CN216389018U - 射频叠层变压器和射频芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种射频叠层变压器，其包括第一次级线圈、主线圈、第二次级线圈、第一金属通孔和第二金属通孔以及输出端口；第一次级线圈的第一端通过第一金属通孔与第二次级线圈的第一端连接，第一次级线圈的第二端连接至输出端口，第二次级线圈的第二端通过第二金属通孔后连接至接地；沿垂直于射频叠层变压器的厚度方向，第一次级线圈的宽度和第二次级线圈的宽度均小于或等于主线圈的层宽度，第二次级线圈的长度小于第一次级线圈的长度；第一次级线圈和第二次级线圈均设有多个周期性亚波长矩形槽，以形成人工表面等离激元。本实用新型射频叠层变压器的输出对称性较好且抗干扰性能好。

Description

射频叠层变压器和射频芯片

技术领域

本实用新型涉及变压器技术领域，尤其涉及一种射频叠层变压器和射频芯片。

背景技术

目前，无线通信技术的发展，尤其射频前端模组的应用越来越广。由于数据传输更快和高的线性度要求，在射频前端模组中的变压器成为重要的组成部分。

相关技术的变压器一般分为平面式变压器和叠层式变压器。平面式变压器通常存在耦合系数较低且面积较大的缺点。随着射频工艺的进步，多层基板技术越来越成熟，为叠层式变压器的应用提供了基础。叠层变压器具有较小的面积及较高的耦合系数的优点，但由于线圈位于不同层，电气性能并不完全相同，存在输出对称性较差的缺点。

然而，相关技术的叠层式变压器一般采用三层圆形或多边形结构。相关技术的叠层式变压器的上下两个次级线圈呈对称分布，并使用金属通孔来实现不同层线圈之间的互连。为了提高耦合系数，相关技术的叠层式变压器通常将中间层主线圈宽度稍大，并使得中间层主线圈与上下层次级线圈完全重叠。该结构导致了较大的层间寄生电容，降低了叠层式变压器的工作频率和自谐振频率。相关技术的叠层式变压器的传输线主要使用微带线的形式。由于不同层线圈之间存在电气性能的差异，导致输出对称性不够好。微带线由于其灵活性和易于加工性被广泛应用于各种射频电路中，但由于其电磁场分布的开放性，相关技术的叠层式变压器的传输线邻间干扰相对较大。

表面等离激元是指当光波入射至金属与介质分界面时与金属电子所发生的共振现象，通过此种方式传输的电磁波将被紧紧束缚在金属周围，能突破衍射极限，并具有局域场效应和强色散性的特点。由于金属在低频表现为完美导体，不具备等离子性质。为了将表面等离激元的现象应用到微波领域，通过在金属传输线上开周期性亚波长孔槽，以构成人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons，简称SSPPs)。使金属传输线具有与天然表面等离激元相似且传统传输线所不具有的特点。因此，如何将表面等离激元在叠层式变压器的传输线上进行应用是一个需要解决的技术问题。

因此，实有必要提供一种新的变压器和相关芯片解决上述问题。

实用新型内容

针对以上现有技术的不足，本实用新型提出一种输出对称性较好且抗干扰性能好的射频叠层变压器和射频芯片。

为了解决上述技术问题，第一方面，本实用新型的实施例提供了一种射频叠层变压器，其包括均为金属构成层状且依次叠设的第一次级线圈、主线圈以及第二次级线圈；

所述射频叠层变压器还包括沿其厚度方向设置的第一金属通孔和第二金属通孔以及输出端口；所述第一次级线圈的第一端通过第一金属通孔与所述第二次级线圈的第一端连接，所述第一次级线圈的第二端连接至所述输出端口，所述第二次级线圈的第二端通过所述第二金属通孔后连接至接地；

沿垂直于所述射频叠层变压器的厚度方向，所述第一次级线圈的宽度和所述第二次级线圈的宽度均小于或等于所述主线圈的层宽度，所述第二次级线圈的长度小于所述第一次级线圈的长度，所述第二次级线圈向所述第一次级线圈方向的正投影完全与所述第一次级线圈重合，所述第二次级线圈向所述主线圈方向的正投影完全落入所述主线圈内；

所述第一次级线圈和所述第二次级线圈均设有多个周期性亚波长矩形槽，以形成人工表面等离激元。

优选的，所述第一次级线圈、所述主线圈以及所述第二次级线圈均为呈环状结构。

优选的，所述周期性亚波长矩形槽分别由所述第一次级线圈的内周侧和所述第二次级线圈的内周侧凹陷形成。

优选的，所述第一次级线圈的内径和所述第二次级线圈的内径均为440um，所述第一次级线圈的外径和所述第二次级线圈的外径均为600um；所述主线圈的内径为400um，所述主线圈的外径为640um。

