CN101305494A - 垂直叉指耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耦合器结构，它包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。L个第一传输线层置于第一端口和第二端口之间的第一电解质材料上，每个都符合预定几何构造，其中L是整数。M个第二传输线层置于第三端口和第四端口之间的第二电解质材料上，与L个第一传输线层交替，在这个结构内形成总共N个传输线层。M和N是整数，并且N大于或等于三。每个第二传输线层包括基本上符合预定几何构造的第二传输线，在该结构中相对于对应的第一传输线置于预定位置。

Description

垂直叉指耦合器

对相关申请的交叉引用

本申请基于2005年9月9日提交的美国临时专利申请60/715,696和2006年5月18日提交的美国专利申请11/419,091，本申请基于其内容，将其内容全部引入作为参考，并在这里根据35U.S.C.§119(e)要求其优先权。

技术领域

本发明大体上涉及射频(RF)和/或微波部件，具体涉及RF和/或微波耦合传输线部件。

背景技术

耦合器是四端口无源装置，广泛应用于射频(RF)和微波电路、系统中。耦合器可以通过将两个导体相邻放置，使得沿主导体传播的RF信号耦合到次导体来实现。将RF信号导入连接到主导体的第一端口，将功率传输到位于主导体末端的第二端口。电磁场耦合到次导体，耦合得到的RF信号被导入连接到次导体的第三端口。次导体连接到第四端口，该端口通常被称为隔离端口。术语隔离端口涉及理想情况下在这个端口没有RF信号这一事实。

本领域普通技术人员明白，定向耦合器的工作原理是RF波的重叠和叠加/抵消。发生耦合时，导入耦合器输入端的RF信号分离为两个RF信号。在隔离端，进入信号和耦合信号这两个信号基本上相位相反，互相抵消。实际上，抵消并不完全，会检测到残留信号。当然，残留信号是装置性能的一个衡量。直接连接主传输线的端口上的输出信号，与耦合输出端口上的输出信号基本上相位相同，互相叠加，即输入信号和耦合信号彼此增强。还应该说一下，典型情况下，耦合输出信号与主传输线的输出反相。

在任何情况下，耦合传输线一般用在RF/微波电路和系统中来实现各种功能。很多应用仅需要3dB耦合器。例如，3dB耦合器通常用在功率分离器或功率合成器的应用中。另一方面，一些应用会指定作为典型数值的5、6、10和20dB耦合。换句话说，少于一半的进入功率到达耦合端口。例如，可以用耦合器对RF输出信号采样，供功率电平监测器使用。例如，功率电平监测器电路要求耦合端口提供比进入信号低-20dB的信号。不对称耦合的另一个例子是衰减器的应用。其它耦合器的应用包括但不限于抵消和/或改善返回损耗、均衡放大以及巴仑的实现。可以将巴仑实现为例如Marchand巴仑、倒巴仑、Guanella巴仑或Ruthroff巴仑。在前面每个巴仑的实现中，耦合在决定阻抗变换比方面都起到了非常重要的作用。巴仑设计的一个独特方面涉及在某些实现方式中“过耦合”耦合器的使用。过耦合耦合器是多于一半的功率流向耦合端口的耦合器。

本领域普通技术人员明白，装置重量和体积对于大多数实现来说都是重要指标。人们用了各种方式来使耦合器小型化，比如弯曲线、螺旋线、集总实现、铁氧体变压器和电气短路耦合器。弯曲线耦合器的一个缺点是随着弯曲线弯曲得越来越紧，会出现偶模/奇模相速不平衡的现象。因为上述叠加/抵消特性，这种不平衡会给耦合器性能带来不利影响。

常规的螺旋设计构造也有缺点。螺旋的一圈到下一圈的相位角必须小于波长，否则这种实现方式也会出现偶模/奇模相速不平衡。集总分立元件实现方式也存在局限性，因为它们支持的信号带宽非常窄。必须用更多的分立元件来使耦合器具有足够宽的带宽。

尽管铁氧体变压器类型的耦合器具有非常宽的带宽，但是用铁氧体耦合器很难获得任意耦合值。而且，铁氧体变压器耦合器天生就体积庞大，制造劳动强度高。

所谓“电气短路”耦合器利用集总元件和耦合传输线的组合。传输线通常小于四分之一波长(λ/4)。随着实现方式中传输线长度的缩短，带宽减小到完全集总元件实现方式中的带宽。

在其它方式中，人们考虑过将同轴和波导耦合器用作耦合器。但是，这些实现方式很少用在大体积应用中，因为它们制造起来相对昂贵。此外，这些设计很难集成到RF系统中。因此，这些类型的耦合器不实际。

最常用的耦合器有宽边耦合器、边缘耦合器和叉指边缘耦合器。常常将叉指边缘耦合传输线叫做兰格(Lange)耦合器。为了在边缘耦合传输线中实现高耦合，耦合传输线之间的间隔必须很小。这个间隔由光刻图案形成工艺的能力决定。因为这些制造困难，很难用这种方法生产3dB耦合器。事实上，耦合值通常不会超过10dB。

宽边耦合器是指TEM传输线的宽的部分在耦合器中彼此面对的情形。宽边耦合器包括由均匀电介质材料分离的两根传输线。传输线穿插在两个外部接地面的中间。电介质材料同样置于每个接地面和相邻传输线之间。这种构造支持TEM传播，并且不象微带叉指耦合器，偶模和奇模相速是相等的。这样就能够获得较好的带宽、方向性和VSWR。此外，还可以将宽边耦合器用于实现3dB耦合器。但是，本领域普通技术人员明白，传输线间隔必须较小或者线宽度必须很宽，或者二者都需要。

