低DC电阻和高RF电阻功率放大器扼流圈电感器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年6月26日提交的、标题为“lowdcresistanceandhighrfresistancepoweramplifierchokeinductor”的美国临时专利申请号no.62/525,114的权益，上述申请的公开内容明确地通过引用整体地并入本文。

本公开总体上涉及扼流圈电感器。更具体地，本公开涉及低直流(dc)电阻和高射频(rf)电阻功率放大器(pa)扼流圈电感器。

背景技术：

扼流圈是用于在通过较低频电流(例如，直流电)的同时阻止电路中的较高频交流电的电感器。在常规系统中，扼流圈是缠绕在磁芯上的绝缘导线的线圈。一些扼流圈电感器可以是螺旋电感器或同螺旋电感器。

为了在诸如射频前端(rffe)功率放大器的放大器中实现稳定性，使用具有低直流电阻和高射频电阻的射频扼流圈是期望的。低直流电阻减小在功率放大器输出处的电压降级。由于高品质(q)因数(例如，大于二十)，常规印刷电感器可以是不稳定的。高rf电阻或低q因数是期望的，以减小射频摆动并且提高稳定性。期望为rffe功率放大器提供具有低直流电阻和高射频电阻的射频扼流圈电感器。

技术实现要素：

在本公开的一个方面中，公开了一种多层螺旋感应阵列。多层螺旋感应阵列包括具有与第一层的螺旋图案匹配的第二层的第一多层螺旋电感器。多层螺旋感应阵列还包括具有与第四层的螺旋图案匹配的第三层的第二多层螺旋电感器。第二多层螺旋电感器与第一多层螺旋电感器串联耦合。

本公开的另一个方面涉及一种制造多层螺旋感应阵列的方法。方法包括制造具有与第一层的螺旋图案匹配的第二层的第一多层螺旋电感器。方法还包括制造具有与第四层的螺旋图案匹配的第三层的第二多层螺旋电感器。第二多层螺旋电感器与第一多层螺旋电感器串联耦合。

在本公开的另一个方面，公开了一种用于电感的仪器。仪器包括用于提供电感的第一装置，该第一装置具有与第一层的螺旋图案匹配的第二层。仪器还包括用于提供电感的第二装置，该第二装置具有与第四层的螺旋图案匹配的第三层。用于提供电感的第二装置与用于提供电感的第一装置串联耦合。

这相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下的详细描述。下面将描述本公开的附加特征和优点。本领域技术人员应当理解，本公开可以容易地被用作为修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应当认识到，这样的等同构造不脱离如所附权利要求中阐述的本公开的教导。当结合附图考虑时，就其组织和操作的方法而言被认为是本发明的特性的新颖特征连同另外的目的和优点将从以下描述中更好地被理解。但是，应当明确地理解，附图中的每个附图仅为了说明和描述的目的而提供，并且不旨在作为对本公开的限制的限定。

附图说明

为了更完整地理解本公开，现在参考结合附图的以下描述。

图1a和图1b图示了螺旋电感器的示例。

图2图示了根据本公开的方面的电路的示例。

图3a至图3b图示了根据本公开的方面的多层螺旋电感器的阵列的示例。

图4图示了根据本公开的方面的多层螺旋电感器的匝数半径的展开图的示例。

图5示出了与无线通信系统通信的无线设备。

图6示出了图5中的根据本公开的方面的无线设备的框图。

图7是示出其中可以有利地采用本公开的配置的示例性无线通信系统的框图。

图8描绘了根据本公开的方面的制造多层感应阵列的方法的简化流程图。

具体实施方式

下面结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而并非旨在表示其中可以实践本文中所描述的概念的唯一配置。详细描述包括具体细节，以提供对各种概念的深入理解。但是，对于本领域技术人员而言显而易见的是，这些概念可以在没有这些具体细节的情况下实践。在某些情况下，众所周知的结构和组件以框图形式示出，以避免模糊这样的概念。如本文中所描述的，术语“和/或”的使用旨在表示“包含性的或”，而术语“或”的使用旨在表示“排除性的或”。

