FR2901929A1

FR2901929A1 - Dephaseur integre de signaux differentiels en signaux en quadrature

Info

Publication number: FR2901929A1
Application number: FR0651991A
Authority: FR
Inventors: Hilal Ezzeddine; Francois Dupont; Benjamin Therond
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-12-07
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: US20070296524A1; FR2901929B1; US7459989B2

Abstract

L'invention concerne un déphaseur en lignes distribuées comportant : un premier enroulement plan (21) dont les extrémités définissent des accès (IN0, IN180) en opposition de phase ; un deuxième enroulement plan (22) couplé avec le premier et connecté à la masse par un premier élément capacitif (C1) ; un troisième enroulement plan (23) dans un niveau conducteur différent de celui recevant le premier enroulement et électriquement en série avec le deuxième enroulement ; et un quatrième enroulement plan (24), couplé avec le troisième dans un niveau conducteur différent de celui recevant le deuxième enroulement, des premières extrémités (231, 241) des troisième et quatrième enroulements étant reliées par un élément capacitif (C3) et leurs deuxièmes extrémités (232, 242) étant reliées par un autre élément capacitif (C2), leurs première et deuxième extrémités respectives définissant des accès (OUT90, OUT0) en quadrature de phase.

Description

B7568 - 06-T0-076 1 DEPHASEUR INTEGRE DE SIGNAUX DIFFERENTIELS EN SIGNAUX

EN QUADRATURE

Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale les déphaseurs de puissance (phase shifter) dans une technique de lignes distribuées ou couplées. De tels dispositifs sont utilisés pour déphaser des signaux radiofréquence l'un par rapport à l'autre, généralement, d'une phase de 90 . On trouve ces dispositifs en association avec des amplificateurs de puissance équilibrés, des mélangeurs, des combineurs/diviseurs de puissance, le plus souvent pour déphaser des signaux radiofréquence correspondant à des voies différentes. Exposé de l'art antérieur La figure 1 représente, sous forme de bloc, un circuit réalisant un déphasage (PHASE SHIFT) de 90 de deux signaux entrants. Un tel circuit comporte deux accès INO et IN180, désignés arbitrairement d'entrée, destinés à recevoir deux signaux différentiels Pin 0 et Pin 180 (en opposition de phase), et deux accès OUTO et OUT90, désignés arbitrairement de sortie, destinés à fournir des signaux Pout 0 et Pout 90 en quadrature de phase. Un tel dispositif est le plus souvent bidirectionnel, c'est-à-dire qu'il peut servir, selon son montage dans un circuit électronique, à déphaser des signaux différentiels d'entrée pour B7568 - 06-TO-076

2 obtenir des signaux en quadrature de phase ou à accroître le déphasage d'un signal en quadrature pour obtenir un signal en opposition de phase. La figure 2 représente, de façon très schématique et sous forme de blocs, un exemple classique de circuit d'émission radiofréquence utilisant un déphaseur (bloc 1). Ce déphaseur fait partie d'une tête 10 d'émission radiofréquence et est intercalé entre des entrées différentielles RFin+ et RFinrecevant un signal à transmettre et deux amplificateurs 11 et 12 (PA) devant recevoir des signaux radiofréquence en quadrature de phase. Les signaux RFin+ et RFin- sont en opposition de phase notamment pour des raisons d'une meilleure immunité au bruit. Le circuit 10 est alimenté par une tension Valim généralement continue. Les sorties respectives des amplificateurs 11 et 12 fournissent des signaux amplifiés ARFO et ARF90 à un combineur 15, le cas échéant après traversée de circuits 13 et 14 (MATCH) d'adaptation d'impédance (représentés en pointillés). Le rôle du combineur 15 est d'additionner deux puissances entrantes en une voie commune pour former un signal RF envoyé sur une antenne 16 pour l'émission. Le cas échéant, un coupleur est adjoint au combineur 15 pour extraire une information proportionnelle à la puissance transmise Pout de façon à ajuster les gains des amplificateurs 11 et 12. Une architecture similaire peut être utilisée pour une chaîne de réception. Dans ce cas, l'accès combiné RF sert de borne d'entrée tandis que deux accès répartis fournis par le combineur en quadrature de phase sont envoyés vers deux entrées de réception d'une tête de réception radiofréquence comportant un déphaseur pour fournir des signaux en opposition de phase à destination des circuits de traitement. La réalisation d'un déphaseur peut faire appel à des techniques dites à éléments localisés (association dans un schéma électrique d'éléments inductifs et capacitifs localisés) ou à lignes distribuées ou couplées (lignes conductrices disposées B7568 - 06-T0-076

