CN101390249A

CN101390249A - 定向耦合器

Info

Publication number: CN101390249A
Application number: CNA2007800068708A
Authority: CN
Inventors: M·特沃
Original assignee: Powerwave Comtek Oy
Current assignee: Power Wave Finland Co; Intel Corp; Powerwave Technologies Inc; P Wave Holdings LLC
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2027-02-14
Also published as: BRPI0707005A2; FI20065144A; EP1989754B1; EP1989754A4; US7567146B2; FI20065144A0; US20090045887A1; BRPI0707005A8; WO2007099202A1; EP1989754A1; CN101390249B

Abstract

一种定向耦合器，其具有两个传感导体和与它们对应的基本耦合器及辅助耦合器。基本耦合器基于第一传感导体(421)和传输导体(410)之间的耦合，辅助耦合器基于第二传感导体(422)和传输导体之间的耦合。由于基础和辅助耦合器两者的方向性都低，使得传感导体明显短于四分之一波。传感导体的另一端部被互相连接，并且还连接到定向耦合器的测量端口。在传感导体的连接点处由反转信号引起的耦合信号被设置成绝对值相等但相位相反，在该情况下，在测定端口处的和信号小得可忽略不计。出于这个目的，例如，由第一传感导体和地所形成的传输线以在其相对端部的匹配元件而结束，由第二传感导体和地所形成的传输线在其相对端部保留为开路。终结阻抗可以是可调整的，从而使得定向耦合器是可调谐的。在这种方式中，总定向耦合器的方向性依靠第二传感导体而被改善。定向耦合器被小尺寸化，并且在非常大的频率范围中实现了良好的方向性。

Description

定向耦合器

技术领域

[0001]本发明涉及用在射频电路中的定向耦合器的实现方式。

背景技术

[0002]定向耦合器是涉及射频电磁场传输路径的一种布置。它给出了测量信号，该信号的电平与在传输路径中特定方向上传播的场强度成比例。大体上，在传输路径中相反方向上传播的场并不会影响到测量信号的电平。定向耦合器具有至少三个端口：输入、输出、及测量端口。输入到输入端口的信号能量被几乎全部被引导穿过耦合器到达输出端口，并且该能量的一小部分被传递到测量端口。定向耦合器在输入和输出端口之间的部分同时也是无线电设备传输路径的一部分，其继续到例如发射机的天线。然后，与朝向天线传播的场真实强度成比例的测量信号从测量端口被接收，该信号可能被用于发射机的控制目的。控制度部分地依赖于定向耦合器的质量，即部分依赖于下述的质量：完全消除了多少在关于被测量场相反方向上传播的场的影响。

[0003]在说明书和权利要求书中，“前向信号/场”意味着信号/场从定向耦合器的输入端口传播到输出端口，并且“反转信号/场”意味着信号/场从定向耦合器的输出端口传播到输入端口。

[0004]定向耦合器可以多种方式来设计。多数方式基于对四分之一波长传输线的使用。图1示出了这种公知定向耦合器的实例。在该定向耦合器中，被测量信号的传输路径包括传输导体110(为位于电路板PCB上表面之上的第一导体带)和由电路板传导下表面组成的信号地GND。第一导体带110的头部末端与被连接到信号地的导体垫一起组成了定向耦合器的输入端口P1。相应地，第一导体带110的尾端与信号地一起组成了定向耦合器的输出端口P2。此外，在电路板PCB的上表面上，还有与第一导体带平行的第二导体带120，其中第二导体带的长度是处于定向耦合器工作频率的波长λ的四分之一。导体带110和120之间的距离例如是它们与地距离的十分之一。第二导体带120在其末端处以远离第一导体带的方向延伸。第一延伸部121结束于第三端口或测量端口P3。当使用定向耦合器时，电路已被耦合到测量端口，电路的阻抗Z等于通过定向耦合器导体带和信号地及媒介共同形成的传输线的特征阻抗Z₀。第二导体带的第二延伸部122结束于第四端口P4，其在本文中还被称之为隔离端口。因此，实例的定向耦合器具有四个端口，如多数其他定向耦合器一样。