由于成本和功耗的考虑，移动射频(rf)芯片设计(例如，移动rf收发机)已经移动到深亚微米工艺节点。移动rf收发机的设计复杂性被为支持通信增强而添加的电路功能进一步复杂化。对于移动rf收发机的其他设计挑战包括诸如失配、噪声的模拟/rf性能考虑以及其他性能考虑。为了实现对于射频芯片(诸如射频前端(rffe)功率放大器(pa))的放大器稳定性，使用具有低直流(dc)电阻和高rf电阻(例如，低q)的rf扼流圈是期望的。在以下描述中，rf扼流圈电感器也被称为rf扼流圈、pa扼流圈电感器或pa/rf扼流圈。

常规rf扼流圈使用螺旋或同螺旋设计。对于常规rf扼流圈，在85c处的dc电阻大于或等于100mohm。此外，对于常规rf扼流圈，在800mhz处的品质(q)因数大于二十五。常规rf扼流圈不能同时实现低dc电阻和高rf电阻。在某些情况下，常规rf扼流圈通过在螺旋设计中使用宽迹线实现低dc电阻。但是，宽迹线会增大设计中所使用的面积量，并且还可以增大q因数。宽迹线设计无法实现所期望的低dc电阻和高rf电阻。

图1a图示了常规螺旋电感器100的示例。如图1a所示，螺旋电感器100具有三匝半。在该示例中，螺旋电感器具有低q区域102和高q区域104。低q区域102具有比高q区域104的半径小的半径。即，高q区域104中的匝之间的迹线108的行程长度106大于低q区域102中的匝之间的迹线108的行程长度106。增加的行程长度106增加了高q区域104中的q因数。在该示例中，低q区域102还包括rf阻止匝。图1b图示了常规同螺旋电感器150的示例。如图1b所示，顶层152的螺旋图案不同于底层154的螺旋图案。即，多层152和154不共享相同的螺旋图案。

电感器的q因数可以通过减小匝之间的行程长度(例如，快速匝)而被减小。dc电阻可以使用多层电感器而被减小。由于常规系统(例如，表面安装器件(smd)或层压印刷电感器)的限制，常规rf扼流圈电感器不能实现低dc电阻(rdc)和高rf电阻(rrf)(例如，低q)。本公开的多个方面形成具有匝之间的减小的行程长度的多层电感器，以实现低dc电阻(例如，减小电压降级)和高rf电阻(例如，提高稳定性并且减小rf摆动)。

在一些情况下，振荡可以由被连接到功率放大器的具有高品质(q)因数的pa/rf扼流圈导致。即，高q因数可以导致高增益。增加的增益量可以导致反馈，该反馈可以导致不稳定性。同样地，高q因数可以导致功率放大器变得不稳定。

在一个配置中，为了提供稳定性，在供电电压的输出与功率放大器的输出之间提供了功率放大器扼流圈(例如，pa/rf扼流圈)电感器。扼流圈可以提供rf增益。即，rf扼流圈生成rf增益。为了提高稳定性，电阻器可以被插入以减小扼流圈的q因数。电阻器可以减小dc电阻。pa/rf扼流圈可以在具有高rf电阻(例如，低q因数-例如，小于10或15)以稳定功率放大器(例如，减小振荡，减小rf摆动)的同时，具有低dc电阻以减小在功率放大器处的电压降。高dc电阻可以导致电感器增大功耗，这会导致功率放大器的电压下降(例如，在功率放大器的输出处的电压降级)。

图2图示了根据本公开的多个方面的电路200的一部分的示例。如图2所示，射频(rf)调制器202向功率放大器(pa)输入匹配电路204输出信号。功率放大器206从功率放大器输入匹配电路204接收经匹配的信号并且放大该信号。pa/rf扼流圈电感器210可以从供电电压208接收输入。如图2所示，pa/rf扼流圈电感器210的输出被连接到功率放大器206的输出。经组合的输出通过功率放大器匹配电感器212而被发送，该功率放大器匹配电感器212耦合到射频输出(例如，rf_out)。

