一种宽带巴伦阻抗变换器及电子产品

技术领域

本申请涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种宽带巴伦阻抗变换器及电子产品。

背景技术

随着无线通信的迅猛发展，人们对通信系统的要求越来越高，高品质无源器件成为影响射频集成电路性能的重要因素之一。作为主要的片上无源器件之一，变压器在低噪声放大器、功率放大器和滤波器等射频模块中都有应用，尤其在差分电路和低电压低功耗电路设计中具有特殊的重要性。而巴伦（Balun）作为一种平衡-非平衡转换器，实现射频信号的差分到单端（或单端到差分）转换，是射频前端中重要的部件，在匹配网络中不可或缺。其性能优劣直接影响芯片的正常工作。随着差分电路在系统应用中逐渐占据主导地位，如何产生高平衡度的信号也成为人们关注的热点，因此，这就要求巴伦具备宽带的同时也要具有高平衡度。同时，为了满足人们对宽带性能的需求，这就要求移动智能终端中的射频前端器件具有支持多个不同频段的能力，同时覆盖2G/3G/4G移动通信要求的所有通信频段。

现有的巴伦的结构如图1和图2所示，巴伦堆叠于差分阻抗变换器上面，差分阻抗变换器由两个对称的耦合线圈对构成，走线层Cu1′、走线层Cu3′、走线层Cu5′串联构成第一耦合线圈对，即第一耦合线圈和第三耦合线圈，第三耦合线圈与第一耦合线圈对称，第一耦合线圈与第三耦合线圈通过走线层Cu1′相互连接；走线层Cu2′、走线层Cu4′、走线层Cu6′串联构成第二耦合线圈对，即第二耦合线圈和第四耦合线圈，第四耦合线圈与第二耦合线圈对称，第二耦合线圈通过走线层Cu6′与第四耦合线圈相互连接；走线层Cu2′构成两个平衡信号端口，并且两个平衡信号端口相互对称；走线层Cu7′、走线层Cu8′、走线层Cu9′、走线层Cu10′构成第三耦合线圈对，其中走线层Cu7′、走线层Cu9′构成第五耦合线圈，走线层Cu8′、走线层Cu10′构成第六耦合线圈。通过不同金属走线层上螺旋金属走线层构成，参照图3所示，可以看到此结构的平衡度在1.5GHz小于30dB，这是因为在实际EM仿真中会产生寄生，导致平衡度变差。

因此，需要提供一种新型三线耦合结构的巴伦，用于提升现有巴伦的平衡度，并且具有良好的宽带特性以覆盖600-2700MHz频段，同时具有结构简单、易于实现、成本低廉的特性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述一个或多个技术问题，本申请实施例提供了一种宽带巴伦阻抗变换器及电子产品，以解决现有技术中的宽带巴伦阻抗变换器存在的平衡度差的问题。

为了达到上述目的，本申请就解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，本申请提供了一种宽带巴伦阻抗变换器，包括：

级联的宽带差分阻抗变换器和宽带巴伦，所述宽带差分阻抗变换器包括多个耦合线圈对，所述宽带巴伦包括至少一个耦合线圈对；

上下堆叠的第一单元和第二单元，所述第一单元和第二单元中均包括多个上下堆叠的介质层以及设置在所述介质层内的走线层，相邻两个走线层之间通过设置在所述介质层中的连通孔连接；

所述第一单元中的走线层至少构成第一线圈绕线层和第二线圈绕线层，所述第一线圈绕线层与所述第二线圈绕线层中的走线层交叉耦合形成所述宽带差分阻抗变换器的多个耦合线圈对；

所述第二单元中的走线层构成所述宽带巴伦的耦合线圈对。

在一个具体的实施例中，所述宽带差分阻抗变换器包括第一耦合线圈对和第二耦合线圈对，所述第一耦合线圈对包括第一耦合线圈和第二耦合线圈，所述第二耦合线圈对包括第三耦合线圈和第四耦合线圈，所述宽带巴伦包括第三耦合线圈对，所述第三耦合线圈对包括第五耦合线圈和第六耦合线圈；

