耦合器、集成電子元件和電子設備的製作方法
2023-04-23 10:00:11
專利名稱：耦合器、集成電子元件和電子設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種耦合器，包括連接信號輸入端至信號輸出端的第一線路，和連接一個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並且實施濾波和/或切換功能，以及包括一基底和多個電絕緣和電傳導層。
本發明也涉及一種電子設備，其包括經由耦合器的第一線路而相互連接的功率放大器和功率發射器，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。該文獻的
圖1公開了一種定向耦合器，其中第一線路和第二線路相互平行地存在於印刷電路板上，使得存在耦合。電阻性負載存在於第二線路的匹配連接上並且肖特基二極體存在於第二線路的第二輸出端上。選擇負載阻抗以使得反射最小並且增加方向性，以及選擇電容器以便在所關心的頻率上諧振，從而在第二輸出端提供電壓輸出。
為了實現最佳的耦合器，耦合器對信號輸出端和輸入端以及對匹配連接所產生的影響應該小並且對第二輸出端的影響應該相對大。理論上，可以描述為耦合器具有四個效應在信號輸入端處的回程損耗S11，在信號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，優選地小於0.5dB，以及耦合相比於隔離S41和回波損耗S11應當是很大的並且相對於隔離S41和回波損耗S11是可辨別的。
然而，已經發現已知的耦合器具有的耦合S31取決於頻率。從而，能夠僅在一個相對小的頻域上將其相對於隔離S41和回波損耗S11被區分出來。這意味著耦合S31在用作通信頻帶(諸如藍牙、DCS、GSM以及UMTS的頻帶)的頻域上不是恆定的。結果，必須在控制電路或在耦合器的輸出端中對耦合S31的頻率相關性進行補償。
因此，本發明的第一目的是提供一種在開始段落所提及的耦合器類型，其中第二輸出(耦合S31)的幅度合理地獨立於用作頻帶的頻率間隔的頻率。
所述目的被實現，因為存在一個諧振結構，並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構。
令人驚奇地發現，添加的諧振結構導致期望的效果。耦合S31證明在高於諧振結構的諧振頻率的一個間隔內的頻率中是合理地頻率無關的。其優點是在高於諧振頻率的一個非常大的頻域上，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超過隔離S41的較大差值導致本發明耦合器的另外的優點在第二輸出端獲得方向性不需要二極體。
本發明的耦合器表現為是基於在第一和第二線路之間存在直接耦合和諧振耦合的事實。採用兩種耦合機制的組合來產生一個實現本發明目的的耦合器。隨之通過變化諧振結構而可設置諧振頻率。通過改變直接耦合和諧振耦合而可設置耦合器的最佳頻率響應，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。電感器和電容器的大小也可以改變。
本發明耦合器的一個優點在於該耦合器能夠用於不同的應用中，而無需精心地重新設計。由於耦合器較好的方向性，所以原則上通過改變例如電容器的電容量，便足以改變諧振頻率。對於適度的頻率變化，甚至可能根本無需修改該耦合器。
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。可是這樣會在整個頻域上影響耦合S31和其他的信號S11、S21和S41。如通過該專利申請的圖6和典型實施例3所說明的那樣，耦合S31-稱為C-在較大的頻率間隔上基本不是恆定的。此外，方向性相當地小，例如小於10dB。除此之外，在此已知的耦合器中，在諧振頻率處信號S11，S31和S41有可比幅度的的工作狀態是完全不存在的。
本發明的耦合器能夠以多種方式來實現。能夠使用諧振結構的分立元件來實現。這樣電感器線圈的平面必須被定向為基本上與第一線路平行。具有分立元件的這種實施例對在較低的頻率上使用特別有利，例如100MHz或者更低的頻率。由於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。其能夠通過陶瓷多層電容器和具有多匝線圈的電感器來實現。