优选的，所述周期性亚波长矩形槽的槽深度和槽宽度均为30um。

优选的，所述第一次级线圈、所述主线圈以及所述第二次级线圈呈同轴结构。

优选的，所述主线圈包括第一端口、与所述第一端口间隔设置的第二端口以及设置于所述第一端口和所述第二端口之间的下端端口，所述第一端口作为所述射频叠层变压器的第一差分输入端口，所述第二端口作为所述射频叠层变压器的第二差分输入端口，所述下端端口用于连接至接地。

优选的，所述射频叠层变压器还包括第一电容和第二电容，所述第一端口通过串联所述第二电容后连接至所述第二端口，所述下端端口通过串联所述第一电容后连接至接地。

优选的，所述射频叠层变压器还包括匹配网络，所述第一次级线圈的第二端连接至所述匹配网络的第一端，所述匹配网络的第二端连接至所述输出端口。

第二方面，本实用新型的实施例提供了一种射频芯片，所述射频芯片包括如本实用新型实施例提供的上述射频叠层变压器。

与相关技术相比，本实用新型的射频叠层变压器和射频芯片通过设置依次叠设的第一次级线圈、主线圈以及第二次级线圈，并通过设置将所述第一次级线圈的宽度和所述第二次级线圈的宽度均小于或等于所述主线圈的层宽度，并将所述第二次级线圈的长度小于所述第一次级线圈的长度。该结构通过所述第一次级线圈和所述第二次级线圈的不完全对称的设计，提高了射频叠层变压器的输出对称性。同时，通过所述第一次级线圈和所述第二次级线圈设置多个周期性亚波长矩形槽，以形成人工表面等离激元(英文Spoof SurfacePlasmon Polaritons，简称SSPPs)，从而增强本实用新型的射频叠层变压器的场束缚性和色散特性。其中，强场束缚性可以降低传输线之间的干扰，而色散特性可以压缩波导波长从而减小尺寸，从而使得本实用新型的射频叠层变压器抗干扰性能好。因此，该电路结构使得射频叠层变压器和射频芯片的输出对称性较好且抗干扰性能好。

附图说明

下面结合附图详细说明本实用新型。通过结合以下附图所作的详细描述，本实用新型的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中，

图1为本实用新型射频叠层变压器的结构示意图；

图2为本实用新型射频叠层变压器的第一次级线圈和第一金属通孔的装配结构示意图；

图3为本实用新型射频叠层变压器的主线圈的结构示意图；

图4为本实用新型射频叠层变压器的第二次级线圈、第一金属通孔和第二金属通孔的装配结构示意图；

图5为本实用新型射频叠层变压器的色散曲线示意图；

图6为本实用新型射频叠层变压器的第一次级线圈的电磁场分布图；

图7为相关技术的叠层变压器的微带线设计的次级线圈的电磁场分布图；

图8为本实用新型射频叠层变压器的传输线与相关技术的叠层变压器的微带线设计的传输线的干扰曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

在此记载的具体实施方式/实施例为本实用新型的特定的具体实施方式，用于说明本实用新型的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本实用新型实施方式及本实用新型范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型实施例提供一种射频叠层变压器100。

请同时参考图1-4所示，其中，图1为本实用新型射频叠层变压器100的结构示意图。

本实用新型射频叠层变压器100包括第一次级线圈1、主线圈2、第二次级线圈3、第一金属通孔4、第二金属通孔5、第一差分输入端口Port1、第二差分输入端口Port2以及输出端口Port3。

所述第一次级线圈1、所述主线圈2以及所述第二次级线圈3沿所述射频叠层变压器100的厚度方向依次叠设。

所述第一次级线圈1、所述主线圈2以及所述第二次级线圈3均为金属构成。

具体的，所述主线圈2包括第一端口21、与所述第一端口21间隔设置的第二端口22以及设置于所述第一端口21和所述第二端口22之间的下端端口23。

本实施方式中，所述射频叠层变压器100还包括第一电容C1和第二电容C2。第二电容C2用作输入端口的阻抗匹配以及调谐。第一电容C1可用作相位以及幅度平衡度的调节。

射频叠层变压器100的连接关系为：

所述第一次级线圈1的第一端通过第一金属通孔4与所述第二次级线圈3的第一端连接。所述第一次级线圈1的第二端连接至所述输出端口Port3。所述第二次级线圈3的第二端通过所述第二金属通孔5后连接至接地GND。