需要能够获得任意耦合值而没有上述常规装置局限性的一种宽边耦合器。此外，还需要对于给定性能规格具有所需形状因子的耦合器。

发明内容

本发明针对的是以上需求。本发明涉及可用作耦合器或在其它结构/功能中作构件的耦合传输线结构。本发明涉及在垂直方向上对齐的三根或四根宽边耦合传输线。这种结构的好处是能够产生非常紧的耦合并且在非常小的体积中实现非常紧凑的耦合结构。本发明需要的面积/体积比获得相同功能的标准宽边耦合器或叉指边缘耦合器的小。

一方面，本发明涉及一种耦合器结构，包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。L个第一传输线层置于该结构中。每个第一传输线层包括符合预定几何构造的第一传输线。所述第一传输线置于第一端口和第二端口之间的第一电介质材料上。L是整数。M个第二传输线层与所述L个第一传输线层交替设置，在所述结构内形成总共N个传输线层。M和N是整数，并且N大于或等于三。每个第二传输线层包括基本上符合所述预定几何构造的第二传输线。所述第二传输线置于第三端口和第四端口之间的第二电介质材料上。每根第二传输线在该结构中相对于对应的第一传输线置于预定位置。

另一方面，本发明涉及一种耦合器结构，包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。L个第一传输线层置于该结构中。每个第一传输线层包括符合预定几何构造的第一传输线。所述第一传输线置于第一端口和第二端口之间的第一电介质材料上。L是整数。M个第二传输线层与所述L个第一传输线层交替设置，在所述结构内形成总共N个传输线层。M和N是整数，并且N大于或等于三。每个第二传输线层包括基本上符合所述预定几何构造的第二传输线。所述第二传输线置于第三端口和第四端口之间的第二电介质材料上。每根第二传输线在该结构中相对于对应的第一传输线置于预定位置。横截面面积是N、所述预定几何构造和所选耦合常数的预定函数。

另一方面，本发明涉及一种制造耦合器结构的方法。这种方法包括：(a)提供第一传输线层，第一传输线层包括置于第一电介质材料上并且符合预定几何构造的第一传输线；(b)将第二传输线层置于第一传输线层上，第二传输线层包括与所述第一传输线垂直对准并且基本上符合所述预定几何构造的第二传输线，第二传输线置于第二电介质材料上；(c)粘结第一传输线层和第二传输线层；(d)重复步骤(a)～(c)来形成包括L个第一传输线层和M个第二传输线层的N个交替层的叠层结构，L、M和N是整数，其中N大于或等于三；(e)将所述L根第一传输线的第一端耦合到第一端口，将所述L根第一传输线的第二端耦合到第二端口；以及(f)将所述M根第二传输线的第一端耦合到第三端口，将所述M根第二传输线的第二端耦合到第四端口。

本发明的其它特征和优点将在以下具体描述中阐明，对于本领域技术人员来说，通过实践本发明，可以从该描述中了解或认识到这些特征和优点，所述描述包括后面的详细说明、权利要求以及附图。

应当明白，以上整个描述和以下具体描述仅仅是本发明的示例，其目的在于提供用于理解本发明所要求的本质和特征的总览和框架。所包括的附图提供对于本发明的进一步理解，并且结合和组成说明书的一部分。附图说明了本发明的各个实施例，并且与说明书共同解释本发明的原理和操作。

附图说明

图1是本发明一个实施例中垂直叉指耦合器的示意图；

图2是本发明中垂直叉指耦合器传输线层的平面视图；

图3A～3B是图2所示耦合器偶模和奇模耦合场线的示意图；

图4A～4D说明各种常规宽边耦合器；

图5A～5D说明各种常规叉指边缘耦合装置；

图6说明本发明中耦合器的横截面面积；

图7A～7C说明常规宽边耦合器设计；

图8A～8C说明本发明中三层实施例的垂直叉指耦合器设计；

图9A～9C说明本发明中四层实施例的垂直叉指耦合器设计；

图10A～10C说明本发明中五层实施例的垂直叉指耦合器设计；

图11针对N的多个值将常规宽边耦合器的横截面面积与本发明的横截面面积进行比较；

图12针对N的多个值将所选耦合常数与装置几何形状的一个度量进行比较；

图13针对多个偶模阻抗值将所选电介质材料的介电常数与装置几何形状的另一个度量进行比较；

图14是本发明一个实施例中垂直叉指耦合器实施方式的透视图；

图15是图14所示垂直叉指耦合器实施方式的分解图；以及

图16说明图14～15所述的耦合器性能。

具体实施方式

现在将详细说明本发明的实施例，其示例在附图中说明。只要可能，相同的附图标记将在所有附图中表示相同或相似的部分。本发明的垂直叉指耦合器的具体实施例在图1中示出，并且在所有附图中都用附图标记10表示。

如图1所示，公开了本发明一个实施例中垂直叉指耦合器的横截面部分的示意图。这种耦合器是一种四端口装置，它包括端口1、端口2、端口3和端口4。在本实施例中，垂直叉指耦合器包括三根耦合传输线，即传输线14在两根传输线12之间。每根传输线12都在电介质基片16上并且在端口1和端口2之间耦合来形成传输线层。传输线14也在电介质基片16上来形成相邻的传输线层。传输线14在端口3和端口4之间耦合。

总的来说，传输线层14与传输线层12形成交替层来形成总共N个传输线层。传输线12和传输线14相对于彼此在预定垂直位置上。在一个实施例中，传输线12与传输线14在垂直方向上对准，来获得最大耦合。在另一个实施例中，传输线14与传输线12在垂直方向上互相偏移来获得不同的耦合程度。换句话说，可以调整垂直几何构造来获得预定耦合常数。根据本发明，N是一个大于或等于三(3)的整数值。可以针对多种原因来选择N，包括耦合值、形状因子等等。传输线层12和传输线层14的交替层通常在一对接地板18之间。然而在特定实施例中，接地板18不是必需的。每个第二传输线位于这一结构中相对于对应第一传输线的预定位置。

