CN101938272B - 多频段耦合电路 - Google Patents

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Abstract

一种分布式多频段耦合电路，包括：等于频段数量的数量为n的第一端子和第二端子；第三端子和第四端子；等于频段数量的数量为n的分布式耦合器，所有耦合器是相同的，并且根据最高频段确定其尺寸，每个耦合器包括在第一和第二端口之间的、用于传送将以相关频段发送的信号的第一传导线以及在第三和第四端口之间的、与第一传导线耦合的第二传导线；在耦合器的第三端口之间级联连接的第一组电阻分配器，与第一耦合器关联的电阻分配器的端子被连接至耦合电路的第三端子；以及在耦合器的第四端口之间级联连接的第二组电阻分配器，与第一耦合器关联的电阻分配器的端子被连接至耦合电路的第四端子。

Description

多频段耦合电路
技术领域
本发明一般涉及电子工业，更具体地涉及无线电收发机系统。更具体地，本发明涉及多频段双向耦合器。
背景技术
耦合器通常用于采样所谓主传输线或初级传输线上的功率的一部分，以将其引向位于附近的另一所谓的耦合线或副线。根据耦合器是由离散无源元件形成(集总元件耦合器)还是由待耦合的彼此足够近的传导线形成(分布式耦合器)，耦合器能够被分成两类。本发明涉及第二类耦合器。主线的端口通常被指定为IN(输入)和OUT(输出)。耦合线的端口通常被指定为CPLD(被耦合的)和ISO(被隔离的)。
在许多应用中，需要采样通过线路传输的功率的一部分，例如以控制发送系统中的放大器的功率，根据与天线的反射有关的损耗来控制发送机放大器的线性，动态匹配天线，等等。
耦合器的主要参数为：
插入损耗，表示主线的端口IN和端口OUT之间的传输损耗(插入损耗被定义为在耦合器的另两个端口CPLD和ISO带有50欧姆阻抗的负载时的损耗)；
耦合度，表示端口IN和端口CPLD之间的传输损耗(因而耦合度被定为在这两个端口OUT和ISO带有50欧姆阻抗的负载时的损耗)；
隔离度，表示端口IN和端口ISO之间的传输损耗(隔离度被定义为在另两个端口OUT和CPLD带有50欧姆阻抗的负载时的损耗)；以及
方向性，表示从端口IN到端口ISO的传输损耗与从端口IN到端口CPLD的传输损耗之间的差。
理论上，理想耦合器表现出无穷大的方向性，也就是说，当信号从理想耦合器的主线的输入端口流向输出端口时，在位于该主线的输出端口前面的、其副线的端口上不存在功率。实际上，当耦合器的方向性对于在其副线的入口上恢复的功率而言足以使得能够确定主线中的功率流方向时(典型为大于20dBm)，该耦合器被称为是定向的。当耦合器的副线的两个端口被用于同时具有功率信息时，该耦合器被称为是双向的。
无线电收发机设备日益能够在数个频段中操作。例如移动电话便是这样的情况，手机已从双频发展成三频，然后发展成四频。
在发送模式和接收模式两者下，从而收发机链包括与设备能够处理的频段一样多的路径。每个路径与根据待处理的频段而确定尺寸的耦合器相关联。特别地，主线和副线的长度取决于该频段。
这种对于不同尺寸的耦合器的需要使得制造变得复杂。此外，对于不同长度的耦合器，方向性随耦合器不同而变化，这是不期望的。
在耦合器中，若其副线的两个端口和其主线的输出端口完美匹配，则不发生散乱反射。不幸的是现实中无法获得这样的完美匹配。特别地，通过耦合对功率部分进行采样的端口很少被理想地匹配。结果，散乱反射关于所恢复的信息产生错误。
从其采样信息的耦合器副线的端口的不匹配可能具有不同的原因。最经常地，耦合器被置于与其他电路相关联的绝缘基板(例如，印刷电路类型的绝缘基板)上。因而不能够确保测量端口的完美匹配(典型为50欧姆)。此外，若耦合器具有不同的尺寸，则该匹配存在随着耦合器不同而改变的风险。
