CN101141137A - 用于射频功率检测的定向耦合器 - Google Patents

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CN101141137A CNA2007101544563A CN200710154456A CN101141137A CN 101141137 A CN101141137 A CN 101141137A CN A2007101544563 A CNA2007101544563 A CN A2007101544563A CN 200710154456 A CN200710154456 A CN 200710154456A CN 101141137 A CN101141137 A CN 101141137A
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Abstract

尺寸很小的真正的定向耦合器具有独立于负载电压驻波比的耦合系数。所述耦合器使用具有补偿电路的耦合电感器，所述补偿电路包含电阻和电容器，或仅包含电容器。宽带操作适于许多便携式应用，例如用于GSM、DCS－PCS、CDMA/WCDMA、蓝牙和WLAN系统的功率检测和控制。

Description

用于射频功率检测的定向耦合器
技术领域
本发明涉及用在射频(RF)应用中的定向耦合器。
背景技术
定向耦合器用在许多不同的射频应用中，例如功率检测和控制、测试和测量、移动电话以及许多其他方面的应用。
在本领域中，大量类型的耦合器都是已知的。微带、带线、兰格(Lange)耦合器以及其它要求大尺寸以在宽频范围获得合理的耦合系数和低插入损耗的定向耦合器。结果，这些类型的耦合器增加了例如移动装置的总尺寸和成本。在当前的功率检测应用(GSM、CDMA、WLAN、蓝牙等)中使用的L-C耦合器不是“真正的”定向耦合器，并且耦合系数取决于导致错误的功率测量和控制的输出端口的驻波(依赖于负载电压驻波比)。微带以及其他类型的定向耦合器的片上实现受到高频应用(微波和毫米波)的限制。耦合器的几何尺寸与将被检测的信号的波长成正比。
因此，所期望的是能以小的几何尺寸和低成本生产的用于射频应用的真正的定向耦合器。
发明内容
根据本发明，尺寸很小的“真正的”定向耦合器具有独立于负载电压驻波比(VSWR)的耦合系数。耦合器使用具有补偿电路的耦合感应器，所述补偿电路包括电阻器和电容器，或仅包括电容器。可以将耦合器制造成其面积比现有的耦合器中使用的耦合器面积小超过10倍。宽带操作适于许多便携式应用，例如对GSM、DCS-PCS、CDMA/WCDMA、蓝牙、WLAN系统等的功率检测和控制。本发明的定向耦合器制作简单、成本低，并可用集成电路、印刷线路板、低温共烧陶瓷设备或微机电系统(“MEMS”)来制造。通过调整耦合感应系数和补偿电路参数可以获得宽范围的耦合系数。本发明的耦合器具有低插入损耗，并且耦合系数和插入损耗容忍处理和几何变化。对于负载电压驻波比的变化，小的镇流电阻不需要大的功耗。最佳的(在负载端口和耦合端口之间的最小耦合)补偿电容在固定的电感值和电阻损耗上与电感耦合系数线性相关(正斜率)。最佳的补偿电容在固定的电感值和耦合系数上与电感电阻损耗线性相关(负斜率)。最佳的补偿电容在固定的电感电阻损耗值和耦合系数上与耦合电感线性相关(正斜率)。
根据本发明的射频耦合器的第一个实施例包括输入端口，耦合端口，负载端口，镇流电阻端口，连接在输入端口和耦合端口之间的补偿电路以及具有连接到输入端口的第一端子、连接到耦合端口的第二端子、连接到负载端口的第三端子和连接到镇流电阻端口的第四端子的耦合电感器。
根据本发明的射频耦合器的第二个实施例包括GSM输入端口，功率检测端口，DCS-PCS输入端口，GSM输出端口，镇流电阻端口，DCS-PCS输出端口，连接在GSM输入端口和功率检测端口之间的第一补偿电路，连接在功率检测端口和DCS-PCS输入端口之间的第二补偿电路以及具有连接到GSM输入端口的第一端子、连接到功率检测端口的第二端子、连接到DCS-PCS输入端口的第三端子、连接到GSM输出端口的第四端子、连接到镇流电阻端口的第五端子和连接到DCS-PCS输出端口的第六端子的耦合电感器。
