CN107039737B - 用于定向耦合器的无源均衡器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于定向耦合器的无源均衡器。根据实施例，一种设备包括定向耦合器，该定向耦合器具有输入端口、传输端口、耦合端口和隔离端口。该设备还包括第一无源均衡器，该第一无源均衡器具有耦合到定向耦合器的耦合端口和隔离端口中的第一个的第一端子。第一无源均衡器包括具有第一电感器和第一电容器的谐振器，该谐振器耦合在第一无源均衡器的第一端子和第二端子之间。第一无源均衡器还包括串联连接在第一无源均衡器的第一和第二端子之间的第一电阻器和第二电阻器，第一电阻器在第一节点处连接到第二电阻器。第一均衡器还包括耦合在参考端子和第一节点之间的分路网络。

Description

用于定向耦合器的无源均衡器
技术领域
本公开大体涉及电子设备，并且更特别地涉及针对用于定向耦合器的无源均衡器的系统和方法。
背景技术
作为能够检测在特定方向被传输的功率的电子设备的定向耦合器被用在各种各样的射频（RF）电路中，例如，定向耦合器可被用在雷达系统中，以通过分离入射波与反射波来检测反射波，或可被用在测量传输线的阻抗失配的电路中。在功能上，定向耦合器具有正向传输路径和耦合传输路径。正向传输路径通常具有低损耗，而耦合传输路径耦合在特定方向上传播的传输功率的一小部分。存在很多不同类型的耦合器架构，可以根据操作频率和操作环境使用不同的拓扑和材料来实施该不同类型的耦合器架构。
针对定向耦合器的一个常见应用是检测在便携射频（RF）设备（诸如，蜂窝电话或便携计算设备）中的反射和传输功率。传输功率的测量可以被用在控制回路中以调节功率放大器的输出，而与传输功率的测量结合的反射功率的测量可以用于调节可调节天线匹配网络。限制这种传输功率测量的精度的一个参数是定向耦合器的耦合因子。已执行研究和开发来改进定向耦合器的性能。
发明内容
根据实施例，一种设备包括具有输入端口、传输端口、耦合端口和隔离端口的定向耦合器。该设备还包括第一无源均衡器，该第一无源均衡器具有耦合到定向耦合器的耦合端口和隔离端口中的第一个的第一端子。第一无源均衡器包括具有第一电感器和第一电容器的谐振器，该谐振器耦合在第一无源均衡器的第一端子和第二端子之间。第一无源均衡器还包括串联连接在第一无源均衡器的第一和第二端子之间的第一电阻器和第二电阻器，第一电阻器在第一节点处连接到第二电阻器。第一均衡器还包括耦合在参考端子和第一节点之间的分路网络。
附图说明
为了更完整理解本发明以及其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，在附图中：
图1图示在一些实施例中的定向耦合器的耦合因子；
图2A-2C图示根据一些实施例的定向耦合器系统的各种实施例，该定向耦合器系统包括定向耦合器和至少一个无源均衡器；
图3图示实施例无源均衡器；
图4A-4C图示在一些实施例中的具有频率凹口的可调谐位置的无源均衡器的各种示例；
图5图示另一实施例无源均衡器；
图6图示在一些实施例中的具有低通无源均衡器的定向耦合器系统的耦合因子；
图7图示在一些实施例中的具有带通无源均衡器的另一定向耦合器系统的耦合因子；
图8图示在一些实施例中的包括定向耦合器系统的射频（RF）系统；
图9A和9B图示在一些实施例中的具有定向耦合器和无源均衡器的集成电路的横截面视图；以及
图10图示在一些实施例中的操作定向耦合器的方法的流程图。
在不同图中的对应数字和符号通常指代对应部分，除非另外指示。图被绘制以清楚地图示优选实施例的相关方面，并且不一定按比例绘制。为了更清楚地图示某些实施例，指示相同结构、材料或工艺步骤的变型的字母可遵循图号。
具体实施方式
下面详细讨论当前优选实施例的作出和使用。然而应当领会到，本发明提供可以在各种各样的具体上下文中体现的很多可应用发明概念。所讨论的具体实施例仅仅说明作出和使用本发明的具体方式，并且不限制本发明的范围。
将关于在具体上下文（用于定向耦合系统的系统和方法，该定向耦合系统具有至少一个无源均衡器）中的各种实施例来描述本发明。在一些情况中，期望的是定向耦合器具有在感兴趣的宽频带上的平坦耦合因子；然而，定向耦合器通常不总是提供在宽带宽上的平坦耦合因子。这的示例可以在“电短”定向耦合器中被观察到，在该耦合器中耦合器结构比90度电气长度小得多，而跨宽带宽的耦合因子可呈现大约20 dB/decade的一阶高通特性。在图1中图示示例，图1示出在大约6 GHz的宽带宽上的典型定向耦合器的耦合因子。如图1所示，耦合因子呈现高通特性（例如耦合因子随着频率增大）。在700 MHz和2.7 GHz（其对应于用于4G长期演进（LTE）标准的频带的下和上端），耦合因子分别是大约-28.7 dB和大约-17.1 dB。观察到在LTE波段上的耦合因子（例如大约11.6 dB）的大变化，该变化如果未被补偿，则可能不利地影响总体系统性能。
