CN102948008B - 用于定向耦合器的夹层结构 - Google Patents

Abstract

一种实施于诸如多层印刷电路板的多层基板中的夹层条带耦合的耦合器。在一个示例中，该夹层条带耦合的耦合器包含主臂和耦合臂，该主臂具有第一主臂部分及设置于该第一主臂部分的上方的第二主臂部分，该第一主臂部分与第二主臂部分被电连接在一起，该耦合臂设置于该第一主臂部分与该第二主臂部分之间，该第一主臂部分、该耦合臂及该第二主臂部分形成夹层结构。

Description

用于定向耦合器的夹层结构

技术领域

本发明总地涉及电子传输线器件的领域，且更具体地涉及定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是用在许多射频(RF)应用中的无源器件，所述应用包含例如功率放大器模块。定向耦合器按照已知量将传输线中的一部分传输功率通过另一端口耦合出（在微带耦合器或带状线耦合器的情况下，通过使用两条传输线，这两条传输线被设置为足够接近在一起，使得穿过一条传输线的能量被耦合到另一条传输线）。如图1中所示，定向耦合器100具有四个端口，即输入端口P₁、传输端口P₂、耦合端口P₃及隔离端口P₄。术语“主线”指耦合器的介于端口P₁与P₂之间的传输线部分110。术语“耦合线”指平行于主线110延伸且介于耦合端口P₃与隔离端口P₄之间的传输线部分120。通常，该隔离端口P₄端接一内部匹配负载或外部匹配负载，例如，50Ohm负载或75Ohm负载。应理解，由于该定向耦合器为线性器件，图1上的标号是任意的。任何端口可以是输入端口，其将导致被直接连接的端口为传输端口，相邻的端口为耦合端口，对角线的端口为隔离端口(对于带状线耦合器和微带耦合器)。

带状线耦合器和微带耦合器被广泛实施于功率放大器模块，尤其是用于电信应用中的功率放大器模块，所述功率放大器模块使用多层层压印刷电路板(PCB)，因为这样易于制作且成本低。传统上，通过将主RF线210及耦合线220放置于两个垂直相邻的PCB层上且维持该两个结构的重叠以提供RF耦合，如图2中所示，来实现这些耦合器。

发明内容

各个方面及实施例针对的是一种条带耦合的耦合器（strip coupledcoupler）设计，在该耦合器设计中，相对于传统的条带耦合的耦合器设计，可以用减小的尺寸实现指定的耦合因子，且该耦合器设计也维持高定向性。根据一个实施例，使用“夹层”结构来提供主线与副/耦合线之间的更强的耦合，其中该主线实施于通过通孔连接的两个层中，且副臂位于该两个主线层之间，如下文进一步讨论的那样。

根据一个实施例，一种多层条带耦合的耦合器包括：形成于多层基板中的第一金属层中的第一主臂部分，形成于该多层基板中的该第一金属层上方的第二金属层中的第二主臂部分，该第二主臂部分与该第一主臂部分垂直对齐且并联电连接至该第一主臂部分；和形成于该多层基板中的第三金属层中的耦合臂，该耦合臂设置于该第一主臂部分与该第二主臂部分之间，该耦合臂通过第一介电层而与该第一主臂部分分开且通过第二介电层而与该第二主臂部分分开。该第一主臂部分、该耦合臂及该第二主臂部分在多层基板中垂直地对齐且形成夹层结构。该多层条带耦合的耦合器还包括：位于该第一主臂部分的输入附近的第一通孔，该第一通孔将该第一主臂部分与第二主臂部分并联地电连接；和第二通孔，其位于该第一主臂部分及第二主臂部分的相对于所述输入的远端（distal end）附近，该第二通孔将该第一主臂部分与该第二主臂部分并联地电连接。在一个示例中，该多层基板为多层印刷电路板。在一个示例中，该耦合臂位于该第一通孔与第二通孔之间。在另一个示例中，该第一主臂部分与第二主臂部分中的电流方向相同。在另一个示例中，该第一主臂部分与第二主臂部分及该耦合臂包含铜迹线。

