CN104137329A - 定向耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种定向耦合器，在该定向耦合器中，即使磁场耦合系数较低，也实现良好的定向。定向耦合器(1)具备主线路(2)、副线路(3)以及阻抗变换部(4、5)。主线路(2)连接在信号输入端口(RFin)与信号输出端口(RFout)之间。副线路(3)通过耦合电容和互感而与主线路(2)耦合。阻抗变换部(4、5)连接在耦合端口(CPL)与副线路(3)或者隔离端口(ISO)与副线路(3)之间，并且从副线路(3)观察的阻抗与从端口侧观察的阻抗不同，且从副线路(3)观察的阻抗相互一致。

Description

定向耦合器
技术领域
本发明涉及被用于高频信号的测定等用途的定向耦合器，尤其涉及传输线路型的定向耦合器。
背景技术
以往，在高频信号的测定等用途中使用定向耦合器。
图7的(A)是移动电话装置等的RF(Radio Frequency：射频)发送电路100的一般的框图。RF发送电路100具备天线111、定向耦合器120A、发送电力放大器113、调制电路112以及检波电路114。定向耦合器120A是传输线路型的定向耦合器，其具备主线路121和耦合线路(副线路)122。主线路121连接在天线111与发送电力放大器113之间。检波电路114与定向耦合器120A的副线路122连接，基于来自与主线路121耦合的副线路122的信号控制发送电力放大器113。
图7的(B)以及图7的(C)是定向耦合器120A的等效电路图。此处，将定向耦合器120A作为在主线路121与副线路122之间产生的互感M的磁场耦合系数(Km)为1的理想电路。主线路121的两端与信号输入端口RFin以及信号输出端口RFout连接。信号输入端口RFin供发送电力放大器113连接。信号输出端口RFout供天线111连接。副线路122的两端与耦合端口CPL以及隔离端口ISO连接。耦合端口CPL供检波电路114连接。隔离端口ISO供终端电阻连接。主线路121与副线路122通过两线路间的分布电容(耦合电容)C而相互电场耦合，并且通过互感M而相互磁场耦合。
如图7的(B)所示，若从信号输入端口RFin被输入信号S1，则由于电场耦合，信号S2在副线路122向耦合端口CPL的方向传播，信号S3在副线路122向隔离端口ISO的方向传播。另外，由于磁场耦合，信号S4、信号S5在由副线路122与地线(GND)构成的闭环上从隔离端口ISO向耦合端口CPL的方向传播。流向耦合端口CPL的信号S2、S4的相位一致，从耦合端口CPL输出信号S2与信号S4的电力相加后的信号。另一方面，流向隔离端口ISO的信号S3、S5的相位反相，在隔离端口ISO信号S3与信号S5的电力相互抵消。因此，能够根据定向耦合器120A的耦合端口CPL的输出来检测RF发送电路100的输出电力。
另外，如图7的(C)所示，若因来自天线的反射等而向信号输出端口RFout输入信号S6，则由于电场耦合，信号S7在副线路122向耦合端口CPL的方向传播，信号S8在副线路122向隔离端口ISO的方向传播。另外，由于磁场耦合，信号S9、信号S10从耦合端口CPL向隔离端口ISO的方向传播。流向隔离端口ISO的信号S8、S10的相位一致，从隔离端口ISO输出信号S8与信号S10的电力相加后的信号。另一方面，流向耦合端口CPL的信号S7、S9的相位反相，在耦合端口CPL信号S7与信号S9的电力相互抵消。因此，耦合端口CPL不受来自天线的反射等所产生的信号S6的影响，仅隔离端口ISO受到来自天线的反射等所产生的信号S6的影响。通常，隔离端口ISO与终端电阻连接，但是近年来，为了检测来自天线的反射并控制RF发送电路，还会设置检波电路。其中，在检测来自天线的反射的情况下，各端口(信号输入端口、信号输出端口、耦合端口、隔离端口)的名称和功能变得不同，但是在以下的说明中，保持原样地使用与发送信号相对的各端口的名称。