射频耦合器的第三个实施例包括输入端口，功率检测端口，输出端口，镇流电阻端口，连接在输入端口和功率检测端口之间的补偿电路，具有连接到输入端口的第一端子、连接到功率检测端口的第二端子、第三端子和连接到镇流电阻端口的第四端子的耦合电感器，连接在耦合电感器的第三端子和地之间的并联电阻，以及连接在耦合电感器的第三端子和输出端口之间的串联电阻。
附图说明
通过参考结合附图对优选实施例进行的以下描述，本发明上述及其他的特征和目的，以及实现它们的方法将会变得更清楚，并且将更好地理解本发明。
图1是根据本发明的真正的定向耦合器电路的示意图；
图2是根据本发明的简化的真正定向耦合器电路的示意图；
图3是根据本发明的四频GSM定向耦合器电路的示意图；
图4是根据本发明的具有增强的负载电压驻波比容忍能力的定向耦合器电路的示意图；
图5是根据本发明的具有功率控制和增强的负载电压驻波比容限的GSM功率放大器结构的示意图；
图6是根据本发明的具有增强的负载电压驻波比容忍能力的四频GSM定向耦合器电路的示意图；
图7是在对如图1所示的宽带操作最优化的频率范围内针对基本定向耦合器参数的仿真结果示例，其中，所有端口的阻抗是50欧姆；
图8是在对如图2所示的宽带操作最优化的频率范围内针对简化的定向耦合器参数的仿真结果示例，其中，所有端口的阻抗是50欧姆；
图9是在对如图3所示的GSM、DCS和PCS波段操作最优化的频率范围内针对四频GSM定向耦合器参数的仿真结果示例，其中，所有端口的阻抗是50欧姆；
图10是在对如图4所示的GSM、DCS和PCS波段操作最优化的频率范围内针对具有增强的负载电压驻波比容忍能力的GSM定向耦合器参数的仿真结果示例，其中，所有端口的阻抗是50欧姆；
图11是在图4中的耦合器的负载电压驻波比的变化范围内，耦合器的电压驻波比容限的仿真结果示例，其中，端口2的阻抗是变化的；
图12是根据本发明的单层耦合电感器的示例布置图；
图13是根据本发明的双层耦合电感器的示例布置图；以及
图14是根据本发明的三层耦合电感器的示例布置图。
具体实施方式
现在参照图1，射频耦合器电路100包括输入端口102，耦合端口106，负载端口104，镇流电阻端口108，连接在输入端口和耦合端口之间的补偿电路110、112，以及具有连接到输入端口102的第一端子、连接到耦合端口106的第二端子、连接到负载端口104的第三端子和连接到镇流电阻端口108的第四端子的耦合电感器114。耦合电感器114包括第一和第二电感器116和118。
在对(0.8-6Ghz)宽带操作最优化的典型示例中，第一和第二电感器116和118的感应系数是0.6nH。第一和第二电感器116和118的串联阻抗是1.2欧姆，并且电感器116和118之间的耦合系数是约0.7。耦合器100的补偿电路包括串联的电容器110和电阻112。电阻112的阻抗是21.4欧姆。电容器110的容量是0.164pF。
图2示出简化的真正的定向耦合器200。注意，在典型示例中补偿电路仅包括电容器110，它的电容是0.164pF。
图3示出四频GSM定向耦合器，其包括GSM输入端口302，功率检测端口306，DCS-PCS输入端口310，GSM输出端口304，镇流电阻端口308，DCS-PCS输出端口312，连接在GSM输入端口302和功率检测端口306之间的第一补偿电路314、316、连接在功率检测端口306和DCS-PCS输入端口310之间的第二耦合补偿电路318、320，具有连接到GSM输入端口302的第一端子、连接到功率检测端口306的第二端子、连接到DCS-PCS输入端口310的第三端子、连接到GSM输出端口304的第四端子、连接到镇流电阻端口308的第五端子和连接到DCS-PCS输出端口312的第六端子的耦合电感器322。耦合电感器322包括第一、第二和第三电感器324、326和328。