参考图2，其中示出了传输线层12的平面视图。图2同样可以用于说明线14。如上所述，传输线12、14被配置为符合预定几何构造。在这种情况下，传输线12被置于折叠正方形中。传输线12的长度近似为68mm。因此几何构造是指传输线在平面视图中的形状、导体的宽度、导体的厚度、电介质的厚度以及所有各种间隔尺寸。对于本领域技术人员来说显而易见，在相关领域可以根据想要的耦合和指定的体积/尺寸形状因子要求对本发明的预定几何构造作出修改和改变。在所示例子中，传输线12置于折叠正方形构造中的基片16上。另一方面，本领域技术人员明白，几何构造可以是适当的任意形状，比如线性、矩形、非线性、螺旋或圆形等等。几何图案可以包括弯曲线段和其它这样的形状。

图3A说明图2所示耦合器的偶模耦合场线。本发明技术人员明白，偶模耦合是指传输线12和传输线14电势相同的情形。根据定义，在传输线12和传输线14之间没有耦合。但是，在传输线12、14和接地板18之间建立了电场。

图3B是奇模场线的视图。在奇模中，传输线12和传输线14的电势不同。因此，在传输线12和传输线14之间产生电场。图3A～3B还说明在这里描述的配置可以用一个平行板电容器构造来近似。因此，电容与传输线宽边的面积即耦合宽边的长度和宽度成正比。

图3B是值得关注的，因为它说明了本发明相对于常规装置改善的耦合特性。注意传输线14从传输线的两边耦合到传输线12。

通过将三层垂直叉指宽边耦合器(图1～3)与常用常规耦合器进行比较来进一步说明本发明的特征和优点。具体地说，图4A～4D提供常规宽边耦合器410的各种视图。另一方面，图5A～5D描述常规叉指边缘耦合装置的特征。依次描述这些常规装置中的每一个。

参考图4A，其中示出了常规宽边耦合器410的横截面示意图。耦合器410包括在端口1和端口2之间耦合的主传输线412。次传输线414靠近线412并且在端口3和端口4之间耦合。

参考图4B，常规宽边耦合器置于相同的“足迹”中，即如图2所示的相同的表面区域中。当传输线412的宽度比图2所示的传输线12的宽度略宽时，它要小18mm，即大约50mm。

在图4C中说明常规宽边耦合器的奇模耦合特性。在图4D中说明偶模耦合。本发明的叉指宽边耦合器(N＝3根线)实现与标准宽边耦合器(2根传输线)相同的耦合值。本发明在单位面积中线更长，等效于对于相同长度设计更紧凑。对于特定等效耦合值，偶模和奇模阻抗必定具有以下特定关系： $k=\frac{Z_{0e}-Z_{0o}}{Z_{0e}+Z_{0o}}\⇔Z_{0e}=Z_{0o}\frac{1+k}{1-k}---\left(1\right)$

本发明用相对于常规装置较窄的线宽度实现了相同的奇模阻抗。并且偶模阻抗更高。这样，对于相同的耦合值，本发明能够减小带线高度，实现小型化(缩小体积)。

当然，偶模阻抗还可通过改变电介质材料来调整，因为阻抗是电介质介电常数的函数。具有较高介电常数的材料会降低偶模的阻抗。因此，改变电介质将仅导致X-Y平面即水平平面中的减小。另一方面，使用这种方式不会缩小体积。

因为耦合大多是线宽和电介质间隔的函数，所以一般都想在常规宽边耦合器(图4A～4D)的传输线512、514之间采用更薄的电介质基片。但是，这种方式不可行，因为宽度小于1mil的电介质材料很少。即使能够获得这种材料，这种材料的电介质击穿电压也是一个问题。具体地说，电介质必须具有出色的电介质击穿电压特性，才能将它用于商业产品中。即使这两个问题都解决了，还必须找到新的处理方法来处理这种薄材料。

参考图5A，示出了常规叉指边缘耦合器的平面示意图。边缘耦合设计包括在传输线512之间的传输线514。图5B示出了平面视图的耦合器构造。图5B的足迹与图2和图4B的足迹相同。在这种情况下，外部传输线512是27mm长，中间线514是22.5mm长，而内部线512’只有18mm长。不象叉指边缘耦合器510，本发明的叉指宽边耦合器10的各条线都是相同的长度。因此，本发明能够避免组合不同相位产生的损失。还注意常规边缘耦合器设计从一圈到下一圈具有较大相位差。相位差是由于平行配置三(3)根传输线产生的。因此，圈数比本发明中的圈数少时，常规耦合器510将遇到相速问题。因此，相对于当前可用的常规装置，本发明具有更优越的性能。

图6说明本发明的耦合器横截面设计。如上所述，垂直叉指宽边耦合器10可小型化，并且可以将它制造成具有预定尺寸规格的物理形状因子。在所提供的例子中，有四根垂直宽边耦合传输线12、14，即N＝4。尺寸h是每对宽边耦合传输线12、14之间的垂直距离。尺寸h是从每个最外部导体14到最接近接地面18(如果存在)的垂直距离。尺寸t是每个导体12、14的垂直高度。尺寸s是在给定传输线导体中相邻段之间的水平间隔。尺寸w是每个导体的宽度，即图6所示水平平面的尺寸。最后，m是水平方向上导电和非导电材料之比，其中：

