多一层。次级线圈的金属层将初级线圈的金属层数包裹在内。
如图3所示，变压器包括八层金属层。
在本实施例中，可以将第三层金属层、第五层金属层、第七层金属层连接为初级线圈，其中，第三层金属层的一端通过通孔连接第五层金属层的一端，第五层金属层的另一端通过通孔连接第七层金属层的一端，那么第三层金属层的另一端和第七层金属层的另一端作为初级线圈的抽头。将第二层金属层、第四层金属层、第六层金属层、第八层金属层连接为次级线圈，其中，第二层金属层的一端通过通孔连接第四层金属层的一端，第四层金属层的另一端通过通孔连接第六层金属层的一端，第六层金属层的另一端通过通孔连接第八层金属层的一端，那么第二层金属层的另一端和第八层金属层的另一端作为次级线圈的抽头。次级线圈的金属层将初级线圈的金属层数包裹在内。金属层可以为环形或多边形或圆形。
在本实施例中，也可以将第五层金属层、第七层金属层连接为初级线圈，将第四层金属层、第六层金属层、第八层金属层连接为次级线圈。次级线圈的金属层将初级线圈的金属层数包裹在内。金属层可以为环形或多边形或圆形。
在本实施例中，也可以将第七层金属层连接为初级线圈，将第六层金属层、第八层金属层连接为次级线圈。次级线圈的金属层将初级线圈的金属层数包裹在内。金属层可以为环形或多边形或圆形。
作为一种可选的方案，初级线圈的金属层数也可以比次级线圈的金属层数多一层。初级线圈的金属层将次级线圈的金属层数包裹在内。
如图3所示，变压器包括八层金属层。
可以将第一层金属层、第三层金属层、第五层金属层、第七层金属层连接为初级线圈，其中，第一层金属层的一端通过通孔连接第三层金属层的一端，第三层金属层的另一端通过通孔连接第五层金属层的一端，第五层金属层的另一端通过通孔连接第七层金属层的一端，那么第一层金属层的另一端和第七层金属层的另一端作为初级线圈的抽头。将第二层金属层、第四层金属层、第六层金属层连接为次级线圈，其中，第二层金属层的一端通过通孔连接第四层金属层的一端，第四层金属层的另一端通过通孔连接第六层金属层的一端，那么第二层金属层的另一端和第六层金属层的另一端作为次级线圈的抽头。初级线圈的金属层将次级线圈的金属层数包裹在内。金属层可以为环形或多边形或圆形。
也可以将第三层金属层、第五层金属层、第七层金属层连接为初级线圈，将第四层金属层、第六层金属层连接为次级线圈。初级线圈的金属层将次级线圈的金属层数包裹在内。金属层可以为环形或多边形或圆形。
也可以将第五层金属层、第七层金属层连接为初级线圈，将第六层金属层连接为次级线圈。初级线圈的金属层将次级线圈的金属层数包裹在内。金属层可以为环形或多边形或圆形。
作为一种可选的方案，次级线圈的金属层数与初级线圈的金属层数也可以相等。
在本实施例中，也可以将第一层金属层、第三层金属层、第五层金属层、第七层金属层连接为初级线圈，将第二层金属层、第四层金属层、第六层金属层、第八层金属层连接为次级线圈。金属层可以为环形或多边形。
在本实施例中，也可以将第三层金属层、第五层金属层、第七层金属层连接为初级线圈，将第四层金属层、第六层金属层、第八层金属层连接为次级线圈。金属层可以为环形或多边形。
在本实施例中，也可以将第五层金属层、第七层金属层连接为初级线圈，将第六层金属层、第八层金属层连接为次级线圈。金属层可以为环形或多边形。
不同的初次级线圈的连接方式组成的双螺旋结构变压器耦合效率不同。
图7是本实用新型一实施例提供的一种双螺旋结构变压器的不同层数的初次级线圈耦合效率对比图。
这种交叉叠层的双螺旋耦合结构，除了耦合系数和传递效率较高之外，还有一个优点就是寄生电容较大，变压器自谐振频率较低，通过精确的设计，可以将工作频率处的传递效率设计到最大。纵观现在的民用通信市场，大部分的通信系统都工作在6GHz以下，例如：GSM: 850/900/1850/1900MHz；TDD-LTE：1900/2010/2400/2600MHz；WiFi： 2.4GHz/5.8GHz；5G NR：3.5GHz/4.8GHz等等。因此将耦合线圈的自谐振频率降低到6GHz以下，是设计的目标之一。
