具有集成平衡-不平衡转换器的宽带集成RF/微波/毫米波混频器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请基于2014年5月23日提交的标题为“novelbaluntopologiesforhighfrequency,broadbandintegratedcircuits(用于高频的、宽带集成电路的新型平衡-不平衡转换器拓扑)”的代理号为p-00624-pro的美国临时专利申请第62/002,473号，并且要求其优先权。该申请的全部内容通过引用的方式并入本文。

本公开涉及rf/微波/毫米波混频器和平衡-不平衡转换器。

背景技术：

宽带混频器可能需要用集总元件或者与集成电路(ic)制造技术和几何兼容的其它结构制成。

平衡混频器可以提供比不平衡混频器更好的整体性能，包括更好的线性度、噪声以及端对端隔离度。

平衡-不平衡转换器可以用于单平衡混频器和双平衡混频器以在平衡与不平衡配置之间转换射频(rf)、本地振荡器(lo)和中频(if)信号。平衡-不平衡转换器还需要使用标准ic铸造工艺集成，从而可以生产宽带集成混频器。

混频器的重要性能参数可以包括变频增益、线性度、噪声和工作带宽。平衡-不平衡转换器可以用于集成混频器并且可以对所有这些性能参数产生显著影响。集成平衡-不平衡转换器的重要性能参数可以包括工作频率范围、插入损耗、振幅/相位平衡、阻抗匹配/变换以及物理大小。

遗憾的是，利用集成平衡-不平衡转换器实现所需参数的期望集合可能非常困难。

技术实现要素：

一种宽带射频、微波或者毫米波混频器系统可以包括平衡-不平衡转换器和混频器。所述平衡-不平衡转换器可以具有：不平衡端口；平衡端口；彼此紧密且反向地磁耦合的第一和第二电感器；以及不磁耦合至所述第一或者第二电感器的第三电感器。所述混频器可以连接至所述平衡-不平衡转换器的所述平衡端口。所述包括三个电感器的平衡-不平衡转换器以及所述混频器均可以集成到形成集成电路的单个衬底上。

这些以及其它组件、步骤、特征、目的、益处以及优点现在将通过以下对图示性的实施例、附图和权利要求书的详细说明的综述而变得清晰。

附图说明

附图是图示性的实施例。它们不图示所有实施例。可以另外地或者替代地使用其它实施例。可以忽略可能是显而易见的或者不必要的细节，以节省空间或者用于更有效的图示。可以利用另外的组件或者步骤和/或在没有所图示的所有组件或者步骤的情况下实践一些实施例。当相同的数字出现在不同的附图中时，其指示相同的或者相似的组件或者步骤。

图1图示了基于现有技术的变压器的平衡-不平衡转换器的示例的示意图；

图2图示了基于现有技术的变压器的平衡-不平衡转换器的另一示例的示意图；

图3图示了现有技术的带片上平衡-不平衡转换器的示例的集成电路布局，该带片上平衡-不平衡转换器具有对称的两个单独的螺旋缠绕耦合的电感器和在次级上的接地中心抽头；

图4图示了现有技术的带片上平衡-不平衡转换器的集成电路布局，该带片上平衡-不平衡转换器具有螺旋绕组，该螺旋绕组具有比传统螺旋更加对称的地下通道(underpass)；

