專利名稱：耦合器、集成電子元件和電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耦合器，包括連接信號(hào)輸入端至信號(hào)輸出端的第一線路，和連接一個(gè)匹配連接至第二輸出端的第二線路，其中第一和第二線路相互電感和電容性地耦合。
本發(fā)明也涉及一種集成電路元件，該集成電路元件在100MHz和更高的頻率上使用并且實(shí)施濾波和/或切換功能，以及包括一基底和多個(gè)電絕緣和電傳導(dǎo)層。
本發(fā)明也涉及一種電子設(shè)備，其包括經(jīng)由耦合器的第一線路而相互連接的功率放大器和功率發(fā)射器，所述耦合器還具有第二線路，該第二線路具有連接到控制電路的第二輸出端。
所述耦合器可從US-A5,818,307中獲悉。該文獻(xiàn)的

圖1公開(kāi)了一種定向耦合器，其中第一線路和第二線路相互平行地存在于印刷電路板上，使得存在耦合。電阻性負(fù)載存在于第二線路的匹配連接上并且肖特基二極管存在于第二線路的第二輸出端上。選擇負(fù)載阻抗以使得反射最小并且增加方向性，以及選擇電容器以便在所關(guān)心的頻率上諧振，從而在第二輸出端提供電壓輸出。
為了實(shí)現(xiàn)最佳的耦合器，耦合器對(duì)信號(hào)輸出端和輸入端以及對(duì)匹配連接所產(chǎn)生的影響應(yīng)該小并且對(duì)第二輸出端的影響應(yīng)該相對(duì)大。理論上，可以描述為耦合器具有四個(gè)效應(yīng)在信號(hào)輸入端處的回程損耗S11，在信號(hào)輸出端處的插入損耗S21，在第二輸出端處的耦合S31以及在匹配連接處的隔離S41。可以理解插入損耗S21必須非常小，優(yōu)選地小于0.5dB，以及耦合相比于隔離S41和回波損耗S11應(yīng)當(dāng)是很大的并且相對(duì)于隔離S41和回波損耗S11是可辨別的。
然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)已知的耦合器具有的耦合S31取決于頻率。從而，能夠僅在一個(gè)相對(duì)小的頻域上將其相對(duì)于隔離S41和回波損耗S11被區(qū)分出來(lái)。這意味著耦合S31在用作通信頻帶(諸如藍(lán)牙、DCS、GSM以及UMTS的頻帶)的頻域上不是恒定的。結(jié)果，必須在控制電路或在耦合器的輸出端中對(duì)耦合S31的頻率相關(guān)性進(jìn)行補(bǔ)償。
因此，本發(fā)明的第一目的是提供一種在開(kāi)始段落所提及的耦合器類型，其中第二輸出(耦合S31)的幅度合理地獨(dú)立于用作頻帶的頻率間隔的頻率。
所述目的被實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)諧振結(jié)構(gòu)，并且第一線路和第二線路被電感和電容性地耦合到該諧振結(jié)構(gòu)。
令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，添加的諧振結(jié)構(gòu)導(dǎo)致期望的效果。耦合S31證明在高于諧振結(jié)構(gòu)的諧振頻率的一個(gè)間隔內(nèi)的頻率中是合理地頻率無(wú)關(guān)的。其優(yōu)點(diǎn)是在高于諧振頻率的一個(gè)非常大的頻域上，使耦合S31比隔離S41和回程損耗S11顯然要更大。從1.3GHz的諧振頻率一直到大約4GHz的諧振頻率，耦合S31比隔離S41和回程損耗S11大15dB。耦合S31超過(guò)隔離S41的較大差值導(dǎo)致本發(fā)明耦合器的另外的優(yōu)點(diǎn)在第二輸出端獲得方向性不需要二極管。
本發(fā)明的耦合器表現(xiàn)為是基于在第一和第二線路之間存在直接耦合和諧振耦合的事實(shí)。采用兩種耦合機(jī)制的組合來(lái)產(chǎn)生一個(gè)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的耦合器。隨之通過(guò)變化諧振結(jié)構(gòu)而可設(shè)置諧振頻率。通過(guò)改變直接耦合和諧振耦合而可設(shè)置耦合器的最佳頻率響應(yīng)，例如，改變線路之間的距離、線路的幾何圖形以及線路之間的材料的介電常數(shù)。電感器和電容器的大小也可以改變。
本發(fā)明耦合器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于該耦合器能夠用于不同的應(yīng)用中，而無(wú)需精心地重新設(shè)計(jì)。由于耦合器較好的方向性，所以原則上通過(guò)改變例如電容器的電容量，便足以改變諧振頻率。對(duì)于適度的頻率變化，甚至可能根本無(wú)需修改該耦合器。
從EP-A1047150可獲知一種耦合器，其中在第二線路中包括一電感器和一電容器?？墒沁@樣會(huì)在整個(gè)頻域上影響耦合S31和其他的信號(hào)S11、S21和S41。如通過(guò)該專利申請(qǐng)的圖6和典型實(shí)施例3所說(shuō)明的那樣，耦合S31-稱為C-在較大的頻率間隔上基本不是恒定的。此外，方向性相當(dāng)?shù)匦?，例如小?0dB。除此之外，在此已知的耦合器中，在諧振頻率處信號(hào)S11，S31和S41有可比幅度的的工作狀態(tài)是完全不存在的。
