TW200952001A - Compact balun transformers - Google Patents
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Description
200952001 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於平衡/不平衡變磨器’且更具體而言係關 於按薄膜多迴路組態建構之小型平衡/不平衡 【先前技術】
平衡/不平衡變塵器（balun)係無線系統中之雙平衡混頻 器及推挽放大器設計之-關難件。其自_不平衡輸入提 供平衡輸出。無線應用之平衡輸出需要兩個輸出端子中之 每一者處之輸入信號振幅的一半彼此異18〇度。原則上， 使用繞線線圈之習用線圏變壓器設計可產生此結果。然 而，習用繞線裝置因繞組之間的磁通量茂漏及電隸W 而具有-數百兆赫之上部頻率限制。當前無線應用需要以 ^電力之極高頻運作。主動平衡/不平衡變壓器設計提供 尚頻但以高DC電力消耗運作。因此，被動平衡/不平衡變 壓器較佳。在已知被動平衡/不平衡變壓器設計令， Marchand類型裝置已成為無線應用之裝置選擇。其提供極 好的平衡且可被製成為小的易於整合的幾何形狀。自=型 化觀點來看，一較佳Marchand平衡/不平衡變壓器係螺旋 形線圈類型。螺旋形Marchand平衡/不平衡變壓器之一版 本已由 T. Gokdemir 等人之 IEEE MTT_S Ιηη Micr〇wave
Symp.Dig.，第4〇1_4〇4頁報導。其使技術及 兩個並行螺旋形微帶線路建構該螺旋形平衡/不平衡變壓 器。
Chen等人亦已報導使用婉挺線路組態之單片被動平衡/ 138737.doc 200952001 不平衡變壓器設計。參見Chen等人在IEEE Trans、微波理 論技術卷39 ’第12號’第1980-1991頁之「Broadband Monolithic Passive Baiuns and Monolithic Double-Balanced Mixer」。此等設計具有帶有空氣橋來接近該等帶線路之 「矩形螺旋形」組態。 在2000年8月1日發佈之美國專利第6097273號中闡述了 一更小型平衡/不平衡變壓器設計。此設計使用一薄膜螺 旋形迴路堆疊，其中多個迴路按一偏移但上覆關係位於不 同平面上。 繼續需要小型且可易於且有效整合之高頻、低電力平衡/ 不平衡變壓器。 【發明内容】 根據本發明之一個態樣，具有多個變壓器迴路之平衡/ 不平衡變壓器係按其中初級迴路及次級迴路上覆彼此之一 堆疊設計予以建構。藉由沿一垂直方向對準該等迴路而非 偏移該等迴路，減少該裝置之面積。根據本發明之另一態 樣，多個變壓器迴路巢套於多個（至少南個）層級中之每一 者上，且位於一既定層級上之變壓器迴路係使用一位於一 不同層級上之交越而連接在一起。 【實施方式】 參照圖1，其顯示一習用平衡/不平衡變壓器結構具有並 行形成於基板11上之初級迴路滑道（runner)i2及次級迴路 滑道14。圖2係透過圖！之截面2_2之_視圖。 圖3表示一替代平衡/不平衡變壓器結構，其顯示形成於 138737.doc •4· 200952001 == = :外部迴路滑道32與”迴路_ 肉如、 巧、部迴路滑道36，外部迴路.V-fW盘 路;fit 33包括斜初㈣路，且 =與 内部迴路滑道36包括若干次級迴路。顯秋，圖3月道5與 平衡變覆器之側面積小於圖】及^、圖3之平衡/不 面積。m而，少味夕友、及之+衡/不平衡變壓器之 用-裝置美板n况下’自成本或效能觀點來看，使 土板之兩個側係不可能或無效的。 