根据形成在多层印刷电路板中的条带耦合的耦合器的一个实施例，该条带耦合的耦合器包括形成于该多层印刷电路板的第一层中的第一主线部分、形成于该多层印刷电路板的第二层中的第二主线部分、形成于该多层印刷电路板的第三层中的耦合线、和至少一个通孔，该第三层设置于该第一层与该第二层之间，且该耦合线设置于该第一主线部分与该第二主线部分之间，且该耦合线、该第一主线部分与该第二主线部分垂直对齐，所述至少一个通孔将该第一主线部分并联地电连接至该第二主线部分。

在条带耦合的耦合器的一个示例中，该第一层、第二层及第三层为该多层印刷电路板的金属层。例如，该第一主线部分及该第二主线部分及该耦合线可以是印刷铜或金迹线。在一个示例中，该至少一个通孔包含位于该第一主线部分的近端附近的第一通孔及位于该第一主线部分的远端附近的第二通孔。在一个示例中，耦合线位于第一通孔和第二通孔之间。条带耦合的耦合器还可包括：输入端口，其被耦合至该第一主线部分及该第二主线部分中的每一个的近端；和耦合端口，其被耦合至该耦合线的近端，该耦合线的近端与该第一主线部分及第二主线部分的近端位于该条带耦合的耦合器的相同的一端。在另一个示例中，条带耦合的耦合器还包括：被耦合至该第一主线部分及第二主线部分的远端的传输端口和被耦合至该耦合线的远端的隔离端口。隔离端口可端接一匹配负载。在一个示例中，该第一主线部分与该第二主线部分中的电流处于从该输入端口至该传输端口的相同方向。

根据另一个实施例，夹层条带耦合的耦合器包括：主臂，该主臂包含第一主臂部分及设置于该第一主臂部分上方的第二主臂部分，该第一主臂部分和第二主臂部分并联地电连接在一起；和耦合臂，其设置于该第一主臂部分和第二主臂部分之间，该第一主臂部分、该耦合臂及该第二主臂部分彼此垂直地对齐且形成夹层结构。

在一个示例中，该夹层条带耦合的耦合器还包括电连接该第一主臂部分与第二主臂部分的至少一个通孔。在另一个示例中，该夹层条带耦合的耦合器实施于多层印刷电路板中，其中该第一主臂部分设置于该多层印刷电路板的第一金属层中，其中该第二主臂部分设置于该多层印刷电路板的第二金属层中，该第二金属层设置于该第一金属层的上方，且其中该耦合臂设置于该多层印刷电路板中的第三金属层中，该第三金属层设置于该第一金属层的上方以及该第二金属层的下方。在一个示例中，该至少一个通孔包括：位于该第一主臂部分及该第二主臂部分的近端附近的第一通孔，及位于该第一主臂部分及第二主臂部分的远端附近的第二通孔。夹层条带耦合的耦合器还可包含被耦合至该第一主臂部分及该第二主臂部分的近端的输入端口、及被耦合至该第一主臂部分及该第二主臂部分的远端的传输端口。在一个示例中，该第一主臂部分与该第二主臂部分中的电流处于从输入端口至传输端口的相同方向。

下文将详细描述其他方面、实施例及这些示例性方面和实施例的优点。在此公开的任何实施例可以按照符合在这里公开的目标、目的及需要中的至少一个的任何方式而与任何其它实施例组合，且对“实施例”、“一些实施例”、“替代实施例”、“各种实施例”、“一个实施例”等的提及并不一定相互排斥，而是意图是指明关于该实施例所描述的特定特征、结构或特性可包含在至少一个实施例中。在这里，这样的术语的出现并不一定全部指示相同的实施例。附图被包括进来以提供对各种方面及实施例的示意及进一步理解，且被引入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图连同该说明书的剩余部分用以解释所描述和所要求保护的方面和实施例的原理及操作。

附图说明

下文参考附图来讨论至少一个实施例的各种方面，附图并不意在按照比例而绘制。在图中的技术特征、详尽描述或任何权利要求之后跟随着参考标记的情况下，包含该参考标记的唯一目的是增加对图、详尽描述及权利要求的可理解性。因此，参考标记的存在或不存在并不意在具有对任何权利要求元素的范围的任何限制作用。在图中，各个图中所示的每个相同或几乎相同的组件通过相似的数字表示。为了简洁起见，并没有在每个图中标出每个组件。提供这些附图的目的是示意及解释且并不意在作为对本发明的范围的限制进行的限定。在图中：

