一种宽带高平衡度的片上耦合线正交耦合器制造技术

技术编号:32008634 阅读:61 留言:0更新日期:2022-01-22 18:25
本发明专利技术公开了一种宽带高平衡度的片上耦合线正交耦合器,属于射频器件领域。本发明专利技术包含两条耦合线L1、L2,与两条补偿耦合线L3、L4。耦合线L1、L2环形耦合,补偿耦合线L3、L4用于降低耦合线的长度与设计复杂度。本发明专利技术耦合线耦合器可以解决现有正交耦合器在低频工作时呈现的工作频带窄、相位平衡度差、面积大等问题,可用于片上集成电路设计中需要完成正交信号输出的场合。输出的场合。输出的场合。

【技术实现步骤摘要】
一种宽带高平衡度的片上耦合线正交耦合器


[0001]本专利技术属于射频器件
,特别是指一种宽带高平衡度的片上耦合线正交耦合器。

技术介绍

[0002]片上无源正交耦合器(Coupling line coupler)常用于射频系统中需要产生90度相位差的信号转换的场合。现有正交网络主要有三种,即:耦合线耦合器、多项滤波器和无源集总LC网络。目前,片上耦合线耦合器已经在毫米波电路中得到了广泛应用,这得益于无源器件尺寸与工作频率呈现的反比例关系。然而在C波段(4

8GHz)的无线局域网等低频应用中,这种反比例关系却给无源耦合器的片上集成带来了巨大挑战。尤其是在低频宽带应用中,多项滤波器插入损耗相当大,无源集总LC网络带宽很窄,而耦合线耦合器长度随着频率降低而逐渐增长。如果能够降低耦合线耦合器长度,那么耦合线耦合器就可以推广到低频波段。
[0003]耦合线耦合器主要由两条耦合线构成,图1(a)为其基本模型。在物理构成上,两条耦合线皆由一定长度和宽度的金属导线实现,因此图1(a)的等效电路如图1(b)所示。耦合器的每一部分的电长度为θ,奇偶模组抗为Z
0e
,Z
0O
。根据均匀介质中的对称耦合线理论,正交耦合器对应的散射矩阵为:
[0004][0005]根据图1(b)与式(1),可以得到耦合器电压传输方程。此处仅给出描述耦合器幅相不平衡性的2个关键方程:
[0006][0007][0008]C为耦合线的耦合系数。由式(2)、(3)可以看出当在设计频率处θ=π/2时均匀介质中的耦合器输出端相位差为90
°
,当耦合系数C=0.707时,输出正交信号幅度平衡。但是,对于片上集成的耦合线正交耦合器来说,θ=π/2意味着耦合线长度等于λ/4(λ表示介质中波长),当频率越低,需要的耦合线越长。当频率变化时,固定线宽与线长耦合器的电长度角将偏离90度,因此,式(2)、(3)所表达的电压关系在通常的设计中将被打破。可见,采用现有结构设计的耦合线正交耦合器很难在低频处实现小面积高平衡度的性能。

