CN103378393B - 一种基于印刷电路板的集成定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于印刷电路板的集成定向耦合器，包括：第一线圈，由第M层金属绕成，交叉部分由第M-1层金属连接；第二线圈，与所述第一线圈耦合，由第N层金属绕成，交叉部分由第N+1层金属连接，其中N≥1，M≥N+2，N、M为正整数；两个可调电容，其一连接所述输入端和所述直通端，另一个连接所述耦合端和所述隔离端；以及两个跨接电容，其一连接所述直通端与所述耦合端，另一个连接所述输入端与所述隔离端。本发明的集成定向耦合器，可在PCB上集成，具有面积小、输入损耗小、耦合度好、隔离度好、调谐性强的特点。

Description

一种基于印刷电路板的集成定向耦合器

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，涉及一种定向耦合器，尤其涉及一种基于印刷电路板(PCB)的集成定向耦合器。

背景技术

定向耦合器(DirectionalCoupler)是一种应用广泛的射频器件，可用于信号隔离、信号分离等，以实现射频接收机和发射机同时工作在相同的频段。定向耦合器应用于收发机系统的原理如图1所示，“输入端”(Input)连接发射机输出端(TX)，“直通端”(Direct)接天线(Antenna)，“耦合端”(Coupled)接接收机输入端(RX)，“隔离端”(Isolated)接匹配电阻(Res)。其中输入端到直通端之间的损耗为“插入损耗”(InsertionLoss)，输入端到耦合端的损耗为“耦合度”(Coupling)，直通端到耦合端的损耗为“隔离度”(Isolation)，“隔离度”与“耦合度”之差为“方向性”(Directivity)。定向耦合器的性能要求是：插入损耗很小，耦合度不是很大，隔离度很大，即方向性强。对于一个收发同频系统，一般发射信号能量很强且很大一部分会耦合到接收机输入端，而接收信号却很弱，如果不使用定向耦合器，很强的输出耦合信号会淹没有用的接收信号，这样会导致接收机无法正常工作，如图2(a)所示；在使用定向耦合器之后，接收信号由于耦合度的关系被损失掉一些，同时耦合到输入端的发射信号被极大地衰减，从而可以保证同时同频收发机的正常工作，如图2(b)所示。

随着工艺的进步，定向耦合器不断向小型化发展。最初采用分离元器件制作(OleksandrGorbachov，“DirectionalcouplerforRFpowerdetection”，USPatent，PatentNo.7576626B2，Aug.18，2009)，然而这样设计的定向耦合器仍然不能集成。之后也有采用CMOS标准工艺的全在片集成定向耦合器(DirectionalCoupler)，具有一定的实用性。采用基于印刷电路板(PCB)制作定向耦合器也是一种可行的方案，如W.K.Kim等(W.K.Kim，M.Q.Lee，J.H.Kim，H.S.Lim，J.W.Yu，B.J.Jang，andJ.S.Park，“ApassivecirculatorwithhighisolationusingadirectionalcouplerforRFID，”inIEEEMTT-SInt.Microw.Symp.Dig.Papers，pp.1177-1180，Jun.2006.)采用PCB制作了基于传输线技术的定向耦合器。但是它有面积大的缺点，在与其它小型电路结合使用时会更加体现出它的劣势。目前，现有的技术还没有很好地解决基于PCB制备定向耦合器的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于印刷电路板的集成定向耦合器，具有可在PCB上集成、面积小、输入损耗小、耦合度好、隔离度好、调谐性强的特点。

定向耦合器可以等效为一种结构变异的无源变压器。对于普通无源变压器，四端口参数对称；对于定向耦合器，则利用其空间位置的非对称性达到四端口参数的差异性。本发明即是利用这种空间非对称性。具体来说，本发明采用如下技术方案：

一种基于印刷电路板的集成定向耦合器，其包括：

第一线圈，由第M层金属绕成，交叉部分由第M-1层金属连接；

第二线圈，与所述第一线圈耦合，由第N层金属绕成，交叉部分由第N+1层金属连接，其中N≥1，M≥N+2，N、M为正整数；

两个可调电容，其一连接所述输入端和所述直通端，另一个连接所述耦合端和所述隔离端；以及

两个跨接电容，其一连接所述直通端与所述耦合端，另一个连接所述输入端与所述隔离端。

进一步地，所述第一线圈的两端分别为输入端和直通端，所述第二线圈的两端分别为耦合端和隔离端；或者所述第二线圈的两端分别为输入端和直通端，所述第一线圈的两端分别为耦合端和隔离端。

