[发明专利]高集成度片上混合型差分正交耦合器

说明书

技术领域

本发明涉及射频集成电路领域，具体涉及高集成度片上混合型差分正交耦合器。

背景技术

在现代通信系统中，正交耦合器是一种非常重要的无源器件，被广泛应用于谐波混频器、移相器、以及平衡放大器等射频电路中。正交耦合器是一种具有方向性的功率耦合器件，在对功率进行平均分配的同时，可得到相位差为90°的两路输出信号。正交耦合器为四端口器件如图1所示，端口1为输入端，端口2为直通端，端口3为耦合端，端口4为隔离端。传统的正交耦合器多使用四分之一波长传输线或微带线的结构实现，这样的正交耦合器面积大，成本高。现也有一些使用集总参数的正交耦合器，其使用电容、电感的串并联来模拟各种参数，实现正交耦合的功能，但是这种正交耦合器由于使用多个电感，其也会占用较大的芯片面积，存在面积大、成本高等缺点。混合型正交耦合器通过金属线圈间的耦合来实现正交耦合的功能，其占用的芯片面积远小于传统正交耦合器。

国内外学者对耦合器做了很多研究：2008年，美国专利US7425877B2公开了一种基于薄膜混和衬底(thin film hybrid substrate)的高可靠度高性能的兰格耦合器(Lange couplers)，其包括电容、电感、多层跨接及电阻，在提高了兰格耦合器(Lange couplers)电性能的同时达到良好的整体结构完整性；2010年，美国专利US7714679B2公布了一种改善型螺旋耦合器(spiral coupler)，其包括多条螺旋线圈并行设置在一个平面上，第一条线圈包括输入端和直通端，第二条线圈包括耦合端和隔离端，交叉部分使用跳线以保证所有端口连接到最外圈线圈上；2013年，中国专利申请CN103138037A公布了一种基于标准CMOS工艺的集成定向耦合器，其包括第一层线圈，两端分别为输入端和直通端，其间设有可调电容阵列，用于频率调谐，第二层线圈，两端分别为耦合端和隔离端，其间设有可调电容阵列，用于隔离度调谐。美国专利US7425877B2、美国专利US7714679B2与中国专利申请CN103138037A均为单端耦合器，不适用于差分信号处理电路。

发明内容

本发明提供一种高集成度片上混合型差分正交耦合器，使用较小的面积实现适用于差分信号处理电路的正交耦合器。

本发明所述高集成度片上混合型差分正交耦合器，其特征在于：所述片上混合型差分正交耦合器包括设置在芯片第n金属层的差分输入端和差分直通端，设置在芯片第n-1金属层的差分耦合端和差分隔离端；其中差分输入端和差分直通端通过芯片第n金属层的差分直通螺旋线圈连接，交叉部分通过芯片第n、n-1和n-2金属层的跳线连接；差分耦合端和差分隔离端通过芯片第n-1金属层的差分耦合螺旋线圈连接，交叉部分通过芯片第n-2和n-3金属层的跳线连接；芯片第n金属层的差分直通螺旋线圈中心正对芯片第n-1金属层的差分耦合螺旋线圈中心，差分直通螺旋线圈与差分耦合螺旋线圈的内径、金属线宽、金属线间距、金属线圈数均相等；差分输入端的两端、差分直通端的两端、差分耦合端的两端以及差分隔离端的两端均分别设置在耦合器中轴线的两侧，呈立体结构。

差分输入端的两端分别为差分输入端A端和差分输入端B端，差分直通端的两端分别为差分直通端A端和差分直通端B端，差分耦合端的两端分别为差分耦合端A端和差分耦合端B端，差分隔离端的两端分别为差分隔离端A端和差分隔离端B端。用于连接差分输入端A端和差分直通端A端的金属线圈与用于连接差分输入端B端和差分直通端B端的金属线圈按耦合器中轴线镜像对称设置，用于连接差分耦合端A端和差分隔离端A端的金属线圈与用于连接差分耦合端B端和差分隔离端B端的金属线圈按耦合器中轴线镜像对称设置。因此，设置在第n金属层的差分直通螺旋线圈和第n-1金属层的差分耦合螺旋线圈具有良好的耦合性和对称性以保证差分直通端和差分耦合端输出信号正交且幅度相同。

根据本发明所述的高集成度片上混合型差分正交耦合器的一种优选方案，差分直通螺旋线圈的差分输入端A端依次通过第n金属层的第一金属线、第十一节点、第n金属层的第十一金属线、第十六通孔、第n-1金属层的第四跳线、第二十五通孔、第n金属层的第二十二金属线、第二十二通孔、第n-1金属层的第一跳线、第十三通孔、第n金属层的第十三金属线、第十四通孔、第n-2金属层的第十一跳线、第十七通孔、第n金属层的第三金属线连接到差分直通端A端。