在对GSM、DCS和PCS(0.8-1.9Ghz)操作最优化的典型示例中，第一、第二和第三电感器324、326、328的感应系数是1.2nH。第一、第二和第三电感器324、326、328的串联阻抗是2欧姆。第一和第二电感之间的耦合系数是约0.7。第二和第三电感之间的耦合系数是约0.7。第一和第三电感之间的耦合系数是约0.5。耦合器300的第一补偿电路包括串联的电阻314和电容器316。电阻314的阻抗是21.5欧姆。电容器316的电容是0.325pF。耦合器300的第二补偿电路包括串联的电阻320和电容器318。电阻320的阻抗是21.5欧姆。电容器318的电容是0.325pF。如果需要，补偿电路可仅包括单个电容器。
现在参照图4，具有增强的负载电压驻波比容忍能力的射频耦合器400，包括输入端口102，功率检测端口106，输出端口104，镇流电阻端口108，连接在输入端口102和功率检测端口106之间的补偿电路110，具有连接到输入端口102的第一端子、连接到功率检测端口106的第二端子、第三端子和连接到镇流电阻端口108的第四端子的耦合电感器114，连接在耦合电感器114的第三端子和地之间的并联电阻120，以及连接在耦合电感器114的第三端子和输出端口104之间的串联电阻。耦合电感器114包括第一和第二电感器116和118。
在对GSM、DCS、PCS(0.8-1.9Ghz)操作最优化的典型示例中，第一和第二电感器116和118的感应系数是1.2nH。第一和第二电感器116和118的串联阻抗是2.4欧姆，第一和第二电感器116和118之间的耦合系数是约0.7。耦合器400的补偿电路包括电容为0.33pF的电容器110。并联电阻的阻抗是500欧姆，而串联电阻的阻抗是3欧姆。
现在参照图5，示出使用本发明的定向射频耦合器的GSM功率放大器结构500。功率放大器结构500包括具有连接到如前所述的射频耦合器400的输出端的主GSM功率放大器块508。射频耦合器400还连接到射频输出端口504。功率检测和控制块510连接到控制端口506、GSM功率放大器块508、射频耦合器400。功率检测和控制块510包括误差信号放大器512、并联的电容器514和电阻516、二极管518和衰减器520。
现在参照图6，示出如前面针对图3描述的四频GSM定向耦合器。除前述电路部件外，耦合器600还包括并联电阻300和与GSM输出端口312连接的串联电阻332。如果需要，这些电阻还可与DCS-PCS输出端口304连接，或者与上述两个输出端口连接。
下面描述用于选择根据本发明的图1-6中的耦合器的部件参数值的详细的方法。在该方法的描述之后，在图7-11中说明本发明的耦合器的性能。
在选择了适当的技术后，设计过程采用高频EM(电磁)和电路仿真软件(如AWR的Microwave Office，Agilent的ADS等)。首先应选择耦合电感器的金属线路的宽度和厚度，这取决于主信号通道(输入端口到输出端口)的射频功率处理能力。在所选的特定技术的适当的设计规律中，可以发现如下信息。作为规律，金属线路越宽越厚，插入损耗越低。金属线路越长，插入损耗越高。电感器参数值还取决于对其他的金属平面(如地面)和其它线路的接近度。通过现有的仿真软件工具可以相当好地显示所有这些影响。
下一步，应选择耦合电感器的感应系数。该感应系数直接决定耦合器的输入端口和耦合端口之间的耦合系数。作为经验法则，感应系数越大，耦合系数越低(以dB为单位)。输入端口和耦合端口之间的耦合还取决于耦合电感器之间的耦合系数。电感器之间较高的耦合系数导致输入端口和耦合端口之间较低(以dB为单位)的耦合。电感器之间的耦合系数取决于两个线圈之间的距离，作为规律，距离越大，耦合越低。耦合电感器技术的特定实施决定耦合，并能用现有的EM和电路仿真软件找出。例如，用EM软件模仿具体的耦合电感器的结构，然后与电路仿真相比较可给出在线圈之间耦合的正确的参数值。