如之前所描述的，在常规系统中，当扼流圈电感器210具有高品质(q)因数时，振荡可以由连接到功率放大器206的pa/rf扼流圈电感器210导致。在本公开的一个配置中，pa/rf扼流圈电感器210在具有高rf电阻的同时，具有低dc电阻，以稳定功率放大器206并且减小电压降级。

本公开的多个方面涉及rf扼流圈，该rf扼流圈包括紧密且很少匝(例如，最小匝)的多层螺旋电感器的阵列。例如，很少匝可以意味着在给定迹线宽度的情况下半径是紧的。基于本公开的设计，dc电阻(rdc)被减小。例如，在85c处，dc电阻小于100mohm。此外，q因数被减小。换句话说，rf电阻(rrf)被增加。例如，在800mhz处，q因数小于十五。减小q因数(与常规螺旋设计的q因数相比)以向功率放大器提供稳定性可以是期望的。本公开的多个方面增加了比率rrf/rdc。例如，rrf/rdc可以大于二十二。

在一个配置中，多层螺旋电感器的阵列被指定为具有低dc电阻和高rf电阻的功率放大器扼流圈。螺旋电感器阵列可以包括两个或更多个多层螺旋电感器(诸如两个多层螺旋电感器、三个多层螺旋电感器、四个多层螺旋电感器等)的阵列。当然，本发明的方面不限于上述的阵列的数目，因为其他的多层螺旋电感器阵列配置是预期的。阵列的每个层经由螺旋电感器的中心部分(例如，起点)而被连接。此外，阵列中的每个螺旋电感器经由多层的底层或顶层而被连接到相邻的螺旋电感器。此外，阵列的每个层具有相同的螺旋图案。即，螺旋图案在垂直方向重复。

图3a图示了根据本公开的多个方面的多层(例如，多层)螺旋电感器300的阵列的示例。多层螺旋电感器300的阵列是三个多层螺旋电感器的阵列。如之前所讨论的，阵列可以包括两个或更多个多层螺旋电感器，并且本公开的多个方面不限于三个多层螺旋电感器300的阵列。此外，本公开的多个方面不限于具有图3a中所示的层的数目的多层螺旋电感器300，更多或更少的层也是预期的。

如图3a所示，第一多层螺旋电感器302的迹线306在多层的顶层316处被耦合到第二多层螺旋电感器304的迹线308。尽管未在图3a中示出，但是在该示例中，第二多层螺旋电感器304的迹线308在第三多层螺旋电感器312的多层的底层314处被耦合到第三多层螺旋电感器312的迹线310。此外，电流可以在多层螺旋电感器300的阵列的第一端部334处被接收，并且在第二端部332处被输出，反之亦然。

每个多层螺旋电感器302、304、312的每个层从顶部被连接到底部，使得每个层被彼此连接。作为示例，第一多层螺旋电感器302的第一层322在中心部分330处被连接到第一多层螺旋电感器302的第二层324。同样地，第二层324在中心部分330处被连接到第一多层螺旋电感器302的第三层326。

在一个配置中，多层螺旋电感器的层还在多层螺旋电感器的端部处被彼此连接。例如，在图3a的示例中，第三多层螺旋电感器312的层还在第二端部332处被彼此连接。在图3a的示例中，第一端部334可以是电感器的输入端口。在第一端部334处的过孔的堆叠将第一端部334连接到第一多层螺旋电感器302的底层。底层可以是到第一多层螺旋电感器302的中心部分330的桥。

如图3a所示，多层螺旋电感器302、304、312的每个层具有与多层螺旋电感器302、304、312中的其他层相同的螺旋图案。作为示例，第一多层螺旋电感器302的第一层322、第二层324和第三层326具有相同的螺旋图案。即，每个层的螺旋在相同的方向旋转，并且具有相同的迹线宽度和转弯半径。

如图3a所示，每个多层螺旋电感器302、304、312的迹线306、308、310具有相同的宽度，并且与邻近的迹线被相等地间隔开。在另一个配置中，与外迹线相比，内迹线较窄。即，迹线的宽度可以在每个圈处扩大。同样地，与外圈中的迹线之间的距离相比，内圈中的迹线之间的距离可以较大。

