[发明专利]单芯片正交混合耦合器管芯和平衡式功率放大器模块

说明书

技术领域

本发明属于无线通信系统技术领域，涉及射频集成电路，尤其涉及一种单芯片正交混合耦合器管芯和平衡式功率放大器模块。

背景技术

在无线通信系统的射频前端中，平衡式电路架构如平衡式放大器、平衡式混频器等经常被采用。平衡式电路的输入端和输出端通常需要正交混合耦合器，以达到输入端口阻抗和输出端口阻抗完全匹配。

传统的正交混合耦合器(Quadrature Hybrid Coupler，本发明中简称Hybrid)大多采用四分之一波长微带传输线实现。此方案在微波频段实现时，存在面积大而不易集成于射频前端模块中的问题。

集总参数的Hybrid是在传统耦合器基础上，通过微波网络的传输矩阵提取参数得到由电感和电容构成的等效电路，其典型的电路原理图见图1。如图1所示，这种集总参数的Hybrid由四个电感和三个电容组成，其中，port1是其输入端口，port2和port3是两个输出端口，相差90度相位，port4是其隔离端口。现有技术的集总参数Hybrid是由表贴电感器和表贴电容器构成。目前射频应用中经常用到的表贴电感主要有三种，分别为绕线电感、叠层电感和薄膜电感。其中，绕线电感的Q值高，过电流能力强；叠层电感次之，薄膜电感最差。目前射频应用中经常用到的表贴电容主要是陶瓷电容。通常情况下，电感的Q值、过电流能力以及电感感值精度都与成本成正比；电容也一样，电容值精度越高，成本越高。表贴器件按照其常用尺寸可分为英制0603(公制1.6mm x 0.8mm)、英制0402(公制1.0mm x 0.5mm)、英制0201(公制0.6mm x 0.3mm)。以典型的可携带设备为例，常用于塑封模块中有英制0402和英制0201器件。在实际应用时，表贴器件装配在基板上，并需在基板上留下装配空间进行贴装。若设计一种如图1所示的电路(如工作频段2GHz)，以采用英制0402器件设计为例，器件本身所占面积外加器件所需装配空间总计大约5mm²；以采用英制0201器件设计为例，器件本身所占面积外加器件所需装配空间总计大约3mm²；这样制成的Hybrid的集成度较低、外形尺寸较大、制造成本较高。

因此，迫切需要一种小尺寸正交混合耦合器，其具有较小的外形尺寸和较高的集成度，并且同时具有低廉的制造成本和高性能。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种单芯片正交混合耦合器和平衡式功率放大器，具有外形尺寸紧凑、制造成本低廉、带内损耗较小的优点。

本发明提供的技术方案是：

一种单芯片正交混合耦合器管芯，包括先进半导体加工工艺的集成无源器件IPD，所述单芯片正交混合耦合器管芯采用的IPD结构上至少包括衬底、衬底上至少叠有两层金属走线、金属走线间的介质层和连接金属的过孔；还包括一个或多个片上电感器和片上电容器；所述片上电感器和片上电容器均都置于同一颗IPD衬底上，无需表贴电感、表贴电容和额外器件装配空间。

针对上述单芯片正交混合耦合器管芯，进一步地，所述单芯片正交混合耦合器管芯至少包括IPD衬底、四个片上电感器和三个片上电容器。

更进一步地，所述四个片上电感器分别是第一电感器、第二电感器、第三电感器、第四电感器；所述三个片上电容器分别为第一电容器、第二电容器和第三电容器；第一电感器与第四电感器平行呈轴对称，并通过其第二端口相互连接；第二电感器与第三电感器平行呈轴对称，并通过其第二端口相互连接；第一电感器与第二电感器呈轴对称，在端口一侧相邻、互不连接；第四电感器与第三电感器呈轴对称，在端口一侧相邻、互不连接。第一电容器放置在第一电感器第一端口和第二电感器第一端口的中间位置，由其第一端口分别连接第一电容器上极板、下极板；第二电容器放置在第一电感器或第四电感器第二端口和第二电感器或第三电感器第二端口的中间位置，由其第二端口分别连接第二电容器上极板、下极板；第三电容器放置在第四电感器第一端口和第三电感器第一端口的中间位置，由其第一端口分别连接第一电容器上极板、下极板。

针对上述单芯片正交混合耦合器管芯，进一步地，所述片上电感器包括至少一条金属走线、至少两个键合焊盘和至少一条键合线；所述金属走线在IPD上呈相互平行状态，键合线在空间上呈相互平行状态；流经金属走线的电流同相，流经键合线的电流同相。