3 suffisamment proches l'une de l'autre pour engendrer un couplage électromagnétique). Les déphaseurs réalisés par des éléments localisés sont limités à de très faibles bandes de fréquence (inférieures à la dizaine de MHz). La présente invention s'applique plus particulièrement aux déphaseurs en lignes distribuées qui peuvent traiter des bandes de fréquences plus larges. La figure 3 représente un exemple classique d'un déphaseur 1' réalisé sous forme intégrée en lignes distribuées. En figure 3, les détails des lignes n'ont pas été représentés et seuls des blocs fonctionnels sont illustrés. Dans une telle réalisation, le déphaseur utilise à la fois un transformateur à changement de mode 17 (BALUN) et un combineur 18 (COMB). Le transformateur 17 est chargé de transformer les signaux différentiels présents sur les bornes d'entrée INO et IN180 en un signal intermédiaire INT en mode commun. Ce signal INT est divisé par le combineur 18 pour former deux signaux en quadrature de phase fournis sur les sorties OUTO et OUT90.

Un inconvénient du déphaseur 1' de la figure 3 est qu'il présente une taille élevée. En effet, dans une technique de lignes distribuées, les longueurs des lignes sont en quart ou en huitième de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande de fréquences à traiter, et une multiplication des dispositifs accroît la taille. Un autre inconvénient du déphaseur 1' de la figure 3 est qu'il présente des pertes d'insertion élevées. Résumé de l'invention La présente invention vise à pallier tout ou partie 30 des inconvénients des déphaseurs en quadrature de phase classiques. L'invention vise plus particulièrement à réaliser un déphaseur en quadrature de phase en utilisant une technologie de couches minces du type de celle utilisée dans la fabrication des 35 circuits intégrés.

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4 L'invention vise également à réduire l'encombrement d'un déphaseur par rapport aux solutions classiques en lignes distribuées. L'invention vise également à diminuer les pertes 5 d'insertion en réduisant la taille du déphaseur. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un déphaseur en lignes distribuées comportant : un premier enroulement plan dont les extrémités 10 définissent des accès en opposition de phase ; un deuxième enroulement plan couplé avec le premier et connecté à la masse par un premier élément capacitif ; un troisième enroulement plan dans un niveau conducteur différent de celui recevant le premier enroulement et 15 électriquement en série avec le deuxième enroulement ; et un quatrième enroulement plan, couplé avec le troisième dans un niveau conducteur différent de celui recevant le deuxième enroulement, des premières extrémités des troisième et quatrième enroulements étant reliées par un élément capacitif et 20 leurs deuxièmes extrémités étant reliées par un autre élément capacitif, leurs première et deuxième extrémités respectives définissant des accès en quadrature de phase. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les deuxième et troisième enroulements sont réalisés dans un 25 premier niveau conducteur en étant côte à côte, les premier et quatrième enroulements étant réalisés dans un deuxième niveau conducteur en étant côte à côte, les deuxième et troisième enroulements étant respectivement superposés aux premier et quatrième et un troisième niveau conducteur servant à réaliser 30 des pistes de reprise de contact des extrémités internes des enroulements. Selon un mode de réalisation de la présente invention, tous les enroulements tournent dans le même sens. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 35 les premier et deuxième enroulements sont imbriqués l'un avec B7568 - 06-T0-076