所述第一耦合线圈的第一端连接到宽带巴伦阻抗变换器的第一平衡信号端口，所述第一耦合线圈的第二端与所述第三耦合线圈的第一端连接，所述第三耦合线圈的第二端连接到所述宽带巴伦阻抗变换器的第二平衡信号端口；

所述第二耦合线圈的第一端与所述第四耦合线圈的第二端连接并接地，所述第二耦合线圈的第二端连接到所述宽带巴伦的第一输入端口，所述第四耦合线圈的第一端连接到所述宽带巴伦的第二输入端口；

所述第五耦合线圈的第一端连接到所述宽带巴伦的第一输入端口，所述第五耦合线圈的第二端连接到所述宽带巴伦阻抗变换器的非平衡端口；

所述第六耦合线圈的第一端连接到所述宽带巴伦的第二输入端口，所述第六耦合线圈的第二端接地。

在一个具体的实施例中，所述第一耦合线圈与所述第三耦合线圈对称交错布置，所述第二耦合线圈与所述第四耦合线圈对称交错布置。

在一个具体的实施例中，所述第一线圈绕线层包括第一至第八走线层，所第二线圈绕线层包括第九至第十六走线层；

所述第一走线层、第十一走线层、第五走线层、第十五走线层依次串联构成所述第一耦合线圈；

所述第九走线层、第三走线层、第十三走线层、第七走线层依次串联构成所述第三耦合线圈；

所述第二走线层、第十二走线层、第六走线层、第十六走线层依次串联构成所述第二耦合线圈；

所述第十走线层、第四走线层、第十四走线层、第八走线层依次串联构成所述第四耦合线圈。

在一个具体的实施例中，所述第一耦合线圈与所述第三耦合线圈通过所述第七走线层以及所述第十五走线层相互连接；

所述第二耦合线圈与所述第四耦合线圈通过所述第二走线层以及所述第十走线层相互连接；

所述第一走线层构成所述宽带巴伦阻抗变换器的所述第一平衡信号端口, 所述第九走线层构成所述宽带巴伦阻抗变换器的所述第二平衡信号端口。

在一个具体的实施例中，所述第一线圈绕线层与所述所第二线圈绕线层相对布置，且所述第一至第八走线层依次从下至上堆叠设置，所述第九至第十六走线层依次从下至上堆叠设置。

在一个具体的实施例中，所述第二单元堆叠在所述第一单元上，或所述第一单元堆叠在所述第二单元上。

在一个具体的实施例中，所述第二单元中的走线层包括从下至上堆叠设置第十九走线层和第二十走线层，所述第十九走线层构成所述第五耦合线圈，所述第二十走线层构成所述第六耦合线圈。

在一个具体的实施例中，所述宽带巴伦阻抗变换器还包括高阻衬底，所述第一单元以及所述第二单元设置于所述高阻衬底上，所述高阻衬底的电阻率高于1000ohm*cm。

在一个具体的实施例中，所述介质层包括具有磁导率的介质材料。

第二方面，本申请还提供了一种电子产品，包括如上所述的宽带巴伦阻抗变换器。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本申请实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器及电子产品，包括级联的宽带差分阻抗变换器和宽带巴伦，所述宽带差分阻抗变换器包括多个耦合线圈对，所述宽带巴伦包括至少一个耦合线圈对；上下堆叠的第一单元和第二单元，所述第一单元和第二单元中均包括多个上下堆叠的介质层以及设置在所述介质层内的走线层，相邻两个走线层之间通过设置在所述介质层中的连通孔连接；所述第一单元中的走线层至少构成第一线圈绕线层和第二线圈绕线层，所述第一线圈绕线层与所述第二线圈绕线层中的走线层交叉耦合形成所述宽带差分阻抗变换器的多个耦合线圈对；所述第二单元中的走线层构成所述宽带巴伦的耦合线圈对。本申请方案提供的宽带巴伦阻抗变换器，具体高平衡度以及良好的宽带特性，且结构简单、易于实现、成本低廉。

本申请所有产品并不需要具备上述所有效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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是现有技术中的巴伦阻抗变换器的三维结构示意图；