发明内容
因此，本发明至少一个实施例的目的在于，克服每个路径使用一个耦合器的多频段无线收发机结构的所有或者部分缺点。
本发明实施例的目的在于，减小多频段耦合结构的体积。
本发明实施例的另一目的在于，通过使得测量对连接至测量端口的电路的匹配变化几乎不敏感或者不敏感来提高测量的可靠性。
为实现这些目的中的全部或者部分以及其他目的，本发明的一个实施例提供一种分布式多频段耦合电路，包括：
等于频段数量的数量为n的第一端子和第二端子；
第三端子和第四端子；
等于频段数量的数量为n的分布式耦合器，所有所述耦合器是相同的，并且根据最高频段确定其尺寸，每个耦合器包括：在第一和第二端口之间的、用于传送将以相关频段发送的信号的第一传导线，以及在第三和第四端口之间的、与所述第一传导线耦合的第二传导线；
在所述耦合器的第三端口之间级联连接的第一组电阻分配器，与第一耦合器关联的所述电阻分配器的端子被连接至耦合电路的第三端子；以及
在所述耦合器的第四端口之间级联连接的第二组电阻分配器，与第一耦合器关联的电阻分配器的端子被连接至耦合电路的第四端子。
根据本发明的一实施例，与最后一个耦合器关联的各电阻分配器的端子通过电阻元件被接地，该电阻元件的值为所述电阻分配器的各电阻元件的值的三倍。
根据本发明的一实施例，与序号为n-1的耦合器关联的电阻分配器被连接至序号为n的耦合器的第三端口和第四端口。
根据本发明的一实施例，每个电阻分配器包括三个具有相同值的电阻器。
根据本发明的一实施例，电阻分配器的阻值被选择成对应于电路的匹配阻抗的三分之一。
根据本发明的一实施例，每个耦合器的第二传导线大致在其中间处断开，两个中间端被连接至衰减器。
本发明还提供一种射频信号的多频段发送或接收电路，包括：
与存在的频段一样多的放大器；
耦合电路；以及
由不同放大器所共用的、用于测量从耦合电路的第三端口采样得到的信息的电路。
在下文中的结合附图对具体实施例的非限制性描述中详细讨论本发明的前述目的、特征以及优点。
附图说明
图1为一般类型的无线传输链的框图形式的简化表示；
图2为多频段无线传输链的一实施例的框图；
图3示出第一多频段耦合电路方案；
图4示出多频段耦合电路的一实施例；
图5根据频率示出图4所示电路的耦合因子；
图6详细示出图4所示电路的每个耦合器的构成；
图7根据频率示出图4所示电路的方向性的变化；
图8部分地示出图4所示电路的变型。
具体实施方式
在不同的附图中，以相同的标号表示相同的元件。出于清楚起见，仅示出和描述有助于理解本发明的那些元件。特别地，未详细示出和描述多频段耦合结构的上游和下游电路，本发明与常用的电路兼容。
图1为能够以数个频段传输的传输链的一般示例的框图。该类型的电路例如配备于移动电话类型的通信设备。
电子发送电路10(发送，SEND)能够根据所使用的频段产生待发送的信号Txi(i在1与n之间的范围内)。这些信号被发送至功率放大器11i(PA)，其输出分别通过以虚线示出的各种处理和匹配电路12i。例如，但是为非限制性的，这样的电路12i包括针对发射天线13i的阻抗匹配装置。为了能够调节放大器11i或任何其他元件(可调阻抗匹配网络等)的功率，耦合器2i例如被插接在电路12i的输出端与相应的天线之间。路径分离器(未示出)可被插接在耦合器与天线之间。使用这样的分离器将发送与由射频接收线路(未示出)处理的接收分隔开。