l'autre dans un premier niveau conducteur, les troisième et quatrième enroulements étant imbriqués l'un avec l'autre dans un deuxième niveau conducteur superposé au premier. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 les enroulements réalisés dans des niveaux différents tournent dans des sens inverses. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un élément résistif relie la première extrémité du quatrième enroulement à la masse.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, des éléments capacitifs ont des valeurs choisies dans une plage allant de 0,5 à 10 picofarads. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les éléments capacitifs sont des éléments localisés.

La présente invention prévoit également un circuit d'émission réception radiofréquence. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 décrite précédemment représente, sous forme de bloc, un déphaseur du type auquel s'applique la 25 présente invention ; la figure 2 représente, de façon très schématique et sous forme de blocs, un exemple de circuit électronique utilisant un déphaseur du type auquel s'applique la présente invention ; 30 la figure 3 représente un exemple classique de déphaseur intégré ; la figure 4 représente le schéma électrique équivalent d'un déphaseur selon un mode de réalisation de la présente invention ; B7568 - 06-T0-076

6 les figures 5A, 5B et 5C sont des vues de dessus de niveaux conducteurs participant à une réalisation intégrée des lignes couplées du déphaseur de la figure 4 selon un premier mode de réalisation de la présente invention ; la figure 6 est une vue schématique en perspective éclatée de niveaux conducteurs participant à une réalisation intégrée d'un déphaseur selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention ; et les figures 7A et 7B sont des vues en coupe selon les 10 lignes A-A et B-B de la figure 6. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures qui ont été tracées sans respect d'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments qui 15 sont utiles à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. En particulier, les applications d'un déphaseur de l'invention n'ont pas été toutes détaillées, un tel déphaseur pouvant être utilisé en remplacement d'un dispositif classique dans n'importe 20 quelle application appliquant un déphasage de 90 . De même, les procédés de réalisation de couches minces en utilisant les technologies de fabrication des circuits intégrés n'ont pas été détaillés, l'invention étant compatible avec les techniques classiques. 25 La figure 4 représente le schéma électrique d'un déphaseur 1 selon un mode de réalisation de la présente invention. Une première ligne 21 définit un premier élément inductif L1 dont les deux extrémités 211 et 212 définissent des accès, dits arbitrairement d'entrée, INO et IN180 de signaux en 30 opposition de phase. Une deuxième ligne 22, couplée à la première, définit un deuxième élément inductif L2. Une troisième ligne 23 définit un troisième élément inductif L3 dont une première extrémité 231 définit un accès OUT90, dit arbitrairement de sortie, d'un signal déphasé de 90 par rapport 35 au signal de la borne INO. Une deuxième extrémité 232 de B7568 - 06-T0-076

7 l'élément L3 est confondue avec la première extrémité 221 du deuxième élément inductif L2 avec laquelle il se retrouve donc électriquement en série. La deuxième extrémité 222 de la deuxième ligne 22 est reliée à la masse M par l'intermédiaire d'un premier élément capacitif Cl. Une quatrième ligne 24, couplée avec la troisième, définit un quatrième élément inductif L4 dont une première extrémité 241 est reliée à la masse M par un élément résistif R et dont une deuxième extrémité 242 définit un accès de sortie OUTO d'un signal en quadrature de phase avec le signal présent sur l'accès OUT90. Par ailleurs, l'extrémité 242 est reliée au point milieu 232-221 entre les enroulements L2 et L3 par un deuxième élément capacitif C2, et les premières extrémités respectives 231 et 241 des troisième et quatrième lignes sont reliées l'une à l'autre par un troisième élément capacitif C3. La valeur de l'élément résistif R dépend de l'impédance de référence du montage. Elle est généralement fixée à 50 ohms. Les éléments capacitifs Cl permet d'ajuster la bande de fréquences de fonctionnement. Les élément capacitifs C2 et C3 assurent le déphasage en quadrature des sorties OUTO et OUT90 l'une par rapport à l'autre. Les inductances L1 à L4 sont dimensionnées de façon à être de l'ordre de grandeur des mutuelles inductances souhaitées.