本發(fā)明的耦合器能夠以多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。能夠使用諧振結(jié)構(gòu)的分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣電感器線圈的平面必須被定向?yàn)榛旧吓c第一線路平行。具有分立元件的這種實(shí)施例對(duì)在較低的頻率上使用特別有利，例如100MHz或者更低的頻率。由于諧振頻率與電容和電感的乘積的平方根成反比，因此電容和電感必須很高。其能夠通過(guò)陶瓷多層電容器和具有多匝線圈的電感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在一優(yōu)選的實(shí)施例中，諧振結(jié)構(gòu)包括一薄膜電容器和一薄膜電感器，并且第一和第二線路與該電感器是電感和電容地耦合的。諧振結(jié)構(gòu)的實(shí)施具有以下優(yōu)點(diǎn)耦合器能夠集成到任一多層電子元件中。就其功能來(lái)說(shuō)，因?yàn)樵谄桨逵∷D案中定義了相互重疊(且因此定義了用于電容耦合的相關(guān)區(qū)域)，因此能夠很好地設(shè)計(jì)該耦合器以便使得第一和第二線路與諧振結(jié)構(gòu)之間的電感和電容耦合最佳。進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是部件能夠被最小化并且所有各個(gè)耦合器都將是同等的并且不依賴于個(gè)體元件的變化以及彼此之間的相對(duì)位置。
在薄膜實(shí)施例中，存在幾種變型。在一優(yōu)選的變型中，第一線路存在于第一導(dǎo)電層中，第二線路存在于第二導(dǎo)電層中以及諧振結(jié)構(gòu)的電感器存在于布置在第一和第二導(dǎo)電層之間的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層中。優(yōu)選地，在第二導(dǎo)電層上提供電容器的其中一個(gè)電極。在該變型中，諧振結(jié)構(gòu)被夾在第一和第二線路的層之間。為了在第一和第二線路之間獲得足夠的電容耦合，這些線路優(yōu)選地處于同一平面上，該平面被定向?yàn)榛旧洗怪庇陔姼衅鞯钠矫?。該?shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于第一線路和諧振結(jié)構(gòu)之間的耦合量不同于諧振結(jié)構(gòu)和第二線路之間的耦合量。例如，能夠在電感器和第二線路之間提供具有相對(duì)高的介電常數(shù)的介電層以便最大化耦合。該介電層也可用于電容器。另一優(yōu)點(diǎn)在于第二導(dǎo)電層能夠具體化為一薄層，諸如金、鋁等等的層，而第一線路和電感器的層能夠具體化為包括例如銅的厚層。這樣不僅具有使電感器和第二線路將有高Q-因子的優(yōu)點(diǎn)，而且它們還適合于高頻率。
在另一優(yōu)選的變型中，具有一匝線圈的諧振結(jié)構(gòu)的電感器存在于第一導(dǎo)電層并且第一和第二線路存在于第二導(dǎo)電層。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于耦合器構(gòu)成一個(gè)相對(duì)小的單元。因此，有助于將其集成到集成電子元件中。例如，該耦合器能夠被集成到多層基底中。其優(yōu)點(diǎn)在于第一導(dǎo)電層存在于基底的表面上，而諧振結(jié)構(gòu)被嵌入基底內(nèi)。
在該實(shí)施例的進(jìn)一步的詳細(xì)細(xì)節(jié)中，電容器包括第一和第二電極，所述第一電極存在于第一導(dǎo)電層并且所述第二電極存在于第二導(dǎo)電層，以及第一和第二導(dǎo)電層通過(guò)包含介電層和絕緣層的隔離物而相互分離，電容器的第一和第二電極之間不存在絕緣層。在此，所述絕緣層指的是一種具有低的介電常數(shù)的層，例如其介電常數(shù)等于或小于SiO2的介電常數(shù)。優(yōu)選的實(shí)例包括諸如苯并環(huán)丁烯(benzocyclobutene)、HSQ、MSQ、多孔硅和其它低K材料的材料層。在此，介電層指的是一種具有相對(duì)高的介電常數(shù)的層，例如，其具有的介電常數(shù)高于SiO2的介電常數(shù)。優(yōu)選的實(shí)例包括Si3N4以及以鈦酸鋇和氧化鉭為基礎(chǔ)的材料。
所述詳細(xì)細(xì)節(jié)具有以下優(yōu)點(diǎn)僅需要兩個(gè)導(dǎo)電層來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合器。這些層可存在于具有粗糙表面的基底上。優(yōu)選地，在所用頻率上，在超過(guò)電磁波的穿透深度的厚度中，適于導(dǎo)電層的材料為鋁、銅、鎳、銀等等。用于所述詳細(xì)細(xì)節(jié)的技術(shù)可從Th.Rijks等人的Proceedings IMAPS2001中獲知，并且在未與公開(kāi)的專利申請(qǐng)?zhí)朎P01203071.4(PHNL010579)的文獻(xiàn)中描述了該技術(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的耦合器的另一實(shí)施例包括一可調(diào)諧電容器。使用這樣的可調(diào)諧電容器能夠?qū)χC振結(jié)構(gòu)的諧振頻率進(jìn)行期望的改變。如以上所解釋的那樣，耦合器的頻域?qū)㈦S著諧振頻率的漂移而漂移?？烧{(diào)諧電容器能夠作為微型機(jī)電元件(MEMS)實(shí)施。這樣，MEMS電容器可存在于基底上，然而第一和第二線路存在于基底內(nèi)。作為選擇，所述線路和MEMS電容器以及電感器能夠存在于集成電路的互連結(jié)構(gòu)中。