为了实现良好的系统性能，均衡器（也被称为滤波器网络或滤波器）可被用于使耦合响应均衡并且减小在期望频带上的耦合因子的变化。本发明的实施例使用无源均衡器（例如由无源部件形成的均衡器）用于使定向耦合器均衡。一些实施例无源均衡器包括具有负带内滚降（roll-off）的滤波器网络。作为将具有低通滚降特性的滤波器网络放在具有高通特性的定向耦合器的结果，在滤波器网络之后（例如在图2A中的无源均衡器108的端子112处）的组合响应跨期望频率范围更平坦。此外，滤波器网络提供在操作频率范围内与系统的特性阻抗匹配（例如与耦合传输线匹配）的恒定输入和输出阻抗，使得定向耦合器的方向性未被滤波器网络损害。下文讨论关于包括定向耦合器和（多个）无源均衡器的定向耦合器系统的更多细节。
图2A图示根据本发明的实施例的具有无源均衡器108的定向耦合器系统100。如在图2A中示出的，定向耦合器系统100包括定向耦合器102、无源均衡器108和终端负载110。在一些实施例中，定向耦合器102具有输入端口103、传输端口104、耦合端口105和隔离端口106。根据一些实施例，无源均衡器108具有两个端子，第一端子111耦合到定向耦合器102的耦合端口105，无源均衡器108的第二端子112可用作定向耦合器系统100的均衡耦合端口并且可耦合到系统的后续电路（未示出）。作为示例，无源均衡器108和终端负载110可以与定向耦合器102集成到一个集成电路（IC）中，并且端子112可以用作IC的均衡耦合端口。在下文参考图3、4A-4C和5来讨论关于无源均衡器108的细节。根据一些实施例，定向耦合器102的隔离端口106由终端负载110端接。本领域技术人员将领会到，终端负载110可以匹配到系统的特性阻抗（例如50 Ω或75 Ω），并且可耦合在隔离端口106和参考端子114之间。在一些实施例中，参考端子114是地端子。
本领域技术人员将领会到，在一些实施例中，定向耦合器102可以是对称设备。这意味着输入端口103和传输端口104的作用可以连同隔离端口106和耦合端口105的作用一起被转换。例如，当耦合端口105被端接并且入射到传输端口104的信号被引入时，引入信号被传输到输入端口103并且耦合到隔离端口106。应当理解的是，对称定向耦合器可以被用在本文描述的各种实施例中。
图2B图示根据本发明的实施例的具有两个无源均衡器108a/108b的双向耦合器系统100。在图2B中，耦合器102是双向耦合器，第一无源均衡器108a的第一端子111a耦合到耦合/隔离端口105/106的第一个，并且第二无源均衡器108b的第一端子111b耦合到耦合/隔离端口105/106的第二个。根据一些实施例，第一无源均衡器108a和第二无源均衡器108b具有相同结构。在一些实施例中，第一无源均衡器108a的第二端子112a和第二无源均衡器108b的第二端子112b可均用作定向耦合器系统100的均衡的耦合/隔离端口。
图2C图示根据一些实施例的双向耦合器系统100，该双向耦合器系统100具有无源均衡器108和可选择的耦合端口。如在图2C中示出的，实施例定向耦合器系统100包括双向耦合器102、无源均衡器108、终端负载110和两个开关Sa和Sb。根据一些实施例，开关Sa具有两个可选择的位置T1和T2，并且开关Sb具有两个可选择的位置T3和T4。开关Sa和Sb被同步使得在它们的相应第一位置，开关Sa在位置T2并且开关Sb在位置T4；并且在开关Sa和Sb的相应第二位置，开关Sa在位置T1并且开关Sb在位置T3。尽管图2C示出两个开关Sa和Sb，但是开关的其它数量和/或类型是可能的并且在本公开的范围内，例如开关Sa和Sb可由双刀双掷开关替代，该双刀双掷开关连接到耦合/隔离端口105/106并且执行与开关Sa和Sb相同或相似的功能。
如图2C所示，当开关Sa和Sb在它们的相应第一位置（例如T2和T4）时，双向耦合器102的耦合/隔离端口105耦合到无源均衡器108的第一端子111，并且双向耦合器102的耦合/隔离端口106由终端负载110端接；当开关Sa和Sb在它们的相应第二位置（例如T1和T3）时，双向耦合器102的耦合/隔离端口105由终端负载110端接，并且双向耦合器102的耦合/隔离端口106耦合到无源均衡器108的第一端子111。根据一些实施例，无源均衡器108的第二端子112可以用作定向耦合器系统100的均衡耦合端口。
在图2C中，通过将开关（例如开关Sa和Sb）附着在耦合/隔离端口105/106与无源均衡器108和终端负载110之间来实施双向耦合器系统100。开关选择用于感测（例如正向感测或反向感测）的方向。作为图2C中所示的灵活架构的结果，仅一个无源均衡器108和一个终端负载110被用在双向耦合器系统100中（例如与其中使用两个均衡器的图2B相比），这降低了系统的部件成本。此外，在隔离端口处的良好控制的终端负载阻抗允许在宽频率范围上的高方向性。无源均衡器108、开关Sa和Sb以及终端负载110可以与双向耦合器102单片集成在半导体衬底上作为集成电路（IC），在该情况下，使用一个无源均衡器和一个终端负载的图2C中示出的设计也可以导致硅面积的显著节约。无源均衡器108具有（多个）电感器（参见图3中的电感器L、和图5中的电感器L1和L2），并且因为大硅面积通常被要求来实施片上导体，所以无源均衡器的数量的减少可以显著降低要求的管芯面积。