下一步，应选择补偿电容器参数值。在电路仿真中调整补偿电容器参数值直到获得输出端口和耦合端口之间的最小耦合(所有端都的负载应是50欧姆)。检验输出端口和耦合端口之间的耦合系数是否具有所要求的值。若没有，则改变电感器参数值并重复仿真。当获得所要求的耦合系数后，在电路中增加补偿电阻，并在电路仿真中调整该电阻值直到获得输出端口和耦合端口之间的最小耦合。补偿电阻的增加通常几乎不改变输入端口和耦合端口之间的耦合。
具有补偿电容器和补偿电感器的基本耦合器与仅具有补偿电容器的简化耦合器之间的不同之处在于输出端口和耦合端口之间的最小耦合值。基本耦合器在该耦合中有优势(参照下面的适当仿真结果)，但是简化耦合器(没有补偿电阻)在实现和大小方面有优势。
耦合电感器连同补偿电容器和补偿电阻的布置和定位是非常灵活的，对于具体的设计，可以适当地选择耦合电感器的布置和定位。参照图1-3，包含电阻和电容器或仅包括电容器的补偿电路插入在输出端口和镇流电阻端口之间，这不同于最初提出的电路中所示的。如果需要，补偿电路可以同时插入在输入端口和输出端口。在上述的两个例子中，应针对在特定实施中的最好结果进行仿真。如果需要，可在输入端口和输出端口以及在输入端口和输出端口之间使用滤波部件。
参照图3，不同的补偿电路可连接到GSM和DCS-PCS端口。如果使用不同的补偿电路，那么应重做仿真以确保特定实施的最佳性能。
参照图1-3，可提高耦合端口和镇流电阻端口的功率处理能力，使得其中的功耗远低于输入端口和输出端口之间的主信号通路中的功耗。这导致包含那些部件的较小的覆盖区(footprint)。
参照图4，可连同补偿电容器一起增加补偿电阻(如每一个基本耦合器结构)。如果需要，可调整串联和并联电阻值并也可将它们布置在输入端口和电感器之间。关键要注意，当串联电阻较高而并联电阻较低时，输入端口和输出端口之间的插入损耗较高。还应注意，在仿真期间应考虑串联电阻阻抗增加耦合电感器的串联阻抗。如果需要，可调整耦合电感的参数值。该电路的优势是当输出端口阻抗变化很大时，输入端口和耦合端口之间的耦合基本上保持相同，并且同时输入端口的阻抗变化远小于输出端口的阻抗变化。当输出端口接地短路时，应选择串联电阻的功率处理能力，以在输入端口和输出端口之间进行最大射频功率传送。当输出端口开路时(没有连接)，应选择并联电阻的功率处理能力，以在输入端口和输出端口之间进行最大射频功率传送。
参照图5，定向耦合器块可具有与上述的那些不同的部件参数值，这点对于本文描述的所有的耦合器都成立，这对于本技术领域技术人员来说是显而易见的。同工业上公知的解决方案一样，功率检测和控制块可具有不同的结构。
参照图6，可按上述方式调整所有部件和补偿电路以适合特定实施的要求。
图7-11说明了使用上述设计方法的本发明的耦合器的性能，其中：图7是在对如图1所示的宽带操作最优化的频率范围内针对基本定向耦合器参数进行的仿真结果示例，其中，所有端口的阻抗是50欧姆；图8是在对如图2所示的宽带操作最优化的频率范围内针对简化的定向耦合器参数进行的仿真结果示例，其中，所有端口的阻抗是50欧姆；图9是在对如图3所示的GSM、DCS和PCS波段操作最优化的频率范围内针对四频GSM定向耦合器参数的仿真结果示例，其中，所有端口的阻抗是50欧姆；图10是在对如图4所示的GSM、DCS和PCS波段操作最优化的频率范围内针对具有增强的负载电压驻波比容忍能力的GSM定向耦合器参数的仿真结果示例，其中，所有端口的阻抗是50欧姆；以及图11是在图4中的耦合器的负载电压驻波比的变化范围内对耦合器的负载电压驻波比容限的仿真结果示例，其中，端口2的阻抗是变化的。
图12-14一般性示出适于实现本发明耦合器理想的小尺寸的耦合电感器的若干例子。通常，因为耦合电感器的感应系数值、补偿阻抗、补偿电容都相对较小，所以小尺寸是可能的。取决于所选的制造技术，用于耦合电感器的合适材料可能包含铜、金、铝和其它导体。如前所述，耦合电感器能在集成电路中、在印刷电路板上、在低温共烧陶瓷设备中以及微机电系统(MENS)中制作。