所述第一端口21作为所述射频叠层变压器100的第一差分输入端口Port1。所述第二端口22作为所述射频叠层变压器100的第二差分输入端口Port2。所述下端端口23用于连接至接地GND。

所述第一端口21通过串联所述第二电容C2后连接至所述第二端口22。所述下端端口23通过串联所述第一电容C1后连接至接地GND。

为了更好输出信号，本实施方式中，所述射频叠层变压器100还包括匹配网络7，所述第一次级线圈1的第二端12连接至所述匹配网络7的第一端，所述匹配网络7的第二端连接至所述输出端口Port3。

本实施方式中，所述第一次级线圈1、所述主线圈2以及所述第二次级线圈3均为呈环状结构。且所述第一次级线圈1、所述主线圈2以及所述第二次级线圈3呈同轴结构。本实施方式中，所述第一次级线圈1的内径和所述第二次级线圈3的内径均为440um。所述第一次级线圈1的外径和所述第二次级线圈3的外径均为600um。所述主线圈2的内径为400um。所述主线圈2的外径为640um。

沿垂直于所述射频叠层变压器100的厚度方向，所述第一次级线圈1的宽度和所述第二次级线圈3的宽度均小于或等于所述主线圈2的层宽度。所述第二次级线圈3的长度小于所述第一次级线圈1的长度。所述第二次级线圈3向所述第一次级线圈1方向的正投影完全与所述第一次级线圈1重合。所述第二次级线圈3向所述主线圈2方向的正投影完全落入所述主线圈2内。该结构通过所述第一次级线圈1和所述第二次级线圈2的不完全对称的设计，提高了射频叠层变压器100的输出对称性。

本实施方式中，所述第一电容C1为参数可调电容。通过对所述第一电容C1进行微调，以进一步调节输出相位以及幅度平衡度。并且所述第二次级线圈3的长度短于所述第一次级线圈1的长度，从而所述第一次级线圈1和所述第二次级线圈2的电气性能差异进行的补偿。从而提高了射频叠层变压器100的输出对称性。

本实施方式中，所述第二电容C2为参数可调电容。第二电容C2进行调节有利于第一差分输入端口Port1与第二差分输入端口Port2的阻抗匹配以及调谐。

所述第一次级线圈1和所述第二次级线圈3均设有多个周期性亚波长矩形槽6。具体的，所述周期性亚波长矩形槽6分别由所述第一次级线圈1的内周侧和所述第二次级线圈3的内周侧凹陷形成。

周期性亚波长矩形槽6设置于所述第一次级线圈1和所述第二次级线圈3以形成人工表面等离激元(英文Spoof Surface Plasmon Polaritons，简称SSPPs)。

本实施方式中，所述周期性亚波长矩形槽6的槽深度和槽宽度均为30um。所述周期性亚波长矩形槽6设置为30um的矩形槽结构形成人工表面等离激元在调节波导波长效果好，并有利于降低了相邻传输线之间的干扰，而提高了射频叠层变压器100的抗干扰性能。

人工表面等离激元采取凹形结构，其凹槽深度直接影响色散程度，因此可用来调节波导波长。使用CST软件对人工表面等离激元进行本征模仿真，可以得出其色散曲线。请参考附图5所示，图5为本实用新型射频叠层变压器100的色散曲线示意图。由附图5可得，随着槽深的增加，色散曲线被压的越低，根据波导波长的计算公式2*π/β，这表明在相同频率下波导波长越短，同时局域场得到增强，但是槽深的增加也会增加损耗，实际设计中需要折中考虑。具体的，矩形槽的深度、宽度与周期主要影响色散程度和场束缚性，当开槽深度加深到一定程度时，从微带线到人工表面等离激元传输线的过渡需要做渐变处理，以减小动量不匹配造成的损耗。由于周期性的开槽，所述主线圈2分别与所述第一次级线圈1和所述第二次级线圈3重叠面积减小，这减小了层间寄生电容，降低了相邻传输线之间的干扰，而提高了射频叠层变压器100的抗干扰性能。

请同时参考附图6-7所示，图6为本实用新型射频叠层变压器的第一次级线圈的电磁场分布图；图7为相关技术的叠层变压器的微带线设计的次级线圈的电磁场分布图。周期性亚波长矩形槽6形成的人工表面等离激元将电磁场束缚在金属-介质分界面两侧，相对于微带线来讲，这增强了人工表面等离激元传输线附近的电磁场强度，且降低了与相邻传输线之间的干扰。

