CN101443951A - 定向耦合器 - Google Patents

Abstract

一种定向耦合器(500)，包括位于用作地线层的金属板(510)上的介电基底(501)。传输路径是悬置带线，从而使得在处于基底表面上的传输导体(520)下面的地线层上有凹部。传感导体(530)是位于基底表面上的尺寸非常小的导电带。它从首端连接到测量端口(P3)并从尾端经由端接电阻器(550)连接到小的地线带(515)。地线带在定向耦合器的输出端口(P2)侧紧邻传感导体。利用这种非对称结构，尽管传感导体的尺寸小，但可获得某种方向性。此外，在传感导体(530)下面的地线层上有凹部(506)，该凹部与传输导体(520)下面的凹部接合。通过适当地设置传感导体下面凹部的尺寸，使得在由它和地线层构成的线路中发生的偶和奇波形的速度相同，因而可以改善方向性。定向耦合器在电路板上是非常节省空间的。可以使用普通电路板材料作为基底，藉此，该板除了具有定向耦合器之外还可具有射频电路的其它部分。该定向耦合器不需要在制造中调谐。

Description

定向耦合器

技术领域

本发明涉及用于射频电路中的定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是与射频电磁场的传输路径有关的装置。它给出的测量信号电平传播到传输路径特定方向的场强度成正比。理论上，传播到传输路径的相反方向的场不影响测量信号的电平。定向耦合器具有至少三个端口：输入、输出和测量端口。进入输入端口的信号能量几乎全部引导通过耦合器到达输出端口，且该能量的一小部分传输给测量端口。定向耦合器在输入和输出端口之间的部分同时是无线电设备(其延续到例如发送器的天线)的传输路径的一部分。然后从测量端口接收与朝天线传播的实际场强度成正比的测量信号，该信号可以用于发送器的调节目的。调节准确性部分取决于定向耦合器的质量，即以相反方向传播的场相对于待测量场的效应被多么彻底地消除。

在该说明书和权利要求书中，“正向信号/场”指的是从定向耦合器的输入端口向输出端口传播的信号/场，“反向信号/场”指的是从定向耦合器的输出端口向输入端口传播的信号/场。

定向耦合器可以设计成若干种方式。它们大多数基于采用四分之一波长的传输线。图1示出了这种公知定向耦合器的示例。其中，待测量信号的传输路径包括传输导体120(其位于电路板PCB的上表面上的导电带)和信号地线GND(由电路板的导电下表面构成)。传输导体120的首端与局部信号地线一起构成定向耦合器的输入端口P1。相应地，传输导体的尾端与信号地线一起构成定向耦合器的输出端口P2。此外，在电路板PCB的上表面上有平行于传输导体的第二导电带130，该带的长度是定向耦合器的操作频率时波长λ的四分之一。导电带120和130之间的距离是例如它们离地线的距离的十分之一。第二导电带130远离传输导体延伸至第二导电带130的末端。第一延续部分135终止于第三端口或测量端口P3处。当定向耦合器使用时，如下电路已耦连到测量端口上，该电路的阻抗Z等于由定向耦合器的导电带与信号地线和介质一起构成的传输线的特征阻抗Z_O。第二导电带的第二延续部分136终止于第四端口P4(在此也称为隔离端口)。因而，该示例的定向耦合器具有四个端口，大多数其它定向耦合器也是如此。

第二导电带130用作传感导体：由于它与传输导体之间的电磁耦合，供应给输入端口的能量的一部分传输给传感导体的电路，传输给端口P3和P4的负载阻抗。当正向场的频率使得前述在图1表示的λ/4条件实现时，传递给测量端口P3的能量处于其最大值，传递给隔离端口P4的能量处于其最小值。后者能量在理想耦合器中为0，因为在耦合器中产生的偶波形和奇波形基于传感导体130在传输线的隔离端口端部处彼此抵消。耦合器的方向性基于这样一个事实。即，如果相等频率反向场在定向耦合器中存在，由于对称结构使得几乎没有能量传输给测量端口P3。方向性的质量表示为测量端口中的信号电平与隔离端口中的信号电平的比例。当以相反方向传播的场具有相等的频率和强度时，这与由测量端口中的正向场引起的信号电平与由测量端口中的反向场引起的信号电平的比例是一回事。