$m\≈\frac{w}{w+s}---\left(2\right)$

带线结构不包括导体厚度的总接地面间隔是：

b_N＝2h+(N-1)d                    (3)

带线结构包括导体厚度的总接地面间隔是：

B_N＝2h+(N-1)d+Ntm                (4)

因此耦合段占据的横截面面积是：

A_N＝B_N(s+w)＝(s+w)(2h+(N-1)s+Ntm)(5)

公式(5)是假设在每个垂直导体群之间有电壁的结构的近似。这一近似对于X-Y尺寸远远小于四分之一波长(λ/4)的紧螺旋结构来说是合理的。因此，电容大小可以近似成平行板电容的大小：

$C_P={\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{\mathrm{lw}}{d_{\mathrm{CP}}}---\left(6\right)$

尺寸l是传输线的长度以及d_CP是板之间的距离。

如果

C_x＝ε₀ε_rlw，[Fm]＝8.854ε_rlw，[pFm]      (7)

那么

$C_P=\frac{C_x}{d_{\mathrm{cp}}}---\left(8\right)$

将C_x应用于在这里获得的偶模和奇模模式电容公式。本领域技术人员明白，公式(7)中的常数ε₀和ε_r是指电介质材料的介电常数。介电常数是电介质材料响应外来电场的一种度量。具体而言，如果第一电介质材料的介电常数大于第二电介质材料的介电常数，那么对于给定的外电场，第一材料将存储更多的电荷。从公式(7)可知，介电常数与电容成正比。因此，第一电介质材料将具有更大的电容。还要注意自由空间的介电常数ε₀是每米8.8541878176×10^-12法拉(F/m)。因此，用[pFm]来标注公式(7)中的“皮法每米”。

将图7A～7C用于常规宽边耦合器设计的偶模和奇模电容的推导。注意图7A是图4A的概述。图7B说明常规宽边耦合器设计的等效奇模电容。

图7C说明常规设计的等效偶模电容。基础平行板电容为：

$C_g=\frac{C_x}{h}---\left(9\right)$

$C_d=\frac{C_x}{d}---\left(10\right)$

得到的奇模和偶模电容为：

$C_{o2}=C_d+\frac{C_g}{2}=\frac{C_x}{d}+\frac{C_x}{2h}=C_x(\frac{1}{d}+\frac{1}{2h})---\left(11\right)$

$C_{\mathrm{ec}}={2C}_g=\frac{{2C}_x}{h}---\left(12\right)$

图8A～8C说明本发明中三层实施例的垂直叉指耦合器。图8B说明本发明中三层耦合器的等效奇模电容。图8C说明等效偶模电容。

$C_{o3}={2C}_d=\frac{{2C}_x}{d}---\left(13\right)$

注意奇模电容不依赖于带线高度。这意味着可以去掉带线接地面而没有任何不利影响(相对于奇模)。换句话说，这种设计是同轴电缆的一种近似。还应当注意偶模电容等于常规2层宽边耦合器。事实上，偶模电容不依赖于N的值。

图9A说明本发明中的四层垂直叉指耦合器。这个示意图不需要说明。它包括有两根传输线14插入的两根传输线12。这四层在接地板18之间。图9B说明四层实施例的等效偶模电容。

$C_{o4}={3C}_d+\frac{C_g}{2}=C_x(\frac{3}{d}+\frac{1}{2h})---\left(14\right)$

偶模值再一次等于常规2层宽边耦合器。

图10A～10C说明具有五层的垂直叉指耦合器。同样，图10A所示的布局不需要说明。耦合器10包括有三根次传输线14插入的两根“主”传输线12。这四层在接地板18之间。在图10B中说明奇模电容。对于五个导体：

$C_{o5}={4C}_d=\frac{{4C}_x}{d}---\left(15\right)$

奇模电容可以是N的函数。

如上所述，偶模电容是常数。

$C_e={2C}_g=\frac{{2C}_x}{h}---\left(17\right)$

根据上述推导过程，可以将电容的通用公式表述为：

$C_x=\frac{{\mathrm{hC}}_e}{2}---\left(19\right)$

然而，因为C_e依赖于C_x，因此描述恒定耦合的函数更有用。对于TEM结构可以按照如下方式定义耦合。如公式(1)所示， $k=\frac{Z_e-Z_o}{Z_e+Z_o},$ 可以将其中涉及到的每个阻抗描述为 $Z=\frac{\sqrt{\mathrm{\μ\ϵ}}}{C}=\frac{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}}{\mathrm{cC}},$ 也可以是 $Z=\frac{L}{\sqrt{\mathrm{\μ\ϵ}}},$ $Z=\sqrt{\frac{L}{C}}.$ 如果我们假设单一频率、均匀电介质并且仅考虑电容，那么

$k=\frac{Z_e-Z_o}{Z_e+Z_o}=\frac{\frac{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}}{{\mathrm{cC}}_e}-\frac{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}}{{\mathrm{cC}}_o}}{\frac{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}}{{\mathrm{cC}}_e}+\frac{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}}{{\mathrm{cC}}_o}}=\frac{C_o-C_e}{C_o+C_e}\⇔C_e=C_o\frac{1-k}{1+k}\⇔C_o=C_e\frac{1+k}{1-k}---\left(20\right)$

因此，将公式(18)和(19)代入公式(20)，耦合值k可根据耦合器的横截面结构确定。

参考图11，这个图将常规宽边耦合器的横截面面积即N＝2与本发明的横截面面积(N≥3)进行比较。图11是下表1所示数据的图形描述。在这个例子中，通过保持偶模和奇模电容为常数来将本发明中总的带线高度和横截面面积与常规宽边耦合器进行比较。对于典型的3dB耦合器，k＝0.707，因此C_o≈0.048。在表1中提供的比较采用典型尺寸值。