在一優選的實施例中，諧振結構包括一薄膜電容器和一薄膜電感器，並且第一和第二線路與該電感器是電感和電容地耦合的。諧振結構的實施具有以下優點耦合器能夠集成到任一多層電子元件中。就其功能來說，因為在平板印刷圖案中定義了相互重疊(且因此定義了用於電容耦合的相關區域)，因此能夠很好地設計該耦合器以便使得第一和第二線路與諧振結構之間的電感和電容耦合最佳。進一步的優點是部件能夠被最小化並且所有各個耦合器都將是同等的並且不依賴於個體元件的變化以及彼此之間的相對位置。
在薄膜實施例中，存在幾種變型。在一優選的變型中，第一線路存在於第一導電層中，第二線路存在於第二導電層中以及諧振結構的電感器存在於布置在第一和第二導電層之間的一個或多個導電層中。優選地，在第二導電層上提供電容器的其中一個電極。在該變型中，諧振結構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，這些線路優選地處於同一平面上，該平面被定向為基本上垂直於電感器的平面。該實施例的優點在於第一線路和諧振結構之間的耦合量不同於諧振結構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高的介電常數的介電層以便最大化耦合。該介電層也可用於電容器。另一優點在於第二導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-因子的優點，而且它們還適合於高頻率。
在另一優選的變型中，具有一匝線圈的諧振結構的電感器存在於第一導電層並且第一和第二線路存在於第二導電層。該實施例的優點在於耦合器構成一個相對小的單元。因此，有助於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。其優點在於第一導電層存在於基底的表面上，而諧振結構被嵌入基底內。
在該實施例的進一步的詳細細節中，電容器包括第一和第二電極，所述第一電極存在於第一導電層並且所述第二電極存在於第二導電層，以及第一和第二導電層通過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的層，例如其介電常數等於或小於SiO2的介電常數。優選的實例包括諸如苯並環丁烯(benzocyclobutene)、HSQ、MSQ、多孔矽和其它低K材料的材料層。在此，介電層指的是一種具有相對高的介電常數的層，例如，其具有的介電常數高於SiO2的介電常數。優選的實例包括Si3N4以及以鈦酸鋇和氧化鉭為基礎的材料。
所述詳細細節具有以下優點僅需要兩個導電層來實現耦合器。這些層可存在於具有粗糙表面的基底上。優選地，在所用頻率上，在超過電磁波的穿透深度的厚度中，適於導電層的材料為鋁、銅、鎳、銀等等。用於所述詳細細節的技術可從Th.Rijks等人的Proceedings IMAPS2001中獲知，並且在未與公開的專利申請號EP01203071.4(PHNL010579)的文獻中描述了該技術。
根據本發明的耦合器的另一實施例包括一可調諧電容器。使用這樣的可調諧電容器能夠對諧振結構的諧振頻率進行期望的改變。如以上所解釋的那樣，耦合器的頻域將隨著諧振頻率的漂移而漂移。可調諧電容器能夠作為微型機電元件(MEMS)實施。這樣，MEMS電容器可存在於基底上，然而第一和第二線路存在於基底內。作為選擇，所述線路和MEMS電容器以及電感器能夠存在於集成電路的互連結構中。
通過附加一第三線路，能夠利用耦合器的頻域的調諧，該第三線路將匹配連接與第三輸出端進行連接並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構。第三線路允許關於經由第一線路運行的信號的第二反饋。可以使耦合器的設計最佳化，以便使得第二和第三線路之間的相互耦合最小。它們可以存在於同一導電層上，但是位於第一線路的相反側。作為選擇，它們也可存在於不同的導電層上，且位於諧振結構的相反側，以及它們中的每個都與第一線路處於同一平面中。
在此實施例中，本發明的耦合器適合作為一個雙頻帶耦合器。由於諧振結構的頻率的可調諧性，第三線路可給出關於與第二線路不同的頻率的反饋。而且，優選地，第三線路向除第二線路之外的元件提供反饋。此實施例的耦合器能夠用作用於兩個功率放大器的耦合器，每一功率放大器專門用於一特定的頻域，並且它們被連接在同一個天線上。設想將具有兩個功率放大器和一個天線的這種設計應用於具有不同標準(諸如GSM和藍牙)的移動通信中。本領域的技術人員將能理解，對於兩個放大器和一個天線的連接必須有連接點。這能夠被實現為一個開關，諸如pin-二極體或MEMS開關，或者實現為濾波器，例如帶通濾波器。優選地使用MEMS開關。該開關的第一個優點在於其能夠與MEMS-電容器一起製作和封裝。更重要的優點在於MEMS開關具有低損耗並且提供極好的隔離。同樣可以理解，連接點能夠存在於耦合器的兩側，例如功率放大器和耦合器之間以及耦合器和天線之間。在連接點存在於耦合器和天線之間的情況中，來自第二功率放大器的第四線路將存在於耦合器中。