[0005]第二导体带120用作传感导体：由于在它和第一导体带之间的电磁耦合，馈给到输入端口的能量的一部分传递给第二导体带的电路，传递给端口P3和P4的负载阻抗。当前向场的频率使前述的及绘制于图1的λ/4条件获得满足时，传递给测量端口P3的能量达到其最大值，并且传递给隔离端口P4的能量达到其最小值。在理想耦合器中后一个能量为0，这是由于在耦合器中发生的偶数和奇数波形在基于第二导体带120的传输线隔离端口处相互抵消。耦合器的方向性正是基于该事实。即，如果相等频率的反向场在定向耦合器中存在，由于对称结构，它的能量几乎不传递到测量端口P3。方向性的质量表现为在测量端口的信号电平与隔离端口的信号电平之比。当这些场以相同的频率和强度传播到相反方向传播时，该比例同在测量端口处由前向场(到测量端口)所引起的信号电平与由反向场所引起的信号电平的比例关系是一回事。

[0006]图2示出了根据图1的定向耦合器的方向性和带宽的实例。该视图示出了作为频率函数的两个传输系数的曲线。曲线201示出了在测量端口处的信号电平与输入信号电平成比例的变化，并且曲线202示出了在隔离端口处的信号电平与输入信号电平成比例的变化。表达为分贝的系数差异指示了方向性的数值。从曲线中显示出方向性的最大值为约20dB，该数值仅仅在下述频率范围内有效：其相对宽度仅仅是相应四分之一波频率2.08GHz两侧的一小部分。超过10dB数值的方向性在1.8-2.45 GHz范围内，其相对宽度为约30％。曲线201还指示出，在定向耦合器的工作范围中，测量端口的信号电平比穿过耦合器的信号电平低约25dB。这意味着耦合器引起了穿过信号的0.014dB的衰减。

[0007]如果定向耦合器被用在当导体带110和120的平行部分长度相应于半波长时的频率处，在第三和第四端口中的情况相反：传递到第三端口P3的能量达到最小值，并且传递到第四端口P4的能量达到最大值。如果然后定向耦合器被用在比相应于四分之一波长度的频率更低的频率处，方向性将非常低。

[0008]在根据图1的定向耦合器中典型方向性的前述数值20dB，也是不令人满意的。该相对适中的数值是由偶数和奇数波形在隔离端口侧并不能完全抵消所引起的，该不能完全抵消因为奇数波形除了在电介质媒介中传播，还在空气中大量传播(在该情况下其速度较大)。如果传输路径和传感导体两者的导体都被布置在电介质板之内(其两侧上为接地层)，则获得了定向耦合器方向性更好的结构。当使用全空气绝缘传输线时也能提高方向性。然而，使用λ/4长度线的所有定向耦合器的进一步的缺点在于：它们的功能仅仅在相对狭窄的频率范围上满足，并且它们需要相对大的空间。