通過(guò)附加一第三線路，能夠利用耦合器的頻域的調(diào)諧，該第三線路將匹配連接與第三輸出端進(jìn)行連接并且被電感和電容性地耦合到第一線路以及被電感和電容性地耦合到諧振結(jié)構(gòu)。第三線路允許關(guān)于經(jīng)由第一線路運(yùn)行的信號(hào)的第二反饋?？梢允柜詈掀鞯脑O(shè)計(jì)最佳化，以便使得第二和第三線路之間的相互耦合最小。它們可以存在于同一導(dǎo)電層上，但是位于第一線路的相反側(cè)。作為選擇，它們也可存在于不同的導(dǎo)電層上，且位于諧振結(jié)構(gòu)的相反側(cè)，以及它們中的每個(gè)都與第一線路處于同一平面中。
在此實(shí)施例中，本發(fā)明的耦合器適合作為一個(gè)雙頻帶耦合器。由于諧振結(jié)構(gòu)的頻率的可調(diào)諧性，第三線路可給出關(guān)于與第二線路不同的頻率的反饋。而且，優(yōu)選地，第三線路向除第二線路之外的元件提供反饋。此實(shí)施例的耦合器能夠用作用于兩個(gè)功率放大器的耦合器，每一功率放大器專門(mén)用于一特定的頻域，并且它們被連接在同一個(gè)天線上。設(shè)想將具有兩個(gè)功率放大器和一個(gè)天線的這種設(shè)計(jì)應(yīng)用于具有不同標(biāo)準(zhǔn)(諸如GSM和藍(lán)牙)的移動(dòng)通信中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能理解，對(duì)于兩個(gè)放大器和一個(gè)天線的連接必須有連接點(diǎn)。這能夠被實(shí)現(xiàn)為一個(gè)開(kāi)關(guān)，諸如pin-二極管或MEMS開(kāi)關(guān)，或者實(shí)現(xiàn)為濾波器，例如帶通濾波器。優(yōu)選地使用MEMS開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于其能夠與MEMS-電容器一起制作和封裝。更重要的優(yōu)點(diǎn)在于MEMS開(kāi)關(guān)具有低損耗并且提供極好的隔離。同樣可以理解，連接點(diǎn)能夠存在于耦合器的兩側(cè)，例如功率放大器和耦合器之間以及耦合器和天線之間。在連接點(diǎn)存在于耦合器和天線之間的情況中，來(lái)自第二功率放大器的第四線路將存在于耦合器中。
對(duì)于提供可調(diào)諧電容器的替代，可以通過(guò)在第一和第二線路之間插入一個(gè)以上的諧振結(jié)構(gòu)，而使耦合器適于不同的頻域。以這種方式能夠在一個(gè)以上的頻域上獲得作為頻率的函數(shù)的平面耦合(flat coupling)。
在另一和/或又一實(shí)施例中，一層或多層磁性材料存在于耦合器中。由于存在磁性材料層，所以當(dāng)通過(guò)諧振結(jié)構(gòu)和線路之間及其周?chē)膶铀鶚?gòu)成的介質(zhì)的有效磁導(dǎo)率增強(qiáng)時(shí)，諧振結(jié)構(gòu)與第一和第二線路之間的電感耦合也將增加。由于對(duì)于諧振結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，每單位長(zhǎng)度的電感增加，以及由此而引起耦合量增加，所以當(dāng)維持諧振頻率時(shí)，電感器的尺寸能夠減小。結(jié)果，耦合器的尺寸能夠最小化。優(yōu)選地使兩層磁性材料定位于諧振結(jié)構(gòu)的相反側(cè)。作為選擇，或附加的，它能夠存在于第一和第二線路之間。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能理解，磁性材料層能夠定位在耦合器中的其他任何地方，這種位置依賴于耦合器特定的設(shè)計(jì)。適合的磁性材料本身是已經(jīng)知道的，優(yōu)選的是鐵氧體材料，但是最優(yōu)選的是一種以粉末形式存在并且嵌入絕緣基質(zhì)材料例如聚合物或SiO2中的磁性材料層。這樣的層是商業(yè)可獲得的。其優(yōu)點(diǎn)是這樣的層能夠作為液體施加(通過(guò)旋涂、印刷等等)并且能夠非常好地集成在多層元件中。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種開(kāi)始段落中所提及類型的集成電子元件，其中集成有耦合器。
該目的被實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?電子元件配備有根據(jù)權(quán)利要求2-7任一所述的耦合器，-該耦合器的第一和第二線路、電感器以及電容器的電極在電子元件的導(dǎo)電層上實(shí)現(xiàn)，以及-該第一和第二線路與諧振結(jié)構(gòu)通過(guò)電子元件的至少一個(gè)絕緣層而被相互分離。