技术实现思路

[0009]为了解决现有耦合线正交耦合器工作在C波段等低频应用场合出现的上述问题,本专利技术提供一种宽带高平衡度的片上耦合线正交耦合器,具有频率低、面积小、平衡度高的特点。
[0010]为了实现上述目的,本专利技术采用的技术方案为:
[0011]一种宽带高平衡度的片上耦合线正交耦合器,包括第一耦合线、第二耦合线和金属地,第一耦合线的起始段与片上耦合线正交耦合器的输入端连接,第二耦合线的起始段与片上耦合线正交耦合器的耦合端连接;还包括位于第二金属层的第一补偿耦合线和第二补偿耦合线,第一耦合线和第二耦合线均为跨越第一金属层和第二金属层的环形结构,第一金属层、第二金属层、金属地从上到下设置;第一补偿耦合线位于第一耦合线在第一金属层中的末段的正下方,第一补偿耦合线的起始端位于第一耦合线起始段的正下方,第一补偿耦合线的起始端通过通孔与上方的第一耦合线连接;第二补偿耦合线位于第二耦合线在第一金属层中的末段的正下方,第二补偿耦合线的起始端位于第二耦合线起始段的正下方,第二补偿耦合线的起始端通过通孔与上方的第二耦合线连接。
[0012]进一步的,第一耦合线从片上耦合线正交耦合器的输入端开始使用第一金属层绕出1.25圈后通过通孔连接到第二金属层,然后使用第二金属层走20um后通过通孔连接到第一金属层,继而使用第一金属层连接到片上耦合线正交耦合器的直通端;第二耦合线从片上耦合线正交耦合器的耦合端开始使用第一金属层绕出1.25圈后通过通孔连接到第二金属层,然后使用第二金属层走20um后通过通孔连接到第一金属层,继而使用第一金属层连接到片上耦合线正交耦合器的隔离端。
[0013]进一步的,第一耦合线、第二耦合线、第一补偿耦合线和第二补偿耦合线的线宽均相等。
[0014]进一步的,第一耦合线和第二耦合线的长度均小于1/4波长。
[0015]进一步的,金属地为环形,第一耦合线、第二耦合线、第一补偿耦合线和第二补偿耦合线均位于金属地的环形区域内,第一耦合线所形成线圈的中心、第二耦合线所形成线圈的中心和金属地的中心均重合。
[0016]与现有技术相比,本专利技术的有益效果在于:
[0017]1)工作频率范围宽。本专利技术充分考虑到了低频下耦合线长度增加导致金属线寄生电容增加,正交耦合器带宽恶化的问题,有效降低了耦合线长度,极大程度地拓展了正交耦合器的工作带宽。
[0018]2)设计灵活、迭代速率高。由于本专利技术引入了补偿耦合线,因而可以通过调节补偿耦合线的长度去改变耦合线的耦合度,从而省去以前不断调节耦合线宽度与耦合线长度的麻烦,能够灵活、快速调节幅相不平衡特性。
[0019]3)所占面积小。本专利技术采用环形结构设计耦合线耦合器,从而能够降低耦合线长度,因此保证了片上布局的紧凑性。
[0020]4)兼容CMOS和GaAs工艺。本专利技术仅用3层金属即能实现,所以既能满足CMOS工艺的设计需要又能满足GaAs工艺的设计需要。
附图说明
[0021]图1(a)是耦合线正交耦合器的基本模型;
[0022]图1(b)是耦合线正交耦合器在理想情况下的等效电路;
[0023]图2是本专利技术实施例中片上耦合线正交耦合器的结构示意图;
[0024]图3是本专利技术实施例中片上耦合线正交耦合器的S
22
和S
11
仿真曲线;
[0025]图4是本专利技术实施例中片上耦合线正交耦合器的幅度和相位不平衡度仿真曲线。
具体实施方式
[0026]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细的说明。
[0027]一种宽带高平衡度的片上耦合线正交耦合器,包括第一耦合线、第二耦合线和金属地,第一耦合线的起始段与片上耦合线正交耦合器的输入端连接,第二耦合线的起始段与片上耦合线正交耦合器的耦合端连接;此外,还包括位于第二金属层的第一补偿耦合线和第二补偿耦合线,第一耦合线和第二耦合线均为跨越第一金属层和第二金属层以避免交叉的环形结构,第一金属层、第二金属层、金属地从上到下设置;第一补偿耦合线位于第一耦合线在第一金属层中的末段的正下方,第一补偿耦合线的起始端位于第一耦合线起始段的正下方,第一补偿耦合线的起始端通过通孔与上方的第一耦合线连接;第二补偿耦合线位于第二耦合线在第一金属层中的末段的正下方,第二补偿耦合线的起始端位于第二耦合线起始段的正下方,第二补偿耦合线的起始端通过通孔与上方的第二耦合线连接。
[0028]进一步的,第一耦合线从片上耦合线正交耦合器的输入端开始使用第一金属层绕出1.25圈后通过通孔连接到第二金属层,然后使用第二金属层走20um后通过通孔连接到第一金属层,继而使用第一金属层连接到片上耦合线正交耦合器的直通端;第二耦合线从片上耦合线正交耦合器的耦合端开始使用第一金属层绕出1.25圈后通过通孔连接到第二金属层,然后使用第二金属层走20um后通过通本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽带高平衡度的片上耦合线正交耦合器,包括第一耦合线、第二耦合线和金属地,第一耦合线的起始段与片上耦合线正交耦合器的输入端连接,第二耦合线的起始段与片上耦合线正交耦合器的耦合端连接;其特征在于,还包括位于第二金属层的第一补偿耦合线和第二补偿耦合线,第一耦合线和第二耦合线均为跨越第一金属层和第二金属层的环形线圈结构,第一金属层、第二金属层、金属地从上到下设置;第一补偿耦合线位于第一耦合线在第一金属层中的末段的正下方,第一补偿耦合线的起始端位于第一耦合线起始段的正下方,第一补偿耦合线的起始端通过通孔与上方的第一耦合线连接;第二补偿耦合线位于第二耦合线在第一金属层中的末段的正下方,第二补偿耦合线的起始端位于第二耦合线起始段的正下方,第二补偿耦合线的起始端通过通孔与上方的第二耦合线连接。2.根据权利要求1所述的一种宽带高平衡度的片上耦合线正交耦合器,其特征在于,第一耦合线从片上耦合线正交耦合器的输入端开始使用第一金属层绕出1.25圈后通过通孔连接到...

【专利技术属性】
技术研发人员:王尧杨格亮吴迪王楠刘祎廖春连王鑫华王旭东曲明
申请(专利权)人:中国电子科技集团公司第五十四研究所
类型:发明
国别省市:

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