发明内容

[0009]本方面的目的在于最小化与现有技术相关的所述缺点。根据本发明的定向耦合器的特征存在于独立权利要求1中。本发明的一些优势实施例存在于其它权利要求中。

[0010]本发明的基本思想如下：定向耦合器包括两个传感导体和相应的两侧：基本耦合器和辅助耦合器。基本耦合器基于第一传感导体和传输导体之间的耦合，并且辅助耦合器基于第二传感导体和传输导体之间的耦合。由于两个耦合器的方向性较低，因而传感导体明显短于四分之一波。这些传感导体的另一端部被彼此连接，并且被进一步连接到定向耦合器的测量端口。在传感导体的连接点处由反转信号引起的耦合信号被布置成绝对值相等但相位相反，在该情况下，在测定端口处它们的和信号小得可忽略不计。当由第一传感导体和地所形成的传输线以位于其相对端部的匹配元件结束，并且由第二传感导体和地所形成的传输线在其相对端部保留为至少几乎开路时，这将被实现。为了更加精确地抵消所述耦合信号，定向耦合器可以是可调谐的(以使得匹配元件的阻抗是可调整的)或者在相应于第二传感导体的线端部存在调谐元件。以这种方式，整个定向耦合器的方向性依靠第二传感导体而增加。由前向信号引起的耦合信号不能在传感导体的连接点处抵消，这是因为它们的相位差并不大，并且基本耦合器的信号较强。

[0011]本发明的优点在于根据它的定向耦合器尺寸较小。本发明的额外优点在于根据它的定向耦合器的频率依赖性低：获得了高方向性，并且与被测量信号电平成比例的测量信号电平在非常大的频率范围内为相对常数。并且定向耦合器的输入端口的回波耗损在非常大的频率范围内较小。本发明的额外优点在于对根据它的定向耦合器的调谐在生产中简单并且导致相对低的成本。

附图说明

[0012]现在将详细描述本发明。说明书参考了附图，在附图中：

图1示出了根据现有技术的定向耦合器的实例，

图2示出了根据现有技术的定向耦合器的特征的实例，

图3示出了根据本发明的定向耦合器的结构的原理，

图4a-c示出了根据本发明的实用定向耦合器的实例，

图5示出了根据本发明的定向耦合器的第二实例，

图6示出了根据本发明的定向耦合器的第三实例，以及

图7示出了根据本发明的定向耦合器的特征的实例。

具体实施方式

[0013]图1和2已经结合对现有技术的描述进行了描述。

[0014]图3是对根据本发明的定向耦合器原理的介绍。定向耦合器300包括传输路径，其包含传输导体310、地导体或信号地GND和它们的电介质间隙。在说明书和权利要求书中，“间隙”意味着空间，其中在传输路径上传播的信号电磁场有效地存在。传输路径的特征阻抗为Z₀。传输路径的末端是其输入端口P1，穿过传输路径该末端被测量的前向信号S_ff到达定向耦合器，并且传输路径的其它末端是其输出端口P2，穿过该其它末端被测量的信号离开定向耦合器。

[0015]此外，根据本发明，定向耦合器300还包括第一传感导体321和第二传感导体322，第一传感导体321和第二传感导体322位于传输路径的间隙中，并且与传输导体平行。因此，定向耦合器具有两侧：基本耦合器和辅助耦合器。基本耦合器基于第一传感导体321和传输导体310之间的耦合，并且辅助耦合器基于第二传感导体322和传输导体之间的耦合。传感导体的头部末端，或接近输入端口的末端被彼此电流耦合，并还通过测量导体341而被电流耦合到定向耦合器的测量端口P3。测量导体与信号地形成了传输线，传输线的特征阻抗例如为与传输路径之一相同的Z₀。在该情况下，耦合到测量端口的外部电路的阻抗也必须为Z₀。由于连接了传感导体的头部末端，到通过第一传感导体和信号地形成的传输线的耦合信号和到通过第二传感导体和信号地形成的传输线的耦合信号(由信号在两个方向上的传播引起)在这些线的连接点处被加在一起，并从而在测量端口被加在一起。让我们表示：