图2示出了根据图1的定向耦合器的方向性和频带宽度的示例。该图示出了作为频率函数的两个传输系数的曲线。曲线201示出了与输入信号电平成比例的测量端口中的信号电平的变化，曲线202示出了与输入信号电平成比例的隔离端口中的信号电平的变化。分贝表示的系数差异表示了方向性的值。从这些曲线可以看出，方向性在大约20dB时处于其最高值，该值仅在相对宽度仅为对应于四分之一波长的频率2.08GHz两侧上百分之几的频率范围中有效。方向性在1.92-2.25GHz的范围中超过值15dB，其相对宽度为约16％。曲线201也表示，在定向耦合器的操作范围中，测量端口中的信号电平比传播通过耦合器的信号电平低大约25dB。这意味着测量信号引起传播通过的信号的0.014dB衰减。

如果定向耦合器在导电带120和130的平行部分的长度对应于半波长的频率时使用，第三和第四端口的情况相反：传递给测量端口P3的能量处于其最小值，传递给隔离端口P4的能量处于其最大值。同样，如果定向耦合器在与对应于四分之一波长的频率相比较低的频率时使用，方向性非常低。

根据图1的定向耦合器的典型方向性的前述值20dB仍是不令人满意的。该相对普通的值由在隔离端口侧的彼此不完全抵消的偶和奇波形引起，因为除了传播给介电介质以外，奇波形也更大程度在空气中传播，在此情况下其速度更大。如果传输导体和传感导体布置在介电板内，且在这些导体上下方均有地线层，那么可获得方向性更好的结构。一种改进见于专利公布US6,549,089，其中在传输和传感导体二者与地线之间适当地增加电感。这可以用比四分之一波长更短的线圈或短路传输线支路。也可以用分立电容器进行调谐。调谐是相对困难的，且增加了定向耦合器的制造成本。此外，与基本结构相比其损耗增加。

图3a和3b示出了见于公布US6,822,532的定向耦合器，其中传输路径基本上是空气绝缘的。传输导体320是相对薄的介电基底301的上表面上的导电带，信号地线(即地线层GND)是位于离基底一定距离处的刚性金属板。在本说明书和权利要求书中，这种传输线称为“悬置带线(suspended stripline)”。图3a示出了从该结构中部获取的截面。可以看出，该结构对称地具有两个悬置的带线：在传输导体320处基底301的下表面上有用作定向耦合器的传感导体的带导体330，在基底下面具有与上面类似的地线层。地线层还构成用于结构的侧壁，从而形成导电和封闭的壳体。在图3b中，有由基底和导电带构成的电路板的俯视图。传输导体320沿其纵向方向通过基底的上表面的中部。靠近该板的一端，传输导体转向该板的长侧，与地线层一起构成定向耦合器的输入端口P1。靠近该板的另一端，传输导体转向该板的相对长侧，与信号地线一起构成定向耦合器的输出端口P2。输入和输出端口的距离是四分之一波长。在基底的上表面上，也有两个地线带311，312，从而使得传输导体在它们之间通过，这些带从其外边缘连接到信号地线。在输入端口P1侧上的端部处，传输导体320和第二地线带312彼此靠近一定距离。此外，传输导体具有朝向第一地线带311的突起321。相应地，在输出端口P2侧上的端部处，传输导体320和第一地线带311彼此靠近一定距离，且传输导体具有朝向第二地线带312的突起322。借助于这种形状，传输导体和信号地线之间的电容在传输导体的两端均增加，从而偶和奇波形的速度差降低。关于传感导体330，在基底301的下表面上有类似的布置。传感导体的端部与信号地线构成定向耦合器的测量端口P3和隔离端口P4。

上述结构的成本显著比电路板结构的定向耦合器的成本更高。使用λ/4长的线的所有定向耦合器的缺陷在于它们仅在相对窄的频率范围内令人满意地工作。此外，在许多应用中，它们需要不便利的大空间。