圖4表示一根據本發 迴路堆疊於基板之一個側上= 迫路及次級 裝置（IPD)基板之一部分 被動 如電感器、電容器、tja5| ^ Τ支撐大量裝置，例 基板材料。其可包：二基板可係選自各種基板及 等等。 、 夕日日矽、陶瓷、FR4環氧樹脂板 屉。〃 T塗覆有一例如二氧化矽或聚醯亞胺之介電 層。圖4中所示之一個金屬 生屬層級包括次級迴路滑道43及 者^處此金屬層級將被稱為金屬1。然而，熟悉此項技 =應理解，該IPD可包括數個層級且可以第一或任一後 :，屬層級開始建立一平衡/不平衡變遷器。該等迴路滑 道可係藉助習用方沐_ 。該裝置中所使用之金屬可係任 -適合導電金屬，例如，CHuUn pd 或其合金，但較佳係A1。層45係一層級間電介質且可包括 任-適合絕緣材料，例如二氧化石夕、氮化石夕等等。較佳 地層45係例如聚醢亞胺之聚合物。可使用例如碳氮聚 口物PVC %氧樹脂、環氧丙烯酸酯、光蝕劑材料等等 其他絕緣聚合物。為最小化線圈之間的電容性耦合，層45 138737.doc 200952001 較佳相對頗厚，例如，大於2微米。因此，將聚合物材料 用於此層頗有效，此乃因其可由易於且快速形成實質等形 厚層之旋塗或類似沈積技術施加。 第二層級金屬（金屬2)較佳係與層級1相同的金屬，且在 所不貫施例中包括初級迴路滑道47及48。在替代實施例 中，層級1可包括若干初級迴路滑道且層級2包括若干次級 迴路滑道。 本發明之一特性特徵係該等初級迴路滑道及次級迴路滑 道係沿垂直方向（z方向）實質上對準。「實質上對準」意欲 意指：在平面圖中，該等迴路滑道至少部分地重疊，雖然 無須精確垂直對準。此配置最小化平衡/不平衡變壓器在χ_ y平面中之面積。此與其中該等迴路滑道係並行形成之先 前技術設計或與其中位於不同層級處之迴路滑道沿方 向偏移之堆疊設計相反。 取決於所需要之裝置特性，該等迴路滑道之具體尺寸可 顯著變化。在較早參考之申請案即2〇〇〇年8月i曰發佈之美 國專利第6097273號中給出對尺寸之指導，該案以弓丨用方 式併入本文中。通常，該等迴路滑道將具有一小於1微米 厚度 小於5微米之間隔及一小於20微米之寬度。在 此連接中’提出圖式未按比例。 圖5根據本發明之一較佳實施例示意性地顯示一初級迴 路滑道51及-次級迴路滑道…。該等迴路滑道包括ι/〇端 子53及53&。如圖所示，該等迴路滑道具有一内部迴路滑 迢及一外部迴路滑道。該等迴路滑道在54及54a處交越， I38737.doc 200952001 其中如下文更詳細解釋提供—交越結構。使巢套型迴路滑 道互連之该交越配置形成本發明之另一態樣。當裝配於平 衡/不平衡變壓器裝置中時，兩個迴路導體將如由箭頭所 建議疊加。圖5顯示該平衡/不平衡變壓器之初級及次級線 圈中之每—者之兩個迴路滑道。可使用—單個迴路滑道或 兩個以上迴路滑道或甚至迴路滑道之若干部分。
圖6係顯示具有一有分接頭的次級繞組（亦即，且有一 η 變壓器比率)之一平衡，不平衡變壓器之一電路示意圖。此 貫例將用於圖7_9中所示之說明性實施例。其他變壓器比 率可藉由沿迴路滑道簡單選擇接地分接頭之位置來實現。 圖7A係圖6之電路之—平衡平衡變壓m繞组之— :意性表示。所示圖案係一較大IPD中之金屬層級^之一部 ^7。^級迴路之1/0端子顯示於71及77處。迴路滑道開始 、處’追蹤-外部迴路路徑72到達一將 至一内部迴路74之棬71南* 路72運接 .橋73。内部迴路滑道在導通體75處終 、包括連接内部及外部迴路之—交越互連的—部分。、 下文將解釋，在此實例中，該交越係使用另一層 級2)予以建構。