表1：叉指耦合器与常规宽边耦合器的比较

图11中的垂直轴归一化到常规宽边耦合器，即1.00的下标值是指所有因素(耦合值、电介质材料等)相等的常规宽边耦合器的横截面面积。有趣的是随着N增大，相对横截面面积明显减小。对于N在十(10)以下的值，相对带线轮廓也较低。但是，相对面积曲线和相对轮廓曲线具有完全不同的最小值。

本领域技术人员明白，表1和图11基于某些预定尺寸属性和耦合值。因此，可以改变N、传输线12、14的几何构造、电介质材料、导体材料和尺寸关系来获得不同的最小值。当然，还可以改变这些变量来满足形状因子的要求。

参考图12，对于N的各个值，将耦合值k与h/d进行比较是有用的。在公式(18)和公式(19)中提供的关系，可用于得到比率h/d：

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{hC}}_e}{2}=\frac{{\mathrm{dC}}_o}{N},& N=\mathrm{odd}\\ \frac{{\mathrm{hC}}_e}{2}=\frac{C_o}{(\frac{N}{d}+\frac{1}{2h})},& N=\mathrm{even}\end{array}\right\}---\left(21\right)$

$C_o=C_e\frac{1+k}{1-k}---\left(22\right)$

$\left\{\begin{array}{cc}{C}_o\frac{h}{2}\left(\frac{1-k}{1+k}\right)=\frac{{\mathrm{dC}}_o}{N},& N=\mathrm{odd}\\ C_o\frac{h}{2}\left(\frac{1-k}{1+k}\right)=\frac{C_o}{(\frac{N}{d}+\frac{1}{2h})},& N=\mathrm{even}\end{array}\right\}\⇔\left\{\begin{array}{cc}\frac{h}{d}=\frac{2}{N}\left(\frac{1+k}{1-k}\right),& N=\mathrm{odd}\\ \frac{(2\mathrm{hN}+d)}{4d}=\left(\frac{1+k}{1-k}\right),& N=\mathrm{even}\end{array}\right\}\⇔$

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{h}{d}=\frac{2}{N}\left(\frac{1+k}{1-k}\right),& N=\mathrm{odd}\\ \frac{(2\mathrm{hN}+d)}{4d}=\left(\frac{1+k}{1-k}\right)\⇔\frac{h}{d}=\frac{2}{N}(\left(\frac{1+k}{1-k}\right)-\frac{1}{4}),& N=\mathrm{even}\end{array}\right\}---\left(23\right)$

表2给出产生图12所示曲线所需要的数据。

表2：常见耦合值和相关h/d值随N的变化

	h/d表
											dB	k	2	3	4	5	6	7	8	9	10
-3	0.71	5.60	3.90	2.80	2.34	1.87	1.67	1.40	1.30	1.12
											-5	0.56	3.32	2.38	1.66	1.43	1.11	1.02	0.83	0.79	0.66
-6	0.50	2.76	2.01	1.38	1.20	0.92	0.86	0.69	0.67	0.55
											-10	0.32	1.67	1.28	0.84	0.77	0.56	0.55	0.42	0.43	0.33
-20	0.10	0.97	0.81	0.49	0.49	0.32	0.35	0.24	0.27	0.19

再次注意平行板电容模型是一个近似。实际上h/d数字可以根据平面视图几何构造(例如见图2)乘以常数。例如，如果几何构造是紧绕的螺旋，那么h/d应当乘以大约0.7。尽管表2提供N一直到十(10)的值，但是不应当认为本发明局限于这些数字。在一些实施例中，N可以等于二十(20)或更大，以达到所需性能。本领域普通技术人员明白，不应当认为本发明局限于表2中提供的耦合值，3、5、6、10和20dB耦合器仅仅是典型耦合值。

如同背景技术所述，大于3dB的耦合值是指其中不到一半的进入信号能量到达耦合端口的耦合器装置。在一些情况下，需要小于3dB的耦合值，也就是说，其中大部分进入信号能量到达耦合端口。此外，一些实施方式需要零(0)dB的耦合器，即其中所有进入信号到达耦合端口，当然插入损耗很小。因此，除了表2中提供的离散耦合值以外，本发明能够获得大于或等于零(0)dB的任意耦合系数的耦合器装置。

参考图13，它说明所选电介质材料介电常数与比率h/w的比较结果。尺寸w是在该设计中采用的传输线的宽边宽度。可以利用比率h/w来得到指定的偶模阻抗值。前面给出了Z、C_x和C_e作为尺寸l、w、h和介电常数等等的函数的公式。因此：

$\frac{{2C}_x}{h}=\frac{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}}{{\mathrm{cZ}}_e}\⇔h=\frac{{2C}_{x}c{Z}_e}{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(24\right)$

因为C_x＝ε₀ε_rlW，因此：

$h=\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r\mathrm{lwc}{Z}_e}{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}}\⇔\frac{h}{\mathrm{lw}}=\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}c{Z}_e}{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r}}---\left(25\right)$

并且因为 $c=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}};$

$\frac{h}{\mathrm{lw}}=\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}{Z}_e}{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r}}=\frac{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{Z}_e}{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r}}=\frac{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{Z}_e}{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r}}=2\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{{\mathrm{\μ}}_0}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r}{{\mathrm{\μ}}_r}}{Z}_e---\left(26\right)$