在另一个配置中，接地壁围绕多层螺旋电感器。图3b图示了根据本公开的多个方面的多层螺旋电感器350的阵列的示例。如图3b所示，多层螺旋电感器350的阵列是两个多层螺旋电感器的阵列。如之前所讨论的，阵列可以包括两个或更多个多层螺旋电感器，并且本公开的多个方面不限于两个多层螺旋电感器350的阵列。此外，如图3b所示，接地壁352围绕多层螺旋电感器350。

在一个配置中，多层螺旋电感器的内螺旋的转弯半径小于多层螺旋电感器的迹线宽度的两倍。图4图示了根据本公开的多个方面的多层螺旋电感器400的转弯半径的展开图的示例。在一个配置中，内螺旋的半径(r)小于迹线宽度(tw)的两倍(例如，r＜2tw)，使得q因数被减小。q因数随着半径相对于迹线宽度的增加而增加。半径(r)被限定为从迹线402的中间到多层螺旋电感器400的起点404的距离的一半。即，半径(r)是从内螺旋的迹线402的中间到多层螺旋电感器400的中心406的距离。内螺旋是指从起点404开始的第一螺旋。

本公开可以在图5和图7的系统中实现。更具体地，本公开可以在图6的无线设备中实现。

图5示出了与无线通信系统520通信的无线设备510。无线通信系统520可以是5g系统、长期演进(lte)系统、码分多址(cdma)系统、全球移动通信系统(gsm)系统、无线局域网(wlan)系统或一些其他无线系统。cdma系统可以实现宽带cdma(wcdma)、时分同步cdma(td-scdma)、cdma2000或cdma的一些其他版本。为了简单起见，图5示出了包括两个基站530和532以及一个系统控制器540的无线通信系统520。通常，无线系统可以包括任意数目的基站和任意数目的网络实体。

无线设备510可以被称为用户设备(ue)、移动台、终端、接入终端、订户单元、站等。无线设备510还可以是蜂窝电话、智能手机、平板电脑、无线调制解调器、个人数字助理(pda)、手持设备、笔记本电脑、智能本、上网本、无绳电话、无线本地环路(wll)站、蓝牙设备等。无线设备510可以能够与无线通信系统520通信。无线设备510还可以能够接收来自广播站(例如，广播站534)的信号、来自一个或多个全球导航卫星系统(gnss)中的卫星(例如，卫星550)的信号。无线设备510可以支持一种或多种用于无线通信的无线电技术，诸如lte、cdma2000、wcdma、td-scdma、gsm、802.11等。

无线设备510可以支持载波聚合，该载波聚合是对多个载波的操作。载波聚合还可以被称为多载波操作。根据本公开的一方面，无线设备510可以能够操作在从698到960兆赫兹(mhz)的低频段、从1475到2170mhz的中频段和/或从2300到2690mhz的高频段、从3400到3800mhz的超高频段，以及从5150mhz到5950mhz的lte非授权频段(lte-u/laa)中的长期演进(lte)中。低频段、中频段、高频段、超高频段和lte-u是指五个频段的组(或频段组)，并且每个频段组包括多个频率段(或简称为“频段”)。例如，在一些系统中，每个频段均可以覆盖直到200mhz，并且可以包括一个或多个载波。例如，在lte中，每个载波均可以覆盖直到40mhz。当然，频段中的每个频段的范围仅是示例性的而不是限制性的，并且其他频率范围可以被使用。lte版本11支持35个频段，这些频段被称为长期演进/通用移动电信服务(lte/通用移动电信服务(umts))频段并且被列在3gppts36.101中。在lte版本11中的一个或两个频段中，无线设备510可以被配置有多达5个载波。

图6示出了诸如图5中所示的诸如无线设备510的无线设备600的示例性设计的框图。图6示出了可以是无线收发机(wtr)的收发机660的示例。通常，发射机630和接收机650中的信号的调节可以由一个或多个放大级、滤波级、升频级、降频级等执行。这些电路块可以以不同于图6中所示配置而被布置。此外，未在图6中示出的其他电路块也可以被用于调节发射机630和接收机650中的信号。除非另有说明，否则图6中的任何信号或附图中的任何其他图形可以是单端的或差分的。图6中的一些电路块也可以被省略。