外部迴路及橋73之外側上之交 通體顯示於76虚6播、s咖 又趣的另一導 ⑽端體76，迴路滑道追蹤外部迴路到 建構，-包括：接頭的次級繞組係使用分接頭79予以 子。顯放置於ί/〇端子部分71與77之間的滑道/端 等的部二二Si該次級繞組實f上分成兩個大致相 分㈣迴路滑道74之任―位置處卜 用叫才所述種類之-交料以建構。遵猶另— I38737.doc 200952001 替代方案，外部迴路72上任—位置之一分接頭可在不使用 —交越之情況下予以製成。 應'主意’橋連接73與導通體75與76之間的交越可互換。 如圖所不，圖7A中所示之迴路滑道組態係圓形。然而， 可替代其他形狀以形成該迴路之一個或多個轉角。出於界 疋本發月之目的，將—迴路界定為一延伸通過至少300度 15刀開放曲線。圖7A顯示一延伸通過幾乎720度之雙迴 路。若依一正方形如能π . >、、且匕、予以建構，則一單個迴路將延伸通 Θ 過四個隅角或360度。 —1 — 6α» "ΤΓ 土— 、S，圖7Α之迴路囷案可闡述為具有兩個迴路即一 路及外部迴路。圖7b中圖解說明此處所使用之命 名法。母-個迴路包括兩個片段，總共四個片段：一第一 之&(圖7B中之，一第二外部迴路片段（圖7B中 片二中—迴r;⑽7B—^ 於上)該四個迴路片段中之每一者在;^錳卜 係半圓形，且久έ目士 者在祕稱上 ❹ 段可係半圓，但如下文將輸出端。该等迴路片 半圓之形狀。繼碎㈣科τ-有接近或等效於 次級繞組包括、千衡/不平衡變壓器之 g仿四個如下配置 月段，其輪入係平衡/不伞，又.該第一外部迴路 第一内部迴路片俨， ° 、·為、，且之輸入，·該 輸出；該第二内部迴路片段，”亥第―外部迴路片段之 路片段之輪出；該第“入連接至該第-内部迴 。弟—外部迴路片， 二内部迴路片段之& /、輪入連接至該第 乃奴之輸出且其輸出係 十衡/不平衡變壓 138737.doc -8 - 200952001 級繞組之輪出。 圖 7 Α Ψ _ 連接…平衡/不平衡變壓器之次級繞組另外具有 連接之部迴路片段與該第二内部迴路片段之間的 導電輸出滑道。其亦具有連接至該第二内部迴路 輸出之一導通體，及連接至該第二外部迴路片段之 輸入之—導通體。如上所述，該等導通體可連接於該第一 R路片段之輸出及該第三内部迴路片段之輸入處。 圖8顯7F圖6之平衡/不平衡變壓器之初級繞組之包括金 屬層級2之圖帛。此外，所示圖案係-較大金屬圖案之一 /成IPD之第二（或另一）金屬層級之部分。將認識到， 金屬層級2之此部分之圖案類似於圖7A之圖案但圍繞一水 平軸旋轉。彼旋轉使1/〇端子82及93位於該圖頂部處且使 ❿ 父越位於該圖底部處。圖7A之連接導通體75及％之交越 顯7F於圖8中之81處。圖8中之迴路滑道自外部迴路83周圍 之I/O端子82追蹤至交越導通體84，接著到達另一層級， 且接著然後後退到導通體85處之層級自彼處該迴路滑 道追蹤内部迴路86到達交越導通體87。此交越容納為交越 81所取得之空間。該交越完成於導通體88處。自彼處該迴 路α道、’塵續/α内部迴路86到達橋89 ’在此處其交越至外部 坦路90’且連接至另一交越導通體μ。交越導通體％連接 至I/O端子滑道93。導通體91與92之間的交越完成於另一 層級上，此將結合圖9加以闡述。 使用一稍微不同佈局，可消除連接導通體87與88及91與 92之父越。舉例而言’藉由進一步間隔開該等迴路，可消 138737.doc 200952001 除導通體87與88之間的交越。如虛線路徑_所建議，亦 可經由截去内部迴路之一部分來消除此交越。