请参考附图8所示，图8为本实用新型射频叠层变压器100的传输线与相关技术的叠层变压器的微带线设计的传输线的干扰曲线示意图。具体的，一倍线宽的间距下，本实用新型射频叠层变压器100的传输线为基于人工表面等离激元设计。而相关技术的叠层变压器的传输线为基于微带线设计。由附图8可得：本实用新型射频叠层变压器100的传输线对临近传输线的干扰确实更低。

需要指出的是，本实用新型采用的相关电容为本领域常用的电容，对应的具体的指标和参数根据实际应用进行调整，在此，不作详细赘述。

本实用新型的还提供一种射频芯片。所述射频芯片包括所述射频叠层变压器100。

与相关技术相比，本实用新型的射频叠层变压器和射频芯片通过设置依次叠设的第一次级线圈、主线圈以及第二次级线圈，并通过设置将所述第一次级线圈的宽度和所述第二次级线圈的宽度均小于或等于所述主线圈的层宽度，并将所述第二次级线圈的长度小于所述第一次级线圈的长度。该结构通过所述第一次级线圈和所述第二次级线圈的不完全对称的设计，提高了射频叠层变压器的输出对称性。同时，通过所述第一次级线圈和所述第二次级线圈设置多个周期性亚波长矩形槽，以形成人工表面等离激元(英文Spoof SurfacePlasmon Polaritons，简称SSPPs)，从而增强本实用新型的射频叠层变压器的场束缚性和色散特性。其中，强场束缚性可以降低传输线之间的干扰，而色散特性可以压缩波导波长从而减小尺寸，从而使得本实用新型的射频叠层变压器抗干扰性能好。因此，该电路结构使得射频叠层变压器和射频芯片的输出对称性较好且抗干扰性能好。

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 (10)

1.一种射频叠层变压器，其包括均为金属构成层状且依次叠设的第一次级线圈、主线圈以及第二次级线圈；其特征在于，

所述射频叠层变压器还包括沿其厚度方向设置的第一金属通孔和第二金属通孔以及输出端口；所述第一次级线圈的第一端通过第一金属通孔与所述第二次级线圈的第一端连接，所述第一次级线圈的第二端连接至所述输出端口，所述第二次级线圈的第二端通过所述第二金属通孔后连接至接地；

沿垂直于所述射频叠层变压器的厚度方向，所述第一次级线圈的宽度和所述第二次级线圈的宽度均小于或等于所述主线圈的层宽度，所述第二次级线圈的长度小于所述第一次级线圈的长度，所述第二次级线圈向所述第一次级线圈方向的正投影完全与所述第一次级线圈重合，所述第二次级线圈向所述主线圈方向的正投影完全落入所述主线圈内；

所述第一次级线圈和所述第二次级线圈均设有多个周期性亚波长矩形槽，以形成人工表面等离激元。

2.根据权利要求1所述的射频叠层变压器，其特征在于，所述第一次级线圈、所述主线圈以及所述第二次级线圈均为呈环状结构。

3.根据权利要求2所述的射频叠层变压器，其特征在于，所述周期性亚波长矩形槽分别由所述第一次级线圈的内周侧和所述第二次级线圈的内周侧凹陷形成。

4.根据权利要求2所述的射频叠层变压器，其特征在于，所述第一次级线圈的内径和所述第二次级线圈的内径均为440um，所述第一次级线圈的外径和所述第二次级线圈的外径均为600um；所述主线圈的内径为400um，所述主线圈的外径为640um。

5.根据权利要求4所述的射频叠层变压器，其特征在于，所述周期性亚波长矩形槽的槽深度和槽宽度均为30um。

6.根据权利要求2所述的射频叠层变压器，其特征在于，所述第一次级线圈、所述主线圈以及所述第二次级线圈呈同轴结构。

7.根据权利要求1所述的射频叠层变压器，其特征在于，所述主线圈包括第一端口、与所述第一端口间隔设置的第二端口以及设置于所述第一端口和所述第二端口之间的下端端口，所述第一端口作为所述射频叠层变压器的第一差分输入端口，所述第二端口作为所述射频叠层变压器的第二差分输入端口，所述下端端口用于连接至接地。

8.根据权利要求7所述的射频叠层变压器，其特征在于，所述射频叠层变压器还包括第一电容和第二电容，所述第一端口通过串联所述第二电容后连接至所述第二端口，所述下端端口通过串联所述第一电容后连接至接地。

9.根据权利要求8所述的射频叠层变压器，其特征在于，所述射频叠层变压器还包括匹配网络，所述第一次级线圈的第二端连接至所述匹配网络的第一端，所述匹配网络的第二端连接至所述输出端口。

10.一种射频芯片，其特征在于，所述射频芯片包括如权利要求1-9中的任意一项所述的射频叠层变压器。

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