Ces mutuelles inductances (par exemple, de l'ordre de 4 à 30 nH) sont élevées pour obtenir un couplage inductif suffisamment fort pour fonctionner en bande radiofréquence. Ces ordres de grandeur sont bien sûr adaptés en fonction des coefficients de couplage qui dépendent du tracé et de la technologie. L'élément capacitif Cl permet d'abaisser la fréquence centrale de la bande passante pour réduire les valeur et taille des inductances L1 à L4. Les figures 5A, 5B et 5C illustrent un premier mode de réalisation des éléments inductifs L1 à L4 sous la forme d'enroulements conducteurs plans pour former un déphaseur tel que représenté en figure 4. Ces figures sont des vues de dessus B7568 - 06-T0-076

8 schématiques de trois niveaux conducteurs utilisés pour cette réalisation et doivent être vus empilés les uns sur les autres. Comme illustre la figure 5A, les deux enroulements 22 et 23 en série l'un avec l'autre sont réalisés dans un premier niveau M1 conducteur sous la forme d'enroulements plans côte à côte et dont les extrémités externes 221 et 232 sont reliées l'une à l'autre. Une piste 26 destinée à être connectée à une première électrode de l'élément capacitif C2 (non représenté) est reliée aux extrémités communes 221 et 232.

Les enroulements 21 et 24 sont réalisés dans un autre niveau M2 conducteur en étant respectivement situés à l'aplomb des enroulements 22 et 23 pour obtenir un effet de couplage. L'extrémité externe 211 de l'enroulement 21 définit la borne INO tandis que l'extrémité externe 242 de l'enroulement 24 définit la borne OUTO. Un troisième niveau conducteur M3 est utilisé pour effectuer des reprises de contact des extrémités internes respectives des différents enroulements. Les extrémités internes 212, 222, 231 et 241 des différents enroulements sont chacune reliée par un via conducteur à des tronçons 31, 32, 33 et 34, par exemple rectilignes, réalisés dans le niveau M3. L'extrémité 212 est reliée à une première extrémité du tronçon 31 par un via 311 et l'autre extrémité du tronçon 31 définit la borne IN180.

L'extrémité 222 est reliée à une première extrémité d'un tronçon 32 par un via 321 et l'autre extrémité du tronçon 32 est destinée à être raccordée à une première électrode de l'élément capacitif Cl. L'extrémité interne 231 est reliée par un via 331 à une première extrémité de la piste 33 dont l'autre extrémité est destinée à être reliée à une première électrode de l'élément capacitif C3 et à définir la borne de sortie OUT90. La deuxième électrode de l'élément capacitif C3 est reliée à une extrémité de la piste 34 dont l'autre extrémité est reliée par un via 341 à l'extrémité interne 241 du quatrième enroulement. Le tronçon 34 relie également cette extrémité à l'élément résistif R.

