[发明专利]具有平坦重叠线圈的独立装置

说明书

一种独立的射频装置，其特征在于，在平面配置中具有多个重叠耦合的线圈电感器，其具有选择的重叠部以在不同对线圈之间进行所需的耦合，其中线圈的电磁能基本上仅由线圈自身产生，并且仅影响线圈自身。重叠配置为这种装置在各种应用中提供了紧凑的节省空间的形状因子，所述应用包括滤波器、平衡器、变压器、匹配网络、放大器级、分布式放大器和倍频器。通过在控制互感的同时使线圈重叠来节省空间。平面布置适用于多种技术，诸如集成电路(IC、ASIC、RFIC)、陶瓷多层技术(例如低温共烧陶瓷(LTCC))以及印刷电路板(PCB)。示出了关于滤波器、可调谐滤波器和Q增强滤波器的重叠线圈的平面布置。

技术领域

本申请涉及利用耦合的线圈电感器的射频(RF)电路，并且特别地涉及具有以平坦偏置重叠配置的多个耦合的线圈电感器的独立(self-contained)装置。

背景技术

电感器和耦合的电感器在电子电路中、特别是在射频领域广泛使用。电感器在滤波器、匹配网络、L-C共振器等中被使用。耦合的电感器在变压器、滤波器、定向耦合器、和多种其它应用中被使用。电感器大体上包括线圈式电感器、单匝或多匝的；在低频，各线圈由磁芯增强以增加电感(性能)。在高频，电感值变得小到足以将电感器内嵌到平坦结构诸如LTCC电路或射频集成电路(RFIC)中。在此，针对线圈的术语“平坦”代表由几乎平行的平坦导电(金属)层组成的结构、大体上具有分离的介电层，在其中，可以形成镀金属的孔(大体上称为“过孔”)以使得金属化的不同层之间互连。在线圈电感器(在本申请的上下文中也称为“线圈”)利用此类平坦技术被形成时，不同层中的金属可以被互连，以减少电阻，或者它们可以被用于在导电路径之间形成导电隔离的交叉部(crossing)。

通过线路的变化的电流在线圈周围产生变化的磁场。通过法拉第电感定律，通过线圈区域的任何磁通量的改变感应出跨越其的电压。自感应值(也称为感应值)是所感应出的电压相对于电流的时间变化率之比。当各线圈一起靠近或重叠定位时，在一个线圈中通过电流产生的磁场穿过另一个，从而将线圈电感地耦合，由此一个线圈中电流的变化导致通过另一电路的磁通量变化，这通过法拉第定律引发另一线圈中的电压。在第二线圈中所引发的电压与第一电路中电流的时间变化率之比被称为线圈之间的互感。

平坦线圈的自感主要取决于其面积、匝数及其形状。只要有两个线圈，就会有互感。线圈i和线圈j之间的互感M_ij可以用术语“耦合系数”k_ij表示，使得其中L_i和L_j分别是线圈i和线圈j的自感。耦合系数与由一个线圈所产生的穿过第二线圈的磁通量的比例有关。取决于磁通量的方向，耦合系数既可采取正值又可采取负值。在形状相似的平坦线圈的情况下，耦合系数在线圈完全重叠时最大，而当线圈进一步分开时耦合系数下降。线圈的组合由其电感矩阵描述，对角线上的自感以及互感是非对角项。电感矩阵是对称的，并且始终是正定的(从节能方面考虑)。类似地，耦合系数矩阵(对角线上为1以及非对角线上为耦合系数)始终为正定。

发明内容

在本文针对本发明的实施例公开的具有平坦重叠线圈的装置的上下文中，术语“独立”表示线圈的电磁能基本上仅由线圈自身产生并且仅基本上影响线圈自身。也就是说，包含平坦重叠线圈的装置不会通过电磁场与任何外部装置或任何外部电磁场相互作用。本发明实施例的非限制性用途包括用作电子电路中的组件；在这种非限制性的能力下，该组件也是独立的，并且不会通过电磁场与通常情况下例如无线电力传输(WPT)系统和磁共振成像(MRI)系统的接收器阵列中的任何外部装置或任何外部电磁场相互作用。

本发明的各种实施例提供了具有规定耦合系数的重叠平坦线圈的紧凑的(节省空间的)布置，以供RF使用。多个重叠的平坦线圈电感器的这种布置适用于多种类型的电路，其非限制性示例包括：滤波器(带通、低通等)；平衡器(baluns)；变压器；匹配网络；放大器级；分布式放大器；和倍频器。根据本发明实施例的平坦布置可应用于多种技术，包括但不限于：集成电路(IC、ASIC、RFIC)、诸如低温共烧陶瓷(LTCC)的陶瓷多层技术、以及印刷电路板(PCB)。