一种宽带高平衡度的片上耦合线正交耦合器的制作方法

1.本实用新型属于射频器件技术领域，特别是指一种宽带高平衡度的片上耦合线正交耦合器。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

[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，本实用新型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，本实用新型采用的技术方案为：
[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，本实用新型的有益效果在于：
[0017]
1)工作频率范围宽。本实用新型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。由于本实用新型引入了补偿耦合线，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。本实用新型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。本实用新型仅用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是本实用新型实施例中片上耦合线正交耦合器的结构示意图；
[0024]
图3是本实用新型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是本实用新型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实用新型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。
[0029]
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。
[0030]
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。
[0031]
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尺寸均可由仿真获得，从而获得较佳的幅度不平衡性。仿真方式为本领域的公知常识，此处不再赘述。
[0032]
以下为一个更具体的例子：
[0033]
参看图2，耦合线l1从端口1开始使用金属层tm2绕出1.25圈后通过通孔via连接到tm1金属层，然后使用tm1金属层走20um后通过通孔连接到tm2金属层，继而使用tm2金属层连接到端口2。耦合线l2从端口3开始使用金属层tm2绕出1.25圈后通过通孔via连接到tm1金属层，然后使用tm1金属层走20um后通过通孔连接到tm2金属层，继而使用tm2金属层连接到端口4。地使用金属层m2，宽度10μm，外径为920μm，中心与耦合线线圈的中心重合。端口1距离金属地上沿的垂直距离为200μm，端口3距离金属地上沿的垂直距离为203μm。
[0034]
补偿耦合线l3宽6μm，长230μm，使用金属tm1层，宽度上重叠放置到线圈l1下边，一端通过通孔(位于端口1下侧)连接到l1上，通孔大小6μm*6μm，通孔中心距离输入端口1垂直
距离为184μm；补偿耦合线l4宽6μm，长230μm，使用金属tm1层，宽度上重叠放置到线圈l2下边，一端通过通孔(位于端口3下侧)连接到l2上，通孔大小6μm*6μm，通孔中心距离输入端口2垂直距离为184μm。
[0035]
本例中耦合线正交耦合器的l1、l2耦合线用顶层tm2与次顶层金属tm1设计，地平面用金属m2设计。实施中l1、l2、l3、l4的线宽为6μm，l3、l4长度为230μm，l1与l2之间的间隙为3μm，耦合线的外径为680μm；金属地外径宽度为920μm，耦合线线圈最外围距周围金属地的水平距离为40μm。
[0036]
本实施例的耦合线正交耦合器基于1p10m的标准cmos工艺设计，顶层金属厚3.2μm，次顶层金属厚0.9μm，通孔厚度为0.65μm，地平面金属厚0.2μm。实施例耦合线正交耦合器的电磁场仿真结果如图3和图4所示。
[0037]
由图3所示的s-参数电磁仿真结果可以看出，该耦合线正交耦合器可以实现：在5.47～7ghz的频率范围内反射系数小于-13db。由图4所示的不平衡度电磁仿真结果可以看出，该耦合线正交耦合器可以实现：在5.47～7ghz的频率范围内幅度不平衡度小于1db，相位不平衡度小于1.5
°
。
[0038]
总之，本实用新型基于平面结构提出了耦合线正交耦合器的一种新的片上实现方式，其包括两个导线宽度相同的耦合线l1和l2、补偿耦合线l3、l4和一个金属地平面，且耦合线l1和l2绕成环形而不是直线，可在减少面积的同时实现良好的正交转换功能，补偿耦合线l3、l4用于降低耦合线的长度与设计复杂度，通过l3、l4的耦合线补偿功能，耦合线l1、l2可实现良好的相位正交特性和幅度平衡度。
[0039]
本实用新型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。