从公布FI 20040450可知一种定向耦合器，其中没有使用四分之一波长的线，而是使用位于待测量信号场中的相对小的探头。探头包括电阻器和某种导体表面。图4示出了在电路板上构造的这种定向耦合器的示例。电路板PCB在该示例中为多层板。在其中间层有直的第一导电带420(它是传输路径的传输导体)和平行于第一导电带420的地线带411(属于信号地线)。在其另一侧上平行于传输导体还可以通过第二地线带。除了地线带之外，信号地线包括电路板PCB的导电下表面，即地线层。在电路板的上表面上的传输路径上有位于传输导体420和地线带411上方的片状电阻器432。电阻器的第一端连接到带状第一测量导体441，第二端连接到带状第二测量导体442。由测量导体构成的测量线引向定向耦合器的测量端口P3。电阻器432用作测量线的端接电阻器和对传输路径上传播的电磁场强度进行传感的探头的一部分。探头的其它实质性部分包括传感导体431，传感导体431是在电阻器的定向耦合器的输入端口P1侧上紧跟在电阻器之后的第一测量导体的延伸部分。对于图3的结构，以大的频率范围获得了良好的方向性。

发明内容

本发明的目的在于用新颖的和有益的方式实现定向耦合器。根据本发明的定向耦合器特征在于独立权利要求1中所述的内容。本发明的一些有益实施例在其它权利要求中描述。

本发明的基本思想如下：定向耦合器的结构包括位于用作地线层的金属板上的介电基底。传输路径是悬置带线，以致在处于基底表面上的传输导体下面，在地线层上有凹部。传感导体是位于基底表面上或位于其层上的非常小尺寸的导电带。它从首端连接到测量端口并从尾端经由端接电阻器连接到小的地线带。地线带在定向耦合器的输出端口侧紧跟在传感导体之后。利用这种非对称结构，尽管传感导体的尺寸很小，但可获得某种方向性。此外，在传感导体下面，在地线层上有凹部，该凹部接合在传输导体下面的凹部。通过适当地设置传感导体下面凹部的尺寸，使得在由它和地线层构成的线路中发生的偶和奇波形的速度相同，因而可以改善方向性。

本发明的益处在于具有良好方向性的定向耦合器可以实施为非常小的尺寸。这意味着显著节省了定向耦合器的导电带所处的电路板的空间。本发明的又一益处在于根据本发明的定向耦合器的损耗相对低，因为是用悬置带线作为传输路径。与此相关，从成本上来说可以负担得起的常规电路板材料可以用作基底。由此还得到一个益处，从制造成本和电力特性上来说可以采用电路板，该板除了定向耦合器之外也可以具有射频电路的其它部分。本发明的附加益处在于根据本发明的定向耦合器不需要在制造中调谐，由此显著地节省了成本和增加了可靠性。

附图说明

现在将详细描述本发明。这些描述将参考如下附图：

图1示出了根据现有技术的定向耦合器的示例，

图2示出了根据现有技术的定向耦合器的特性的示例，

图3a，b示出了根据现有技术的定向耦合器的第二示例，

图4示出了根据现有技术的定向耦合器的第三示例，

图5a-c示出了根据本发明的定向耦合器的示例，

图6示出了根据本发明的定向耦合器的第二示例，

图7示出了根据本发明的定向耦合器的第三示例，

图8示出了在根据本发明的定向耦合器中的传感导体的形状的更多示例，和

图9示出了根据本发明的定向耦合器的特性的示例。

具体实施方式

图1-4已经结合现有技术进行了描述。

图5a-c示出了根据本发明的定向耦合器的示例。在从上方观察耦合器的图5a中，在从输入端口侧观察的图5b中，在作为透视图的图5c中，根据图5a和5b的定向耦合器仅有地线层。定向耦合器500包括相对大块的地线层510和在它顶上的介电基底501。在该示例中，定向耦合器的传输导体520和传感导体530是位于基底的上表面上的导电带。在基底的上表面上也有地线带515。在该示例中，基底的下表面用与地线层接触的导体大量地涂上涂层，因而其为信号地线GND的一部分。至少对基底的紧固点形成这种涂层以改进接地性是明智的。此外，除了前述地线带之外，在基底的上表面上可以有一些信号地线。基底和它的导体及与它相连的部件构成了电路板PCB。在地线层上，在传输导体520下面有对应其全长的槽状凹部505。由此，传输路径基本上是空气绝缘的，且其类型为悬置带线。通过适当地选择凹部的深度，可根据期望设定传输路径的阻抗。