图5图示了可以具有绕在磁芯(或者多个磁芯)周围的三个电感器接线并且在高达几ghz下工作的现有技术的平衡-不平衡转换器的示例的示意图；

图6至图8是可以用包裹住磁芯的接线构造而成的现有技术的平衡-不平衡转换器的示例的照片；

图9、图10和图11图示了可以用于集成电路的平面的、宽带三电感器平衡-不平衡转换器的示例；

图12a和图12b比较了在图9中示出的平衡-不平衡转换器的示例与传统平衡-不平衡转换器的性能，图12a比较了相位差，而图12b比较了振幅平衡；

图13图示了在初级侧和次级侧上均使用螺旋的现有技术的变压器拓扑的示例的集成电路布局；

图14图示了在初级侧和次级侧上均使用螺旋的现有技术的变压器拓扑的示例的集成电路布局，初级侧和次级侧已经互相缠绕以提高电对称性；

图15和图16图示了具有平衡端口和不平衡端口的平衡-不平衡转换器的示例的示意图(图15)和集成电路布局(图16)；

图17图示了使用在图9中示出的平衡-不平衡拓扑#1的宽带混频器的示例的示意图；

图18和图19图示了不同的平衡宽带混频器的示例的示意图；

图20图示了使用三电感器平衡-不平衡转换器(在各个端口处各使用一个电感器平衡-不平衡转换器)的宽带混频器的示例的示意图；

图21图示了使用三个电感器平衡-不平衡转换器(在各个端口处各使用一个电感器平衡-不平衡转换器)和lo缓冲放大器的宽带混频器的示例的示意图；

图22a和图22b图示了与在图21中图示的宽带混频器相似的宽带混频器的示例的模拟性能；

图23a和图23b图示了与在图15和图16中图示的平衡-不平衡转换器相似的平衡-不平衡转换器的示例的模拟性能；

图24图示了宽带混频器的另一示例。

具体实施方式

现在对图示性的实施例进行描述。可以另外地或者替代地使用其它实施例。可以忽略可能是显而易见的或者不必要的细节，以节省空间或者用于更有效的呈现。可以利用另外的组件或者步骤和/或在没有所描述的所有组件或者步骤的情况下实践一些实施例。

本公开描述了可以使用各种平衡-不平衡转换器拓扑中的其中一个来实现更高的工作频率和更宽的带宽的集成宽带rf/微波/毫米波混频器。由于与基于传统变压器的平衡-不平衡转换器相比低得多的寄生电容，所以一个混频器可以使用提供非常宽带的工作的平衡-不平衡转换器配置。另一混频器可以使用基于传统变压器的平衡-不平衡转换器，但也可以使用非对称的不平衡绕组布局以实现性能改进。

图1图示了现有技术的基于变压器的平衡-不平衡转换器的示例的示意图。平衡-不平衡转换器可以包括可以用作初级绕组的电感器104和可以用作次级绕组的电感器105和106。平衡-不平衡转换器可以具有不平衡端口101和平衡端口102/103。

图2图示了现有技术的基于变压器的平衡-不平衡转换器的另一示例的示意图。在该示例中，平衡-不平衡转换器可以包括单独的电感器104a和104b，以替代在图1中作为初级绕组的电感器104。

初级电感器(或者多个初级电感器)和多个次级电感器可以进行直流(dc)隔离，但却磁耦合以使信号能够从一侧传送至另一侧。在图1和图2的示例中，初级绕组可以是“不平衡”的，而次级绕组可以是“平衡”的。

为了使传统变压器的平衡-不平衡转换器具有良好的性能，初级电感器和次级电感器的自阻抗可能需要比有效磁耦合的端子阻抗高很多。由此，最低的工作频率可以指示在平衡-不平衡转换器中所需的电感量。工作频率的上限可由寄生电容限制，部分是因为寄生电容可以与电感器共振。因为最低频率可能要求大尺寸来实现高电感而最高频率可能要求小尺寸来实现低寄生电容，所以这些限制可以使传统的平衡-不平衡转换器难以在宽频率范围内工作。

在正负端子之间的理想振幅和相位平衡还要求在初级绕组与次级绕组之间进行完美的磁耦合。即使在最佳环境中，但尤其是在集成环境中，也许不可能实现完美的磁耦合。同样，由于将平衡绕组的片段耦合至了不平衡绕组的接地端，所以平衡绕组的寄生电容可能不对称。导致该不平衡的最大原因可能是沿初级电感器104或者104a和104b的接地端处的寄生电容。

图3图示了现有技术的带片上平衡-不平衡转换器的示例的集成电路布局，该带片上平衡-不平衡转换器具有对称的两个单独的螺旋缠绕耦合电感器和在次级侧上的接地中心抽头。

图4图示了现有技术的带片上平衡-不平衡转换器的集成电路布局，该带片上平衡-不平衡转换器具有螺旋绕组，该螺旋绕组具有比传统螺旋更加对称的地下通道。如图3所图示的，与使用单独的变压器相比，该平衡-不平衡转换器可以提供更面积优化(area-efficient)的结构。

其它宽带的现有技术的平衡-不平衡转换器可以具有绕在磁芯(或者多个磁芯)周围的三个电感器接线并且可在多达几ghz下工作。见c.l.ruthroff的“somebroad-bandtransformers(某些宽带变压器)”，ire学报，卷47，1959年8月，1337-1342页；richardh.turrin，w2imu的“applicationofbroad-bandbaluntransformers(宽带平衡-不平衡变压器)”，qst，1969年4月，42、43页；以及2000年10月的美国专利6,133,525“miniaturelowcostmodularassemblypackageandmethodofassembly(小型低成本模块式组装包和组装方法)”。

