TWI509980B - 功率結合器 - Google Patents

Description

功率結合器

本發明系關於一種功率結合器，特別關於一種平面化變壓式的功率結合器。

隨著無線通訊技術，例如行動電話、無線網路及數位電視等的普及與快速地發展，高品質而低成本的功率結合器已成為一項極為熱門的電子技術。然而，如果要使用成本較低且發展成熟的CMOS製程，勢必需要克服其較低的崩潰電壓(breakdown voltage)和較高的基材損耗(substrate loss)的問題，因此，透過變壓器進行功率合成，能達到縮小單一電晶體並提升輸出功率的效果。

然而，傳統功率結合器為利用傳輸線來達成，其體積較大，難以實現於晶片等級尺寸的產品上，造成應用的範圍受限。

因此，提出一種體積小的功率結合器是有其必要的。

有鑑於先前技術之缺點，因此，需要發展一種體積小的功率結合器，可應用於微波元件、RF電路等無線通訊的IC設計。

根據本發明功率結合器之一實施例，包括一基板、一導體、一第一環狀線圈、一第二環狀線圈、一第一延長導線、及一第二延長導線。導體、第一環狀線圈、第二環狀線 圈、第一延長導線、及第二延長導線皆設置於基板上。導體包括一長條部，長條部具有一第一側邊及一第二側邊。第一環狀線圈鄰近於第一側邊，第一環狀線圈包括一第一正相輸入端及一第一反相輸入端，第一正相輸入端與第一反相輸入端間隔地設置並彼此相對，以形成一第一缺口。第二環狀線圈鄰近於第二側邊，第二環狀線圈包括一第二正相輸入端及一第二反相輸入端，第二正相輸入端與第二反相輸入端間隔地設置並彼此相對，以形成一第二缺口，第二缺口與第一缺口相對。第一延長導線具有一第一端及一第二端，第一延長導線與導體的走向交錯，第一端連接第一正相輸入端及第二正相輸入端，第二端用以接收一第一輸入訊號。第二延長導線具有一第三端及一第四端，第二延長導線與導體的走向交錯，第三端連接第一反相輸入端及第二反相輸入端，第四端用以接收一第二輸入訊號，第一、第二輸入訊號為差動訊號對，以於第一環狀線圈及第二環狀線圈上分別形成方向相反的交變電流，該些交變電流透過電磁感應於導體上產生一感應電動勢。

根據本發明功率結合器之另一實施例，包括一基板、一導體、一8字形導體、一第一延長導線、及一第二延長導線。導體、8字形導體、第一延長導線、及第二延長導線設置於基板上。導體包括一長條部，長條部具有一第一側邊及一第二側邊。8字形導體包括一第一環狀部、一第二環狀部、一交叉部、一正相輸入端、及一反相輸入端，交叉部連接於第一環狀部與第二環狀部之間，正相輸入端與反相輸入端間隔地設置並彼此相對，以形成8字形導體的一缺口。第一延長導線具有一第一端及一第二端，第一延長導線設置於基板上並與導體的走向交錯，第一端連接正相輸入端，第二端用以接收一第一輸入訊號。第二延長導線具有一第三端及一第四端，第二延長導線設置於基板上並與導體的走向交錯，第三端連接反相輸入端，第四端用以接收一第二輸入訊號。其 中第一、第二輸入訊號為差動訊號對，以於8字形導體上形成一交變電流，使第一環狀部及第二環狀部上的交變電流方向相反，交變電流透過電磁感應於導體上產生一感應電動勢。

本發明之功率結合器以平面化變壓器來實現，因此所需的體積小，可更彈性地運用於無線通訊的IC設計上。

1、2‧‧‧功率結合器

12a、12b‧‧‧環狀線圈

14、24‧‧‧導體

140、240‧‧‧長條部

121、122、123、124、221、223‧‧‧輸入端

141、143、241、243‧‧‧輸出端

s1、s2‧‧‧側邊

125、126、225‧‧‧缺口

16、18、26、28‧‧‧延長導線

161、163、181、183、261、263、281、283‧‧‧末端

22‧‧‧8字形導體

22a、22b‧‧‧環狀部

c11、c12、c13、c14、c22‧‧‧交錯重疊區域

c21‧‧‧交叉部

in+、in-‧‧‧差動訊號

out1、out2‧‧‧輸出電位

第1圖係根據本發明之功率結合器的第一實施例的示意圖。

第2圖係根據本發明之功率結合器的第二實施例的示意圖。

為進一步說明各實施例，本發明乃提供有圖式。此些圖式乃為本發明揭露內容之一部分，其主要係用以說明實施例，並可配合說明書之相關描述來解釋實施例的運作原理。配合參考這些內容，本領域具有通常知識者應能理解其他可能的實施方式以及本發明之優點。圖中的元件並未按比例繪製，而類似的元件符號通常用來表示類似的元件。