對於提供可調諧電容器的替代，可以通過在第一和第二線路之間插入一個以上的諧振結構，而使耦合器適於不同的頻域。以這種方式能夠在一個以上的頻域上獲得作為頻率的函數的平面耦合(flat coupling)。
在另一和/或又一實施例中，一層或多層磁性材料存在於耦合器中。由於存在磁性材料層，所以當通過諧振結構和線路之間及其周圍的層所構成的介質的有效磁導率增強時，諧振結構與第一和第二線路之間的電感耦合也將增加。由於對於諧振結構來說，每單位長度的電感增加，以及由此而引起耦合量增加，所以當維持諧振頻率時，電感器的尺寸能夠減小。結果，耦合器的尺寸能夠最小化。優選地使兩層磁性材料定位於諧振結構的相反側。作為選擇，或附加的，它能夠存在於第一和第二線路之間。本領域技術人員將能理解，磁性材料層能夠定位在耦合器中的其他任何地方，這種位置依賴於耦合器特定的設計。適合的磁性材料本身是已經知道的，優選的是鐵氧體材料，但是最優選的是一種以粉末形式存在並且嵌入絕緣基質材料例如聚合物或SiO2中的磁性材料層。這樣的層是商業可獲得的。其優點是這樣的層能夠作為液體施加(通過旋塗、印刷等等)並且能夠非常好地集成在多層元件中。
本發明的第二個目的是提供一種開始段落中所提及類型的集成電子元件，其中集成有耦合器。
該目的被實現，因為-電子元件配備有根據權利要求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電層上實現，以及-該第一和第二線路與諧振結構通過電子元件的至少一個絕緣層而被相互分離。
特別是在移動通信領域中，個體元件諸如所使用的電晶體、電容器和電感器的數量將不斷地增加。同時，這些元件中的每一個被最小化。由於高頻而導致所有的相互連接起到電感器的作用並且潛在地作為寄生電容器電極。因此，存在一種向可被設計作為一個整體的集成電子元件發展的趨勢。這些集成電子元件可包含有源元件。然後無源元件定位在有源元件之上的互連結構中，或者在基底轉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，包括多個多層電容器的模塊以及基底上的無源網絡，它們是根據製作集成電路的已知技術來製造的。
本發明的耦合器的薄膜實施例非常適合於集成到集成電子元件中，因為它能夠僅用薄膜元素來體現。將能理解，該元件的導電層包括在表面上的那些。同時也要理解，電子元件的絕緣層具有可變的介電常數和有效的磁導率並且可按所期望的被最佳化。在存在可調諧電容器的情況中，優選地，元件是基底上任一類型的無源網絡。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中獲知一種電子設備，包括經由耦合器的第一線路而相互連接的功率放大器和功率發送器，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。該文獻的圖7是示出了耦合器應用的方塊圖。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於吸收電功率的接地電阻電極和自動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到耦合器的第二輸出端並且返回到自動增益控制電路。將從天線返回的部分高頻信號傳輸到接地電阻電極，例如匹配連接。
已知的電子設備的缺陷是，耦合器僅適應於有限的頻域，並且在控制電路或在耦合器中實施的附加的頻率補償器是必需的。
所以，本發明的第三個目的是提供一種在開始段落中所提及類型的具有健壯耦合的電子設備。該目的被實現，因為存在根據權利要求1-7任一所述的耦合器。由於包括本發明的耦合器，所以電子設備適合於更大的頻域。發送器可以是任一發送元件，但優選為天線。耦合器本身可存在，但優選地作為根據權利要求8所述集成電子元件的一部分存在。在優選的實施例中，電子設備包括兩個功率放大器並且耦合器以雙頻帶耦合器的實施方式存在。