图5图示了可以具有绕在磁芯(或者多个磁芯)周围的三个电感器接线并且在高达几ghz下工作的现有技术的平衡-不平衡转换器的示例的示意图。为了具有良好的平衡-不平衡转换器性能，第一电感器204和第二电感器205可能需要紧密磁耦合，而第三电感器206可能需要与其它两个电感器204和205磁隔离。平衡-不平衡转换器可以具有不平衡端口201和平衡端口202/203。

图6至图8是可以用包裹住磁芯的接线构造而成的现有技术的平衡-不平衡转换器的示例的照片。在现有技术中的所有三个电感器平衡-不平衡转换器均可以用包裹在磁芯上的接线建造。这可能体积庞大并且在高于几ghz的频率下不良工作。此外，由于物理尺寸的限制，所以可能难以使任何这些平衡-不平衡转换器与混频器集成。

下面的论述将描述内置在具有平面结构而非接线/磁芯结构的集成电路中的三电感器平衡-不平衡转换器拓扑。三电感器平衡-不平衡转换器可以使用标准半导体ic工艺构造在一层或者多层金属层上。平衡-不平衡转换器可以较小并且可能不需要磁芯。与传统的带片上平衡-不平衡转换器结构相比，这可能导致更宽的带宽和更好的振幅和相位平衡。

下面的论述还将描述变压器布局拓扑，其中，可以将不平衡绕组的物理布局修改以减少接地端子对整体性能的影响。

平衡-不平衡转换器拓扑#1：平面宽带三电感器平衡-不平衡转换器

集成电路的重要因素可以是裸片大小。平衡-不平衡转换器需要足够小，从而使其可以有效地集成在ic上。同样，较小的平衡-不平衡转换器可以减少最终ic产品的成本。

平衡-不平衡转换器还需要实现至其它电路块(诸如，宽带混频器和/或lo放大器)的方便连接。可能需要物理短连接来使寄生电感、电容和电阻最小化。

图9、图10和图11图示了可以用于集成电路的平面的、宽带三电感器平衡-不平衡转换器的示例。

图9和图10图示了集成电路布局。在图9和图10中图示的平衡-不平衡转换器在标准半导体工艺中可以具有两个金属层。上金属层可以厚于另一金属层以最小化导电损耗。上金属层还可以位于损耗衬底上方，这可能导致平衡-不平衡转换器出现更小的寄生电容。

在图9、图10和图11中，在图5中的电感器204和205可以使用紧密磁耦合的紧密耦合金属迹线来实现。第三电感器206可以实现为与耦合的电感器204和205隔开的单独电感器。电感器206可以与电感器204和205磁隔离。

当在不平衡端口201处施加不平衡信号时，平衡信号可以生成在平衡端口202/203处。施加在不平衡端口201处的输入信号可以是由电感器204和206的阻抗分开的电压。这可能在具有与在不平衡端口201处的输入信号相同的相位(非反相)的203处产生输出。

电感器204和205可以负磁耦合。这可能在202处产生反相。因此，在202处的信号相位可以与在203处的相位相差180度。相反，如果差分信号被施加至平衡端口202/203，则平衡端口202和203可以组合在一起并且从不平衡端子201输出。

在图9中，电感器204和205可以并排路由。如果两个金属迹线均具有相同的宽度和相同片段数量，则电感器205的电感可以低于电感器204的电感。204和205的相对电感可以通过单独金属迹线宽度和/或片段数量的调整而优化。

在图10中，电感器204和205可以对称路由，从而使其电感值更好地匹配。然而，可能需要地下通道和过孔。这可能产生更多的接触和金属电阻。

在图9至图11中的平衡-不平衡转换器可以在比传统平衡-不平衡转换器可能的频率范围宽得多的频率范围内实现优良的振幅和相位平衡。

耦合电感器204和205可以使用在不同金属层处的两个电感器实现。图11为其示例。

图12a和图12b比较了在图9中示出的平衡-不平衡转换器的示例与传统平衡-不平衡转换器的性能，图12a比较了相位差，而图12b比较了振幅平衡。两个平衡-不平衡转换器均优化为500mhz到3ghz的频率范围。如图12a和图12b所示，图9的平衡-不平衡转换器可以展示出从500mhz到超过6ghz的优良振幅和相位平衡。然而，传统平衡-不平衡转换器的性能可能随频率增加而快速降低，使其从500mhz到仅3ghz有用。宽带拓扑#2：具有更低插入损耗的改良型平衡-不平衡转换器布局拓扑