传感导体530非常小。其电长度为例如仅波长λ的1/80。这样的长度仅为某些定向耦合器所用长度λ/8的十分之一。在该示例中，传感导体紧跟在传输导体之后，它们之间的距离例如为波长的1/400。传感导体从其首端连接到测量端口P3，测量导体541相对于传输导体垂直，该测量导体具有与传感导体相同的导电带。从测量端口观察，在传感导体的首端处有均匀加宽的部分531，以改进整个测量结构的阻抗匹配。传感导体530的尾端连接到端接电阻器550的一端。“尾端”意味着传感导体上最靠近输出端口那一侧。当考虑传感导体的加宽首端时，传感导体产生沿其中心线的大约90度的弯头，尾端平行于所述传输路径。电阻器550的第二端继而连接到所述地线带515。在该示例中，地线带的尺寸具有与传感导体的尺寸相同的量级。在该示例中，它已经用整个电路板PCB的紧固螺钉SCW牢固地连接到地线层，此外，从地线带到基底下表面的导电涂层有通路。地线带515在定向耦合器的输出端口P2侧上紧邻传感导体定位。借助于这种关于传输路径法线非对称的结构，尽管传感导体的尺寸很小，但仍可获得某种方向性。

同样，在传感导体530下面有位于地线层510上的凹部。在该示例中，该凹部506在传输导体下面接合凹部505。通过适当地设置传感导体下面凹部的尺寸，在由它和地线层构成的线路中发生的偶和奇波形的速度相同，因而可以改善方向性。例如，在以频率范围0.9GHz工作的定向耦合器中的凹部506的最佳深度为5mm的量级。

图6示出了根据本发明的定向耦合器的第二示例。关于其基本结构，定向耦合器600类似于上述定向耦合器500。区别在于传输导体620此时以空气绝缘的悬置带线处于基底601的下表面上，基底上表面上的传感导体630此时部分处于传输导体上面。这种位置改变了传输导体和传感导体之间的耦合，从而改变定向耦合器的特性。传感导体当然可以全部位于传输导体的上方。

图7示出了根据本发明的定向耦合器的第三示例。关于其基本结构，定向耦合器700类似于图5a-c和6所示的定向耦合器。区别在于定向耦合器此时还包括位于电路板上方的金属盖771。盖从其边缘抵靠地线层710或电路板的上表面上的地线而弯曲。这种盖用作对外部干扰磁场的屏蔽，另一方面也自然会影响属于定向耦合器的传输线的阻抗。此外，它影响由它和地线层构成的线路中发生的偶和奇波形的速度。借助于位于传感导体下面的凹部可使这些速度相等，如上所述同理，所述盖可以在传感导体处包括适当地设计的导电突起771。

图8示出了根据本发明的定向耦合器中的传感导体的形状的更多示例。子图(a)示出了传感导体83a、地线带GND以及连接在它们之间的端接电阻器850。用灰色箭头标示的待测量信号传输方向使得地线带相对于传感导体位于定向耦合器的输出端口侧上。传感导体形状类似于图5a，区别在于它还包括平行于传输路径的突起835，作为其尾端的延续部分。利用这种突起，可以改变传输和传感导体之间的耦合，因而对定向耦合器进行调谐。在子图(b)中，传感导体83b中有与子图(a)所示的传感导体中类似的调谐突起836。区别在于，传感导体83b沿其中心线大致垂直于传输路径，除了突起836之外。因而，用前述标准来判断，该传感导体不具有平行于传输路径的部分。在子图(c)中，传感导体83c继而沿其中心线弯曲平行于传输路径，包括加宽部分。