耦合器可以在本發明的電子設備內的不同位置上執行耦合功能。第一應用是，所述耦合器用於從功率放大器輸出到天線的信號的測量和反饋。該該應用中，控制電路連接到功率放大器。由於天線與基站之間的距離是不恆定的，所以輸出信號的強度必須足夠大以便到達基站。然而，已經通過標準化而對有關進入基站的信號的強度設置限制。除此之外，所有的能量必須通過電池來提供，使得由於耦合器的不正常工作而造成的任何能量浪費都將減少電池的使用壽命。對於該應用，在放大器之後直接地給出耦合器是優選的。
在第二應用中，耦合器用於輸入信號的測量。在該應用中，功率放大器是一種公知的低噪聲放大器類型。耦合器一般定位於該低噪聲放大器之前，例如，在發送器/接收器開關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輸入信號進行必要的放大。
在另一應用中，耦合器執行天線的反射功率的測量功能。該應用旨在最小化和優選地防止在天線處反射的功率放大器的任一大信號到達和損壞低噪聲放大器。這對於寬帶應用諸如UMTS來說是很重要的。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。在該應用中，耦合器直接定位在天線之前。控制電路將調諧存在於發送器/接收器開關與天線之間的阻抗匹配網絡。
參考附圖，詳細地描述本發明的耦合器、集成電子元件和電子設備的這些和其他方面，其中圖1示出耦合器第一實施例的俯視透視圖；圖2示出在圖1的V-V所示的平面中耦合器第一實施例的圖解剖面圖；圖3示出耦合器第二實施例的圖解剖面圖；圖4示出電子設備第一實施例的等效電路圖；圖5示出作為頻率的函數的耦合器第一實施例的輸出信號的幅度；圖6示出圖5的細節的放大；圖7示出作為頻率的函數的耦合器第一實施例的插入損耗；圖8示出最為頻率的函數的耦合器第一實施例的改進型的輸出信號的幅度；圖9示出耦合器第三實施例的圖解頂視圖；圖10示出作為頻率的函數的耦合器第三實施例的輸出信號的幅度；圖11示出作為頻率的函數的耦合器第三實施例的插入損耗；圖12示出耦合器第四實施例的圖解頂視圖；以及圖13示出了包括耦合器第四實施例的電子設備的第二實施例的等效電路圖。
圖1示出了本發明耦合器10的第一實施例的俯視透視圖。為清楚起見，省略了基底和絕緣層。耦合器10包括連接信號輸入端11至信號輸出端21的第一線路1。同時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。它們通過苯並環丁烯的絕緣層而彼此分離，所述絕緣層具有2.6的相對介電常數和大約為1的有效磁導率。第一線路1從信號輸入端11到信號輸出端21的長度為1.4mm。第一和第二線路具體化為厚度為5μm、寬度為50μm的銅線。
諧振結構3基本被定位為平行於與由第一和第二線路1，2所構成的平面。線路1，2與諧振結構3之間的相互距離61為8μm。諧振結構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處於同一層。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並且具有2nH的電感。電容器具有7.4pF的電容量。這樣產生1.36GHz的諧振頻率。對於本領域技術人員來說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構成的第一導電層81的一部分，該層厚度為5μm並且存在於基底80上。該層通過電鍍而沉積在包括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電層81之前沉積，或者在其之後沉積。在那之上存在有介電層82。在該實例中介電層82包括SiN並且具有6-7的相對介電常數。根據期望的圖案來構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。在該實例中絕緣層83包括苯並環丁烯，並且具有2.6的相對介電常數。此後，包括第一線路1、第二線路2以及第二電容器電極52的第二導電層84被沉積。第二導電層84包括Cu，並且在通過濺射而施加阻擋層TiN和電鍍基Cu(未示出)後，通過電鍍來沉積。第一和第二線路1，2之間的距離62為660μm並且線路1，2與電感器4之間的距離為8μm。