对于自由空间介电常数，利用近似：

$\frac{h}{\mathrm{lw}}\≈2\sqrt{\frac{\frac{{10}^{-9}}{36\mathrm{\π}}}{4\mathrm{\π}{10}^{-7}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r}{{\mathrm{\μ}}_r}}{Z}_e=2\sqrt{\frac{{10}^{-2}}{4\·36{\mathrm{\π}}^2}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r}{{\mathrm{\μ}}_r}}{Z}_e=2\sqrt{\frac{1}{{12}^2{\mathrm{\π}}^2{10}^2}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r}{{\mathrm{\μ}}_r}}{Z}_e\⇔---\left(27\right)$

$\frac{h}{\mathrm{lw}}\≈2\frac{1}{120\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r}{{\mathrm{\μ}}_r}}{Z}_e=\frac{1}{60\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r}{{\mathrm{\μ}}_r}}{Z}_e,$

其中感兴趣的是每个单位长度的比率h/w值，即对于l＝1。还要注意，对于大多数应用，相对介电常数是1。因此

$\frac{h}{w}=\frac{1}{60\mathrm{\π}}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}{Z}_e---\left(28\right)$

对于ε_r＝π²(～凡士林)以及50Ω耦合器(Ze≈120Ω)中3dB耦合的特殊情况。比率h/w＝2。

图13说明相对于多个偶模阻抗值的各个介电常数h/w比的比较图。同样，它们也是近似结果。这些近似应当根据平面视图几何构造乘以调整因子。例如，在紧绕螺旋中，在这里提供的h/w比应当乘以大约1.5。

本领域技术人员明白，对于各种耦合器构造利用Schwart-Christoffel变换或曲线拟合技术能够获得更加准确的阻抗公式。而且，因为本发明使得装置的小型化和紧凑性成为可能，以及典型的布局限制，通过本领域公知的电磁仿真工具能够获得更加准确的装置性能。

如同在这里和图14中所描述的一样，公开了本发明另一个实施例中垂直叉指耦合器实施方式100的透视图。耦合器装置100包括在单独一个紧凑外壳102中的两个垂直叉指耦合器10、10’。耦合器外壳102符合具有预定尺寸规格的形状因子，这些参数是本发明中N、传输线几何构造和所选耦合常数等等的函数。

耦合器10占据装置100的上半部分，耦合器10’在装置100的底部。耦合器10和耦合器10’共享接地板18’。因此，耦合器10在接地板18和内部接地板18’之间。耦合器10’在板18’和下接地板18”之间。注意上接地板18包括配置为容纳传输线12和端口2之间的内部信号传输路径(未示出)的内部过孔180。过孔180也被配置为容纳传输线14和端口4之间的信号传输路径。接地板18’包括沿着板18’的边缘部分的信号过孔182’。过孔182’配置为容纳传输线12和端口1之间的信号传输路径，以及传输线14和端口3之间的信号传输路径。本领域技术人员明白，电介质层16在每条传输线12、14或12’、14’之间。为了清楚起见，在图14中未示出电介质层16。

参考图15，公开了垂直叉指耦合器100的展开图。耦合器10和耦合器10’是同样的四端口装置。每根垂直叉指耦合器10(10’)包括四根耦合传输线，即两根主传输线12(12’)与两根次传输线14(14’)交替，在每个耦合器10(10’)中形成总共四个传输线层。因此，每个耦合器10(10’)符合图9A～9C提供的示意图。在图15所示的展开图中，能够清楚地看到，传输线12(12’)与传输线14(14’)垂直对准。每根传输线又一次在电介质基片16上(在该图中未示出)。传输线12在端口1和端口2之间耦合形成传输线层。传输线14在端口3和端口4之间耦合。

总之，本发明的耦合器10可以按照以下方式制造。在开始阶段，计算几何构造，即平面视图中传输线的形状，导体的宽度，导体的厚度，以及所有各种间隔尺寸。提供每个传输线层作为粘结到电介质片的导体片。接下来，用照相印刷技术将预定几何图案转到导体片的表面。将光阻材料放在导体片上，通过掩膜的直射能量将图案转到电阻材料。掩膜当然包括图案的图像。光刻系统中的成像光学器件确保转到光阻表面的线宽在合适的容差范围内。接下来，用蚀刻剂去除曝光后的光阻材料和导体片以下的部分。蚀刻提供包括电介质基片16上传输线12(14)的传输线层。

传输线层14在传输线层12上与之垂直对准。本领域技术人员明白，可以采用各种关键结构和技术来保证垂直对准。在对准之后，将传输线层12粘结到传输线层14。本领域技术人员明白，可以根据用于实施电介质层16的电介质材料的类型，采用任意适当的粘结技术。例如，利用某些聚合物电介质材料，可以通过对夹在一起的传输线层施加热和/或压力来完成粘结步骤。

重复上述处理步骤来形成迭层结构，包括传输线层12和传输线层14的N个交替层。N再一次是大于或等于三的整数。在处理步骤完成后，传输线12在端口1和端口2之间耦合，传输线14在端口3和端口4之间耦合。

回到图15，制造具有两个耦合器的过程可以通过首先粘结内层，然后往外进行来实施。换句话说，传输线层12与接地板18’对准。板18’随后与传输线14’对准。可以将热和压力应用到三层结构(即，层12、板18和层14’)来将这些层粘结在一起。

在下一步中，将层14置于三层迭层结构上，将层12’置于迭层结构下。这些层再一次按照前面描述的方式对准。随后，将这些层粘结在一起形成五层结构。这个过程继续下去，直到耦合器10和耦合器10’具有适当数量(N)的传输线层。随后将端口连接到适当的传输线，并将装置置于外壳102中。

对于本领域技术人员而言显而易见，可以根据想要的耦合和想要的形状因子结构对本发明的传输线层作出修改和变化。因此，导体层可以用任意适当的材料，比如铜、铝、金、铂和其它这种合适的材料来形成。同样，电介质材料可以使用各种聚合物材料、热塑性材料、热固性材料、特氟隆或可固化(热固化或UV固化)树脂材料。