图13图示了在初级侧和次级侧上均使用螺旋的现有技术的变压器拓扑的示例的集成电路布局。该方法的一个缺点可能在于该结构是非对称的，这是由于各个绕组的一个端子连接在最中心端处而其它端子连接至最外的绕组。该布局配置可能使各个端子出现非对称电特性并且使性能降低。还可能难以确定中心抽头的精确布置。

图14图示了在初级侧和次级侧上均使用螺旋的现有技术的变压器拓扑的示例的集成电路布局，初级侧和次级侧已经互相缠绕以提高电对称性。所有四个端子均可以连接至绕组的外片段。

当将变压器用作平衡-不平衡转换器时，在不平衡侧上的一个端子可以连接至低阻抗接地节点。在这种情况下，如图14一样具有物理对称输出绕组可能是一种缺点，这是由于其中一个平衡输入线可以比另一输入线更紧地耦合至接地节点。这可能在平衡端口处造成电非对称性。这可能显著降低性能，这可能导致插入损耗增加。

图15和图16图示了具有平衡端口801/802和不平衡端口803的平衡-不平衡转换器的示例的示意图(图15)和集成电路布局(图16)。该变压器可以利用在平衡侧绕组804和805上的对称结构，但使用在不平衡绕组806上的传统螺旋。不平衡绕组806可以通过绕组806的最内端807接地。这是在平衡与不平衡绕组之间的耦合可能最低的地方。不平衡绕组的最外匝可以用作不平衡端口803的信号。利用该配置，平衡绕组的最外匝可以最紧密地耦合至不平衡绕组的最外匝。

两种拓扑均可以用于集成混频器设计以利用相对于传统平衡-不平衡转换器的改良性能来实现宽带。

图17图示了使用在图9中示出的平衡-不平衡拓扑#1的宽带混频器的示例的示意图。混频器核300可以使用无源或者有源混频器拓扑。lo和if端口信号可以是单端型或者差分型。当混频器核300为无源混频器拓扑时，混频器可以双向使用。当rf端口用作输入以及if端口用作输出时，混频器可以用作下变频器。作为替代实施方式，if端口可以用作输入，rf端口用作输出，在这种情况下，混频器可以用作上变频器。在下变频器的情况下，单端型rf信号可以被三电感器平衡-不平衡转换器转换为差分信号(rf-和rf+)然后被施加至混频器核。在上变频器的情况下，if信号可以被上变频至差分rf信号，然后被转换至单端型rf输出信号。

图18和图19图示了利用三个平衡-不平衡转换器的不同平衡宽带混频器的示例的示意图。在传统的平衡-不平衡转换器中，次级绕组的中心抽头可以用作交流(ac)地，施加dc电压为混频器电路提供偏压。当提出的拓扑中需要dc偏压时，如图18和图19所示，可以将电容器207添加至三电感器平衡-不平衡转换器的电感器204的任一侧。电容器208可以提供ac地和dc阻隔。dc电压vdc可以施加在电感器206和电容器208的公共节点处。dc电流可以流经电感器206和205以供应混频器核300电路系统。由于电容器207，因此无电流可以流至rf端子。

图20图示了使用三个电感器平衡-不平衡转换器(在各个端口处各使用一个电感器平衡-不平衡转换器)的宽带混频器的示例的示意图。除了由电感器204、205和206形成的平衡-不平衡转换器之外，相同类型的第二平衡-不平衡转换器可以利用电感器214、215和216，以及相同类型的第三平衡-不平衡转换器可以利用电感器224、225和226。如图20的集成混频器电路所示，除了rf端口之外，三电感器平衡-不平衡转换器可以用在lo和if端口处。在这种情况下，根据双平衡混频器拓扑的需要，rf、lo和if端口可以全部是可以转换为差分信号的单端信号。在无源二极管混频器核的情况下，可以使用星形或者环形配置以及单端if信号可以在不需要平衡-不平衡转换器的情况下直接实现。在这种情况下，可能不需要在图20中的if平衡-不平衡转换器。

在图20中的三个平衡-不平衡转换器的电感器的值不必相同。if频率可以低于rf和lo频率，因此，在if平衡-不平衡转换器中可能需要更高的电感值，这将导致更大的平衡-不平衡转换器。为此，集成if频率低于约200mhz的if平衡-不平衡转换器可能不实际。在这种情况下，可以替代地使用外部if平衡-不平衡转换器，以及集成混频器的if输出可以是差分的。

图21图示了使用三个电感器平衡-不平衡转换器(在各个端口处各使用一个电感器平衡-不平衡转换器)和lo缓冲放大器400的宽带混频器的示例的示意图。lo缓冲放大器400可以与图21所示的混频器电路集成以减少所需的lo输入驱动功率电平。差分lo缓冲器可以通过单端lo缓冲器使用，因为其可能导致更低的lo功率泄露至其它混频器端口。由此，lo缓冲器400可以添加在图21所示的混频器之前和平衡-不平衡转换器之后。