特別是在移動(dòng)通信領(lǐng)域中，個(gè)體元件諸如所使用的晶體管、電容器和電感器的數(shù)量將不斷地增加。同時(shí)，這些元件中的每一個(gè)被最小化。由于高頻而導(dǎo)致所有的相互連接起到電感器的作用并且潛在地作為寄生電容器電極。因此，存在一種向可被設(shè)計(jì)作為一個(gè)整體的集成電子元件發(fā)展的趨勢(shì)。這些集成電子元件可包含有源元件。然后無(wú)源元件定位在有源元件之上的互連結(jié)構(gòu)中，或者在基底轉(zhuǎn)移工藝中與有源元件鄰接。作為選擇，集成電子元件僅包括或幾乎僅包括無(wú)源元件和互連。例子包括多層基底，例如陶瓷或疊層，包括多個(gè)多層電容器的模塊以及基底上的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，它們是根據(jù)制作集成電路的已知技術(shù)來(lái)制造的。
本發(fā)明的耦合器的薄膜實(shí)施例非常適合于集成到集成電子元件中，因?yàn)樗軌騼H用薄膜元素來(lái)體現(xiàn)。將能理解，該元件的導(dǎo)電層包括在表面上的那些。同時(shí)也要理解，電子元件的絕緣層具有可變的介電常數(shù)和有效的磁導(dǎo)率并且可按所期望的被最佳化。在存在可調(diào)諧電容器的情況中，優(yōu)選地，元件是基底上任一類型的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。在元件包括磁性材料層的情況中，該層可作為薄膜層而被集成；然而，它也能夠作為電子元件之上的分立元件而存在。
例如，從EP641037中獲知一種電子設(shè)備，包括經(jīng)由耦合器的第一線路而相互連接的功率放大器和功率發(fā)送器，所述耦合器此外還配備有具有連接到控制電路的第二輸出端的第二線路。該文獻(xiàn)的圖7是示出了耦合器應(yīng)用的方塊圖。該圖示出耦合器具有放大器和天線之間的第一線路以及具有在用于吸收電功率的接地電阻電極和自動(dòng)增益控制電路之間的第二線路。使用這種電路，則放大器的部分輸出被傳輸?shù)今詈掀鞯牡诙敵龆瞬⑶曳祷氐阶詣?dòng)增益控制電路。將從天線返回的部分高頻信號(hào)傳輸?shù)浇拥仉娮桦姌O，例如匹配連接。
已知的電子設(shè)備的缺陷是，耦合器僅適應(yīng)于有限的頻域，并且在控制電路或在耦合器中實(shí)施的附加的頻率補(bǔ)償器是必需的。
所以，本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供一種在開(kāi)始段落中所提及類型的具有健壯耦合的電子設(shè)備。該目的被實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇嬖诟鶕?jù)權(quán)利要求1-7任一所述的耦合器。由于包括本發(fā)明的耦合器，所以電子設(shè)備適合于更大的頻域。發(fā)送器可以是任一發(fā)送元件，但優(yōu)選為天線。耦合器本身可存在，但優(yōu)選地作為根據(jù)權(quán)利要求8所述集成電子元件的一部分存在。在優(yōu)選的實(shí)施例中，電子設(shè)備包括兩個(gè)功率放大器并且耦合器以雙頻帶耦合器的實(shí)施方式存在。
耦合器可以在本發(fā)明的電子設(shè)備內(nèi)的不同位置上執(zhí)行耦合功能。第一應(yīng)用是，所述耦合器用于從功率放大器輸出到天線的信號(hào)的測(cè)量和反饋。該該應(yīng)用中，控制電路連接到功率放大器。由于天線與基站之間的距離是不恒定的，所以輸出信號(hào)的強(qiáng)度必須足夠大以便到達(dá)基站。然而，已經(jīng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化而對(duì)有關(guān)進(jìn)入基站的信號(hào)的強(qiáng)度設(shè)置限制。除此之外，所有的能量必須通過(guò)電池來(lái)提供，使得由于耦合器的不正常工作而造成的任何能量浪費(fèi)都將減少電池的使用壽命。對(duì)于該應(yīng)用，在放大器之后直接地給出耦合器是優(yōu)選的。
在第二應(yīng)用中，耦合器用于輸入信號(hào)的測(cè)量。在該應(yīng)用中，功率放大器是一種公知的低噪聲放大器類型。耦合器一般定位于該低噪聲放大器之前，例如，在發(fā)送器/接收器開(kāi)關(guān)和低噪聲放大器之間的線上。控制電路將控制低噪聲放大器以便對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行必要的放大。
在另一應(yīng)用中，耦合器執(zhí)行天線的反射功率的測(cè)量功能。該應(yīng)用旨在最小化和優(yōu)選地防止在天線處反射的功率放大器的任一大信號(hào)到達(dá)和損壞低噪聲放大器。這對(duì)于寬帶應(yīng)用諸如UMTS來(lái)說(shuō)是很重要的。耦合器的第二輸出端連接到控制電路，該控制電路適配在天線之前的阻抗匹配電路。在該應(yīng)用中，耦合器直接定位在天線之前。控制電路將調(diào)諧存在于發(fā)送器/接收器開(kāi)關(guān)與天線之間的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。