图9示出了根据本发明的定向耦合器的特性的示例。曲线901示出了与输入信号电平成比例的测量端口中的信号电平的变化，曲线902示出了与相同电平的反向信号电平成比例的测量端口中的信号电平的变化。这些曲线是从根据图5a-c的定向耦合器中测量的，这种定向耦合器可用于工作于GSM900系统中的装置。曲线901对应于图2的曲线201，曲线902对应于图2的曲线202。于是，以分贝表示的系数差异代表了方向性的值。这些曲线表示，方向性在频率范围0.89-1.04GHz内为至少25dB，相对值为16％。在图2中，这种频带宽度仅获得大约15dB的方向性。因而，与图2所示的现有技术相比，尽管定向耦合器更小，但改进却非常显著。

在该说明书和专利权利要求书中，修饰词“下”和“上”以及“下方”、“上方”和“俯视图”指的是定向耦合器的位置，其中电路板处于水平位置，且地线层处于最下方。定向耦合器的使用位置固然可以为任何一种位置。

上文描述了根据本发明的定向耦合器的结构。其实施细节可以不同于所述内容。例如，基底可以是多层的，从而使得由传输导体、传感导体和地线带构成的多个导电带中的至少一个可位于基底内部。在独立权利要求1设定的界限内，本发明的构思可实施为不同的方式。

Claims (13)

1.一种定向耦合器(500；600；700)，包括：位于用作地线层的金属板(510；610；710)顶上的介电基底(501；601；701)、输入端口(P1)、输出端口(P2)和位于它们之间的传输路径，该路径是悬置带线，使得在基底表面上的传输导体(520；620；720)下面的地线层上有凹部(505；605)，还包括传感导体(530；630；730)，所述传感导体(530；630；730)是基底表面上的导电带，所述传感导体的首端连接到定向耦合器的测量端口(P3)，尾端连接到端接电阻器(550；850)，其特征在于，所述传感导体(530；630；730)明显比八波小，所述定向耦合器还包括连接到所述地线层(510；610；710)以获得方向性的地线带(515)，该地线带在输出端口(P2)侧紧邻传感导体定位，所述端接电阻器的一端已经连接到所述地线带，在传感导体下面的地线层上有凹部(506)以改善方向性。

2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述传感导体(530；730)在基底(501；701)的上表面上紧邻传输导体(520；720)。

3.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述传感导体(630)位于所述基底(601)的上表面上，所述传输导体(620)以空气绝缘的悬置带线位于所述基底的下表面上，所述传感导体(630)此时至少部分地位于所述传输导体上方。

4.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，还包括金属盖(770)，所述金属盖(770)在所述基底上方且与信号地线(GND)电流连接。

5.根据权利要求4所述的定向耦合器，其特征在于，所述盖包括导电突起(771)，所述导电突起(771)朝所述传感导体(730)被引导，使得由传感导体和地线层构成的线路中发生的偶和奇波形的速度相等。

6.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，传感导体(530)下面的地线层(510)上的凹部(506)与传输导体(520)下面的地线层上的凹部(505)接合。

7.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，从测量端口(P3)观察，在传感导体(530；83a；83b；83c)的首端处有均匀加宽的部分(531)，以改进正向信号的整个测量装置的阻抗匹配。

8.根据权利要求7所述的定向耦合器，其特征在于，所述传感导体(530；83a)沿其中心线弯曲大约90度，且尾端平行于传输路径。

9.根据权利要求7所述的定向耦合器，其特征在于，所述传感导体(83c)沿其中心线整个平行于传输路径。

10.根据权利要求7所述的定向耦合器，其特征在于，设置有平行于传输路径的突起(835；836)作为传感导体(83a；83b)的尾端延续部分，以调谐定向耦合器。

11.根据权利要求10所述的定向耦合器，其特征在于，除了所述突起(836)之外，所述传感导体(83b)沿其中心线基本上垂直于传输路径。

12.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述基底(501)的下表面已经用导体大部分地进行了涂层，所述导体与地线层(510)接触，因而是信号地线(GND)的一部分。

13.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述基底是多层的，且由传输导体、传感导体和地线带构成的导电带中的至少一个导电带位于所述基底内部。

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