图1是定向耦合器的一个示例的框图；

图2是实施在多层印刷电路板上的传统的条带耦合的定向耦合器的一个示例的图；

图3是根据本发明方面的实施于多层印刷电路板上的夹层条带耦合的定向耦合器的一个示例的图；

图4是传统的条带耦合的耦合器的一个示例的仿真图；

图5A是用于图4的仿真传统条带耦合的耦合器的作为频率的函数的耦合因子的曲线图；

图5B是用于图4的仿真传统条带耦合的耦合器的作为频率的函数的定向性的曲线图；

图5C是用于图4的仿真传统条带耦合的耦合器的作为频率的函数的回波损耗的曲线图；

图6是根据本发明方面的夹层条带耦合的耦合器的一个示例的仿真图；

图7A是用于图6的仿真夹层条带耦合的耦合器的作为频率的函数的耦合因子的曲线图；

图7B是用于图6的仿真夹层条带耦合的耦合器的作为频率的函数的定向性的曲线图；以及

图7C是用于图6的仿真夹层条带耦合的耦合器的作为频率的函数的回波损耗的曲线图。

具体实施方式

为了支持多波段及多模应用，已提出用于无线设备(诸如蜂窝式电话手持机)的架构，其中使用菊链式(daisy-chained)定向耦合器而跨多个频带共用功率检测。这需要具有高定向性且具有跨不同频带的相同耦合因子的耦合器。该耦合因子(以dB计)定义为：

$C=10\log \left(\frac{P_3}{P_2}\right)\mathrm{dB}---\left(1\right)$

等式(1)中，P₂是传输端口处的功率且P₃是来自耦合端口（见图1）的输出功率。耦合因子(以dB计)也可以以耦合器的S参数而被表示成：

$C=\left(\frac{S\left(\mathrm{3,1}\right)}{S\left(\mathrm{2,1}\right)}\right)\mathrm{dB}---\left(2\right)$

等式(2)中，S(3,1)是从输入端口到耦合端口的传输参数，S(2,1)是从输入端口到传输端口的传输参数。因此，对于施加在输入端口处的信号，耦合因子表示耦合端口处的信号与传输端口处的信号的比。耦合因子代表了定向耦合器的主要性质。耦合不是恒定的，而是随着频率而变化。

对于用在小功率放大器模块应用中的条带耦合的耦合器而言，耦合因子与耦合器的电长度近似成比例。因此，为了符合许多应用的耦合因子规格，使用具有较长电长度的耦合器。然而，随着功率放大器模块尺寸减小，实施充分长的耦合器来获得指定的/希望的耦合因子变得具有挑战性，尤其是在较低频率带下，例如，在用于若干通信标准中的700兆赫兹(MHz)附近的频带中。一些实施方案通过弯曲耦合器线来实现增加的耦合器长度；然而，这样可能造成该耦合器的定向性劣化并且也降低了输出匹配网络的路由灵活性。因此，各个方面和实施例针对的是一种条带耦合的耦合器设计，其允许耦合器尺寸减小，同时实现相同的耦合因子并仍维持高定向性。具体而言，根据一个实施例，使用夹层结构来提供在主线与副/耦合线之间的更强的耦合，其中主线实施于通过通孔连接的两个层中，且副臂位于这两个主线层之间，如下文将进一步讨论的。

应理解，在这里讨论的方法和装置的实施例在应用时并不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的组件的布置及构造的细节。所述方法和装置能够在其它实施例中实施且以各种方式实践或实行。在这里提供特定实施方式的示例仅仅是为了示意且并不意在限制。具体而言，意图并不是将结合任何一个或多个实施例而被讨论的动作、元素和特征从任何其它的实施例中的类似角色中排除出去。