如图7所示，曲线1的双螺旋结构变压器，第三层金属层、第五层金属层、第七层金属层连接为初级线圈，第二层金属层、第四层金属层、第六层金属层、第八层金属层连接为次级线圈。曲线2的双螺旋结构变压器，第三层金属层、第五层金属层、第七层金属层连接为初级线圈，第四层金属层、第六层金属层、第八层金属层连接为次级线圈。曲线3 的双螺旋结构变压器，第五层金属层、第七层金属层连接为初级线圈，第六层金属层、第八层金属层连接为次级线圈。曲线4的双螺旋结构变压器，第七层金属层连接为初级线圈，第八层金属层连接为次级线圈。
在通常的基波(f0)工作频段6GHz以下，曲线1、2的耦合效率最高，曲线3的耦合效率居中，曲线4的耦合效率最低。曲线4的初次级线圈连接结构接近于叠层结构。由此可见，在工作频段内，本实用新型实施例提供的双螺旋结构变压器的耦合效率高，具有功率传输效率高、插损小、谐振于工作频带内，高频谐波抑制好的优点。
一种射频功率放大器，包含上述所述的双螺旋结构变压器。变压器技术在射频功率放大器中被用于单端转差分、以及差分转单端的变换，同时承担着功率耦合的功能。这种射频功率放大器功率传输效率高、插损小、谐振于工作频带内，高频谐波抑制好。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本实用新型而非限制本实用新型的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下对本实用新型进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本实用新型的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。
Claims (11)
1.一种双螺旋结构变压器，其特征在于，所述变压器整体呈双螺旋结构，包括：
至少四层金属层，每层金属层具有两端；
介质层，所述介质层为绝缘板，设置在相邻金属层之间，所述介质层设置通孔；其中，
部分或全部奇数金属层的各端与其相邻奇数金属层的各端依次通过所述通孔连接，作为初级线圈；部分或全部偶数金属层的各端与其相邻偶数金属层的各端依次通过所述通孔相连接，作为次级线圈。
2.根据权利要求1所述的双螺旋结构变压器，其特征在于，所述变压器利用集成电路工艺或先进基板工艺的多层金属连接特性进行连接制作，所述介质层包括电路板或基板。
3.根据权利要求1所述的双螺旋结构变压器，其特征在于，所述初级线圈与所述次级线圈根据所述变压器的变比进行耦合。
4.根据权利要求1所述的双螺旋结构变压器，其特征在于，所述初级线圈与所述次级线圈的自谐振频率≤6GHz。
5.根据权利要求1所述的双螺旋结构变压器，其特征在于，所述次级线圈的金属层数比所述初级线圈的金属层数多一层。
6.根据权利要求5所述的双螺旋结构变压器，其特征在于，所述次级线圈的金属层将所述初级线圈的金属层数包裹在内。
7.根据权利要求1所述的双螺旋结构变压器，其特征在于，所述初级线圈的金属层数比所述次级线圈的金属层数多一层。
8.根据权利要求7所述的双螺旋结构变压器，其特征在于，所述初级线圈的金属层将所述次级线圈的金属层数包裹在内。
9.根据权利要求1所述的双螺旋结构变压器，其特征在于，所述次级线圈的金属层数与所述初级线圈的金属层数相等。
10.根据权利要求1所述的双螺旋结构变压器，其特征在于，所述金属层为环形或多边形或圆形。
11.一种射频功率放大器，其特征在于，所述射频功率放大器包含权利要求1至10任一项所述的双螺旋结构变压器。
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