請參考第1圖，第1圖係根據本發明之功率結合器的第一實施例的示意圖。如第1圖所示，功率結合器1包括一基板(圖未示)、一導體14、一第一環狀線圈12a、一第二環狀線圈12b、一第一延長導線16、以及一第二延長導線18，第一環狀線圈12a、第二環狀線圈12b、第一延長導線16、以及第二延長導線18皆透過半導體製程技術平面化地設置於基板上。須說明的是，第一環狀線圈12a、第二環狀線圈12b、第一延長導線16、以及第二延長導線18在基板上可具有不同的結構高度。根據一實施例，基板可為陶瓷基板、矽基板或 印刷電路板等。

導體14包括一長條部140，長條部140具有一第一側邊s1、一第二側邊s2、一第一輸出端141、以及一第二輸出端143。第一環狀線圈12a鄰近於第一側邊s1，第一環狀線圈12a包括一第一正相輸入端121及一第一反相輸入端123，第一正相輸入端12a與第一反相輸入端12b間隔地設置並彼此相對，以形成一第一缺口125。第二環狀線圈12b鄰近於第二側邊s2，第二環狀線圈12b包括一第二正相輸入端122及一第二反相輸入端124，第二正相輸入端122與第二反相輸入端124間隔地設置並彼此相對，以形成一第二缺口126，第二缺口126與第一缺口125相對。須說明的是，第一環狀線圈12a與第二環狀線圈12b的位置可互相對調，第一正相輸入端121與第一反相輸入端123的位置不限於圖上所示，兩者亦可互相對調，同樣地，第二正相輸入端122與第二反相輸入端124的位置不限於圖上所示，兩者亦可互相對調。更具體地說，第一正相輸入端121與第二正相輸入端122相對，第一反相輸入端123與第二反相輸入端124相對。

第一環狀線圈12a與第二環狀線圈12b可以是實質上相同的(identical)。環狀線圈12a、12b的個數位置與距離不限於第1圖上所示，其至少一側鄰近於導體14即可，且多個環狀線圈12a、12b的結構不限於第1圖所示之單匝線圈，亦可以是N匝線圈，其中N為正整數。多個環狀線圈12a、12b可以是具有缺口125、126的圓形、方形或多邊形等，其至少有一側邊是鄰近於導體14a、16a。

第一延長導線16具有一第一端161及一第二端163，第一延長導線16與導體14的長條部140的走向交錯，即彼此夾一預設角度，例如大於90度或小於90度，第一端161連接第一正相輸入端121及第二正相輸入端122，第二端163用以接收一第一輸入訊號。第二延長導線18具有一第三端181及一第四端183，第二延長導線18與導體14的長條部 140的走向交錯，即彼此夾一預設角度，例如大於90度或小於90度，第三端181連接第一反相輸入端123及第二反相輸入端124，第四端183用以接收一第二輸入訊號，第一輸入訊號、第二輸入訊號為差動訊號對。