參考附圖，詳細(xì)地描述本發(fā)明的耦合器、集成電子元件和電子設(shè)備的這些和其他方面，其中圖1示出耦合器第一實(shí)施例的俯視透視圖；圖2示出在圖1的V-V所示的平面中耦合器第一實(shí)施例的圖解剖面圖；圖3示出耦合器第二實(shí)施例的圖解剖面圖；圖4示出電子設(shè)備第一實(shí)施例的等效電路圖；圖5示出作為頻率的函數(shù)的耦合器第一實(shí)施例的輸出信號(hào)的幅度；圖6示出圖5的細(xì)節(jié)的放大；圖7示出作為頻率的函數(shù)的耦合器第一實(shí)施例的插入損耗；圖8示出最為頻率的函數(shù)的耦合器第一實(shí)施例的改進(jìn)型的輸出信號(hào)的幅度；圖9示出耦合器第三實(shí)施例的圖解頂視圖；圖10示出作為頻率的函數(shù)的耦合器第三實(shí)施例的輸出信號(hào)的幅度；圖11示出作為頻率的函數(shù)的耦合器第三實(shí)施例的插入損耗；圖12示出耦合器第四實(shí)施例的圖解頂視圖；以及圖13示出了包括耦合器第四實(shí)施例的電子設(shè)備的第二實(shí)施例的等效電路圖。
圖1示出了本發(fā)明耦合器10的第一實(shí)施例的俯視透視圖。為清楚起見(jiàn)，省略了基底和絕緣層。耦合器10包括連接信號(hào)輸入端11至信號(hào)輸出端21的第一線路1。同時(shí)也包括連接匹配連接41至第二輸出端31的第二線路2。匹配連接41連接到50Ω的接地電阻。第二輸出端31連接到控制電路。第一線路1和第二線路2以660μm的相互距離62而被定位。它們通過(guò)苯并環(huán)丁烯的絕緣層而彼此分離，所述絕緣層具有2.6的相對(duì)介電常數(shù)和大約為1的有效磁導(dǎo)率。第一線路1從信號(hào)輸入端11到信號(hào)輸出端21的長(zhǎng)度為1.4mm。第一和第二線路具體化為厚度為5μm、寬度為50μm的銅線。
諧振結(jié)構(gòu)3基本被定位為平行于與由第一和第二線路1，2所構(gòu)成的平面。線路1，2與諧振結(jié)構(gòu)3之間的相互距離61為8μm。諧振結(jié)構(gòu)3包括具有一匝線圈的電感器4，以及具有第一電極51和第二電極52的電容器5。第一電極51與電感器4處于同一層。第二電極52用通路53連接到電感器4。電感器4的大小為1.0mm×0.77mm并且具有2nH的電感。電容器具有7.4pF的電容量。這樣產(chǎn)生1.36GHz的諧振頻率。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很明顯第一和第二線路起到邊緣耦合線路的作用。
圖2示出沿著圖1所指示的V-V平面的耦合器10的圖解剖面圖。電感器4是由Cu構(gòu)成的第一導(dǎo)電層81的一部分，該層厚度為5μm并且存在于基底80上。該層通過(guò)電鍍而沉積在包括Au的電鍍基(未示出)上。電容器5的第一電極51也是第一導(dǎo)電層81的一部分。該層與平面化層86一起平面化，所述平面化層81可或者在沉積第一導(dǎo)電層81之前沉積，或者在其之后沉積。在那之上存在有介電層82。在該實(shí)例中介電層82包括SiN并且具有6-7的相對(duì)介電常數(shù)。根據(jù)期望的圖案來(lái)構(gòu)造它以便提供電感器4與電容器5的第二電極52之間的連接。在其上，沉積絕緣層83。在該實(shí)例中絕緣層83包括苯并環(huán)丁烯，并且具有2.6的相對(duì)介電常數(shù)。此后，包括第一線路1、第二線路2以及第二電容器電極52的第二導(dǎo)電層84被沉積。第二導(dǎo)電層84包括Cu，并且在通過(guò)濺射而施加阻擋層TiN和電鍍基Cu(未示出)后，通過(guò)電鍍來(lái)沉積。第一和第二線路1，2之間的距離62為660μm并且線路1，2與電感器4之間的距離為8μm。
圖3示出了耦合器10的第二實(shí)施例的圖解剖面圖。在該實(shí)施例中，第一線路1和第二線路2處于不同的導(dǎo)電層；例如，第二線路2處于第一導(dǎo)電層81中。第一線路1處于第三導(dǎo)電層87中。電感器4存在于第二導(dǎo)電層84上，所述第一線路1和第二線路2都耦合于該電感器4。第二導(dǎo)電層84非對(duì)稱地放置于第一和第三導(dǎo)電層81，87之間。第一線路1和電感器4之間的距離61不同于第二線路2和電感器4之間的距離63。此外，分離層也是不同的。介電層82僅存在于第一和第二導(dǎo)電層81，84之間(然而，這可以是不同的)。磁性材料層85和絕緣層83都位于第二和第三導(dǎo)電層84，87之間。因而，第一線路1和電感器4之間的耦合量不同于電感器4和第二線路2之間的耦合量。第一導(dǎo)電層81還包括電容器5的第一電極51，同時(shí)第二電極52存在于第二導(dǎo)電層84中。第一電極51通過(guò)通路53連接到電感器4。第一導(dǎo)電層81嵌入平面化層86中。
在圖3中，第一和第二線路1，2是以虛線的形式示出的。這表明第一和第二線路1，2實(shí)際上位于不同于電感器4的一個(gè)垂直平面內(nèi)。設(shè)計(jì)該位置在不同的垂直平面內(nèi)以便獲得第一線路1和第二線路2之間適當(dāng)?shù)闹苯玉詈?，所述第一線路1和第二線路2之間相距距離62。