图2C中示出的设计具有以下另一优点：耦合器的方向性仅取决于终端负载110的精度并且不取决于无源均衡器108的部件的精度。作为结果，可以在批量生产中实现耦合器系统100的高方向性。
现在参考图3、4A-4C和5来详细讨论无源均衡器108的结构。参考图3，示出针对无源均衡器108的结构，该结构具有低通拓扑并且此后可被称为低通设计。如在图3中图示的，无源均衡器108包括耦合在无源均衡器108的第一端子111和第二端子112之间的谐振电路，该谐振电路包括与电感器L并联耦合的第一电容器Cn。由于在第一电容器Cn和电感器L之间的并联耦合，图3中示出的谐振器电路此后也可被称为并联谐振电路。本领域技术人员将领会到，谐振电路也可被称为谐振器、LC电路或振荡电路。还应当领会到，可以使用任何适当电气部件（诸如陶瓷电容器、表面声波（SAW）滤波器和传输线）来构建谐振电路。
在一些实施例中，第一电阻器R1和第二电阻器R2被串联耦合在无源均衡器108的第一端子111和第二端子112之间。如图3所示，第一电阻器R1在第一节点122处连接到第二电阻器R2。在一些实施例中，无源均衡器还可包括耦合在参考端子114和第一节点122之间的第二电容器C。第二电容器C也可被称为分路电容器C或本文的分路网络。根据一些实施例，参考端子114是地端子。
如上文讨论的，无源均衡器108是非反射均衡器，该非反射均衡器提供针对耦合信号的谱拉平同时呈现该非反射均衡器所附着到的路径中的小失配或无失配。此外，对于图3中示出的低通设计，并联谐振电路创建在无源均衡器108的均衡输出的频率响应中的频率选择凹口（参见图6中的以大约5.5 GHz为中心的频率选择凹口），该频率选择凹口可被引入到感兴趣的波段外或感兴趣的波段内以分别抑制不希望的频率或进一步使均衡输出的频率响应成形。由谐振器电路提供的频率选择凹口是本公开相对于现有设计的另一优点。
图4A-4C图示具有针对频率选择凹口的可调谐位置的几个实施例无源均衡器108。在图4A中，该实施例无源均衡器108类似于图3中的低通设计，但是具有附加开关S，该附加开关S耦合在第一电容器Cn和无源均衡器108的第一和第二端子111/112之一之间，例如在第一电容器Cn和第一端子111之间。根据一些实施例，当开关S闭合时，第一电容器Cn与电感器L形成并联谐振电路，并且提供频率选择凹口；当开关S打开时，第一电容器Cn在无源均衡器108中被旁通并且没有形成谐振电路。
图4B图示无源均衡器108，该无源均衡器108类似于图4A中示出的无源均衡器，但是具有可调节第一电容器Cn。图4B中的设计提供与图4A中示出的设计相同的选项来旁通谐振电路。此外，图4B中的设计提供使电容Cn变化以控制频率选择凹口的位置到不同位置处抑制的频率的添加灵活性，或者在使均衡输出的频率响应成形方面提供更高灵活性。
图4C图示无源均衡器108，该无源均衡器108使用可编程电容器阵列。在一些实施例中，电容器阵列包括并联耦合到第一电感器L的多个电容器Cn1、Cn2、……、Cnn，其中多个开关S1、S2、……、Sn耦合在多个电容器Cn1、Cn2、……、Cnn中的相应一个与无源均衡器108的第一和第二端子111/112之一之间。通过闭合或打开多个开关S1、S2、……、Sn，谐振器电路的总电容（例如在相应闭合开关的情况下的Cn1、Cn2、……、Cnn中的电容器的电容和）可被改变，这提供了与图4B中的可调节电容器Cn类似的功能。
对于在图3和4A-4C中示出的低通设计，等式（1）-（3）描述了在无源滤波器108中的部件（例如，第一电感器的电感L、第一电容器的电容Cn、和分路电容器的电容C）与无源滤波器108的特性阻抗Z0之间的关系。在等式（1）-（3）中，Z1是包括L和Cn的LC电路的阻抗，Z2是分路电容器C的阻抗，R是无源滤波器108的输入/输出阻抗，并且ω是在可用频带的下边沿处的角频率。当Cn的值远小于C时，等式（3）可以被简化为等式（4）。
Figure 707063DEST_PATH_IMAGE002
对于匹配电路，电阻器R1和R2两者具有匹配电阻器值R，在一些实施例中，该匹配电阻器值R在值上均基本上等于Z0。根据一些实施例，耦合器的操作频率范围低于并联谐振器回路的谐振频率，例如
Figure 982186DEST_PATH_IMAGE003
。当ω远小于
Figure 916337DEST_PATH_IMAGE004
（例如
Figure 48241DEST_PATH_IMAGE005