回到图14～15，本发明的垂直叉指耦合器结构的附加好处是在垂直方向上有更高百分比的导体材料。很明显，金属是比典型电介质更好的热导体。因此，本发明相对于常规装置在热传导特性上也有改善。如果使用本发明的垂直叉指结构使轮廓高度最小就会获得更多的热传导优点，因为热传导路径最短。

本领域技术人员还明白，通过在传输线之间使用其它连接方案能够实现不同的阻抗和/或耦合值。在一种实施方式中，设计人员可以让传输线的端部开路。另一方面，可以让传输线短路来获得特定阻抗，类似于叉指滤波器结构的方式。

参考图16，它说明图14～15所示3dB耦合器的性能。这个图给出了耦合器10在1.0GHz和1.725GHz处的性能。曲线160表示直接连接到主传输线12的输出(端口2)的频率响应。曲线162是耦合端口的频率响应。作为最初的印象，曲线162说明耦合端口响应在1.0GHz和1.725GHz之间的将近750MHz带宽内相对平坦。

在1.0GHz的例子中，在进入RF信号以下的-3.248dB处测量得到曲线160(DC)，而曲线162(C端口)是-3.615dB。因此，在标称3dB输出端口之间有0.367dB的差。曲线164测量得到的返回损耗(RL)在耦合端口输出以下将近-22.032dB。隔离端口在耦合端口输出以下-25.204dB。耦合器10在1.725GHz的性能相似。返回损耗是-24.035dB以下，隔离端口输出是耦合端口输出以下-27.551dB。

所有的参考，包括在此引用的公开文献、专利申请和专利在此全部通过参考结合至如同每个参考在此通过参考单独或特定的描述并且在此完整描述的范围。

冠词“一个”和“该”以及本发明描述的文本中类似标记的使用(特别在以下权利要求中)被理解为概括单数和复数，除非在文本中说明或明确指示。术语“包括”、“具有”和“包含”被理解为开放的术语(即意味着“包括但是不限于”)，除非其明确说明。术语“连接”被理解为部分或全部包含在内、附着或连接在一起，甚至中间插有其它事物。

在此引用的值的范围仅在于作为单独参考落在该范围内的每个单独值的简单方法，除非在此说明，并且每个单独值被结合到说明书中如同其在此单独引用一样。

在此描述的所有方法以任意适当顺序执行除非在文本中指示或清楚说明。任意或所有例子的使用或者在此提供的示例语言(例如“比如”)，仅在于更好的说明本发明的实施例并且不对本发明的范围造成限制，除非权利要求说明了。

说明书中的任何语言都不能理解为指示对于本发明的实践关键的任意非要求保护的部件。

本领域技术人员应当理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下可作出各种修改和变化。目的不在于将本发明限制为特定的形式或公开的形式，相反，其目的在于覆盖所有修改、替换方式和落在本发明精神和范围内的等同方式，如在权利要求中定义的。因此，目的在于使得本发明覆盖本发明在权利要求和等同方式提供的范围的修改和改变。

Claims (42)

1.一种耦合器结构，包括：

第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；

置于该结构中的L个第一传输线层，每个第一传输线层包括符合预定几何构造的第一传输线，所述第一传输线置于第一端口和第二端口之间的第一电介质材料上，L是整数；以及

M个第二传输线层，与所述L个第一传输线层交替设置，形成总共N个传输线层，M和N是整数，并且N大于或等于三，每个第二传输线层包括基本上符合所述预定几何构造的第二传输线，所述第二传输线置于第三端口和第四端口之间的第二电介质材料上，每根第二传输线在该结构中相对于对应的第一传输线置于预定位置。

2.如权利要求1所述的耦合器结构，其特征在于具有预定尺寸规格的物理耦合器形状因子，所述预定尺寸规格包括横截面面积，所述横截面面积是N、所述预定几何构造和所选耦合常数的预定函数。

3.如权利要求2所述的耦合器结构，其中所述横截面面积正比于：

A_N＝(s+w)[2h＝(N-1)d+Ntm]；以及

其中s是相邻导体之间的水平间隔，w是每个导体的水平宽度，h是与最外部传输线导体的垂直距离，d是第一传输线导体和第二传输线导体之间的垂直距离，t是每个第一传输线导体和每个第二传输线导体的垂直高度，m是水平方向上导电材料和电介质材料之比。

4.如权利要求1所述的耦合器结构，其中所述预定几何构造基本上是线性的。

5.如权利要求1所述的耦合器结构，其中所述预定几何构造包括至少一个基本上矩形的几何图案。

6.如权利要求1所述的耦合器结构，其中所述预定几何构造是非线性几何构造。

7.如权利要求1所述的耦合器结构，其中所述预定几何构造包括至少一个弯曲线段。

8.如权利要求1所述的耦合器结构，其中所述预定几何构造包括螺旋构造。

9.如权利要求1所述的耦合器结构，其特征在于有限的偶模阻抗和有限的奇模阻抗。

10.如权利要求9所述的耦合器结构，其中所述有限的偶模阻抗和所述有限的奇模阻抗之比基本上在1∶1到1∶10的范围内。

11.如权利要求1所述的耦合器结构，其中第一传输线和/或第二传输线的长度基本上等于λ/4。

12.如权利要求1所述的耦合器结构，其中第一传输线和第二传输线包括金属材料。

13.如权利要求12所述的耦合器结构，其中所述金属材料包括铜。

14.如权利要求1所述的耦合器结构，其中第一电介质材料和/或第二电介质材料选自包括以下材料的材料组：聚合物材料、热塑性材料、陶瓷材料、热固性材料、特氟隆或可固化树脂材料。