在图6所示的示例中，无线设备600通常包括收发机660和数据处理器610。数据处理器610可以包括存储器(未示出)以存储数据和程序代码，并且通常可以包括模拟和数字处理元件。收发机660可以包括支持双向通信的发射机630和接收机650。通常，无线设备600可以包括用于任意数目的通信系统和频段的任意数目的发射机和/或接收机。收发机660的全部或一部分可以在一个或多个模拟集成电路(ic)、射频(rf)集成电路(rfic)、混合信号ic等上实现。

发射机或接收机可以用超外差架构或直接转换架构来实现。在超外差架构中，信号在多个级中在射频和基带之间被频率转换，例如，对于接收机，在一个级中从射频到中频(if)，并且在另一个级中从中频到基带。在直接转换架构中，信号在一个级中在射频和基带之间被频率转换。超外差和直接转换架构可以使用不同的电路块和/或具有不同的要求。在图6所示的示例中，发射机630和接收机650用直接转换架构实现。

在发射路径中，数据处理器610处理待被发射的数据。数据处理器610还向发射路径中的发射机630提供同相(i)和正交(q)模拟输出信号。在一个示例性方面中，数据处理器610包括数模转换器(dac)614a和614b，用于将由数据处理器610生成的数字信号转换为同相(i)和正交(q)模拟输出信号(例如，i和q输出电流)以用于进一步处理。

在发射机630内，低通滤波器636a和636b分别对同相(i)和正交(q)模拟发射信号进行滤波，以减少由在前的数模转换导致的不期望的图像。放大器(amp)634a和634b分别放大来自低通滤波器636a和636b的信号，并且提供同相(i)和正交(q)基带信号。包括升频混频器641a和641b的升频器640将同相(i)和正交(q)基带信号与来自txlo信号生成器690的同相(i)和正交(q)发射(tx)本地振荡器(lo)信号升频，以提供经升频的信号。滤波器642对经升频的信号进行滤波以减少由升频导致的不期望的图像以及接收频段中的干扰。功率放大器(pa)644放大来自滤波器642的信号，以获得期望的输出功率等级并且提供发射射频信号。发射射频信号通过双工器/开关646被路由并且经由天线648而被发射。

在接收路径中，天线648接收通信信号并且提供接收的射频(rf)信号，该接收的射频(rf)信号通过双工器/开关646被路由并且被提供给低噪声放大器(lna)656。双工器/开关646被设计为与特定的接收(rx)至发送(tx)(rx-to-tx)双工器频率分离一起操作，使得rx信号与tx信号隔离。接收的rf信号由lna652放大并且由滤波器654滤波，以获得期望的rf输入信号。降频混频器661a和661b将滤波器654的输出与来自rxlo信号生成器680的同相(i)和正交(q)接收(rx)lo信号(即，lo_i和lo_q)混合，以生成同相(i)和正交(q)基带信号。同相(i)和正交(q)基带信号由放大器626a和626b放大并且由低通滤波器664a和664b进一步滤波，以获得同相(i)和正交(q)模拟输入信号，该同相(i)和正交(q)模拟输入信号被提供给数据处理器610。在所示的示例性配置中，数据处理器610包括模数转换器(adc)616a和616b用于将模拟输入信号转换为数字信号以用于由数据处理器610进行的进一步处理。

图6中，发射本地振荡器(txlo)信号生成器690生成用于升频的同相(i)和正交(q)txlo信号，而接收本地振荡器(rxlo)信号生成器680生成用于降频的同相(i)和正交(q)rxlo信号。每个lo信号都是具有特定基频的周期信号。锁相环(pll)696从数据处理器610接收计时信息，并且生成被用于调节来自txlo信号生成器690的txlo信号的频率和/或相位的控制信号。类似地，pll686从数据处理器610接收计时信息，并且生成被用于调节来自rxlo信号生成器680的rxlo信号的频率和/或相位的控制信号。