圖4示意性示出本發(fā)明電子設(shè)備100的電子表示。耦合器10位于功率放大器101和功率發(fā)送器103之間，所述功率發(fā)送器103在該實(shí)例中為天線。耦合器10包括具有信號(hào)輸入端11和信號(hào)輸出端21的第一線路1以及具有匹配連接41和第二輸出端31的第二線路2。匹配連接被連接到接地電阻104。第二輸出端31連接到控制電路102。基于第二輸出端31所輸出的信號(hào)S31，控制電路調(diào)整功率放大器101的輸出。技術(shù)人員將能理解控制電路102可以是功率放大器101的一部分。此外，耦合器10還包括諧振結(jié)構(gòu)3。
圖5示出了相對(duì)于頻率f而測(cè)定的一些信號(hào)的幅度M的曲線圖。該曲線圖的主體是如圖1和2所示的第一實(shí)施例中的耦合器10，該耦合器已被對(duì)于1.8GHz的頻率而最優(yōu)化。在該曲線圖中，帶有交叉的線與S31，也就是第二輸出端31處的信號(hào)有關(guān)，其也稱為耦合。帶有加號(hào)的線與S11，也就是信號(hào)輸入端11的輸出信號(hào)有關(guān)，其也稱為回程損耗或反射。帶有塊的線與S41，也就是匹配連接41的輸出信號(hào)有關(guān)，其也稱為隔離。根據(jù)圖5可以得出諧振頻率是1.3GHz并且所有的信號(hào)S11，S31，S41具有相同的幅度。令人驚訝的是，這些信號(hào)恰好在高于該諧振頻率的頻率處分開(kāi)。耦合S31具有大約-18dB的幅度，并且隨著頻率增大，在4GHz處，耦合S31線性增加到-15dB?；爻虛p耗S11朝著4GHz處的-30dB減少。隔離S41在1.8GHz處減少到-45dB，并且隨后在4GHz處增加到-30dB。結(jié)果，在信號(hào)S31與信號(hào)S11和S41之間維持大約15dB的差值直到4GHz。該差值也稱為方向性。該差值在1.8GHz周?chē)踔链蠹s為25dB，這被認(rèn)為是很重要的。可以看出，在該實(shí)例中諧振結(jié)構(gòu)在高于2.5GHz的頻率上沒(méi)有扮演重要角色。然而，如果設(shè)計(jì)諧振結(jié)構(gòu)以具有較高的諧振頻率，則那是被假定為不同的方面。
圖6示出了在1.5和1.8GHz之間的頻域上，圖5的放大曲線圖。如所看到的那樣，信號(hào)S31的幅度幾乎恒定。其優(yōu)點(diǎn)在于以下事實(shí)在控制電路中不需要對(duì)用作通信頻帶的一個(gè)頻域內(nèi)的耦合S31的頻率變化執(zhí)行補(bǔ)償。
圖7示出了相對(duì)于頻率f測(cè)定的一信號(hào)的幅度M的另一曲線圖。該曲線圖的主體再一次是第一實(shí)施例的耦合器10。該曲線圖示出了信號(hào)輸出端21的信號(hào)S21，也稱為插入損耗。在1.5和2GHz之間的域上，該插入損耗是在-0.12和-0.08dB之間，因此非常小。
圖8示出了相對(duì)于頻率f測(cè)定的一信號(hào)的幅度M的曲線圖，該曲線圖涉及第一實(shí)施例的一個(gè)略有不同的方案。在該方案中，電感器具有一匝線圈并且諧振頻率是1.36GHz。俯視圖和剖面圖如圖1和2所示。電感器4的大小為1.4×0.84mm，電容器5的大小為0.56mm2，從而產(chǎn)生1.36GHz的諧振頻率。在該曲線圖中，帶有交叉的線與S31，也就是第二輸出端31的信號(hào)相關(guān)，也稱為耦合。帶有加號(hào)的線與S11，也就是信號(hào)輸入端11的輸出信號(hào)相關(guān)，也稱為回程損耗或反射。帶有塊的線與S41，也就是匹配連接41的輸出信號(hào)相關(guān)，也稱為隔離。根據(jù)圖8可以得到所有信號(hào)S11、S31和S41在諧振頻率處具有相同的幅度。這些信號(hào)僅在高于該諧振頻率時(shí)分開(kāi)。耦合S31在1.7GHz處具有大約為-21dB的幅度，并且隨著頻率的增加，在5GHz處，耦合S31線性增加到-14dB?；爻虛p耗S11朝著1.8GHz處的-42dB減少并且隨后增加到-29dB。隔離S41在3.6GHz處減少到-46dB，并隨后增加。
圖9示出了本發(fā)明耦合器10的第三實(shí)施例的圖解頂視圖。該實(shí)施例通過(guò)以下技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述技術(shù)具有通過(guò)苯并環(huán)丁烯的絕緣層和氮化硅的介電層而分離的第一和第二導(dǎo)電層。該實(shí)施例的剖面圖基本上與圖2所示的剖面圖相同。耦合器10包括第一線路1、第二線路2以及具有電容器5和電感器4的諧振結(jié)構(gòu)。在第三實(shí)施例中，電感器4具有三匝線圈，因此與圖8所示的第一實(shí)施例的形式相比，耦合器10的表面積減少了三分之一。其具有1.5mm的長(zhǎng)度和0.6mm的寬度。電感器線圈的寬度是30μm，并且它們的間距為20μm。第一和第二線路1，2具有130μm的寬度。電容器5的第一和第二電極51，52的大小為240×250μm。
圖10是相對(duì)于頻率f測(cè)定的一些信號(hào)的幅度M的曲線圖。在該曲線圖中，符號(hào)所涉及的信號(hào)與圖5和圖8中的一樣帶有塊的線指示S41，帶有加號(hào)的線指示S11以及帶有交叉的線指示S31。如圖10所示，當(dāng)頻率增加時(shí)，作為頻率的函數(shù)的耦合S31的增加程度不是很陡。對(duì)于作為DCS-頻帶使用的1.8GHz周?chē)念l率，以及對(duì)于作為藍(lán)牙-頻帶使用的2.4GHz周?chē)念l率，耦合S31相當(dāng)恒定。而且，隔離S41和回程損耗S11很低，例如是-50dB或更小，從而能夠提供良好的方向性。