每个耦合器2i包括被插接在放大器11i与天线13i之间(或在电路12i的输出端与天线13i之间)的主线。所谓的端口或者入口IN位于放大器11一侧，而所谓的端口或者接口OUT(有时被称为DIR)位于天线13i一侧。耦合器的耦合线或副线采样主线的功率中的一部分。耦合器的端口CPLD(对应于副线的、在端口IN这一侧的端部)提供关于测量的信息。该信息例如取决于由于天线反射造成的损耗。对于定向耦合器，副线的、在端口OUT这一侧的端部ISO未被使用。其负载有电路的参考阻抗(典型为50欧姆)。在图1所示的示例中，提供关于由天线产生的反射损耗的指示(indication)的测量被用于借助于用于检测相应耦合器的端口CPLD上的电平的电路14i(检测，DETECT)以及用于接收由检测器测得的信息并控制相应放大器11i的增益的电路15i(CTRL)来匹配放大器增益。
对天线的反射损耗的测量也可使得能够实现天线的动态匹配(若所述天线具有该功能)。
如前面所指出的那样，增加控制和检测电路对无线传输线的小型化有不利影响。此外，在大多数的应用中并且特别是在移动电话中，在给定的时间使用单个线路，使得期望能够至少共享控制和检测电路。
相比于图1所示的框图，图2为示出具有多频段耦合电路的射频传输链的框图。
如上所述，具有n个路径的电路10能够产生在不同频段上的信号Txi(i在1与n之间的范围内)，这些信号被发送至增益可调的发射机放大器11i。放大器11i的各输出被发送至多频段耦合电路3的n个输入端INi。该电路包括相同数量的用于被连接至分配给不同频段的天线13i的输出端OUTi。在图2所示的示例中，以虚线示出了分离器(SPLIT)16，其用于在天线13i级将发送流与接收流分隔开，并且将信号Rxi提供至接收线路(未示出)。电路3仅包括一个CPLD端口和一个ISO端口。端口CPLD被连接至检测器14，该检测器14的输出端被连接至控制电路15。控制电路15的输出端被连接至放大器11i的各增益控制输入端。用于对信号进行切换和路由的电路可被插接在控制电路15与放大器11i的增益控制输入端之间。
图3示出能够用在图2所示链中的多频段耦合电路3’的当前示例。电路3’包括n个耦合器2i，耦合器2i使其主线的各输入端和输入端限定电路3’的不同端子INi和OUTi。不同耦合器2i的端子CPLDi和ISOi通过阻抗匹配网络被连接至电路3’的端子CPLD和ISO。典型地，每个端子CPLDi通过两个电阻器R1的串联连接而被连接至端子CPLD，这些电阻器中的一个由所有所述串联连接共享。在端子ISO这一侧重复相同的结构。所有电阻器R1具有相同的电阻值。根据耦合器所期望的阻抗R(典型为50欧姆)计算该电阻值，且该电阻值对应于R1＝R(n-1)/(n+1)。利用这样的值，获得取决于频段数量的两个端口之间的衰减。
因为耦合对于所有频段应该是恒定的，以使得能够独立于所涉及的频段进行适当的检测和测量，所以耦合器2i根据频段具有不同的线路长度。实际上，这些长度对应于分立的耦合器(图1)的那些长度。这导致更大的制造复杂度。此外，因为耦合器方向性取决于线路长度，所以方向性不同。因此不能够获得对于所有频段恒定的方向性。
图4示出使得能够获得对于所有频段大致相同的方向性的多频段耦合电路3的实施例。
如在图4所示的电路中，分布式耦合器31i被分配给每个频段。然而，所有耦合器31i具有相等的线路长度并且优选是相同的(在形状、材料等方面)。线路长度相同导致耦合器都具有相同的固有方向性，因此在耦合电路中具有独立于频段的方向性。