图22a和图22b图示了与在图21中图示的宽带混频器相似的宽带混频器的示例的性能。该示例使用由市售的0.18umbicmos(双极型-cmos(互补金属氧化物半导体))工艺制造而成的无源双向混频器。混频器核使用mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)开关实现。

图23a和图23b图示了与在图15和图16中图示的平衡-不平衡转换器相似的平衡-不平衡转换器的示例的模拟性能。传统集成平衡-不平衡转换器和在图15中呈现的平衡-不平衡转换器的变压器结构均使用em模拟器塑造而成，以及产生的s参数用在新的有源混频器设计的输出中。具有新变压器的转换增益比旧拓扑高了接近1.5db。如通过在图23b中比较oip3(输出三阶互调点)性能所示的，具有新平衡-不平衡转换器拓扑的线性度性能基本不受新拓扑的影响。

图24图示了宽带混频器的另一示例。虚拟电感器2401可以添加至在图17中示出的混频器电路的平衡-不平衡转换器。虚拟电感器2401可以正耦合或者负耦合至平衡-不平衡转换器的电感器206并且通过均衡平衡-不平衡转换器的平衡端口的寄生效应而使平衡-不平衡转换器更对称。虚拟电感器2401的端子2408和2409可保持为开路、接地或者连接至所需阻抗。

可以使用本文论述的平衡-不平衡转换器拓扑的其它电路为单边带混频器、i-q调制器和i-q解调器。这些可以使用所提出的混频器中的两个。

已经论述的组件、步骤、特征、对象、益处和优点仅为图示性的。它们以及与其相关的论述均不旨在以任何方式限制保护范围。还考虑了许多其它实施例。这些实施例包括具有更少的、另外的和/或不同的组件、步骤、特征、对象、益处和/或优点的实施例。这些实施例还包括组件和/或步骤不同地设置并且/或者不同地排序的实施例。

除非另有说明，否则在本说明书(包括在权利要求书)中所提出的所有测量结果、值、额定值、位置、振幅、大小以及其它规格均为近似值而非准确值。它们旨在具有与其相关的以及在其所属的领域惯常的功能一致的合理范围。

已经在本公开中列举的所有物品、专利、专利申请以及其它出版物均通过引用的方式并入本文。

当短语“用于……的装置”用于权利要求书时，其旨在以及应该被理解为包括已经描述的相应结构和材料及其等同物。相似地，当短语“用于……的步骤”用于权利要求书时，其旨在以及应该被理解为包括已经描述的相应动作及其等同物。权利要求中不存在这些短语则意味着权利要求不旨在以及不应该被理解为限于这些相应结构、材料或者动作或者其等同物。

保护范围仅受下面的权利要求书限制。当鉴于本说明书以及其遵循的历史理解时，该范围旨在并且应该被理解为与用于权利要求书的语言的普通意义一样，除了提出特定意义之外，并且包括所有结构和功能等同物。

诸如“第一”和“第二”等相关术语可以单独使用以区分实体或者动作，不需要或者不必暗示在它们之间的任何实际关系或者顺序。术语“包括”、“包括”及其任何其它变型，当结合在说明书或者权利要求书中的元件列表使用时，旨在指示列表是非排他的以及可能包括其它元件。相似地，前面带有“一”或者“一个”的元件，在没有进一步的限制的情况下，不排除存在相同类型的另外元件。

权利要求项均不旨在包括不满足专利法的101节、102节或者103节的要求的主题，也不应该这样解释它们。在此均不要求这类主题的任何不经意覆盖。除了刚刚在该段中说明的之外，已经说明或者图示的内容均不旨在或者不应该理解为奉献任何组件、步骤、特征、对象、益处、优点或者相当于公开的，不论其是否列举在权利要求书中。

提供摘要是为了帮助读者快速确定本技术公开的性质。摘要是在其不用于解释或限制权利要求书的范围或意义的理解基础上提交的。另外，在前述详细说明中的各种特征在各种实施例中组合在一起以使本公开简单化。不应该讲本公开的该方法理解为需要所要求的实施例以需要多于各个权利要求项中清楚列举的特征。相反，如随附权利要求书所反映的，本发明主题的特征比单个公开实施例的所有特征更少。由此，以下权利要求书在此并入详细说明中，各个权利要求项独立地作为单独要求的主题。