C₁₁＝由前向信号S_ff在通过第一传感导体和信号地形成的传输线的头部末端处引起的耦合信号

C₁₂＝由前向信号S_ff在通过第二传感导体和信号地形成的传输线的头部末端处引起的耦合信号

C₂₁＝由反转信号S_rev在通过第一传感导体和信号地形成的传输线的头部末端处引起的耦合信号

C₂₂＝由反转信号S_rev在通过第二传感导体和信号地形成的传输线的头部末端处引起的耦合信号。

[0016]两个传感导体都明显短于对应于使用频率的四分之一波，它们的长度例如是波长λ的1/20量级。传感导体可具有不同的长度，在图3的实例中，第二传感导体较短。由于传感导体短，因此基础和辅助耦合器两者的方向性都低。因此，从外侧到达输出端口P2的反转信号S_rev引起了相对强的、到相应于第一和第二传感导体的线头部末端的耦合信号。在根据本发明的定向耦合器中，这些耦合信号C₂₁和C₂₂具有相等的电平但相反的相位。因此，在测量端口的、由反转信号S_rev引起的总耦合信号为可忽略地小，由此使得整个定向耦合器的方向性变高。通过适当地构建传感导体的尺寸和定位传感导体，耦合信号C₂₁和C₂₂被布置为具有相等的电平。通过在其尾部末端处的匹配元件331来匹配由第一传感导体321和地形成的传输线，以及通过在其尾部末端处将由第二传感导体和地形成的传输线保留为开路，使得相位也合适地反相。匹配元件的阻抗Z₁典型是纯阻性的。此外，匹配原件可具有用于调谐定向耦合器(即用于确保所述相反相位)的电容性部件。或者，可通过放置在传输线(通过第二传感导体322和地形成的)尾部末端的调谐元件来实现定向耦合器的调谐，该元件可能是可调整的。在图3中，这种调谐元件已经被以虚线绘出，并且其阻抗被标记为Z₂。该阻抗例如是容性的，并且绝对值较高。相应于传感导体的传输线终止方式除了影响耦合信号的相位以外，还自然地影响它们的电平。

[0017]通过前向信号s_ff引起的耦合信号C₁₁和C₁₂还将在相应于传感导体的线的连接点处被加在一起。在该情况下，耦合信号并不彼此抵消，这是由于它们的相位差异并不大，并且耦合信号C₁₂的电平小于耦合信号C₁₁的电平。后一个事实如下引起：传感导体被再布置，以使得辅助耦合器的方向性更加低于基本耦合器的方向性，即C₁₁-C₁₂>C₁₂-C₂₂。由于C₂₁＝C₂₂，则C₁₁>C₁₂。因此，仅仅前向信号S_ff引起到测量端口的、可测量总耦合信号(因为事实也必须这样)。

[0018]图4a-c示出了根据本发明的实用定向耦合器。图4a是被拆开的定向耦合器400的透视图，以使得其大多数实质传导部分可见。定向耦合器的传输路径是共轴的，包括在该情况下是中间导体的传输导体410和为信号地GND一部分的相对大块外部导体405。外部导体包围着中间导体除了在其上的、与中间导体平行的开口。定向耦合器的传感导体421、422位于开口处，并与外部导体的外表面齐平。它们是平行于中间导体410的导体带，中间导体在未示于图4a中的小电介质板的下表面上，该小电介质板覆盖了外部导体的开口，即在传输路径的空腔侧的表面上。因此，传感导体在传输路径的间隙中，并且因此在传输路径中传播的信号的电磁场中。在所述板的上表面上，测量导体441垂直于传感导体，从测量导体到传感导体422的头部末端具有孔443。还有一个类似的孔从测量导体到第一传感导体的头部末端。在板之上有匹配元件431，其一端穿过孔被连接到第一传感导体的尾部末端，并且另一端被连接到信号地。

[0019]图4b示出了属于定向耦合器400的小电路板450。前述电介质板是该电路板的电介质支撑部分。电路板在将测量导体441连接到传感导体421、422的孔443处被示作截面图。在该实例中，电路板450具有两个电介质层，在它们之间具有与板尺寸相当的接地层GND。接地层相应于传感导体和测量导体形成了传输线的第二导体。另一方面，接地层电闭合了在传输路径的外部导体中的开口，已使得在传输路径的空腔中存在场。调整元件431的另一端穿过它自己的孔而被连接到接地层。定向耦合器的测量端口P3由测量导体441的外部末端和位于该处的接地层组成。