較佳地，第一延長導線16與第二延長導線18與導體14的走向互相垂直，且第一延長導線16與第二延長導線18從第二環狀線圈12b的內部延伸至第二環狀線圈12b的外部，然不限於此，第一延長導線16與第二延長導線18亦可從第一環狀線圈12a的內部延伸至第一環狀線圈12a的外部。第一延長導線16的第一端161與導體14之間具有一第一交錯重疊區域c11，第二延長導線18的第三端181與導體14之間具有一第二交錯重疊區域c12。第一延長導線16的第二端163與第二環狀線圈12b(或第一環狀線圈12a)之間具有一第三交錯重疊區域c13，第二延長導線18的第四端183與第二環狀線圈12b(或第一環狀線圈12a)之間具有一第四交錯重疊區域c14。更具體地說，位於第一交錯重疊區域c11的第一延長導線16與導體14相對於基板具有不同的結構高度，位於第二交錯重疊區域c12的第二延長導線18與導體14相對於基板具有不同的結構高度，位於第三交錯重疊區域c13的第一延長導線16與第二環狀線圈12b(或第一環狀線圈12a)相對於基板具有不同的結構高度，位於第四交錯重疊區域c14的第二延長導線18與第二環狀線圈12b(或第一環狀線圈12a)相對於基板具有不同的結構高度，也就是說在交錯重疊區域c11-c14的導體結構彼此互相不具有電性連接。

第一輸入訊號、第二輸入訊號的極性可互相對調，不限於圖上所示，藉由控制多個環狀線圈12a、12b的輸入端121-124的輸入訊號in+、in-極性，即可改變多個環狀線圈12a、12b的載入電流方向。舉例來說，當第二端163接收的第一輸入訊號為正相輸入訊號in+，而第四端183接收的第二入訊號為反相輸入訊號in-時，則第一正相輸入端121及第二正相輸 入端122皆接收正相輸入訊號in+，而第一反相輸入端123及第二反相輸入端124皆接收反相輸入訊號in-，於是第一環狀線圈12a的載入電流方向為順時針，且第二環狀線圈12b的載入電流方向為逆時針，該些電流為交變電流，透過電磁感應於導體14上產生一感應電動勢，更具體地來說，第一輸出端141的輸出電位out1小於第二輸出端143的輸出電位out2。

相反地，當第二端163接收的輸入訊號為反相輸入訊號in-，而第四端183接收的第二入訊號為反相輸入訊號in-時，則第一正相輸入端121及第二正相輸入端122皆接收反相輸入訊號in-，而第一反相輸入端123及第二反相輸入端124皆接收正相輸入訊號in+，於是第一環狀線圈12a的載入電流方向為逆時針，且第二環狀線圈12b的載入電流方向為順時針。透過電磁感應於導體14上產生另一感應電動勢，更具體地來說，第一輸出端141的輸出電位out1大於第二輸出端143的輸出電位out2。

藉此，第一環狀線圈12a、第二環狀線圈12b、第一延長導線16、以及第二延長導線18可作為功率結合器1的一次側，導體14可作為功率結合器1的二次側。當第一環狀線圈12a及第二環狀線圈12b上分別形成方向相反的交變電流，該些交變電流透過電磁感應於導體14上產生一感應電動勢。

須說明的是，導體14可依應用需要設計為單端或雙端輸出。

接著，請參考第2圖，第2圖係根據本發明之功率結合器的第二實施例的示意圖。如第2圖所示，功率結合器2與第一實施例的功率結合器1大致上相同，即功率結合器2包括一基板(圖未示)、一導體24、一第一環狀部22a、以及一第二環狀部22b，導體24、一第一環狀部22a、以及一第二環狀部22b皆設置於基板上，導體24包括一長條部240，長條部240具有一第一側邊s1、一第二側邊s2、一第一輸出 端241、以及一第二輸出端243，多個環狀部22a、22b相對於導體24的配置大致與第一實施例相同，即分別鄰近於長條部240的第一側邊s1及第二側邊s1。功率結合器2與功率結合器1的差異在於，功率結合器2的一次側是由一8字形導體22、一第一延長導線26及一第二延長導線28所構成。8字形導體22包括第一環狀部22a、第二環狀部22b、一交叉部c21、一正相輸入端221、及一反相輸入端223，交叉部c21連接於第一環狀部22a與第二環狀部22b之間，且交叉部c21大致上與導體24之間具有一交錯重疊區c22。正相輸入端221與反相輸入端223間隔地設置並彼此相對，以形成8字形導體22的一缺口225，缺口225的位置可位於第一環狀部22a或第二環狀部22b。