另外，在这里使用的习语或术语的目的在于描述且不应被理解为限制。对在这里以单数形式提及的系统及方法的实施例或元素或动作的任何提及也可涵盖包含多个这些元件的实施例，且在这里用复数形式对实施例或元件或动作的任何提及也可涵盖仅包含一个元素的实施例。以单数或复数形式进行的提及并不意在限制当前所公开的系统或方法、它们的组件、动作或元素。在这里使用“包含”、“包括”、“具有”、“含有”、“涉及”及它们的变形形式意在涵盖其后所列举的项目以及该项目的等效物及额外的项目。对“或”的提及可解释为包含性的，因此，任何使用“或”来描述的术语可表示所描述的术语中的一个、多于一个或全部中的任何一种。对前和后、左和右、顶和底、上和下、以及垂直和水平的任何提及意在便于描述，而非将本系统和方法或它们的组件限制于任何一个位置或空间取向。

参考图3，其示意了根据一个实施例的具有夹层架构的条带耦合的耦合器的一个示例。该耦合器300被实施为绝缘基板上的图案化金属传输线，所述绝缘基板例如为多层PCB（未示出），其包含至少三个垂直相邻的金属层，该金属层被介电层彼此分开，如本领域普通技术人员所知。耦合器300的主臂内置在该多层基板结构的两个金属层中，且包含分别设置于耦合臂330的上方和下方的第一部分310和第二部分320。耦合臂330、第一主臂部分310及第二主臂部分320大体上垂直对齐从而形成夹层结构。该主臂的两个部分310与320经通孔340被并联电连接在一起。因此，该第一主臂部分与该第二主臂部分中的电流在从主臂的一端处的输入端口到主臂的另一端处的传输端口的相同方向上。在所示意的示例中，耦合臂330位于通孔340之间，使得两个主臂部分310、320在耦合臂330的“外侧”被耦合在一起。在一个示例中，通孔340位于主臂部分310、320的两端处，如图3所示。可理解，尽管在图3中单个通孔340被示意为位于主臂部分310、320的任一端，但每个通孔340可被实施为一个或多个物理贯通孔电镀通孔。此外，可使用替代性连接机构（例如接合线）来代替通孔，以便将该两个主线部分310与320电连接在一起。因此，该耦合臂330通过副臂的顶侧及底侧上的电磁场获得与主臂的更强的耦合。因此，相对于传统的条带耦合的耦合器，更短长度的耦合器可具有相同的耦合因子，或可替代地，对于相同长度的耦合器，所述夹层结构可实现更高的耦合因子。

在其中实施耦合器的绝缘基板结构可包含适合于使用耦合器的应用的任何类型的板材料，包含例如，FR4或LTCC。耦合器的主线310、320和耦合线330可为印刷金属迹线，例如，铜迹线或金迹线。

已仿真了传统的条带耦合的耦合器和夹层条带耦合的耦合器的示例，以示出夹层条带耦合的耦合器的实施例的相对性能及特性。

参考图4，其示出了仿真的传统条带耦合的耦合器200的图。耦合器200具有输入端口P₁、传输端口P₂、耦合端口P₃和隔离端口P₄。使用AgilentMomentum在700MHz至800MHz的频率范围内运行了该仿真，AgilentMomentum是可以从Agilent科技公司获得的仿真程序。对于该仿真，耦合器200被指定为具有3.0毫米(mm)的主臂长度410和2.5mm的耦合臂长度420。

图5A示出了在仿真的频率范围上作为频率(以MHz计)的函数的、该耦合器200的以dB计的耦合因子(C_pout)的曲线图。如参考图5A可看到，该耦合器200在700MHz至800MHz的频率范围上具有近似-20dB的耦合因子。具体而言，该耦合器200在707MHz处具有-20.3dB的耦合因子，其由标记510指示。图5B示出了在仿真的频率范围上作为频率(以MHz计)的函数的、耦合器200的以dB计的定向性(D)的曲线图。可以依据耦合器的参数S而将耦合器的定向性(以dB计)定义为：

$D=\frac{S\left(\mathrm{3,1}\right)}{S\left(\mathrm{3,2}\right)}\mathrm{dB}---\left(3\right)$