圖11是相對(duì)于頻率f測(cè)定的一個(gè)信號(hào)的幅度M的另一曲線圖。所述曲線圖的主體再一次是第三實(shí)施例的耦合器10。該曲線圖示出了信號(hào)輸出端21的信號(hào)S21，也稱為插入損耗。在低于2.5GHz的頻域內(nèi)，插入損耗的范圍是0到-0.1dB之間，因此很小。
圖12示出了本發(fā)明耦合器10的第四實(shí)施例的示意性頂視圖。在該實(shí)施例中，耦合器10包括除電容器5之外，還有可調(diào)諧電容器7。所述可調(diào)諧電容器7具體為微型機(jī)電開(kāi)關(guān)(MEMS)電容器。此外，不但存在第一線路1和第二線路2，而且還有第三線路6。在該實(shí)施例中，諧振結(jié)構(gòu)的諧振頻率能夠在耦合器10運(yùn)行期間設(shè)置。這樣允許使用單個(gè)耦合器10來(lái)耦合與一個(gè)天線相關(guān)的不同頻率的信號(hào)，例如大約1.8GHz的DCS頻帶的信號(hào)和大約2.4GHz的藍(lán)牙頻帶的信號(hào)。由于存在第三線路6，因此耦合器的輸出可提供給不同的控制電路，所述每一不同的控制電路適于特定的放大器。可以理解，作為一種可選的方案，可在控制電路內(nèi)部提供開(kāi)關(guān)。
可調(diào)諧電容器7實(shí)際上是一個(gè)具有第一和第二電極的電容器，所述第一和第二電極通過(guò)包括介電材料層和1μm的空氣(air)的電介質(zhì)來(lái)分離，在該情況中，介電材料層是厚度為0.425μm的Si3N4。在第二電極之上，提供有橋75，該橋機(jī)械地將可調(diào)諧電容器連接到激勵(lì)電容器(actuation capacitor)71，72。這些激勵(lì)電容器71，72的尺寸是可調(diào)諧電容器的一半并且包含作為電介質(zhì)的空氣(air)。每一激勵(lì)電容器的電極之一經(jīng)互連74接地，而另一電極卻被施加DC電壓。如果所提供的DC電壓為10-20V，那么激勵(lì)電容器71，72的電極將相互吸引。由于存在橋75，可調(diào)諧電容器的第二電極將被向下推向第一電極。所以提供較大的電容量，以及降低諧振頻率?？烧{(diào)諧電容器7的電容量能夠在大約為8到150pF/mm2的范圍內(nèi)調(diào)諧。在該實(shí)施例中，可調(diào)諧電容器7與電容器5平行。因此，電容器5確定較高的諧振頻率，并且通過(guò)閉合可調(diào)諧電容器7而能夠降低諧振頻率。在可調(diào)諧電容器的領(lǐng)域的技術(shù)人員將能理解，所施加的DC電壓取決于電容器的特定構(gòu)造。此外，可提供MEMS開(kāi)關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)的電容器來(lái)代替MEMS-電容器，由此而產(chǎn)生雙頻帶耦合器。
在圖12的實(shí)施例中，第一、第二和第三線路1，2，6提供在第一導(dǎo)電層內(nèi)，所述第一導(dǎo)電層被諸如SiO2的絕緣材料層所覆蓋。作為選擇，所述第一導(dǎo)電層可存在于多層基底中。第一、第二以及第三線路1，2，6是邊緣耦合線路。第一線路1處在中間以便對(duì)第二線路2和第三線路6提供充分的直接耦合。為了在第一線路1和諧振結(jié)構(gòu)3之間提供充分的耦合，電感器4包括較寬的線圈。作為選擇，電感器具有多匝線圈。電感器4和電容器5，7，71，72的第一電極被提供在第二導(dǎo)電層內(nèi)。在該第二導(dǎo)電層之上提供介電材料層，在該情況中為Si3N4。該層以傳統(tǒng)的方法來(lái)形成圖案，使其存在于電容器5，7內(nèi)而不是存在于電容器71，72內(nèi)。接著，根據(jù)期望的圖案而提供犧牲層。在該圖案中，在電容器5處不存在犧牲層。接著，在期望的圖案中施加第三導(dǎo)電層。該圖案包括電容器5，7，71，72的第二電極。最后，除去犧牲層以便獲得可調(diào)諧電容器7和激勵(lì)電容器71，72。
圖13示意性示出了本發(fā)明電子設(shè)備100的第二實(shí)施例的電路圖。該實(shí)施例包括如圖12所示的耦合器10。耦合器10存在于功率放大器開(kāi)關(guān)110和功率發(fā)送器103之間，在該實(shí)例中，功率發(fā)送器是天線。耦合器10包括第一、第二和第三線路1，2，6以及具有電感器4、電容器5和可調(diào)諧電容器7的諧振結(jié)構(gòu)3。第一線路1連接放大器開(kāi)關(guān)110和天線103。第二線路2和第三線路6各自存在于接地電阻104，114和控制電路102，112之間?？刂齐娐?02將向功率放大器101提供反饋。第二控制電路112將向功率放大器111提供反饋。