[0020]图4c示出了从电路板450侧看到的定向耦合器400。在电路板的上表面上，测量导体441和调整元件431是可见的。还是在图4c中绘出的是形成定向耦合器的输入端口P1和输出端口P2的连接器，该连接器被固定到定向耦合器的外部导体的平面端面。

[0021]定向耦合器的测量导体也可例如经过与传感导体垂直的电路板的下表面，在该情况下不需要用于传感导体的孔。接地层在该情况下可能定位在电路板的上表面上。

[0022]调整元件431可能例如是固定电阻器或PIN二极管。在后一种情况下，其电阻可能通过单独的、用于调谐定向耦合器的控制电压来被调整。电阻的调整也可能通过微调电位器来自然实现。调谐还例如可能通过与调整电阻器并联的电容性部件来实现。这可能是固定或微调电容器或电容二极管。

[0023]图5示出了根据本发明的实用定向耦合器的第二实例。通过将类似示于图4a-c中电路板的电路板550固定到在同轴电缆外部导体505中制造的开口，来构建该定向耦合器。同轴电缆在电路板550处的部分用作定向耦合器的传输路径。还绘制在图5中的是测量线570从定向耦合器的测量端口开始。

[0024]图6示出了根据本发明实践的实用的定向耦合器的第三实例。被测量信号的传输路径包括位于器件电路板PCB的上表面上的导体带610和位于电路板下表面上的与图1所示公知结构类似的接地层。第一传感导体621在导体带610或传输导体旁边，并且第二传感导体622位于传输导体另一侧的相同点处。传感导体的头部末端通过跳线645被在传输导体之上彼此相连。测量导体641对于其它部件而言实际上与第一传感导体621是同一导体带，测量导体641起始于第一传感导体621的头部末端并且垂直地远离传输导体。还在该实例中，匹配元件631被连接在第一传感导体的尾部末端和信号地之间。

[0025]传输路径穿过其中的电路板也可能自然地是多层电路板。在该情况下，传输导体带及传感导体和测量导体带有优势地在两个接地层的电路板之内。连接传感导体头部末端的导体可能在某中间层中。传输导体和传感导体可如图6所示是平行的或叠放在电路板的不同层中。

[0026]图7示出了根据本发明的定向耦合器特征的实例。曲线701示出了在测量端口处的、与前向信号电平成比例的信号电平变化，并且曲线702示出了测量端口处的、与反转信号电平成比例的信号电平变化。曲线是通过根据图4a-c的定向耦合器来测量的，在其中内部导体的直径为7mm并且外部导体的内径为16mm。第一传感导体的长度为约5mm，并且第二传感导体的长度约3mm。这些传感导体的距离为1mm，并且它们到传输导体的距离为10mm。通过微调电位器将定向耦合器调谐到其最优值。曲线701相应于图2中的曲线201，并且曲线702相应于图2中的曲线202。因此，以分贝表达的系数差指示了方向性的数值。从曲线可知，方向性在非常大的频率范围内是良好的。相对于示于图2的现有技术的改进是非常明显的。根据本发明的定向耦合器的方向性在约0.8-2.5GHz范围内超出了20dB的数值。例如，在1.9-2.2GHz范围中，方向性达到30dB或更好。

[0027]在根据本发明的定向耦合器的输入端口中的回波耗损在实践中与频率无关，这与公知定向耦合器形成对比。在耦合器的实例中(从中测量了图7的曲线)，回波耗损约15dB。

[0028]在说明书和权利要求书中，前缀“下”和“上”仅仅用于解释说明的目的。它们与定向耦合器的工作位置无关。

[0029]上文描述了根据本发明的定向耦合器结构。它们的实现方式可能在细节上与描述的不同。定向耦合器的传输路径可以是公知传输线结构的任何类型。在由独立权利要求1所设定的范围内，可通过不同方式来应用本发明的思想。