无线设备600可以支持载波聚合，并且可以(i)接收由一个或多个信元以不同的频率在多个下行链路载波上发射的多个下行链路信号，和/或(ii)向多个上行链路载波上的一个或多个信元发射多个上行链路信号。对于段内载波聚合，传输在相同频段的不同载波上被发送。对于段间载波聚合，传输在不同频段的多个载波上被发送。但是，本领域技术人员将理解，本文中描述的多个方面可以在不支持载波聚合的系统、设备和/或架构中实现。

图7是示出其中可以有利地采用本公开的配置的示例性无线通信系统700的框图。为了说明的目的，图7示出了三个远程单元720、730和780以及两个基站750。将认识到，无线通信系统可以具有更多的远程单元和基站。远程单元720、730和780包括ic设备727a、727b和727c，ic设备727a、727b和727c包括所公开的电感器。将认识到，诸如基站、开关设备和网络设备的其他设备也可以包括所公开的电感器。图7示出了从基站750到远程单元720、730和780的前向链路信号770，以及从远程单元720、730和780到基站750的反向链路信号790。

在图7中，远程单元720被示为移动电话，远程单元730被示为便携式计算机，并且远程单元780被示为无线本地环路系统中的固定位置远程单元。例如，远程单元可以是移动电话、手持式个人通信系统(pcs)单元、诸如个人数字助理(pda)的便携式数据单元、具有gps功能的设备、导航设备、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、诸如仪表读数设备的固定位置数据单元、或存储或检索数据或计算机指令或其组合的其他通信设备。尽管图7图示了根据本公开的多个方面的远程单元，但是本公开不限于这些示例性图示的单元。本公开的多个方面可以被适当地用于包括电感器的许多设备中。

图8描绘了制造多层螺旋感应阵列的方法的简化流程图800。在框802处，第一多层螺旋电感器被制造。在一个配置中，第一多层螺旋电感器的第二层与第一多层螺旋电感器的第一层的螺旋图案匹配。在框804处，第二多层螺旋电感器被制造。在一个配置中，第二多层螺旋电感器的第三层与第二多层螺旋电感器的第四层的螺旋图案匹配。第二多层螺旋电感器被串联耦合到第一多层螺旋电感器。在一个配置中，多层螺旋感应阵列用层压基板工艺制造。基板可以由芯层制造。附加层可以被添加在芯层的两侧上。

根据本公开的另外的方面，描述了多层螺旋感应阵列。阵列可以包括用于提供电感的第一装置。第一装置可以是多层的，并且具有与第一层的螺旋图案匹配的第二层。阵列还可以包括用于提供电感的第二装置。第二装置可以是多层的，并且具有与第四层的螺旋图案匹配的第三层。例如，第一装置可以是如图3a所示的第一多层串联电感器302、第二多层串联电感器304或第三多层串联电感器312。例如，用于电感的第二装置可以是如图3a所示的第一多层串联电感器302、第二多层串联电感器304或第三多层串联电感器312。在另一个方面中，上述装置可以是被配置为执行由上述装置叙述的功能的任何模块、层或装置。

结合本文中公开内容所描述的各种说明性逻辑块、模块和电路可以用通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其他可编程逻辑设备、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件或其为执行本文中所描述的功能而被设计的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但作为供替代的选择，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如dsp和微处理器的组合、多个微处理器、与dsp核结合的一个或多个微处理器、或任何其他这样的配置。

尽管详细描述了本公开及其优点，但是应当理解，可以在本文中作出各种改变，替换和变更而不脱离本公开的由所附权利要求限定的技术。例如，相对于基板或电子设备使用诸如“上方”和“下方”的关系术语。当然，如果基板或电子设备倒置，则上方变为下方，反之亦然。另外，如果侧向地确定方向，则上方和下方可以指基板或电子设备的侧面。而且，本申请的范围并非旨在被限于说明书中所描述的工艺、机器、制造的特定配置以及物质的组成、手段、方法和步骤。如本领域普通技术人员将从本公开容易地了解的，当前存在的或以后要被开发的与本文中所描述的对应配置执行基本相同的功能或达到基本相同的结果的工艺、机器、制造、物质的组成、手段、方法或步骤可以根据本公开来使用。因此，所附权利要求旨在将这样的工艺、机器、制造、物质的组成、手段、方法或步骤包括在权利要求的范围内。