每个端口CPLDi和每个端口ISOi通过对应于其序号i的多个电阻级34i、35i分别被连接至电路3的相应端子CPLD、ISO。每个电阻级34i或者35i包括三个为T形结构且形成电阻分配器的电阻器R2。每个耦合器31i的端子CPLDi、ISOi分别被连接至其电阻级34i、35i的第一电阻器R21的一端。该第一电阻器R21与同级的第二电阻器R22串联，以被连接至下一个耦合器(就序号i而言)的电阻级34i+1、35i+1的第三电阻器R23(除了最后一个耦合器31n的最后的电阻级34n和35n第二电阻器R22)。除了第一耦合器311的电阻级341和电阻351，电阻级34i、35i的第一电阻器R21和第二电阻器R22的连接点分别通过该电阻级的第三电阻器R23被连接至前一耦合器的电阻级34i-1、35i-1的第二电阻器R22。第一耦合器311的电阻级341和351的第三电阻器R23分别被连接至电路3的端子CPLD和ISO。最后一个耦合器31n的电阻级34n和35n的第二电阻器分别通过电阻器R3被接地。电阻器R3的值对应于电阻器R2的值的三倍。因此在不同的耦合器之间以级联(cascade)方式形成电阻分配器34i。功能上，每个耦合器在其端口CPLDi上接有阻值为R3的电阻器，并且电路3的端子CPLD也接有阻值为R3的电阻器。端子ISO和ISOi同样如此。
图5示出利用诸如图4所示的耦合电路3根据频率获得的耦合因子CF的示例。假设电路具有四个耦合器31i，耦合器31i的各自响应由耦合器的参考标记(311至314)表示。能够看到，耦合因子相对于频率的曲线根据耦合器不同而偏移6dB。因此能够根据方向性以及根据最大频段所期望的耦合因子(例如对于耦合器314，期望在5GHz处获得-30dB的耦合度)来确定耦合器的尺寸。于是，对于更低的频段，由电阻级34i和35i提供的相继的衰减提供-30dB的耦合因子。
每个分配器引入6dB的衰减。相应地，在电路3的端口CPLD与耦合器31i的端口CPLDi之间的衰减正比于该耦合器的序号i，并且等于该电阻级的序号乘以6dB。
优选地，耦合器31i具有针对方向性的改进结构，以避免发生某些故障，例如检测错误，若反射损耗对应于大于方向性的衰减(被反射的信号衰减得比方向性系数更多)，则在图1所示类型的耦合器中发生该检测错误。
实际上，认为从20dB的方向性开始耦合器是符合要求的。至于耦合因子，通常要求耦合度低于-30dB，以避免所发送的信号过强地衰减(-30dB的耦合度对应于采样所传输的功率的千分之一)。
图6示出用在图4所示电路中的类型的改进了方向性的耦合器31i的一实施例。分布式耦合器31i包括主线321，用于通过其两个相应的输入和输出端口或者端子INi和OUTi被插接在传输线上。由平行于主线321的两个部分322和323形成的副线限定用于传送与线路321中所传输的功率成比例的信息的端口或者端子CPLDi和ISOi。所述部分322和323优选是对称的，即具有相同的长度。部分322和323的各自的外端被连接到端口CPLDi和ISOi。部分322和323的各自的内端被连接至衰减器324和325。每个衰减器例如由三个PI耦接的电阻器R构成。在线路的每端322或者323处串联地插接第一电阻器R，而另两个电阻器R将第一电阻器的两端接地。对于衰减器324和325来说，电阻器R的值完全相同。
衰减器324和325优选被选择成提供至少等于耦合器方向性的一半的衰减。以具有-30dB的方向性的耦合器为例，这意味着，衰减器324和325每个至少具有15dB的衰减。图5所示的耦合器结构使得能够去除存在于端口CPLDi和ISOi上的负载的影响。实际上，这样的耦合器被制成为由绝缘基板支撑的传导迹线的形式。多数情况下，线路是直线，且根据耦合器2的操作频率选择其长度(例如，线路321的长度为λ/2的倍数)。例如结合图6所述的耦合器对应于描述在法国专利申请No.07/59185(07/TO/295-296，B8533)中描述的双向耦合器。
图7根据频率示出耦合电路3的方向性的曲线。该曲线在25dB附近是大致平坦的。