Claims

1.一种定向耦合器(300；400；600)，包括：输入端口(P1)；输出端口(P2)；测量端口(P3)；传输路径，其具有传输导体(310；410；610)、信号地(GND；405)及它们的间隙，以将被测量的信号从输入端口引导到输出端口；以及第一传感导体(321；421；621)，其位于所述间隙中且与所述传输导体平行，以形成与所述传输路径中的信号(Sff)的强度成比例的耦合信号，所述第一传感导体的头部末端被耦合到所述定向耦合器的所述测量端口，其特征在于：在所述传输路径的间隙中还存在平行于所述传输导体的第二传感导体(322；422；622)，所述第一和第二传感导体两者都明显短于对应于使用频率的四分之一波，所述传感导体的头部末端彼此连接并且还通过测量导体(341；441；641；645)连接到所述测量端口，并且所述传感导体被从其尾部末端耦合到所述信号地，并被设计和定位成使得在所述传感导体连接点处，由反转信号(Srev)引起的耦合信号基本等于的它们的幅度且相位相反，以抵消掉它们。

2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其包括基于所述第一传感导体(321；421；621)和所述传输导体(310；410；610)之间耦合的基本耦合器和基于所述第二传感导体(322；422；622)和所述传输导体之间耦合的辅助耦合器，其特征在于所述辅助耦合器的方向性明显低于所述基本耦合器的方向性。

3.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于所述传输路径是共轴的，在其外部导体(405；505)中存在与所述传输导体(410；510)平行的开口，以将所述传感导体(421；422)定位到所述间隙。

4.根据权利要求3所述的定向耦合器，其特征在于所述定向耦合器包括覆盖了所述开口的电路板(450)，所述电路板包括连接到所述信号地的接地层，所述第一传感导体(421)和第二传感导体(422)是位于所述电路板下表面上的导体带，所述测量导体(441)是电路板的基本上垂直于所述传感导体的导体带，并且调谐元件(431)位于固定到所述调谐元件(431)的电路板上表面一侧上。

5.根据权利要求1所述的定向耦合器，所述定向耦合器的传输路径包括至少一个接地层(GND)和用作属于器件电路板(PCB)的传输导体的导体带(610)，其特征在于所述第一传感导体(621)和第二传感导体(622)和所述测量导体(641)是属于所述电路板的导体带。

6.根据权利要求5所述的定向耦合器，其特征在于所述接地层位于所述电路板(PCB)的下表面上，所述传输导体(610)和所述传感导体在所述电路板的上表面上，所述第一传感导体(621)在所述传输导体的一侧上，并且所述第二传感导体(622)位于所述传输导体的另一侧上。

7.根据权利要求5所述的定向耦合器，其中所述电路板是多层板，其特征在于存在两个接地层，并且所述传输导体和所述传感导体平行地或一个在另一个之上地位于这些接地层之间。

8.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于所述第一传感导体通过基本上阻性匹配的元件(331；431；631)从其尾部末端被耦合到信号地，并且第二传感导体通过相对高的阻抗而从其尾部末端被耦合到信号地，作为所述在所述传感导体的连接点处由相位相反的反转信号引起耦合信号的布局的一部分。

9.根据权利要求8所述的定向耦合器，其特征在于所述匹配元件是固定电阻器、微调电位器、或PIN二极管。

10.根据权利要求8所述的定向耦合器，其特征在于所述匹配元件包括电阻器和可调整的电容性部件，所述可调整的电容性部件是电容二极管或微调电容器。

11.根据权利要求8所述的定向耦合器，其特征在于所述相对高阻抗意味着所述传输线具有开路的尾部末端。

12.根据权利要求11所述的定向耦合器，其特征在于所述相对高阻抗由具有小电容的固定或可调整的电容器组成。