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9 On notera que les références aux niveaux M1, M2 et M3 ne représentent pas forcément l'ordre d'empilement de ces niveaux dans la structure intégrée. Cet ordre est, par exemple, adapté aux autres constituants (éléments capacitif et résistif) devant être réalisés dans la structure. Dans la structure représentée aux figures 5, tous les enroulements 21 à 24 tournent, vus de dessus et depuis l'extérieur, dans le sens des aiguilles d'une montre. Le contraire est bien entendu possible pourvu, dans ce mode de réalisation que tous les enroulements tournent dans le même sens de façon à obtenir le déphasage souhaité. La figure 6 est une vue en perspective éclatée et très schématique d'un deuxième mode de réalisation du déphaseur de la figure 4. Cette figure représente les enroulements 21 à 24 et les pistes de report des extrémités intérieures des enroulements. Les figures 7A et 7B sont des vues en coupe schéma-tiques prises selon les lignes A-A et B-B de la figure 6. Selon ce mode de réalisation préféré, les enroulements 21 et 22 sont réalisés dans un même niveau conducteur (par exemple M1 (figures 7A et 7B) en étant interdigités l'un avec l'autre. Les enroulements 23 et 24 sont également interdigités l'un avec l'autre en étant réalisés dans un deuxième niveau M2. Un troisième niveau M3 sert à la réalisation des pistes 31 à 34. Un via 35 relie les extrémités internes 221 et 232, et une piste 36 sort le contact pour liaison à une électrode de l'élément C2. Bien entendu, les différents niveaux conducteurs sont séparés par des couches isolantes 41 à 43, la couche inférieure 41 de l'empilement étant par exemple un substrat isolant. D'autres niveaux isolants, conducteurs ou semiconducteurs peuvent être présents dans l'empilement pour d'autres fonctions. Le fait que les enroulements 21 et 22, respectivement 23 et 24 tournent dans le même sens permet de les imbriquer ou interdigiter. Toutefois, par rapport au mode de la réalisation des figures 5A et 5B, les enroulements 24 et 23 tournent, vus de dessus et depuis l'extérieur, dans le sens inverse des aiguilles B7568 - 06-T0-076

10 d'une montre. Le contraire est bien entendu possible pourvu que les enroulements constitutifs des lignes 22 et 23 tournent dans des sens inverses (depuis l'extérieur) de sorte que le courant circulant dans leur association en série tourne dans le même sens sur tout le parcours. Un premier couplage est obtenu par le fait que chaque enroulement est imbriqué avec celui auquel il doit être couplé dans le schéma électrique de la figure 4. Un deuxième couplage provient de l'empilement des différents enroulements. Cet accroissement du coefficient de couplage permet, entre autres, que les longueurs développées des lignes formant les enroulements puissent être inférieures au quart de la longueur d'ondes de la fréquence de travail du coupleur. Les éléments capacitifs Cl à C3 sont, de préférence, réalisés sous forme d'éléments localisés et non répartis. La bande passante du déphaseur dépend du nombre de tours des enroulements (donc de la valeur des inductances) ainsi que la valeur des éléments capacitifs associés. Pour une fréquence de travail donné (fréquence centrale de la bande passante du déphaseur), plus les enroulements sont courts, plus les valeurs des éléments capacitifs associés sont élevées. Dans les applications hautes fréquences (supérieures à 100 MHz) que vise plus particulièrement la présente invention, les éléments capacitifs auront des valeurs comprises entre 0,5 pF et 10 pF. A titre d'exemple particulier de réalisation, pour réaliser un déphaseur à une fréquence de travail de 950 MHz dans le mode de réalisation des figures 5A à 5C, les enroulements 21 à 23 font 4,75 tours et l'enroulement 24 fait 4,5 tours. Le fait d'avoir un quart de tour de différence entre l'enroulement 24 et les autres permet de rendre plus proches les unes des autres les extrémités 241 et 231 à connecter par l'élément capacitif C3. Selon un autre exemple particulier de réalisation, un déphaseur réalisé en appliquant la structure empilée des figures 6, 7A et 7B est réalisé avec des enroulements de 6,5 tours pour B7568 - 06-TO-076

11 une même bande de fréquence. Toutefois, la structure empilée permet de gagner de la place par rapport à la structure d'enroulements côte à côte des figures 5. Pour un déphaseur à 900 MHz, les éléments capacitifs Cl à C3 ont des valeurs comprises entre environ 1,3 et 3 pF. La mise en oeuvre des deux modes de réalisation conduit alors aux dimensions suivantes : Premier mode de réalisation (enroulements côte à côte) . longueurs développées des enroulements : environ 7000 }gym ; valeurs des inductances L1 à L4 : 10 nH ; largeurs des lignes : environ 30 pm ; et écart entre les lignes : environ 10 }gym.