然而，由於 在此實施例中需要另一互連層級用於連接内部及外部迴路 之交越（亦即，在導通體84與85之間），因此形成若干額外 交越來建構圖7-9中所示之配置頗不便利。 應注意，橋89及導通體84與85之間的交越可互換。 …使用上文針對平衡/不平衡變壓器之次級繞組闡明之闡 述性模式，圖8之初級繞組可闡述為亦包括四個迴路片段 (如圖7B中所不）。該初級繞組之四個迴路片段如下配置： 会第一外部迴路片段，其輸入係平衡/不平衡變壓器初級繞 •。之輸入，第—内部迴路片段，其輸入連接至該第一外部 迴路片段之輸出；第二内部迴路片段，其輸入連接至該第 一内部迴路片段之輸出；第二外部迴路片段，其輸入連接 至該第二内部迴路片段之輸出且其輸出係該平衡/不平衡 初級繞組之輸出。圖8中之初級繞組另外具有連接至該第 、。外部迴路片段之輸出之一導通體，及連接至該第一内部 迴路片段之輪入之一導通體。如上所述，該等導通體係可 互換且另一選擇係可連接至該第二内部迴路片段之輸出及 該第二外部迴路片段之輸入。 圖9中顯示—用於完成圖8之初級迴路滑道之交越之互連 圖案。圖7Α及8中所示之金屬層級通常將係連續層級，雖 然無肩層級1及2。圖9所示之層級可係下一毗鄰層級（在此 中層級3)或可係另一較高（或較低）層級。圖$之圖案具 有滑道95、連接導通體84及85及（若需要）、分別連接導通 138737.doc 200952001 體87、88及91、92之滑道％及97。 案干替代迴路導電導體圖 免且有=滑道之隅角處形成之不期望場圖案’而通常避 =正方形或銳利隅角之圖案(如圖ι〇Α中所示之一個圖 佳圖10R由對於某些應用而S ’圖1〇Β之迴路組態可係較 角^ 中之迴路之標稱形狀刊料具有若干圓形隅 L 其中圖案具有至少兩個迴路之通常迴路圖案 ❹ =-個巢套於另一迴路内之迴路。在圖Μ中所示之組 =中’該等迴路係圓形，且迴路圖案具有一個共心地形成 於另—迴路内之迴路’亦即，該等圓形迴路共享一共同中 :。此等迴路稱為巢套型迴路。然而，在_。中所示之 一替代構造中’該等迴路可具有一螺旋形組態。該螺旋形 組態之—優點係、在迴路之間不需要—交越互連。 在上文及在隨附申請專利範圍中參照「第一」、「第 一 J等等結合金屬化層級或層級間介電層旨在傳達一次 序因此第金屬化層或層級指代所陳述次序中之第一 個’且可係或可非係該裝置中之第—個層或層級。 參照-絕緣基板旨在意指該基板之表面包括絕緣材料。 λ表面可係塊絕緣基板之表面，或可係一層覆蓋該塊基 板之絕緣材料。所陳述之基板亦可係一包括一層級間電介 質之絕緣層。在高效能IpD中’該塊材料以及任何表面層 絕緣通常頗重要。 該等金屬化層可係由減性或加性處理形成。術語選擇性 沈積（SeleCtive deP〇siti〇n)或選擇性地沈積（seiectively 138737.doc • 11 - 200952001 depositing)旨在指代兩者。 熟悉此項技術者將想起本發明之各種額外修改。與此說 明書之基本上依賴於已透過其使此技術進步之原理及其等 效内容之具體教示之所有偏離被適當地視為在如所闡述及 所主張之本發明範疇内。 【圖式簡單說明】 在結合圖式考量時可更好地理解本發明，其中： 圖1圖解說明一使用交錯初級迴路及次級迴路之共同先 前技術平衡/不平衡變壓器組態； 圖2係透過圖1之2-2之一截面圖； 圖3顯示一其中初級迴路及次級迴路位於一基板之不同 側上之替代配置； 圖4圖解說明一其中該等迴路係根據本發明之一個態樣 沿一垂直方向對準之堆疊迴路組態； 圖5係圖4中所示之兩個層級之一示意性平面圖表示； 圖6係一顯示一具有一有分接頭的次級繞組之平衡/不平 衡變壓器實施例之電路圖，其係圖7_9中所示之實施例之 一電表示； 圖7A及7B係本發明之一多層平衡/不平衡變壓器裝置之 金屬1層級之示意性平面圖，其顯示該平衡/不平衡變壓器 之次級迴路； ° 圖8係本發明之一多層平衡/不平衡變壓器裝置之金屬2 層級之-示意性平面圖，其顯示該平衡/不平衡變麼器之 初級迴路； 138737.doc -12· 200952001 圖9係本發明之一多層平衡/不平衡變壓器裝置之一額外 金屬層級之一示意性平面圖，其顯示初級迴路之互連；及 圖10A-10C圖解說明替代迴路形狀。 