圖3示出了耦合器10的第二實施例的圖解剖面圖。在該實施例中，第一線路1和第二線路2處於不同的導電層；例如，第二線路2處於第一導電層81中。第一線路1處於第三導電層87中。電感器4存在於第二導電層84上，所述第一線路1和第二線路2都耦合於該電感器4。第二導電層84非對稱地放置於第一和第三導電層81，87之間。第一線路1和電感器4之間的距離61不同於第二線路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僅存在於第一和第二導電層81，84之間(然而，這可以是不同的)。磁性材料層85和絕緣層83都位於第二和第三導電層84，87之間。因而，第一線路1和電感器4之間的耦合量不同於電感器4和第二線路2之間的耦合量。第一導電層81還包括電容器5的第一電極51，同時第二電極52存在於第二導電層84中。第一電極51通過通路53連接到電感器4。第一導電層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實際上位於不同於電感器4的一個垂直平面內。設計該位置在不同的垂直平面內以便獲得第一線路1和第二線路2之間適當的直接耦合，所述第一線路1和第二線路2之間相距距離62。
圖4示意性示出本發明電子設備100的電子表示。耦合器10位於功率放大器101和功率發送器103之間，所述功率發送器103在該實例中為天線。耦合器10包括具有信號輸入端11和信號輸出端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。基於第二輸出端31所輸出的信號S31，控制電路調整功率放大器101的輸出。技術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還包括諧振結構3。
圖5示出了相對於頻率f而測定的一些信號的幅度M的曲線圖。該曲線圖的主體是如圖1和2所示的第一實施例中的耦合器10，該耦合器已被對於1.8GHz的頻率而最優化。在該曲線圖中，帶有交叉的線與S31，也就是第二輸出端31處的信號有關，其也稱為耦合。帶有加號的線與S11，也就是信號輸入端11的輸出信號有關，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的輸出信號有關，其也稱為隔離。根據圖5可以得出諧振頻率是1.3GHz並且所有的信號S11，S31，S41具有相同的幅度。令人驚訝的是，這些信號恰好在高於該諧振頻率的頻率處分開。耦合S31具有大約-18dB的幅度，並且隨著頻率增大，在4GHz處，耦合S31線性增加到-15dB。回程損耗S11朝著4GHz處的-30dB減少。隔離S41在1.8GHz處減少到-45dB，並且隨後在4GHz處增加到-30dB。結果，在信號S31與信號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周圍甚至大約為25dB，這被認為是很重要的。可以看出，在該實例中諧振結構在高於2.5GHz的頻率上沒有扮演重要角色。然而，如果設計諧振結構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S31的幅度幾乎恆定。其優點在於以下事實在控制電路中不需要對用作通信頻帶的一個頻域內的耦合S31的頻率變化執行補償。
圖7示出了相對於頻率f測定的一信號的幅度M的另一曲線圖。該曲線圖的主體再一次是第一實施例的耦合器10。該曲線圖示出了信號輸出端21的信號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示出了相對於頻率f測定的一信號的幅度M的曲線圖，該曲線圖涉及第一實施例的一個略有不同的方案。在該方案中，電感器具有一匝線圈並且諧振頻率是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的信號相關，也稱為耦合。帶有加號的線與S11，也就是信號輸入端11的輸出信號相關，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的輸出信號相關，也稱為隔離。根據圖8可以得到所有信號S11、S31和S41在諧振頻率處具有相同的幅度。這些信號僅在高於該諧振頻率時分開。耦合S31在1.7GHz處具有大約為-21dB的幅度，並且隨著頻率的增加，在5GHz處，耦合S31線性增加到-14dB。回程損耗S11朝著1.8GHz處的-42dB減少並且隨後增加到-29dB。隔離S41在3.6GHz處減少到-46dB，並隨後增加。