对于具有大致为1mm的线路长度和50欧姆的匹配值R3以及因此为16.67欧姆的阻值R2的耦合器获得图5和图7示出的示例。对于-30dB的耦合因子，级的各自频率对于耦合器314而言对应于5GHz、对于耦合器313而言对应于2.4GHz、对于耦合器312而言对应于1.2GHz、以及对于耦合器311而言对应于800MHz。
图8示出图4所示结构的变型，其中，通过将最后一个耦合器31n的端子CPLDn和ISOn连接至n-1级的衰减器的相应第二电阻器R22来用最后一个耦合器31n取代电阻器R3。这样的实施例使得能够获得性能类似于前一级的性能的最后一级，并且例如可用于最后两个频段彼此接近的应用中。
实际上，更具体地，本发明的实施例所针对的应用的传输链的频段数量为3至4个频段的量级。
所描述的结构与耦合器和电阻器的集成相兼容。其使得能够通过使得可针对最高频率确定耦合器线路的尺寸而赢得空间。
在上文中描述了具有不同变化的各个不同实施例。应注意，本领域技术人员能够在不付出任何创造性劳动的情况下组合这些各个不同实施例和变型中的各个不同元件。
此外，基于给定的功能指标实际形成上述多频段电路在本领域技术人员的能力范围内。例如，根据所期望的阻抗匹配可修改对耦合器的电阻值的选择。
此外，尽管结合发送链的示例更加具体地描述了本发明，但是所描述的多频段耦合电路也可用在接收链路中。

Claims (7)

1.一种分布式多频段耦合电路(3)，包括：
等于频段数量的数量为n的第一端子和第二端子；
第三端子和第四端子；
等于频段数量的数量为n的分布式耦合器(31i)，所有所述耦合器是相同的，并且根据最高频段确定其尺寸，每个所述耦合器包括：在第一和第二端口之间的、用于传送将以相关频段发送的信号的第一传导线(321)，以及在第三和第四端口之间的、与所述第一传导线(321)耦合的第二传导线(322、323)；
在所述耦合器的第三端口之间级联连接的第一组电阻分配器(34i)，所述第一组电阻分配器中的与第一耦合器关联的电阻分配器的端子被连接至所述耦合电路的第三端子；以及
在所述耦合器的第四端口之间级联连接的第二组电阻分配器(35i)，所述第二组电阻分配器中的与第一耦合器关联的电阻分配器的端子被连接至所述耦合电路的第四端子。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一组电阻分配器与所述第二组电阻分配器中的与最后的耦合器关联的各电阻分配器(34n、35n)的端子通过电阻元件(R3)被接地，所述电阻元件(R3)的值为所述第一组电阻分配器与所述第二组电阻分配器中的电阻分配器的各电阻元件(R2)的值的三倍。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一组电阻分配器与所述第二组电阻分配器中的与序号为n-1的耦合器关联的电阻分配器被连接至序号为n的耦合器的第三端口和第四端口。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一组电阻分配器与所述第二组电阻分配器中的每个电阻分配器(34i、35i)包括三个具有相同值的电阻器(R21、R22、R23)。
5.根据权利要求4所述的电路，其中所述第一组电阻分配器与所述第二组电阻分配器中的电阻分配器(34i、35i)的阻值被选择成对应于所述耦合电路的匹配阻抗的三分之一。
6.根据权利要求1所述的电路，其中每个所述耦合器的第二传导线大致在其中间处断开，两个中间端分别被连接至对应的衰减器。
7.一种射频信号的多频段发送或接收电路，包括：
与存在的频段一样多的放大器；
根据权利要求1所述的耦合电路(3)；以及
由不同放大器所共用的、用于测量从所述耦合电路的第三端子采样得到的信息的电路(14)。
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