图2是现有技术中的巴伦阻抗变换器的正视图；

图3是现有技术中的巴伦阻抗变换器的平衡度曲线；

图4是宽带巴伦阻抗变换器的工艺示意图；

图5是本申请实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的原理示意图；

图6是本申请实施例提供的宽带差分阻抗变换器的线圈连接示意图；

图7是本申请实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的一个视向的三维结构示意图；

图8是本申请实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的另一个视向的三维结构示意图；

图9是本申请实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的平面结构示意图；

图10为本申请实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的频率相应曲线；

图11为本申请实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的频率相应曲线。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如背景技术所述，现有技术中的巴伦阻抗变换器由于本身结构以及在实际EM仿真中会产生寄生等因素，导致平衡度较差等问题。 针对上述一个或多个问题，本申请创造性地提出了一种新的宽带巴伦阻抗变换器，实现宽带巴伦阻抗变换，同时具有高平衡度，并且具有良好的宽带特性以覆盖600-2700MHz频段，并且具有结构简单、易于实现、成本低廉的特性。

下面结合附图具体描述本申请实施例的方案。

实施例一

图4是宽带巴伦阻抗变换器的工艺示意图，图5是本申请实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的原理示意图，参照图4和图5所示，本申请实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器一般性地包括：宽带差分阻抗变换器100和宽带巴伦200，其中，宽带差分阻抗变换器100与宽带巴伦200级联，宽带差分阻抗变换器100由多个耦合线圈对组成，宽带巴伦200由至少一个耦合线圈对组成。上下堆叠的第一单元和第二单元，其中，第一单元和第二单元中均包括多个上下堆叠的介质层以及设置在介质层内的走线层，相邻两个走线层之间通过设置在介质层中的连通孔连接，以实现延长的走线层之间的电连接。第一单元中的走线层至少构成第一线圈绕线层和第二线圈绕线层，第一线圈绕线层与第二线圈绕线层中的走线层交叉耦合形成宽带差分阻抗变换器的多个耦合线圈对；第二单元中的走线层构成宽带巴伦的耦合线圈对。

作为一种较优的实施方式，本申请实施例中，宽带差分阻抗变换器100包括第一耦合线圈对和第二耦合线圈对，宽带巴伦200包括第三耦合线圈对。其中，第一耦合线圈对由第一耦合线圈111和第二耦合线圈112构成，第二耦合线圈对由第三耦合线圈121和第四耦合线圈122构成，第三耦合线圈对由第五耦合线圈211和第六耦合线圈212构成。

进一步参照图5所示，第一耦合线圈111的第一端111a连接到宽带巴伦阻抗变换器100的第一平衡信号端口Bal1，第一耦合线圈111的第二端111b与第三耦合线圈121的第一端121a连接，第三耦合线圈121的第二端121b连接到宽带巴伦阻抗变换器的第二平衡信号端口Bal2。第二耦合线圈112的第一端112a与第四耦合线圈122的第二端122b连接后接地，第二耦合线圈112的第二端112b连接到宽带巴伦200的第一输入端口，第四耦合线圈122的第一端122a连接到宽带巴伦200的第二输入端口。第五耦合线圈211的第一端211a连接到宽带巴伦200的第一输入端口，第五耦合线圈211的第二端211b连接到宽带巴伦阻抗变换器100的非平衡端口Unb。第六耦合线圈212的第一端212a连接到宽带巴伦200的第二输入端口，第六耦合线圈212的第二端212b接地。

可以理解的是，作为一种较优的实施方式，本申请实施例中，宽带巴伦200具有1:1的阻抗变换比，即将非平衡端口Unb的单端负载阻抗Z1变换为其第一输入端口与第二输入端口之间的平衡差分阻抗Z2后，满足Z1=Z2。进一步优选地，宽带差分阻抗变换器100同样具有1：1的阻抗变换比，即将阻抗Z2变换为其第一平衡端口Bal1和第二平衡端口Bal2之间的平衡差分阻抗Z3后，满足Z3=Z2。例如，当Z1=50ohm时，变换后满足Z2=50ohm，Z3=50ohm。