）时，可以通过等式（4）逼近等式（3）。因为等式（4）与ω无关，所以可以在耦合器的期望操作频率范围中通过均衡器108提供基本上恒定的匹配阻抗。根据一些实施例，第一电感器的电感L具有在大约1nH到大约10 nH之间的值，电阻R具有在大约30 Ω到大约100 Ω之间的值，电容Cn具有在大约0.5 pF到大约10 pF之间的值。替代地，可以使用在上述范围之外的其它值。
在一些实施例中，对于低通设计，选择针对电抗部件的参数（例如电感L和电容C）来控制无源均衡器108的截止频率和滚降特性，这进而控制跨感兴趣的频带的定向耦合器系统100的耦合输出的平坦性。此外，电容器Cn与电感器L形成并联谐振器，并且该电容器的电容Cn可以被改变以提供可调谐、频率选择凹口以抑制在预定位置处的非希望频率，如上文参考图3和4A-4C所讨论的那样。
图5图示无源均衡器108，该无源均衡器108具有带通拓扑并且此后可以被称为带通设计。在一些实施例中，与图3和4A-4C中示出的低通设计的频率响应相比，图5的带通设计可以实现针对定向耦合器系统100的耦合输出的更平坦的频率响应。然而，在一些实施例中，图5中示出的带通设计不提供针对带外信号的附加频率抑制。
如图5中示出的，无源均衡器108包括谐振电路，该谐振电路具有与第一电容器C1串联耦合的第一电感器L1，其中该谐振电路耦合在无源均衡器108的第一端子111和第二端子112之间。由于第一电感器L1和第一电容器C1的串联耦合，图5中示出的谐振电路此后可以被称为串联谐振器电路。在一些实施例中，第一电阻器R1和第二电阻器R2串联耦合在无源均衡器108的第一端子111和第二端子112之间。如图5中示出的，第一电阻器R1在第一节点122处耦合到第二电阻器R2。在一些实施例中，无源均衡器108可以进一步包括并联耦合在参考端子114和第一节点122之间的第二电容器C2和第二电感器L2。第二电容器C2和第二电感器L2形成以并联谐振电路的形式的分路网络，该分路网络还可被称为分路谐振器。根据一些实施例，参考端子114是地端子。
根据一些实施例，当串联谐振器和分路谐振器两者被调谐到感兴趣的波段的下端处的谐振频率时，图5中示出的带通设计呈现了与低通设计的滚降相比更陡的滚降。在其他实施例中，串联谐振器和分路谐振器可以分别被调谐到在感兴趣的波段的下端处的第一谐振频率和第二谐振频率，其中第一和第二谐振频率彼此靠近。例如，对于用于LTE（例如从700MHz到2.7 GHz）的定向耦合器，串联谐振器和分路谐振器可以均被调谐到在例如大约700MHz下的波段的下端。通过调谐串联和分路谐振器两者，图5的带通设计提供优化带内平坦性的能力并且提供针对耦合信号的优越增益平坦性。然而，带通设计不提供如由图3和4A-4C中图示的低通设计中的包括L和Cn的并联谐振器所规定的附加频率选择性（例如针对700 MHz到2.7 GHz的工作频率范围的WLAN波段中的大约5.5 GHz处的带外频率的抑制）。根据一些实施例，谐振器的电抗部件的Q因子（例如串联和分路谐振器的电容器C1/C2和电感器L1/L2）是10或更高。在一些实施例中，高Q因子（例如10或以上）降低在无源均衡器108的总响应上的谐振器（例如串联和分路谐振器）的带宽的效应。由于高Q因子，谐振器电路的带宽可不显著影响无源均衡器108的响应。
如同低通设计，在图5的带通设计中的两个电阻器R1和R2应当匹配到等式（7）中的特性阻抗Z0，以用于优化耦合器性能。分别在等式（5）和（6）中给出在图5的无源均衡器108中的串联谐振器和分路谐振器的阻抗ZS和ZP。等式（7）给出均衡器108的输入和输出阻抗R。
Figure 777163DEST_PATH_IMAGE007
参考图5，在一些实施例中，根据等式（7）来选择针对无源均衡器108的电抗部件的参数（诸如，串联谐振器的电感L1和电容C1、分路谐振器的电感L2和电容C2）。根据一些实施例，电感L1具有在大约1 nH到大约20 nH之间的值，电容C1具有在大约0.5 pF到大约20 pF之间的值，电阻R具有在大约30 Ω到大约70 Ω之间的值，电容C2具有在大约0.5 pF到大约20pF之间的值，并且电感L2具有在大约1 nH到大约20 nH之间的值。替代地，可以使用在上述范围之外的其它值。
对于带通设计，当第一电感器L1和第二电感器L2具有相等的电感L时，并且当第一电容器C1和C2具有相等的电容C时，等式（7）中的特性阻抗Z0减小到下面的等式（8），
Figure 590398DEST_PATH_IMAGE008
（8）
该特性阻抗Z0具有与针对图3和4A-4C中示出的低通设计的等式（4）相同的表达。L1、L2、C1和C2的值确定图5中示出的带通设计的频率滚降和操作的带宽。在一些实施例中，串联谐振器被调谐到第一谐振频率
Figure 88376DEST_PATH_IMAGE009
，其中
Figure 656760DEST_PATH_IMAGE010
，并且并联谐振电路（例如分路谐振器）被调谐到第二谐振频率