第一延長導線26及第二延長導線28皆設置於基板上，且第一延長導線26及第二延長導線28皆與導體24的走向交錯，即彼此夾一預設角度，例如大於90度或小於90度。第一延長導線26及第二延長導線28皆是從缺口225向8字形導體22外部延伸，較佳地與導體24的走向夾角為90度。第一延長導線26具有一第一端261及一第二端263，第一端261連接8字形導體22的正相輸入端221，第二端263用以接收一第一輸入訊號。第二延長導線28具有一第三端281及一第四端283，第三端281連接8字形導體22的反相輸入端223，第四端283用以接收一第二輸入訊號，第一輸入訊號、第二輸入訊號為差動訊號對。

8字形導體22的結構不限於第2圖所示之單匝線圈，亦可以是N匝線圈，其中N為正整數。多個環狀部22a、22b可以是圓形、方形或多邊形等，其至少有一側邊是鄰近於導體24。值得注意的是，位於交叉部c21的8字形導體22相對於基板具有不同的結構高度。此外，位於交錯重疊區域c22的交叉部c21與導體24相對於基板具有不同的結構高度。

第一輸入訊號、第二輸入訊號的極性可互相對調， 不限於圖上所示，藉由控制8字形導體22的的輸入端221、223的輸入訊號in+、in-極性，即可改變多個環狀部22a、22b的載入電流方向。舉例來說，當第二端263接收的第一輸入訊號為正相輸入訊號in+，而第四端283接收的第二入訊號為反相輸入訊號in-時，則正相輸入端221接收正相輸入訊號in+，而反相輸入端223接收反相輸入訊號in-，於是第一環狀部22a的載入電流方向為逆時針，且第二環狀部22b的載入電流方向為順時針，該些電流為交變電流，透過電磁感應於導體24上產生一感應電動勢，更具體地來說，第一輸出端241的輸出電位out1大於第二輸出端243的輸出電位out2。

藉此，導體24可作為功率結合器2的二次側。當第一環狀部22a及第二環狀部22b上分別形成方向相反的交變電流，該些交變電流透過電磁感應於導體24上產生一感應電動勢。

須說明的是，導體24可依應用需要設計為單端或雙端輸出。

藉此，以上實施例的功率結合器利用平面式變壓器來實現，透過控制一次側的輸入差動訊號極性，於二次側的產生感應電動勢。此外，功率結合器的結構簡單，具有極佳的設計彈性，可高度整合進系統晶片之設計之中。

以上敍述依據本發明多個不同實施例，其中各項特徵可以單一或不同結合方式實施。因此，本發明實施方式之揭露為闡明本發明原則之具體實施例，應不拘限本發明於所揭示的實施例。進一步言之，先前敍述及其附圖僅為本發明示範之用，並不受其限囿。其他元件之變化或組合皆可能，且不悖于本發明之精神與範圍。

1‧‧‧功率結合器

12a‧‧‧第一環狀線圈

12b‧‧‧第二環狀線圈

121‧‧‧第一正相輸入端

122‧‧‧第二正相輸入端

123‧‧‧第一反相輸入端

124‧‧‧第二反相輸入端

125‧‧‧第一缺口

126‧‧‧第二缺口

14‧‧‧導體

140‧‧‧第一長條部

141‧‧‧第一輸出端

143‧‧‧第二輸出端

s1‧‧‧第一側邊

s2‧‧‧第二側邊

16‧‧‧第一延長導線

161‧‧‧第一端

163‧‧‧第二端

18‧‧‧第二延長導線

181‧‧‧第三端

183‧‧‧第四端

c11、c12、c13、c14‧‧‧交錯重疊區域

in+、in-‧‧‧輸入訊號

out1、out2‧‧‧輸出電壓

Claims (13)