【主要元件符號說明】
11 基板 12 初級迴路滑道 14 次級迴路滑道 31 基板 32 外部迴路滑道 33 内部迴路滑道 35 外部迴路滑道 36 内部迴路滑道 41 基板 43 次級迴路滑道 44 次級迴路滑道 45 層 47 次級迴路滑道 48 次級迴路滑道 51 初級迴路滑道 51a 次級迴路滑道 53 端子 53a 端子 54 迴路滑道 54a 迴路滑道 138737.doc -13- 200952001 71 端子部分 72 外部迴路 73 橋 74 内部迴路/迴路滑道 75 導通體 76 導通體 77 I/O端子 79 分接頭 81 交越 82 端子 83 外部迴路 84 導通體 85 導通體 86 内部迴路 87 導通體 88 導通體 89 橋 90 外部迴路 91 導通體 92 導通體 93 端子滑道 95 滑道 96 滑道 97 滑道 138737.doc -14- 200952001
a 第 一外部迴路片段 b 第 二外部迴路片段 c 第 一内部迴路片段 d 第 二内部迴路片段 -15- 138737.doc
Claims (1)
- 200952001 七、申請專利範圍： 1. 一種平衡/不平衡變壓器裝置，其帶有一具有至少兩個層 級（即層級1及層級2)之多層結構，其中該多層結構係位 於一實質水平平面中且包括： (a) —絕緣基板； (b) —層級1導電滑道，其形成於該基板上且具有 一迴路圖案； ❿ 參 (c) 一層級間介電層，其覆蓋該第一導電滑道； (d) —層級2導電滑道，其形成於該層級間電介質 上且具有一對應於該第一導電滑道之該迴路圖案之 迴路圖案， 其中該層級1導電滑道及該層級2導電滑道之該等迴路 圖案實質上係呈垂直對準。 2. 如請求項1之平衡/不平衡變壓器裝置，其中該絕緣基板 係一積體被動裴置之部分。 3. 如請求項！之平衡/不平衡變壓器裝置，其中該層級間電 介質具有一至少2微米之厚度。 4. 如請求⑴之平衡/不平衡變塵器裝置’其中該第一 滑道及該第二導電滑道之該等迴路圖案包括至少兩個迴 路，其中一個迴路巢套於另一個迴路内部。 5. =請求項4之平衡/不平衡變壓器裝置，其中該等迫路係 形：路，即一較大迴路及一較小迴路，且 路具有一共同中心。 6·如請求項4之平衡/不平衡變壓器裝置，其中該等迴路係 138737.doc 200952001 具有若干圓形隅角之正方形。 7. 如請求項4之平衡/不平衡變壓器裝置，其中該等迴路且 有一螺旋形組態。 ^ 8. 如請求項4之平衡/不平衡變壓器裝置，其中位於該第— 層級上之該等迴路係用位於該第二層級上的—交 予以連接。 9. 如請求項8之平衡/不平衡變壓器裝置，其中位於該第二 層級上之該等迴路係用位於—第三層級上的—交越連接 予以連接。 