Figure 607399DEST_PATH_IMAGE011
，其中
Figure 21062DEST_PATH_IMAGE012
。在上述等式中，ω1和ω2可以是相同的谐振频率（例如ω1=ω2）或在感兴趣的波段的下端处（例如在感兴趣的波段的最低频率处或附近）的两个近间隔的谐振频率（例如ω1≈ω2）。
对于低通设计和带通设计两者，有可能调谐无源均衡器以获得比当使用等式（1）-（4）和（5）-（8）时获得的滚降更陡的滚降。通常，这涉及将电路的阻抗匹配的质量折中到该电路的相应Z0，并且可能降低均衡器连接到的耦合器的方向性。然而，这可允许均衡器被用在更宽的带宽上并且实现比匹配电路的耦合更平坦的耦合。
在一些实施例中，图2A-2C中图示的定向耦合器系统100被实施为分立解决方案。例如，可以使用分立部件（诸如，分立电感器和分立电容器）来实施无源均衡器108。分立无源均衡器108、定向耦合器102、终端负载110和一个或多个开关可以被安装在诸如印刷电路板（PCB）的适当衬底上。在其它实施例中，无源均衡器108被集成到定向耦合器102的设计中作为辅助电路，并且图2A-2C中示出的定向耦合器系统100被实施为集成解决方案，例如作为集成电路（IC），在单片半导体衬底诸如硅、砷化镓、氮化镓、磷化铟、绝缘体上硅（SOI）或其他适当半导体衬底上制造该集成电路（IC）。与分立解决方案相比，集成解决方案可提供附加优点，诸如减小的尺寸、成本和功耗。
图6示出针对定向耦合器系统的耦合因子的仿真结果，该定向耦合器系统使用针对无源均衡器的低通设计。特别地，在图6中，具有低通设计的无源均衡器（诸如图2A-2C和3中示出的无源均衡器）被插入到定向耦合器的耦合路径中并且被仿真。为了比较目的，在仿真使用的定向耦合器与在产生图1的仿真结果中使用的定向耦合器相同。
参考图6，在700 MHz和2.7 GHz下，耦合因子分别是大约-30.5 dB和-28.3 dB。在LTE波段的下和上端之间的耦合因子的变化被减小到大约2.2 dB，其远小于对于不具有无源均衡器的相同定向耦合器的在图1中观察到的11.6dB变化。此外，包括电容器Cn和电感器L的并联谐振电路产生在大约5.5 GHz下的频率凹口。与图1比较，针对在约5.5 GHz处的带外频率，提供30 dB的抑制。虽然未画出，但是并联谐振电路的电容器Cn也可以被调谐以改变频率凹口的位置到例如2.4 GHz来抑制WLAN 802.11bg信号，同时利用在700 MHz和900MHz之间的低频LTE信道。
图7图示针对定向耦合器系统的耦合因子的仿真结果，该定向耦合器系统使用针对无源均衡器的带通设计。如图5中示出的具有带通设计的无源均衡器被插入到在图1中使用的相同的定向耦合器的耦合路径中并且被仿真。在宽带宽上观察到基本上平坦的耦合因子。例如，在700 MHz和2.7 GHz处的耦合因子分别是大约-29.3 dB和-29.1 dB。在LTE波段的上和下端之间观察到大约0.2 dB的小变化。带通设计的优越耦合平坦性（例如大约0.2dB变化）表明本公开相对于现有设计的另一优点。
图8图示根据本发明的另一实施例的实施例射频（RF）系统550。系统550包括经由实施例定向耦合器系统504耦合到天线512的RF收发器552。定向耦合器系统504的输出经由功率检测器508耦合到控制器510。系统550可以被使用例如以通过选择在定向耦合器系统504内的开关的位置来测量在正向和反向方向上的传输和反射功率。可以例如使用本文公开的实施例定向耦合器系统100来实施定向耦合器系统504。
图9A和9B图示实施例半导体器件（例如集成电路（IC）900和960）的横截面视图。在一些实施例中，半导体器件900（或960）包括集成在半导体衬底910上的定向耦合器920和无源网络930。半导体衬底910可包括晶体硅、晶体锗、硅锗、和/或III-V族化合物半导体，诸如GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、GaInAsP等。半导体衬底910还可以是体硅衬底或绝缘体上硅（SOI）衬底。可以在半导体衬底910中形成浅沟槽隔离（STI）区（未示出）来隔离在半导体衬底910中的有源区。
如图9A中所图示的，半导体器件900具有形成在衬底910中/上的晶体管905。根据一些实施例，定向耦合器920和无源网络930形成在衬底910中/上。定向耦合器920可以是任何适当的定向耦合器，诸如图2A-2C中图示的定向耦合器102。无源网络930可包括在本公开中的无源均衡器108，并且还可包括附加无源部件，诸如针对定向耦合器920的终端负载。虽然未示出，但是导电特征（例如导电线和通孔）将定向耦合器920和无源网络930与半导体器件900中的其它电路连接。