作为一种较优的示例，本申请实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器可以应用于宽带差分功率放大器的输出阻抗匹配网络，具体应用时，将其两个平衡信号端口（即第一平衡信号端口Bal1和第二平衡信号端口Bal2）分别连接到差分功率放大器的两个差分输出端口。

参照图4至图9所示，以10层介质层，第二单元堆叠在第一单元上为例进行说明。即宽带巴伦200堆叠于宽带差分阻抗变换器100上，宽带巴伦200为第二单元，宽带差分阻抗变换器100为第一单元。10层介质层包括从下至上依次堆叠的介质层M1、介质层M2、介质层M3、介质层M4、介质层M5、介质层M6、介质层M7、介质层M8、介质层M9、介质层M10。其中，介质层M1至介质层M8构成第一单元，介质层M9和介质层M10构成第二单元。每一层介质层中均部署有走线层，相邻两个走线层之间通过设置在介质层中的连通孔连接。可以理解的是，走线层具有导电性。优选地，走线层为金属走线层。本申请实施例对金属走线层的具体材质以及形成工艺不做限定，在不违背本申请发明构思的前提下，任何已知的金属均可用于形成本申请中的走线层。作为一种示例性而非限制性的说明，走线层可采用RDL(重布线层)技术实现。

如背景技术所述，现有巴伦螺旋结构会产生寄生耦合，为了避免该问题，提高宽带巴伦阻抗变换器的平衡度以及提高宽带性能，本申请实施例中的宽带差分阻抗变换器采用交叉耦合的结构。具体实施时，设置第一单元中的走线层至少构成第一线圈绕线层和第二线圈绕线层，即第一线圈绕线层10与第二线圈绕线层20中的走线层交叉耦合形成宽带差分阻抗变换器的多个耦合线圈对。第二单元中的走线层包括分别设置在介质层M9和介质层M10中的第十七走线层Cu17和第十八走线层Cu18。

以下以第一单元中的走线层包括第一线圈绕线层10和第二线圈绕线层20为例对本申请方案进行举例说明。进一步参照图7至图8所示，第一线圈绕线层10包括第一走线层Cu1、第二走线层Cu2、第三走线层Cu3、第四走线层Cu4、第五走线层Cu5、第六走线层Cu6、第七走线层Cu7、第八走线层Cu8，第二线圈绕线层20包括第九走线层Cu9、第十走线层Cu10、第十一走线层Cu11、第十二走线层Cu12、第十三走线层Cu13、第十四走线层Cu14、第十五走线层Cu15和第十六走线层Cu16。

作为一种示例性而非限制性的说明，本申请实施例中，第一线圈绕线层10与所第二线圈绕线层20相对布置，第一走线层Cu1至第八走线层Cu8与第九走线层Cu9至第十六走线层Cu16分别一一对应，依次设置在第一介质层至第八介质层中。

可以理解的是，本申请实施例中，第一线圈绕线层10与第二线圈绕线层20中对应的走线层可以共用一层介质层，即第一单元中各层介质层为一个整体，例如，第一走线层Cu1与第九走线层Cu9所在的介质层M1为一个整体，第二走线层Cu2与第十走线层Cu10所在的介质层M2为一个整体……、第八走线层Cu8与第十六走线层Cu16所在的介质层M8为一个整体。第一线圈绕线层10与第二线圈绕线层20中对应的走线层所在的介质层也可以包括相互独立的两部分，即第一单元中各层介质层均包括相互独立的两个部分，例如，第一走线层Cu1与第九走线层Cu9所在的介质层M1包括相互独立的两个部分，第一走线层Cu1和第九走线层Cu9分别部署在其中一个部分中。

进一步参照图4所示，以第一单元中各层介质层均包括相互独立的两个部分为例进行说明。第一走线层Cu1至第八走线层Cu8通过设置在相邻的两个走线层之间的连通孔实现电连接，第九走线层Cu9至第十六走线层Cu16通过设置在相邻的两个走线层之间的连通孔连接，第八走线层Cu8与第十七走线层Cu17以及第九走线层Cu9与第十七走线层Cu17也分别通过设置在两者之间的连通孔实现电连接，第十七走线层Cu17与第十八走线层Cu18通过设置在两者之间的连通孔实现电连接。