圖9示出了本發明耦合器10的第三實施例的圖解頂視圖。該實施例通過以下技術來實現，所述技術具有通過苯並環丁烯的絕緣層和氮化矽的介電層而分離的第一和第二導電層。該實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的諧振結構。在第三實施例中，電感器4具有三匝線圈，因此與圖8所示的第一實施例的形式相比，耦合器10的表面積減少了三分之一。其具有1.5mm的長度和0.6mm的寬度。電感器線圈的寬度是30μm，並且它們的間距為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是相對於頻率f測定的一些信號的幅度M的曲線圖。在該曲線圖中，符號所涉及的信號與圖5和圖8中的一樣帶有塊的線指示S41，帶有加號的線指示S11以及帶有交叉的線指示S31。如圖10所示，當頻率增加時，作為頻率的函數的耦合S31的增加程度不是很陡。對於作為DCS-頻帶使用的1.8GHz周圍的頻率，以及對於作為藍牙-頻帶使用的2.4GHz周圍的頻率，耦合S31相當恆定。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是相對於頻率f測定的一個信號的幅度M的另一曲線圖。所述曲線圖的主體再一次是第三實施例的耦合器10。該曲線圖示出了信號輸出端21的信號S21，也稱為插入損耗。在低於2.5GHz的頻域內，插入損耗的範圍是0到-0.1dB之間，因此很小。
圖12示出了本發明耦合器10的第四實施例的示意性頂視圖。在該實施例中，耦合器10包括除電容器5之外，還有可調諧電容器7。所述可調諧電容器7具體為微型機電開關(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。在該實施例中，諧振結構的諧振頻率能夠在耦合器10運行期間設置。這樣允許使用單個耦合器10來耦合與一個天線相關的不同頻率的信號，例如大約1.8GHz的DCS頻帶的信號和大約2.4GHz的藍牙頻帶的信號。由於存在第三線路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於特定的放大器。可以理解，作為一種可選的方案，可在控制電路內部提供開關。
可調諧電容器7實際上是一個具有第一和第二電極的電容器，所述第一和第二電極通過包括介電材料層和1μm的空氣(air)的電介質來分離，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，該橋機械地將可調諧電容器連接到激勵電容器(actuation capacitor)71，72。這些激勵電容器71，72的尺寸是可調諧電容器的一半並且包含作為電介質的空氣(air)。每一激勵電容器的電極之一經互連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，那麼激勵電容器71，72的電極將相互吸引。由於存在橋75，可調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。可調諧電容器7的電容量能夠在大約為8到150pF/mm2的範圍內調諧。在該實施例中，可調諧電容器7與電容器5平行。因此，電容器5確定較高的諧振頻率，並且通過閉合可調諧電容器7而能夠降低諧振頻率。在可調諧電容器的領域的技術人員將能理解，所施加的DC電壓取決於電容器的特定構造。此外，可提供MEMS開關和標準的電容器來代替MEMS-電容器，由此而產生雙頻帶耦合器。
在圖12的實施例中，第一、第二和第三線路1，2，6提供在第一導電層內，所述第一導電層被諸如SiO2的絕緣材料層所覆蓋。作為選擇，所述第一導電層可存在於多層基底中。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和諧振結構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電層內。在該第二導電層之上提供介電材料層，在該情況中為Si3N4。該層以傳統的方法來形成圖案，使其存在於電容器5，7內而不是存在於電容器71，72內。接著，根據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電層。該圖案包括電容器5，7，71，72的第二電極。最後，除去犧牲層以便獲得可調諧電容器7和激勵電容器71，72。
圖13示意性示出了本發明電子設備100的第二實施例的電路圖。該實施例包括如圖12所示的耦合器10。耦合器10存在於功率放大器開關110和功率發送器103之間，在該實例中，功率發送器是天線。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和可調諧電容器7的諧振結構3。第一線路1連接放大器開關110和天線103。第二線路2和第三線路6各自存在於接地電阻104，114和控制電路102，112之間。控制電路102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。