图9B图示另一实施例半导体器件960，其中图9B中的相同数字指示图9A中的相同部分。如图9B中图示的，夹层电介质（ILD）层907形成在衬底910上。结构909形成在ILD层907上方，该结构909可以是金属间电介质（IMD）层或重分布层（RDL）。结构909可以包括一个或多个电介质层，具有形成在电介质层中的互连结构的导电特征诸如金属线和通孔（未示出）。在一些实施例中，结构909的电介质层包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低k电介质材料、或任何其他适当电介质材料。定向耦合器920和无源网络930形成在结构909中，并且可以延伸穿过结构909的一个或多个电介质层，如图9B中图示的那样。虽然图9B示出定向耦合器920和无源网络930被布置在（多个）相同层中，但是定向耦合器920和无源网络930可以被布置在半导体器件900的不同层中。虽然未示出，但是导电特征（例如导电线和通孔）将定向耦合器920和无源网络930与半导体器件960中的其它电路连接。
图10图示根据一些实施例的针对操作定向耦合器的方法的流程图。图10中示出的流程图仅仅是示例，该示例应当不过度地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到很多变化、替代和修改。如图10中图示的各种步骤可以被添加、移除、替换、重布置和重复。
参考图10，在步骤1010处，提供RF信号给定向耦合器的输入端口和输出端口之一。在步骤1020处，使用无源均衡器来均衡定向耦合器的耦合端口和隔离端口中的一个处的输出信号。无源均衡器具有耦合到定向耦合器的耦合端口和隔离端口中的那个的第一端子，和具有第一电感器和第一电容器的第一谐振器，该第一谐振器耦合在无源均衡器的第一端子和第二端子之间。无源均衡器还具有串联连接在无源均衡器的第一和第二端子之间的第一电阻器和第二电阻器，以及耦合在参考端子和节点之间的第二电容器，该节点连接到第一和第二电阻器。
在此概述本发明的实施例。其他实施例还可被理解为形成本文提交的说明书和权利要求的整体。一个一般的方面包括一种设备，该设备包括定向耦合器，该定向耦合器具有输入端口、传输端口、耦合端口和隔离端口。该设备还包括第一无源均衡器，该第一无源均衡器具有耦合到定向耦合器的耦合端口和隔离端口中的第一个的第一端子，该第一无源均衡器包括包含第一电感器和第一电容器的谐振器，该谐振器耦合在第一无源均衡器的第一端子和第二端子之间。第一无源均衡器还包括串联连接在第一无源均衡器的第一和第二端子之间的第一电阻器和第二电阻器，第一电阻器在第一节点处连接到第二电阻器。第一无源均衡器还包括耦合在参考端子和第一节点之间的分路网络。
实施方式可包括以下特征中的一个或多个。该设备还可包括终端负载，该终端负载耦合到定向耦合器的耦合端口和隔离端口中的第二个。该设备还可包括第二无源均衡器，该第二无源均衡器耦合到定向耦合器的耦合端口和隔离端口中的第二个。该设备还可包括耦合在定向耦合器和第一无源均衡器之间的开关，该开关具有第一位置和第二位置。在开关的第一位置处，第一无源均衡器的第一端子耦合到定向耦合器的耦合端口，并且定向耦合器的隔离端口被端接；并且在开关的第二位置处，第一无源均衡器的第一端子耦合到定向耦合器的隔离端口，并且定向耦合器的耦合端口被端接。
设备的谐振器可包括并联耦合在第一无源均衡器的第一和第二端子之间的第一电感器和第一电容器。该设备的分路网络可包括耦合在参考端子和第一节点之间的第二电容器。第一电容器的电容可以是可调节的。在一些实施例中，第一和第二电阻器具有相同的电阻R，其中
Figure 373546DEST_PATH_IMAGE013
，L是第一电感器的电感，并且C是第二电容器的电容。第一无源均衡器可被配置为提供在预定频率范围之外的频率选择凹口。谐振器可包括串联耦合在第一无源均衡器的第一和第二端子之间的第一电感器和第一电容器。分路网络可包括并联耦合在参考端子和第一节点之间的第二电感器和第二电容器。在一些实施例中，第一和第二电阻器具有相同电阻R，其中
Figure 50515DEST_PATH_IMAGE014
，C1是第一电容器的电容，L1是第一电感器的电感，L2是第二电感器的电感，C2是第二电容器的电容，并且ω是角频率。定向耦合器和第一无源均衡器可被单片集成在半导体衬底上。
另一一般方面包括集成电路（IC），该集成电路包括：布置在半导体衬底上的定向耦合器；分别耦合到定向耦合器的耦合端口和隔离端口的第一开关和第二开关，第一和第二开关中的每个具有第一位置和第二位置；以及无源均衡器，具有耦合到第一和第二开关中的一个的第一端子。无源均衡器包括：谐振器电路，耦合在无源均衡器的第一端子和第二端子之间；第一电阻器，在节点处串联连接到第二电阻器，第一和第二电阻器耦合在无源均衡器的第一端子和第二端子之间；以及分路网络，耦合在该节点和参考端子之间。在第一和第二开关的相应第一位置处，无源均衡器的第一端子耦合到定向耦合器的耦合端口，并且定向耦合器的隔离端口被端接。在第一和第二开关的相应第二位置处，无源均衡器的第一端子耦合到定向耦合器的隔离端口，并且定向耦合器的耦合端口被端接。