15.如权利要求1所述的耦合器结构，其中L个传输线层和M个传输线层的交替层置于一对接地板之间。

16.如权利要求1所述的耦合器结构，其中N大于或等于20。

17.如权利要求1所述的耦合器结构，其中所选耦合常数大于或等于零(0)dB。

18.如权利要求1所述的耦合器结构，其中所选耦合常数小于或等于3dB。

19.如权利要求1所述的耦合器结构，其中所选耦合常数大于3dB。

20.如权利要求1所述的耦合器结构，其中每根第二传输线在该结构中与对应的第一传输线充分垂直对准。

21.一种耦合器结构，具有其特征在于预定尺寸规格的形状因子，所述预定尺寸规格包括横截面面积，所述耦合器结构包括：

第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；

置于该结构中的L个第一传输线层，L是整数值，每个第一传输线层包括符合预定几何构造的第一传输线，第一传输线置于第一基片上，在第一端口和第二端口之间耦合；以及

M个第二传输线层与所述L个第一传输线层交替设置，形成总共N个传输线层，M和N是整数，并且N大于或等于三，每个第二传输线层包括基本上符合所述预定几何构造的第二传输线，第二传输线置于基片上，在第三端口和第四端口之间耦合，每个第二传输线在该结构中相对于对应的第一传输线置于预定位置，所述横截面面积是N、所述预定几何构造和所选耦合常数的预定函数。

22.如权利要求21所述的耦合器结构，其中所述横截面面积正比于：

A_N＝(s+w)[2h＝(N-1)d+Ntm]；以及

其中s是相邻导体之间的水平间隔，w是每个导体的水平宽度，h是与最外部传输线导体的垂直距离，d是第一传输线导体和第二传输线导体之间的垂直距离，t是每个第一传输线导体和每个第二传输线导体的垂直高度，m是水平方向上导电材料和电介质材料之比。

23.如权利要求21所述的耦合器结构，其特征在于有限的偶模阻抗和有限的奇模阻抗。

24.如权利要求23所述的耦合器结构，其中有限偶模阻抗和有限奇模阻抗之比基本上在1∶1到1∶100的范围内。

25.如权利要求21所述的耦合器结构，其中第一传输线和/或第二传输线的长度基本上等于λ/4。

26.如权利要求21所述的耦合器结构，其中L个传输线层和M个传输线层的交替层置于一对接地板之间。

27.如权利要求21所述的耦合器结构，其中N大于或等于20。

28.如权利要求21所述的耦合器结构，其中所选耦合常数大于或等于零(0)dB。

29.如权利要求21所述的耦合器结构，其中所选耦合常数小于或等于3dB。

30.如权利要求21所述的耦合器结构，其中所选耦合常数大于3dB。

31.如权利要求21所述的耦合器结构，其中每个第二传输线在该结构中与对应的第一传输线充分垂直对准。

32.一种制造耦合器结构的方法，包括：

(a)提供第一传输线层，第一传输线层包括置于第一电介质材料上并且符合预定几何构造的第一传输线；

(b)将第二传输线层置于第一传输线层上，第二传输线层包括与所述第一传输线垂直对准并且基本上符合所述预定几何构造的第二传输线，第二传输线置于第二电介质材料上；

(c)粘结第一传输线层和第二传输线层；

(d)重复步骤(a)～(c)来形成包括L个第一传输线层和M个第二传输线层的N个交替层的叠层结构，L、M和N是整数，其中N大于或等于三；

(e)将所述L根第一传输线的第一端耦合到第一端口，将所述L根第一传输线的第二端耦合到第二端口；以及

(f)将所述M根第二传输线的第一端耦合到第三端口，将所述M根第二传输线的第二端耦合到第四端口。

33.如权利要求32所述的方法，其中提供第一传输线层的步骤还包括：

提供粘结到第一电介质材料的导电片；

在所述导电片上设置符合所述预定几何构造的图案；并且

蚀刻所述导电片来去除多余的导电材料。

34.如权利要求33所述的方法，其中在所述导电片上设置符合所述预定几何构造的图案的步骤是用至少一种光刻技术来执行的。

35.如权利要求32所述的方法，其中所述粘结步骤是通过对第一传输线层和第二传输线层施加热和/或压力来执行的。

36.如权利要求32所述的方法，其中所述导电片包括金属材料。

37.如权利要求36所述的方法，其中所述金属材料是铜材料。

38.如权利要求32所述的方法，其中第一电介质材料和/或第二电介质材料选自包括以下材料的材料组：聚合物材料、热塑性材料、陶瓷材料、热固性材料、特氟隆或可固化树脂材料。

39.如权利要求32所述的方法，其中L个传输线层和M个传输线层的交替层置于一对接地板之间。

40.如权利要求32所述的方法，还包括：

提供具有预定尺寸规格的耦合器形状因子，所述预定尺寸规格包括横截面面积；

选择耦合常数；

根据所述横截面面积和所选耦合常数选择所述预定几何构造和N的值，所述横截面面积是N、所述预定几何构造和所选耦合常数的预定函数。

41.如权利要求40所述的方法，其中所述横截面面积正比于：

A_N＝(s+w)[2h＝(N-1)d+Ntm]；以及

其中s是相邻导体之间的水平间隔，w是每个导体的水平宽度，h是与最外部传输线导体的垂直距离，d是第一传输线导体和第二传输线导体之间的垂直距离，t是每个第一传输线导体和每个第二传输线导体的垂直高度，m是水平方向上导电材料和电介质材料之比。

42.如权利要求32所述的方法，其中第一传输线和/或第二传输线的长度基本上等于λ/4。

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