1. 一種功率結合器，包括：一基板；一導體，設置於該基板上，該導體包括一長條部，該長條部具有一第一側邊及一第二側邊；一第一環狀線圈，設置於該基板上並鄰近於該第一側邊，該第一環狀線圈包括一第一正相輸入端及一第一反相輸入端，該第一正相輸入端與該第一反相輸入端間隔地設置並彼此相對，以形成一第一缺口；一第二環狀線圈，設置於該基板上並鄰近於該第二側邊，該第二環狀線圈包括一第二正相輸入端及一第二反相輸入端，該第二正相輸入端與該第二反相輸入端間隔地設置並彼此相對，以形成一第二缺口，該第二缺口與該第一缺口相對；一第一延長導線，具有一第一端及一第二端，該第一延長導線設置於該基板上並與該導體的走向交錯，該第一端連接該第一正相輸入端及該第二正相輸入端，該第二端用以接收一第一輸入訊號；及一第二延長導線，具有一第三端及一第四端，該第二延長導線設置於該基板上並與該導體的走向交錯，該第三端連接該第一反相輸入端及該第二反相輸入端，該第四端用以接收一第二輸入訊號，該第一、第二輸入訊號為差動訊號對，該第一正相輸入端與該第一反相輸入端為一第一對差動輸入端，該第二正相輸入端與該第二反相輸入端為一第二對差動輸入端，以於該第一環狀線圈及該第二環狀 線圈上分別形成方向相反的兩個交變電流，該些交變電流透過電磁感應於該導體上產生一感應電動勢。
2. 根據申請專利範圍第1項之功率結合器，其中該第一、第二環狀線圈的結構分別為具有該第一、第二缺口的圓形、方形或多邊形。
3. 根據申請專利範圍第1項之功率結合器，該第一、二延長導線分別與該導體之間具有一第一交錯重疊區域、一第二交錯重疊區域。
4. 根據申請專利範圍第3項之功率結合器，其中位於該第一交錯重疊區域的該第一延長導線與該導體相對於該基板具有不同的結構高度，位於該第二交錯重疊區域的該第二延長導線與該導體相對於該基板具有不同的結構高度。
5. 根據申請專利範圍第1項之功率結合器，其中該第一、二延長導線從該第二環狀線圈內延伸至該第二環狀線圈外，且該第一、二延長導線分別與該第二環狀線圈之間具有一第三交錯重疊區域、一第四交錯重疊區域。
6. 根據申請專利範圍第5項之功率結合器，其中位於該第三交錯重疊區域的該第一延長導線與該第二環狀線圈相對於該基板具有不同的結構高度，位於該第四交錯重疊區域的該第二延長導線與該第二環狀線圈相對於該基板具有不同的結構高度。
7. 根據申請專利範圍第1項之功率結合器，其中該第一、二延長導線從該第一環狀線圈內延伸至該第一環狀線圈外，且該第一、二延長導線分別與該第一環狀線圈之間具有一第三交錯重疊區域、一第四交錯重疊區域。
8. 根據申請專利範圍第7項之功率結合器，其中位於該第三交錯重疊區域的該第一延長導線與該第一環狀線圈相對於該基板具有不同的結構高度，位於該第四交錯重疊區域的該第二延長導線與該第一環狀線圈相對於該基板具有不同的結構高度。
9. 一種功率結合器，包括：一基板；一導體，設置於該基板上，該導體包括一長條部，該長條部具有一第一側邊及一第二側邊；一8字形導體，設置於該基板上，該8字形導體包括一第一環狀部、一第二環狀部、一交叉部、一正相輸入端及一反相輸入端，該交叉部連接於該第一環狀部與該第二環狀部之間，該正相輸入端與該反相輸入端間隔地設置並彼此相對且位於該第一環狀部或該第二環狀部上，以形成該8字形導體的一缺口；一第一延長導線，具有一第一端及一第二端，該第一延長導線設置於該基板上並與該導體的走向交錯，該第一端連接該正相輸入端，該第二端用以接收一第一輸入訊號；及一第二延長導線，具有一第三端及一第四端，該第二延長導線設置於該基板上並與該導體的走向交錯，該第三 端連接該反相輸入端，該第四端用以接收一第二輸入訊號；其中該第一、第二輸入訊號為差動訊號對，以於該8字形導體上形成一交變電流，使該第一環狀部及該第二環狀部上形成方向相反的一第一交變電流及一第二交變電流，該第一、二交變電流透過電磁感應於該導體上產生一感應電動勢。
10. 根據申請專利範圍第9項之功率結合器，其中該第一、第二環狀部的結構分別為圓形、方形或多邊形。
11. 根據申請專利範圍第9項之功率結合器，其中位於該交叉部的該8字形導體相對於該基板具有不同的結構高度。
12. 根據申請專利範圍第11項之功率結合器，其中該交叉部與該導體之間具有一交錯重疊區域。
13. 根據申請專利範圍第12項之功率結合器，其中位於該交錯重疊區域的該交叉部與該導體相對於該基板具有不同的結構高度。