在一些实施例中，谐振器电路包括并联耦合在无源均衡器的第一和第二端子之间的第一电感器和第一电容器。在一些实施例中，分路网络包括耦合在节点和参考端子之间的第二电容器。谐振器电路的第一电容器的电容可以是可调节的。无源均衡器还可包括耦合在第一电容器和无源均衡器的第一和第二端子之一之间的第三开关。
根据一些实施例，该IC还包括并联耦合到第一电容器的第三电容器，和耦合在第三电容器和无源均衡器的第一和第二端子之一之间的第四开关。在各种实施例中，无源均衡器减小在预定带宽上的定向耦合器的耦合因子的变化，提供在预定带宽上的基本上恒定的阻抗，并且提供在预定带宽之外的频率选择凹口以抑制一组预定频率。在其他实施例中，谐振器电路包括串联连接在无源均衡器的第一和第二端子之间的第一电感器和第一电容器。在又一实施例中，分路网络包括并联耦合在节点和参考端子之间的第二电感器和第二电容器。根据一些实施例，定向耦合器被布置在半导体衬底上方的一个或多个层中。
另外的一般方面包括操作定向耦合器的方法，该方法包括：提供输入RF信号给定向耦合器的输入端口和输出端口之一；以及使用无源均衡器均衡在定向耦合器的耦合端口和隔离端口之一处的输出信号。无源均衡器包括：第一端子，耦合到定向耦合器的耦合端口和隔离端口之一；谐振器，耦合在无源均衡器的第一端子和第二端子之间；第一和第二电阻器，串联连接在无源均衡器的第一和第二端子之间；以及耦合在参考端子和节点之间的第二电容器，该节点连接到第一和第二电阻器。
在一些实施例中，该方法还包括使用功率检测器测量在无源均衡器的第二端子处的耦合RF输出信号的功率。在其他实施例中，谐振器包括并联连接的第一电感器和第一电容器，并且该方法还包括使第一电容器的电容变化来改变频率选择凹口的位置以抑制预定组频率。在又一实施例中，谐振器包括串联连接的第一电感器和第一电容器，并且无源均衡器还包括并联耦合到第二电容器以形成分路谐振器的第二电感器，并且该方法还包括调谐第一谐振器和分路谐振器到在预定带宽的下端处的谐振频率。在各种实施例中，谐振器包括串联连接的第一电感器和第一电容器，并且无源均衡器还包括并联耦合到第二电容器以形成分路谐振器的第二电感器，并且该方法还包括分别调谐第一谐振器和分路谐振器到在预定带宽的下端处的第一谐振频率和第二谐振频率。
一些实施例无源均衡器的优点包括同时提供在宽带宽上的平坦耦合和在宽带宽上的恒定电阻匹配的能力。此外，无源均衡器的低通设计还提供调谐频率选择凹口的位置来抑制带外频率的能力，并且带通设计还提供优化带内平坦性的能力以及提供优越耦合平坦性。无源均衡器可与定向耦合器集成到IC中，以提供高集成度以及尺寸、成本和功耗的减小。使用公开的无源均衡器的定向耦合器系统的方向性仅仅依赖于端接电阻器的精度，并且不依赖于无源均衡器的部件的精度，这导致在批量生产中的较高方向性。
尽管参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述不旨在以限制意义进行解释。说明性实施例以及本发明的其它实施例的各种修改和组合将对于本领域技术人员在参考描述时是显而易见的。

Claims (25)

1.一种设备，包括：
定向耦合器，具有输入端口、传输端口、耦合端口和隔离端口；
第一无源均衡器，具有耦合到所述定向耦合器的所述耦合端口或所述隔离端口中的第一个的第一端子，所述第一无源均衡器包括：
包括第一电感器和第一电容器的谐振器，所述谐振器耦合在第一无源均衡器的第一端子和第二端子之间；
串联连接在第一无源均衡器的第一和第二端子之间的第一电阻器和第二电阻器，所述第一电阻器在第一节点处连接到所述第二电阻器；以及
耦合在参考端子和第一节点之间的分路网络；以及
耦合在所述定向耦合器和所述第一无源均衡器之间的开关，所述开关具有第一位置和第二位置，其中：
在开关的第一位置处，第一无源均衡器的第一端子耦合到定向耦合器的耦合端口，并且定向耦合器的隔离端口被终端负载端接；并且
在开关的第二位置处，第一无源均衡器的第一端子耦合到定向耦合器的隔离端口，并且定向耦合器的耦合端口被终端负载端接。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述谐振器包括并联耦合在第一无源均衡器的第一和第二端子之间的第一电感器和第一电容器。
3.如权利要求2所述的设备，其中分路网络包括耦合在参考端子和第一节点之间的第二电容器。
4.如权利要求3所述的设备，其中第一电容器的电容是可调节的。
5.如权利要求3所述的设备，其中第一和第二电阻器具有相同电阻R，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，L是第一电感器的电感，并且C是第二电容器的电容。