现在参照图12，示出作为如图4中每一个GSM耦合器的单层耦合电感器布置示例。耦合电感器1200包括对应于图4的具有四个端口1206、1208、1210和1212的第一和第二电感器1202、1204。电感器的金属线路制成5微米宽、2微米厚，并布置在具有12.9的介电常数和0.001的损耗因数(tangent delta)的100微米厚的基片(如每个块状GaAs或具有高电阻系数的硅的类似物)顶端的同一层中。各电感器包含3.25圈的矩形线圈。金属线路之间的间隔是5微米。内部区域选择为25×25微米。这是对于低损耗和最高感应系数的“标准”设计规则要求(5倍于金属线路宽度)，但是如果需要，可按不同的规则设计。根据仿真，各电感1202、1204的值大约在1.21-1.22nH，电感器之间的耦合系数约为0.78。这与图4中提供的电路参数相对应。耦合电感器的总外部覆盖区大约是165×155微米，它仅比IC上“常规的”焊接焊盘尺寸(100×100微米)稍微大一点。图12中示出的长金属线路仅用于仿真目的。图4所示的端口设在165×155微米的矩形区域的边缘。如果需要，补偿电路连同耦合端口和镇流电阻可用不同的方法来设计。
现在参照图13，示出作为如图1和图2所示的每一个宽频耦合器的双层耦合电感器布置示例。如图1和图2所示，耦合电感器1300包括具有四个端口1306、1308、1310和1312的第一和第二电感1302和1304。电感的金属线路制作成5微米宽并布置在不同的层上。上部金属电感器是2微米厚并与1微米厚的第二层金属电感器相隔4微米的空气带。第二层设在具有12.9的介电常数和0.001的损耗因数的100微米厚的基片(如每个块状GaAs或具有高电阻系数的硅的类似物)上。各电感器包含3.25圈的矩形线圈。同一层金属线路之间的间隔是5微米。内部区域选择为25×25微米，但是如果需要，可进行改变。根据仿真，各电感1302、1304的值大约在0.57-0.58nH，电感之间的耦合系数大约是0.73。这与图1和图2中提出的电路参数相对应。耦合电感的总的外部覆盖区是85×85微米，它比IC上“常规的”焊接焊盘尺寸(100×100微米)小。图13中示出的长金属线路仅用于仿真目的。图1-2示出的四个端口设在85×85微米的矩形区域的边缘。如果需要，补偿电路连同耦合端口和镇流电阻可用不同的方法设计。
现在参照图14，示出作为如图3所示的每一个四频GSM耦合器的三层耦合电感器布置示例。如图3所示，耦合电感器1400包括具有六个端口1408、1410、1412、1414、1416和1418的第一、第二和第三电感器1402、1404和1406。电感器的金属线路制作成5微米宽并布置在不同的层上。上部金属电感器是2微米厚并与1微米厚的第二层金属电感器相隔4微米的空气带，第二层电感器与0.5微米厚的第三层金属电感器相隔4微米的空气带。第二层设在具有12.9的介电常数和0.001的损耗因数的100微米厚的基片(如每个块状GaAs或具有高电阻系数的硅的类似物)上。各电感器包括3.25圈的矩形线圈。金属线路之间的间隔是5微米。内部区域选择为25×15微米。根据仿真，各电感器1402、1404、1406的值大约在0.55-0.57nH，第一和第二电感器以及第三和第二电感器之间的耦合系数大约是0.7，而第一和第三电感器之间的耦合系数大约是0.5。虽然这不完全对应于图3中提出的电路参数(它将导致可在实际电路中使用的输入端口和耦合端口之间的较低耦合)，但是这种结构显示出关于可能尺寸的清楚的理解。耦合电感器的总外部覆盖区是95×95微米。图14中示出的长金属线路仅用于仿真目的。图13示出的六个端口设在95×95微米的矩形区域的边缘。如果需要，补偿电路连同耦合端口和镇流电阻可用不同的方法设计。
术语表
IC-集成电路
GSM-全球移动通信系统
CDMA-码分多址
WCDMA-宽带码分多址
WLAN-无线局域网
VSWR-电压驻波比
DCS-数字蜂窝系统
PCS-个人通信业务
蓝牙-无线个人区域网络标准
MENS-微机电系统
虽然已参照优选实施例对本发明进行了描述，但是应理解，本发明不限于其中的细节。在前面的描述中，已经建议了各种替换和修改，并且本技术领域技术人员还可进行其它替换和修改。因此，所有这样的替换和修改包含在如附加的权利要求中确定的本发明的范围内。