进一步地，所述第一线圈和所述第二线圈之间有过覆盖，或者无过覆盖。

进一步地，所述第一线圈的金属线宽大于或者等于或者小于所述第二线圈的金属线间距。

进一步地，所述可调电容为片内电容或片外电容，所述跨接电容为片内电容、片外电容或耦合寄生电容。

进一步地，所述线圈的形状包括但不限于：圆形、椭圆形、多边形。

进一步地，所述线圈的绕线方式包括但不限于：同心多圈绕线、并行绕线、交叉绕线、中心螺旋绕线。

本发明的优点和积极效果如下：

1)输入损耗小：第一线圈由第M层金属构成，高层金属对地寄生电容小，同时第二线圈的隔离端匹配电阻接地，第一线圈的对地寄生电容一部分被第二线圈屏蔽，使得输入损耗很小；

2)定向性好：本发明创新性地采用立体结构线圈，主要由第M层金属构成的第一线圈和第N层金属构成的第二线圈，垂直距离较大，在耦合度略微变大的同时，直通端到耦合端的损耗变得更大，隔离度得到提升，耦合度与隔离度之差变大，定向性好；

3)面积小：由于采用立体线圈结构，相比于平面线圈结构，定向耦合器整体结构更加紧凑，面积更小；

4)适用性强：在设计过程中，通过改变线圈的形状、圈数、半径；两个线圈使用的金属层间隔；两线圈间交叠的深度即可改变输入损耗、耦合度、隔离度、定向性的大小，对于不同要求的系统均可以通过改变上述条件达到要求；

5)调谐性强：引入两个可调电容，分别用于频率调谐和隔离度调谐，并增加了两个跨接电容，避免了由于发射机输出匹配差、不同输出功率下输出匹配变化、工艺波动、温度变化等带来的非理想效应对于实际器件工作性能的恶化；

6)可以作为一个单独的模块与其它置于PCB上的芯片组合成一个完整的电路，提高了空间利用率，成本低，极大地提高了系统的集成度。

附图说明

图1是应用于一般收发机系统的定向耦合器原理图；

图2是定向耦合器抑制接收信号的原理图；其中(a)为不使用定向耦合器时接收机接收信号的示意图，(b)为使用定向耦合器时接收机接收信号的示意图；

图3是本发明实施例的定向耦合器版图俯视图；

图4是图3中A1截面的剖面示意图；

图5是图3中A2截面的剖面示意图；

图6是本发明实施例的定向耦合器性能图；

图7是本发明实施例的各种线圈绕线方式示意图；

图8是本发明实施例的收发机系统的连接方式示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明做进一步的说明。

本实施例的基于印刷电路板(PCB)的集成定向耦合器如图3至图5所示，其中图3为该定向耦合器版图的俯视图，图4为图3中截面A1的剖面图，图5为图3中截面A2的剖面图。

如图3所示，该定向耦合器包括两层互相耦合的线圈，即第一线圈(用实线表示)和第二线圈(用虚线表示)，其形状均为六边形，为同心多圈结构，在最外圈(也可以是最内圈)引出线圈的两端。第一线圈的两端分别作为输入端和直通端，第二线圈的两端分别作为耦合端和隔离端。输入端和直通端之间设有可调电容阵列Cp，用于频率调谐；耦合端和隔离端之间设有可调电容阵列Cs，用于隔离度调谐。Cp和Cs可以使定向耦合器在不同的输入阻抗或者工艺、温度变化的应用条件下获得最优的性能。Cc1和Cc2为两个跨接电容，其中Cc1连接耦合端和所述直通端，Cc2连接输入端和所述隔离端。

在PCB工艺中，该定向耦合器的第一线圈可由PCB的第M层金属绕成，交叉部分由第M-1层金属连接，其两端分别作为输入端和直通端；；第二线圈可由第N层金属绕成，交叉部分由第N+1层金属连接，其中N≥1，M≥N+2，N、M为正整数，其两端分别作为耦合端和隔离端。每一个线圈中，相邻两圈的交叉部分跨接。两个线圈也可以互换，两线圈间的层数间隔没有限制。

在该定向耦合器中，两个线圈呈上下交错排布的立体结构，如4和图5所示。在图4中，W为线圈金属线宽，S为金属线间距，D1为最小内径，D2为最大外径，H为上下层线圈间距，0为上下层金属线交叠(过覆盖)宽度。上下层金属线可以有过覆盖，也可无过覆盖(0值为零)，即金属线宽W可以大于或者等于或者小于金属线间距S。金属线宽W，金属线间距S，最小内径D1，最大外径D2均可取任意值以获得优化效果。上下层线圈间距H可随不同金属层的使用而改变。图5是带有通孔的剖面，其中与图4有相同标注的几个特征尺寸，其数值也保持一致。通孔宽度与线圈金属线宽一致，亦可有所区别，只要满足使相邻两层金属实现充分互连即可。