6.如权利要求3所述的设备，其中第一无源均衡器被配置为提供在预定频率范围之外的频率选择凹口。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述谐振器包括串联连接在第一无源均衡器的第一和第二端子之间的第一电感器和第一电容器。
8.如权利要求7所述的设备，其中分路网络包括并联耦合在参考端子和第一节点之间的第二电感器和第二电容器。
9.如权利要求8所述的设备，其中第一和第二电阻器具有相同电阻R，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，C1是第一电容器的电容，L1是第一电感器的电感，L2是第二电感器的电感，C2是第二电容器的电容，并且ω是角频率。
10.如权利要求1所述的设备，其中定向耦合器和第一无源均衡器被单片集成在半导体衬底上。
11.一种集成电路（IC），包括：
定向耦合器，被布置在半导体衬底上；
第一开关和第二开关，分别耦合到定向耦合器的耦合端口和隔离端口，其中第一开关和第二开关中的每个具有第一位置和第二位置；以及
无源均衡器，具有耦合到所述第一开关或所述第二开关中的一个的第一端子，所述无源均衡器包括：
耦合在无源均衡器的第一端子和第二端子之间的谐振器电路，
在节点处串联连接到第二电阻器的第一电阻器，第一和第二电阻器耦合在无源均衡器的第一端子和第二端子之间，以及
耦合在该节点和参考端子之间的分路网络，其中在所述第一开关和所述第二开关的所述第一位置处，无源均衡器的第一端子耦合到定向耦合器的耦合端口，并且定向耦合器的隔离端口被终端负载端接，并且在所述第一开关和所述第二开关的所述第二位置处，无源均衡器的第一端子耦合到定向耦合器的隔离端口，并且定向耦合器的耦合端口被终端负载端接。
12.如权利要求11所述的IC，其中所述谐振器电路包括并联耦合在无源均衡器的第一和第二端子之间的第一电感器和第一电容器。
13.如权利要求12所述的IC，其中所述分路网络包括耦合在节点和参考端子之间的第二电容器。
14.如权利要求12所述的IC，其中所述谐振器电路的第一电容器的电容是可调节的。
15.如权利要求12所述的IC，其中所述无源均衡器还包括第三开关，所述第三开关耦合在所述第一电容器和所述无源均衡器的所述第一端子或所述第二端子之一之间。
16.如权利要求12所述的IC，还包括：
第三电容器，并联耦合到第一电容器；和
第四开关，耦合在第三电容器和所述无源均衡器的所述第一端子或所述第二端子之一之间。
17.如权利要求11所述的IC，其中所述无源均衡器减小在预定带宽上的定向耦合器的耦合因子的变化，提供在预定带宽上的基本上恒定的阻抗，并且提供在预定带宽之外的频率选择凹口以抑制一组预定频率。
18.如权利要求11所述的IC，其中所述谐振器电路包括串联连接在无源均衡器的第一和第二端子之间的第一电感器和第一电容器。
19.如权利要求18所述的IC，其中分路网络包括并联耦合在节点和参考端子之间的第二电感器和第二电容器。
20.如权利要求11所述的IC，其中定向耦合器被布置在半导体衬底上方的一个或多个层中。
21.一种操作定向耦合器的方法，包括：
提供输入RF信号给定向耦合器的输入端口或输出端口之一；
使用无源均衡器均衡在定向耦合器的耦合端口或隔离端口之一处的输出信号，所述无源均衡器包括：
第一端子，耦合到所述定向耦合器的所述耦合端口或所述隔离端口之一；
谐振器，耦合在无源均衡器的第一端子和第二端子之间；
第一电阻器和第二电阻器，串联连接在无源均衡器的第一端子和第二端子之间；以及
第二电容器，耦合在参考端子和节点之间，该节点连接到所述第一电阻器和所述第二电阻器；以及
将耦合在定向耦合器和无源均衡器之间的开关切换到第一切换位置或第二切换位置中的第一个，其中：
在开关的第一切换位置处，所述无源均衡器的第一端子耦合到定向耦合器的耦合端口，并且定向耦合器的隔离端口被终端负载端接；并且
在开关的第二切换位置处，所述无源均衡器的第一端子耦合到定向耦合器的隔离端口，并且定向耦合器的耦合端口被终端负载端接。
22.如权利要求21所述的方法，还包括使用功率检测器测量在无源均衡器的第二端子处的耦合RF输出信号的功率。
23.如权利要求21所述的方法，其中谐振器包括并联连接的第一电感器和第一电容器，并且该方法还包括使第一电容器的电容变化来改变频率选择凹口的位置以抑制预定一组频率。
24.如权利要求21所述的方法，其中谐振器包括串联连接的第一电感器和第一电容器，并且无源均衡器还包括并联耦合到第二电容器以形成分路谐振器的第二电感器，并且该方法还包括调谐第一谐振器和分路谐振器到在预定带宽的下端处的谐振频率。
25.如权利要求21所述的方法，其中谐振器包括串联连接的第一电感器和第一电容器，并且无源均衡器还包括并联耦合到第二电容器以形成分路谐振器的第二电感器，并且该方法还包括分别调谐第一谐振器和分路谐振器到在预定带宽的下端处的第一谐振频率和第二谐振频率。
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