Deuxième mode de réalisation (enroulements imbriqués et superposés) . longueurs développées des enroulements : environ 6000 }gym ; valeurs des inductances L1 à L4 : 10 pH ; largeurs des lignes : environ 30 pm ; et écart entre les lignes : environ 10 }gym. Un avantage de la présente invention est que les longueurs des lignes couplées n'ont plus besoin d'être égales au quart de la longueur d'onde de la fréquence de travail.

Un autre avantage de la présente invention dans son mode de réalisation préféré est qu'en empilant les enroulements, on réduit encore l'encombrement du déphaseur. Un autre avantage de la présente invention est que la surface occupée par le déphaseur est moindre que dans une structure classique à lignes distribuées du type de celle illustrée par la figure 3. Un autre avantage de la présente invention est que la réduction de la taille s'accompagne d'une diminution des pertes d'insertion.

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12 Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les dimensions à donner aux lignes couplées (aux longueurs ainsi qu'aux sections) dépendent de l'application et sont à la portée de l'homme du métier en fonction notamment de la résistance des lignes souhaitées et des fréquences de travail du déphaseur.

Claims

REVENDICATIONS

1. Déphaseur en lignes distribuées comportant : un premier enroulement plan (21) dont les extrémités définissent des accès (INO, IN180) en opposition de phase ; un deuxième enroulement plan (22) couplé avec le premier et connecté à la masse par un premier élément capacitif (Cl) ; un troisième enroulement plan (23) dans un niveau conducteur différent de celui recevant le premier enroulement et électriquement en série avec le deuxième enroulement ; et un quatrième enroulement plan (24), couplé avec le troisième dans un niveau conducteur différent de celui recevant le deuxième enroulement, des premières extrémités (231, 241) des troisième et quatrième enroulements étant reliées par un élément capacitif (C3) et leurs deuxièmes extrémités (232, 242) étant reliées par un autre élément capacitif (C3), leurs première et deuxième extrémités respectives définissant des accès (0UT90, OUTO) en quadrature de phase.

2 Déphaseur selon la revendication 1, dans lequel les deuxième et troisième enroulements (22, 23) sont réalisés dans un premier niveau conducteur (Ml) en étant côte à côte, les premier et quatrième enroulements (21, 24) étant réalisés dans un deuxième niveau conducteur (M2) en étant côte à côte, les deuxième et troisième enroulements étant respectivement super-posés aux premier et quatrième et un troisième niveau conducteur (M3) servant à réaliser des pistes (31, 32, 33 et 34) de reprise de contact des extrémités internes des enroulements.

3 Déphaseur selon la revendication 2, dans lequel tous les enroulements tournent dans le même sens.

4 Déphaseur selon la revendication 1, dans lequel les premier (21) et deuxième (22) enroulements sont imbriqués l'un avec l'autre dans un premier niveau conducteur (Ml), les troisième (23) et quatrième (24) enroulements étant imbriqués l'un avec l'autre dans un deuxième niveau conducteur (M2) superposé au premier.B7568 - 06-T0-076 14 Déphaseur selon la revendication 4, dans lequel les enroulements réalisés dans des niveaux différents tournent dans des sens inverses. 6 Déphaseur selon l'une quelconque des revendications 5 1 à 5, dans lequel un élément résistif (R) relie la première extrémité (241) du quatrième enroulement à la masse. 7 Déphaseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel des éléments capacitifs (Cl, C2, C3) ont des valeurs choisies dans une plage allant de 0,5 à 10 picofarads. 8 Déphaseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les éléments capacitifs (Cl, C2, C3) sont des éléments localisés. 9 Circuit d'émission réception radio fréquence comportant au moins un déphaseur conforme à l'une quelconque des 15 revendications 1 à 8.