一般情况下，定向耦合器是按照功率放大器输出匹配好的情况下设计的，然而实际中的发射机功率放大器输出匹配较差，并且输出功率变化会导致功率放大器输出匹配发生变化，使得定向耦合器实际使用性能与设计值有偏差。除了上述问题之外，工艺波动、温度变化等因素亦会导致定向耦合器性能的恶化。本发明的定向耦合器中的可调电容阵列Cp和Cs正是为了解决这些问题而设置的。

在该定向耦合器中，两个跨接电容Cc1和Cc2用于调谐和增大隔离度，可集成在PCB内，亦可以在片外，即PCB上直接放置，亦可以两者兼用。

在本实施例所述的定向耦合器中，由于创造性的采用了立体结构线圈，并且采用了可调电容Cp和Cs、跨接电容Cc1和Cc2，使得在耦合度略微变差的同时，隔离度大幅增加，定向性好。图6为上述实施例的定向耦合器的三个最主要性能：插入损耗、隔离度以及耦合度，可以看出该实施例能够符合定向耦合器的各项关键技术指标。

在该定向耦合器中，线圈的形状为六边形，但也可以采用其它的形状，如圆形、椭圆形或者正方形、三角形、长方形、八边形等多边形。

在该定向耦合器中，第一线圈两端口和第二线圈两端口所成的角度为180°，即在六边形的两个对边，但也可以是其它的位置，本发明不以此为限制。

在上述定向耦合器中，通过改变线圈的形状、圈数、半径(最小内径、最大外径)、上下层线圈的间距以及两线圈间过覆盖的宽度，均可灵活地改变输入损耗、耦合度、隔离度、定向性的大小，对于不同要求的系统均可以通过改变上述条件以达到要求。

上述实施例中，线圈为同心多圈结构。除此之外，也可以采用其它绕线方式，比如并行绕线、交叉绕线、中心螺旋绕线等，如图7所示。

本实施例所述的定向耦合器，可通过连接发射机、接收机、天线、匹配电阻组成一个同时同频工作的收发机系统，如图8所示的射频识别阅读器(RFIDReader)系统，其中接收机和发射机可以在相同频率下同时工作。在该阅读器系统中，输入端(1端口)连接发射机输出端，直通端(2端口)连接天线，隔离端(3端口)连接50欧姆接地电阻，耦合端(4端口)连接接收机输入端。

以上通过具体的实施例说明了本发明技术方案的原理和实施过程，但并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的同等变化与修改，均应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求所述为准。

Claims (6)

1.一种基于印刷电路板的集成定向耦合器，其特征在于，包括：

第一线圈，由第M层金属绕成，交叉部分由第M-1层金属连接；

第二线圈，与第一线圈耦合，由第N层金属绕成，交叉部分由第N+1层金属连接，其中N≥1，M≥N+2，N、M为正整数；所述第一线圈的两端分别为输入端和直通端，所述第二线圈的两端分别为耦合端和隔离端；第二线圈的隔离端匹配电阻接地，第一线圈的对地寄生电容一部分被第二线圈屏蔽；

两个可调电容，其一连接所述输入端和所述直通端，用于频率调谐；另一个连接所述耦合端和所述隔离端，用于隔离度调谐；以及

两个跨接电容，其一连接所述直通端与所述耦合端，另一个连接所述输入端与所述隔离端。

2.如权利要求1所述的基于印刷电路板的集成定向耦合器，其特征在于，所述第一线圈和所述第二线圈之间有过覆盖，或者无过覆盖。

3.如权利要求1所述的基于印刷电路板的集成定向耦合器，其特征在于，所述第一线圈的金属线宽大于或者等于或者小于所述第二线圈的金属线间距。

4.如权利要求1所述的基于印刷电路板的集成定向耦合器，其特征在于，所述可调电容为片内电容或片外电容，所述跨接电容为片内电容、片外电容或耦合寄生电容。

5.如权利要求1所述的基于印刷电路板的集成定向耦合器，其特征在于，所述线圈的形状包括但不限于：圆形、椭圆形、多边形。

6.权利要求1所述的基于印刷电路板的集成定向耦合器，其特征在于，所述线圈的绕线方式包括但不限于：同心多圈绕线、并行绕线、交叉绕线、中心螺旋绕线。