結論本發明提供具有第一線路和第二線路的耦合器，該耦合器進一步包括具有電容器和電感器的諧振結構。以此，耦合器傳送耦合信號S31，該耦合信號實際上是高於諧振結構的諧振頻率的頻域之上與頻率無關的。同時，信號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。該耦合器能夠應用在功率放大器和天線之間的電子設備內。以此將耦合信號S31提供給控制電路。
權利要求
1.一種耦合器(10)，包括將信號輸入端(11)連接到信號輸出端(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，其特徵在於-存在諧振結構(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構(3)。
2.如權利要求1所述的耦合器(10)，其特徵在於諧振結構(3)包括薄膜電容器(5)和薄膜電感器(4)，並且第一和第二線路(1，2)被電感和電容性地耦合至電感器(4)。
3.如權利要求2所述的耦合器(10)，其特徵在於諧振結構(3)的電感器(4)具有一匝線圈，其位於第一導電層(81)內，以及該第一和第二線路(1，2)存在於第二導電層(84)內。
4.如權利要求3所述的耦合器(10)，其特徵在於-電容器(5)包括第一和第二電極(51，52)，所述第一電極(51)存在於第一導電層(81)內並且第二電極(52)存在於第二導電層(84)內，以及-第一和第二導電層(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.如權利要求2所述的耦合器(10)，其特徵在於電容器(5)是可調諧電容器。
6.如權利要求5所述的耦合器(10)，其特徵在於存在有第三線路(6)，該第三線路(6)將連接一個匹配連接到第三輸出端，並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構(3)。
7.如權利要求1所述的耦合器(10)，其特徵在於存在磁性材料層(85)。
8.一種集成電子元件，在100MHz和更高的頻率上使用，並且執行濾波和/或開關功能，以及包括基底(80)和多個電絕緣(83，86)和導電層(81，84，87)，其特徵在於-所述電子元件配備有根據權利要求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)在該電子元件的導電層(81，84，87)中實現，以及-該第一和第二線路(1，2)與諧振結構(3)通過該電子元件的至少一個絕緣層(83)分離。
9.一種電子設備(100)，包括經由耦合器(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)，其特徵在於存在根據權利要求1-7的任一所述的耦合器(10)。
10.如權利要求9所述的電子設備(100)，其特徵在於-存在第二功率放大器(101)、第二控制電路(102)以及根據權利要求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.如權利要求9所述的電子設備，其特徵在於耦合器(10)作為如權利要求8所要求的集成電子元件的一部分而存在。
12.根據權利要求9-11任一所述的電子設備(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)的諧振結構(3)。因此，耦合器(10)發送耦合信號S31，該耦合信號實質上是在高於諧振結構(3)的諧振頻率的頻域上與頻率無關的。同時，該信號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。它能夠應用於電子設備(100)中的功率放大器(101)和天線(103)之間。這樣，該耦合信號S31將被提供給控制電路(102)。
文檔編號H01P7/00GK1605154SQ02825426
公開日2005年4月6日 申請日期2002年12月5日 優先權日2001年12月20日
發明者M·K·馬特斯卡姆梅雷, T·G·S·M·裡克斯, M·馬特斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司