結(jié)論本發(fā)明提供具有第一線路和第二線路的耦合器，該耦合器進(jìn)一步包括具有電容器和電感器的諧振結(jié)構(gòu)。以此，耦合器傳送耦合信號(hào)S31，該耦合信號(hào)實(shí)際上是高于諧振結(jié)構(gòu)的諧振頻率的頻域之上與頻率無(wú)關(guān)的。同時(shí)，信號(hào)S31具有很大的方向性。耦合器能夠作為集成電子元件(諸如多層基底、薄膜模塊或IC)的一部分。該耦合器能夠應(yīng)用在功率放大器和天線之間的電子設(shè)備內(nèi)。以此將耦合信號(hào)S31提供給控制電路。
權(quán)利要求
1.一種耦合器(10)，包括將信號(hào)輸入端(11)連接到信號(hào)輸出端(21)的第一線路(1)，以及將匹配連接(41)連接到第二輸出端(31)的第二線路(2)，該第一和第二線路(1，2)相互電感和電容性地耦合，其特征在于-存在諧振結(jié)構(gòu)(3)，以及-該第一線路(1)和第二線路(2)被電感和電容性地耦合至該諧振結(jié)構(gòu)(3)。
2.如權(quán)利要求1所述的耦合器(10)，其特征在于諧振結(jié)構(gòu)(3)包括薄膜電容器(5)和薄膜電感器(4)，并且第一和第二線路(1，2)被電感和電容性地耦合至電感器(4)。
3.如權(quán)利要求2所述的耦合器(10)，其特征在于諧振結(jié)構(gòu)(3)的電感器(4)具有一匝線圈，其位于第一導(dǎo)電層(81)內(nèi)，以及該第一和第二線路(1，2)存在于第二導(dǎo)電層(84)內(nèi)。
4.如權(quán)利要求3所述的耦合器(10)，其特征在于-電容器(5)包括第一和第二電極(51，52)，所述第一電極(51)存在于第一導(dǎo)電層(81)內(nèi)并且第二電極(52)存在于第二導(dǎo)電層(84)內(nèi)，以及-第一和第二導(dǎo)電層(81，84)被包括介電層(82)和絕緣層(83)的隔離物分離，在電容器(5)的第一和第二電極(51，52)之間不存在絕緣層(83)。
5.如權(quán)利要求2所述的耦合器(10)，其特征在于電容器(5)是可調(diào)諧電容器。
6.如權(quán)利要求5所述的耦合器(10)，其特征在于存在有第三線路(6)，該第三線路(6)將連接一個(gè)匹配連接到第三輸出端，并且被電感和電容性地耦合至第一線路(1)，以及被電感和電容性地耦合至諧振結(jié)構(gòu)(3)。
7.如權(quán)利要求1所述的耦合器(10)，其特征在于存在磁性材料層(85)。
8.一種集成電子元件，在100MHz和更高的頻率上使用，并且執(zhí)行濾波和/或開(kāi)關(guān)功能，以及包括基底(80)和多個(gè)電絕緣(83，86)和導(dǎo)電層(81，84，87)，其特征在于-所述電子元件配備有根據(jù)權(quán)利要求2-7的任一所述的耦合器(10)，-該耦合器(10)的第一和第二線路(1，2)、電感器(4)和電容器(5)的電極(51，52)在該電子元件的導(dǎo)電層(81，84，87)中實(shí)現(xiàn)，以及-該第一和第二線路(1，2)與諧振結(jié)構(gòu)(3)通過(guò)該電子元件的至少一個(gè)絕緣層(83)分離。
9.一種電子設(shè)備(100)，包括經(jīng)由耦合器(10)的第一線路(1)而相互連接的功率放大器(101)和功率發(fā)送器(103)，所述耦合器(10)還配備有第二線路(2)，該第二線路(2)具有連接到控制電路(102)的第二輸出端(31)，其特征在于存在根據(jù)權(quán)利要求1-7的任一所述的耦合器(10)。
10.如權(quán)利要求9所述的電子設(shè)備(100)，其特征在于-存在第二功率放大器(101)、第二控制電路(102)以及根據(jù)權(quán)利要求6所述的耦合器(10)，以及-耦合器(10)的第三線路(6)的第三輸出端連接到第二控制電路(102)，由此第二功率放大器(101)的輸出可被控制。
11.如權(quán)利要求9所述的電子設(shè)備，其特征在于耦合器(10)作為如權(quán)利要求8所要求的集成電子元件的一部分而存在。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11任一所述的電子設(shè)備(100)在至少0.1GHz的頻率上的使用。
全文摘要
一種具有第一線路(1)和第二線路(2)的耦合器(10)，也包括具有電容器(5)和電感器(4)的諧振結(jié)構(gòu)(3)。因此，耦合器(10)發(fā)送耦合信號(hào)S31，該耦合信號(hào)實(shí)質(zhì)上是在高于諧振結(jié)構(gòu)(3)的諧振頻率的頻域上與頻率無(wú)關(guān)的。同時(shí)，該信號(hào)S31具有高度的方向性。耦合器(10)能夠作為集成電子元件諸如多層基底、薄膜模塊或IC的一部分。它能夠應(yīng)用于電子設(shè)備(100)中的功率放大器(101)和天線(103)之間。這樣，該耦合信號(hào)S31將被提供給控制電路(102)。
文檔編號(hào)H01P7/00GK1605154SQ02825426
公開(kāi)日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2002年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月20日
發(fā)明者M·K·馬特斯卡姆梅雷, T·G·S·M·里克斯, M·馬特斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司