1〇_如請求項1之平衡/不平衡變壓器裝置，其中該等層級丄及 層級2¾路各自具有一輸入端及一輸出端，其中該第— 坦路之該輪出端連接至該第二迴路之該輸入端 該平衡/ 層級2及 ~實質水 11. -種包括—平衡/不平衡變壓器之積體被動裝置 不平衡變壓器帶有具有至少三個層級（即層級1、 層級3)之—多層結構，其中該多層結構係位於 平平面中且包括： (a) —絕緣基板， 該層級 (b) —層級1導電滑道，其形成於該基板上，； 導電滑道具有—包括至少兩個迴路之迴路圖案， (C)—第一層級間介電層，其覆蓋該層級丨導電滑道 ⑷-層級2導電滑道，其形成於該第一層級間介電 上，該層級2導電滑道具有一對應於該層級丨導電滑 之該迴路圖案之迴路圖案， ⑷—層級2交越連接，其形成於該第一層級間介釔 138737.doc 200952001 上以連接該層級1導電滑道之兩個迴路， ⑴-第二層級間介電層，其覆蓋該層 ⑴-層級3交越連接’其形成料t層級間=雇 ^連接該層級2導電滑道之兩個迴路。 , 該居：體破動裝置，其中該層級1導電滑道及 準2導電滑道之該等迴路圖案實質上係呈垂直對 13. 一種平衡’不平衡變壓器裝置，其包括： -第-金屬層級，其包括—初級 路導濟且古SI 等體該初級迴 路導體具有至少兩個迴路 路，益Μ、 Μ °丨圮路及一外部迴 外邻:、—迴路包括兩個片段，且該内部迴路及該 卜部迴路包括四個片段，即一：及 部片段、一蝥 A , , /»干又 第一外 ，段中之: — 第二内部“ ’…該 Αώ 者在標稱上係半圓形，且各自具有一 輸入端及一輪出迪 J出知，該四個片段如下配置： 該第一外部迴路片 月奴，八輸入係平衡/不平衡變壓器 -人級繞組之輪入， 路:二MM路片段’其輸入連接至該第一外部迴 路片段之該輪出， 路^二内部迴略片段’其輸入連接至該第一内部迴 路片段之該輸出， ^二外部迴路片段’其輸入連接至該第二内部迴 路片丰又之該輸出且 繞组之輸出。、輸出係該平衡/不平衡變壓器次級 138737.doc 200952001 14. 15. 16. 17. 18. 月求項13之平衡/不平衡變壓器裝置，其另外包含連接 乂第一内邛迴路片段之該輸出之—導通體，及連接至 該第二外部迴路片段之該輸入之一導通體。 如二求項13之平衡/不平衡變壓器裝置，其另外包含連接 /第外邛迴路片段之該輸出之_導通體，及一連接 至該第二内部迴路片段之該輸入之—導通體。 、'項13之平衡/不平衡變壓器裝置，其另外包含一 接該等導通體之交越。 如請求項14之平衡/不平衡 接該等導通體之交越。 如明求項13之平衡’不平衡變壓器裝置其另外包含_ 括—次級迴路導體笛_ 、 有兩個迴路即…該次級迴路導毙 内邛迴路及一外部迴路，其中每— 路包括兩個 段即1 & 迴路及該外部迴路包括四他 第-外部片段、一第二外 段及一筮-w 乐内杳 一内部片段，且其中該四個片段中之 標稱上係半圓带， 4 ^，且各自具有一輪入端及一輸出 四個片段如下配置： 别出 燹麼裝置，其另該第一外部迴路片段， 級繞組之輪入， 其輸入係平衡/不平衡變壓器初 該第—内部迴路片段 片段之該輪出， 該第二内部迴路片段 片段之該輪出， 其輸入連接至該第— 其輸入連接至該第— 外部迴路 内部趣路 138737.doc ~ 4 - 200952001 該第二外部迴路片段 片段之該輸出且其輪出 之該輪出。 ’其輸入連接至 係該平衡/不平衡 該第二内部迴路 變壓器次級繞組 19.如凊求項18之平衡/不平衡變壓器裝置其 電輸出滑道，該導電輸出滑道連接至該第—匕3導 段與該第二内部迴路片段之間的連接。 P圪路片 20·如請求項19之平衡/不平衡變壓器裝 /、T该初級導體 之一内部迴路片段及一外部迴路片段係以—父越予以連 接且該交越互連形成於該第二層級金屬上。138737.doc
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