参照图6所示，作为一种较优的实施方式，第一走线层Cu1、第十一走线层Cu11、第五走线层Cu5和第十五走线层Cu15依次串联构成第一耦合线圈111；第九走线层Cu9、第三走线层Cu3、第十三走线层Cu13和第七走线层Cu7依次串联构成第三耦合线圈121；第二走线层Cu2、第十二走线层Cu12、第六走线层Cu6和第十六走线层Cu16依次串联构成第二耦合线圈112；第十走线层Cu10、第四走线层Cu4、第十四走线层Cu14和第八走线层Cu8依次串联构成第四耦合线圈122。第一耦合线圈111和第二耦合线圈112构成第一耦合线圈对，第三耦合线圈121和第四耦合线圈122构成第二耦合线圈对。

进一步参照图6所示，第一耦合线圈111与第三耦合线圈121之间通过第一线圈绕线层10的第七走线层Cu7以及第二线圈绕线层20的第十五走线层Cu15相互连接；第二耦合线圈112与第四耦合线圈122之间通过第一线圈绕线层10的第二走线层Cu2以及第二线圈绕线层20的第十走线层Cu10相互连接；第一线圈绕线层10的第一走线层Cu1构成宽带巴伦阻抗变换器的第一平衡信号端口Bal1, 第二线圈绕线层20的第九走线层Cu9构成宽带巴伦阻抗变换器的第二平衡信号端口Bal2。耦合线圈对通过不同金属走线层交叉耦合的方式，避免了现有巴伦螺旋结构的寄生耦合，提高了宽带巴伦阻抗变换器的平衡度，并且具有宽带性能。

可以理解的是，通过设计各个对称金属走线（即各个走线层）结构的几何样式及长度，可以实现满足要求的耦合线圈，形成耦合线圈对。

作为一种较优的实施方式，本申请实施例中，宽带巴伦阻抗变换器还包括高阻衬底（图未示），第一单元以及第二单元设置于高阻衬底上，即介质层设置于高阻衬底上，高阻衬底的电阻率高于1000ohm*cm。介质层可以包含具有较高磁导率的介质材料（如铁氧体材料），以提高耦合线圈对的磁耦合系数，提高宽带巴伦阻抗变换器的性能并减小其物理尺寸。

图10为本申请实施例提供的宽带巴伦阻抗变换器的频率相应曲线。参照图7所示，可以看到在600MHz-2.7GHz频率范围内，该宽带巴伦阻抗变换器具有小于0.15dB的幅度平衡特性及小于1°的相位平衡特性，而且在整个宽频带范围内的隔离度低于-37dB，同时实现了宽带单端到差分的阻抗变换。

图11为本申请实施例提供的宽带巴伦阻抗便变换器的电磁仿真参数图，参照图11所示，在600MHz-2.7GHz频带范围内，S21（输入端口到输出端口的传输系数）小于-0.6dB，S11（输入端口的回波损耗）大于-17dB，说明此宽带巴伦阻抗变换器在实现宽带特性的同时，，有着良好的隔离特性和更好的回波损耗的特性表现，能够提高更高的饱和功率。

可以理解的是，上述宽带巴伦200堆叠于宽带差分阻抗变换器100（即第二单元堆叠在第一单元上）仅为一种示例性说明，其不对本申请方案中宽带差分阻抗变换器100与宽带巴伦200的堆叠方式构成具体限定。在另一具体的实施例中，还可以设置宽带差分阻抗变换器100堆叠于宽带巴伦200上，即第一单元堆叠在第二单元上等，这里不在一一赘述。

对应于上述宽带巴伦阻抗变换器，本申请还提供了一种电子产品，包括如上所述的宽带巴伦阻抗变换器，其中关于宽带巴伦阻抗变换器的相关内容可参照前文所述，这里不在一一赘述。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语 “垂直”、“平行”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。