Claims (25)

1.一种射频耦合器，包括：
输入端口；
耦合端口；
负载端口；
镇流电阻端口；
连接在所述输入端口和耦合端口之间的补偿电路；以及
耦合电感器，具有连接到所述输入端口的第一端子、连接到所述耦合端口的第二端子、连接到所述负载端口的第三端子和连接到所述镇流电阻端口的第四端子。
2.如权利要求1所述的射频耦合器，其特征在于：所述耦合电感器包括第一电感器和第二电感器。
3.如权利要求2所述的射频耦合器，其特征在于：所述第一电感器和第二电感器的感应系数是0.6nH。
4.如权利要求2所述的射频耦合器，其特征在于：所述耦合电感器的尺寸小于0.1mm×0.2mm。
5.如权利要求2所述的射频耦合器，其特征在于：所述耦合电感器包括第一电感器和第二电感器之间的单层耦合螺旋线圈。
6.如权利要求1所述的射频耦合器，其特征在于：所述补偿电路包含串联的电阻和电容器。
7.如权利要求6所述的射频耦合器，其特征在于：所述电阻的阻抗是21.4欧姆。
8.如权利要求6所述的射频耦合器，其特征在于：所述电容器的电容是0.164pF。
9.如权利要求1所述的射频耦合器，其特征在于：所述补偿电路包含电容器。
10.如权利要求9所述的射频耦合器，其特征在于：所述电容器的电容是0.164pF。
11.一种射频耦合器，包括：
GSM输入端口；
功率检测器端口；
DCS-PCS输入端口；
GSM输出端口；
镇流电阻端口；
DCS-PCS输出端口；
连接在所述GSM输入端口和功率检测器端口之间的第一补偿电路；
连接在所述功率检测器端口和DCS-PCS输入端口之间的第二补偿电路；以及
耦合电感器，具有连接到所述GSM输入端口的第一端子、连接到所述功率检测器端口的第二端子、连接到所述DCS-PCS输入端口的第三端子、连接到所述GSM输出端口的第四端子、连接到所述镇流电阻端口的第五端子和连接到DCS-PCS输出端口的第六端子。
12.如权利要求11所述的射频耦合器，其特征在于：所述耦合电感包括第一、第二和第三电感器。
13.如权利要求12所述的射频耦合器，其特征在于：所述第一、第二和第三电感器的感应系数是1.2nH。
14.如权利要求12所述的射频耦合器，其特征在于：所述耦合电感器的尺寸小于0.1mm×0.2mm。
15.如权利要求12所述的射频耦合器，其特征在于：所述耦合电感器包含第一、第二和第三电感器之间的三层耦合螺旋线圈。
16.如权利要求11所述的射频耦合器，其特征在于：第一和第二补偿电路各包含串联的电阻和电容器。
17.如权利要求16所述的射频耦合器，其特征在于：所述电阻的阻抗是21.5欧姆。
18.如权利要求16所述的射频耦合器，其特征在于：所述电容器的电容是0.325pF。
19.如权利要求11所述的射频耦合器，其特征在于：还包括连接到所述GSM输出端口的并联和串联电阻。
20.如权利要求11所述的射频耦合器，其特征在于：还包括连接到所述DCS-PCS输出端口的并联和串联电阻。
21.一种射频耦合器，包括：
输入端口；
功率检测器端口；
输出端口；
镇流电阻端口；
连接在所述输入端口和功率检测器端口之间的补偿电路；
耦合电感器，具有连接到所述输入端口的第一端子、连接到所述功率检测器端口的第二端子、第三端子和连接到所述镇流电阻端口的第四端子；
连接在所述耦合电感器的第三端子和地之间的并联电阻；
连接在所述耦合电感器的第三端子和输出端口之间的串联电阻。
22.如权利要求21所述的射频耦合器，其特征在于：所述补偿电路包含电容器。
23.如权利要求22所述的射频耦合器，其特征在于：所述电容器的电容是0.33pF。
24.如权利要求21所述的射频耦合器，其特征在于：所述并联电阻的阻抗是500欧姆。
25.如权利要求21所述的射频耦合器，其特征在于：所述串联电阻的阻抗是3欧姆。
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