如参考图5B可看到，耦合器200在700MHz至800MHz的频率范围上具有近似-30dB的定向性。具体而言，该耦合器200在707MHz处具有-30.431dB的定向性，由标记520指示。图5C示意了在仿真的频率范围上作为频率(以MHz计)的函数的、耦合器200的以dB计的回波损耗(S(2,2))的曲线图。如参考图5C可以看出，耦合器200在700MHz至800MHz的频率范围上具有近似-45dB的回波损耗。具体而言，耦合器200在707MHz处具有-45.752dB的回波损耗，由标记530指示。

参考图6，示意了根据一个实施例的夹层条带耦合的耦合器300的仿真图。该耦合器300具有输入端口P₁、传输端口P₂、耦合端口P₃和隔离端口P₄。该隔离端口P₄可端接一匹配负载。在上述相同的频率范围700MHz至800MHz上运行该仿真，结果呈现在图7A至图7C中。对于该仿真，耦合器300被指定为具有2.3mm的主臂长度610和2.1mm的耦合臂长度620。图7A示出了在仿真的频率范围上作为频率(以MHz计)的函数的、该仿真的夹层耦合器300的以dB计的耦合因子(C_pout)的曲线图。如参考图7A可见，该夹层耦合器300在700MHz至800的频率范围上具有近似-20dB的耦合因子。具体而言，该夹层耦合器300在707MHz处具有-20.266dB的耦合因子，由标记710指示。图7B示出了在仿真的频率范围上作为频率(以MHz计)的函数的、该夹层耦合器300的以dB计的定向性(D)的曲线图。如参考图7B可见，该夹层耦合器300在700MHz至800的频率范围上具有优于-29dB的定向性，在707MHz处具有-29.185dB的定向性，由标记720指示。图7C示出了在仿真的频率范围上作为频率(以MHz计)的函数的、该夹层耦合器300的以dB计的回波损耗(S(2,2))的曲线图。如参考图7C可见，该夹层耦合器300在700MHz至800MHz的频率范围上具有近似-43至-44dB的回波损耗，在707MHz处具有-43.955dB的回波损耗，由标记730指示。

仿真结果显示，夹层条带耦合的耦合器可以以显著减小的尺寸达到与传统的条带耦合的耦合器非常相似的耦合因子、定向性及回波损耗。即使在较低频率下，减小的耦合器尺寸也允许将高性能耦合器与小功率放大器模块集成。例如，当前希望的功率放大器模块的尺寸约为3mm乘以3mm。夹层条带耦合的耦合器600的实施例可在该尺寸的功率放大器模块中实施，因为如以上参考图6所述，可以使得用于夹层条带耦合的耦合器的传输线显著短于3mm且耦合器仍在700HMz至800MHz频带中提供良好的性能。此外，由于耦合器300的主臂实施于两个金属层上，为了实现类似的金属化损耗，给定相同的性能规格，可以使线宽度630显著小于具有单层主臂的传统耦合器的对应主线宽度430，如参考图4及图6可见。更窄的线宽630进一步减小了耦合器300的尺寸及其在基板或印刷电路板封装中所使用的空间。

已如此描述了至少一个实施例的若干方面，应认识到，本领域技术人员将容易想到各种变型、修改及改进。这些变型、修改及改进意在成为此公开内容的一部分且意在包含于本发明的范围内。因此，上述的描述及附图仅作为示例，本发明的范围应根据所附权利要求书及其等效物的适当构造来确定。

Claims (20)

1.一种夹层条带耦合的耦合器，包括：

主臂，其包含第一主臂部分及设置于该第一主臂部分的上方的第二主臂部分，该第一主臂部分和第二主臂部分并联地电连接在一起；和

耦合臂，其设置于该第一主臂部分和第二主臂部分之间，该第一主臂部分、该耦合臂及该第二主臂部分彼此垂直地对齐且形成夹层结构。

2.如权利要求1所述的夹层条带耦合的耦合器，还包括：电连接该第一主臂部分与第二主臂部分的至少一个通孔。

3.如权利要求2所述的夹层条带耦合的耦合器，其中该夹层条带耦合的耦合器被实施于多层印刷电路板中，该第一主臂部分设置于该多层印刷电路板的第一金属层中，该第二主臂部分设置于该多层印刷电路板的第二金属层中，该第二金属层设置于该第一金属层的上方，并且该耦合臂设置于该多层印刷电路板的第三金属层中，该第三金属层设置于该第一金属层的上方以及该第二金属层的下方。

4.如权利要求2所述的夹层条带耦合的耦合器，其中该至少一个通孔包含：位于该第一主臂部分及该第二主臂部分的近端附近的第一通孔、以及位于该第一主臂部分及第二主臂部分的远端附近的第二通孔。

5.如权利要求4所述的夹层条带耦合的耦合器，还包括：被耦合至该第一主臂部分及该第二主臂部分的近端的输入端口、以及被耦合至该第一主臂部分及该第二主臂部分的远端的传输端口。

6.如权利要求1所述的夹层条带耦合的耦合器，其中该第一主臂部分与该第二主臂部分中的电流方向相同。

7.一种多层条带耦合的耦合器，包括：

第一主臂部分，形成于多层基板中的第一金属层中；

第二主臂部分，形成于该多层基板中的该第一金属层上方的第二金属层中，该第二主臂部分与该第一主臂部分垂直对齐且电连接至该第一主臂部分；

耦合臂，形成于该多层基板中的第三金属层中，该耦合臂设置于该第一主臂部分与该第二主臂部分之间，该耦合臂通过第一介电层而与该第一主臂部分分开且通过第二介电层而与该第二主臂部分分开；

第一通孔，位于该第一主臂部分的输入附近，该第一通孔将该第一主臂部分与第二主臂部分并联地电连接；和

第二通孔，其位于该第一主臂部分及第二主臂部分的、相对于所述输入的远端附近，该第二通孔将该第一主臂部分与该第二主臂部分并联地电连接。

8.如权利要求7的多层条带耦合的耦合器，其中该多层基板为多层印刷电路板。

9.如权利要求7所述的多层条带耦合的耦合器，其中该耦合臂位于该第一通孔与第二通孔之间。

10.如权利要求7所述的多层条带耦合的耦合器，其中该第一主臂部分与第二主臂部分中的电流方向相同。

11.如权利要求7所述的多层条带耦合的耦合器，其中该第一主臂部分与第二主臂部分及该耦合臂为铜迹线。

12.一种形成于多层印刷电路板中的条带耦合的耦合器，该条带耦合的耦合器包括：

第一主线部分，形成于该多层印刷电路板的第一层中；

第二主线部分，形成于该多层印刷电路板的第二层中；

耦合线，形成于该多层印刷电路板的第三层中，该第三层设置于该第一层与该第二层之间且该耦合线设置于该第一主线部分与该第二主线部分之间，并且该耦合线、该第一主线部分与该第二主线部分垂直对齐；和

至少一个通孔，其将该第一主线部分并联地电连接至该第二主线部分。

13.如权利要求12所述的条带耦合的耦合器，其中该第一层、第二层及第三层为该多层印刷电路板的金属层。

14.如权利要求12所述的条带耦合的耦合器，其中该第一主线部分及该第二主线部分及该耦合线为印刷铜迹线。

15.如权利要求12所述的条带耦合的耦合器，其中该至少一个通孔包含位于该第一主线部分的近端附近的第一通孔及位于该第一主线部分的远端附近的第二通孔。

16.如权利要求15所述的条带耦合的耦合器，还包括：

输入端口，其被耦合至该第一主线部分及该第二主线部分中的每一个的近端；和

耦合端口，其被耦合至该耦合线的近端，该耦合线的近端与该第一主线部分及第二主线部分的近端位于该条带耦合的耦合器的相同的一端。

17.如权利要求16所述的条带耦合的耦合器，还包括：

传输端口，其被耦合至该第一主线部分及第二主线部分的远端；和

隔离端口，其被耦合至该耦合线的远端。

18.如权利要求17所述的条带耦合的耦合器，其中该第一主线部分与该第二主线部分中的电流处于从该输入端口至该传输端口的相同方向上。

19.如权利要求17所述的条带耦合的耦合器，还包括：被耦合至该隔离端口的匹配负载。

20.如权利要求15所述的条带耦合的耦合器，其中该耦合线位于该第一通孔与第二通孔之间。