在像这样在RF通信电路被利用的定向耦合器中，耦合电容C与电场耦合系数(Kc)对应，互感M与磁场耦合系数(Km)对应。在理想的定向耦合器中，电场耦合系数(Kc)与磁场耦合系数(Km)均为1，能够使由电场耦合产生的信号与由磁场耦合产生的信号在隔离端口、耦合端口完全地相互抵消。然而，在实际的定向耦合器中，存在由引绕布线、引线等周围电路产生的寄生电感，从而难以如上述那样使磁场耦合系数(Km)为1。因此，难以使由电场耦合产生的信号与由磁场耦合产生的信号完全地相互抵消，从而难以实现定向耦合器的理想的定向。
通过与定向耦合器的磁场耦合系数(Km)的降低相配合地调整(降低)电场耦合系数(Kc)，能够使由电场耦合产生的信号与由磁场耦合产生的信号在隔离端口、耦合端口完全地相互抵消。然而，为了使电场耦合系数(Kc)降低，需要进行扩大主线路与副线路之间的线路间隔等物理结构的变更。因这样的物理结构的变更，会导致定向耦合器的大型化，或导致磁场耦合系数(Km)的进一步的变动、降低。因此，应该极力避免电场耦合系数(Kc)的调整。
因此，存在代替与隔离端口连接的终端电阻而使用能够调整阻抗的负载电路的情况(例如，参照专利文献1)。图8的(A)是表示连接有负载电路的定向耦合器的构成例的电路图。该定向耦合器120B在隔离端口ISO设置有负载电路123。负载电路123具备在隔离端口ISO与接地电位之间并联连接的电阻R、电感L以及电容C。在该负载电路123中，通过电阻R或电感L、电容C的调整，能够变更阻抗，由此，能够改善定向耦合器120B的定向。
此外，存在在定向耦合器的副线路附加设置衰减器的情况(例如，专利文献2)。图8的(B)是表示设置有衰减器的定向耦合器的构成例的电路图。对于该定向耦合器120C而言，为了消除由在耦合端口CPL、隔离端口ISO的不匹配而产生的影响，将衰减器124A、124B与耦合端口CPL、隔离端口ISO连接。
专利文献1：日本特开平01﹣274502号公报
专利文献2：日本特开2009﹣044303号公报
当在定向耦合器的隔离端口设置负载电路时，能够针对来自信号输入端口的输入信号改善定向耦合器的定向。然而，不能对来自信号输出端口的反射信号进行检波，也难以变更成能够进行针对反射信号的检波的结构。
这基于以下的理由。
理由1)即使将与连接于耦合端口的检波电路相同结构的检波电路以与负载电路并联的方式连接于隔离端口，也会因为由负载电路引起的反射，而在隔离端口无法得到天线反射信号的检波所需的电力。
理由2)即使将与连接于隔离端口的负载电路相同结构的负载电路以与检波电路并联的方式连接于耦合端口，也会因为由负载电路引起的反射，而在耦合端口无法得到发送信号的检波所需的电力。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种不论针对来自信号输入端口的信号还是针对来自信号输出端口的信号都能够实现检波并能够得到良好的定向的定向耦合器。
本发明的定向耦合器具备主线路、副线路、第一阻抗变换部以及第二阻抗变换部。主线路连接在信号输入端口与信号输出端口之间。副线路通过耦合电容以及互感与主线路耦合。副线路连接在耦合端口与隔离端口之间。第一阻抗变换部连接在耦合端口与副线路之间，并且从副线路观察的阻抗与从耦合端口观察的阻抗不同。第二阻抗变换部连接在隔离端口与副线路之间，并且从副线路观察的阻抗与从隔离端口观察的阻抗不同。
在该结构中，通过设置第一阻抗变换部和第二阻抗变换部，能够变更副线路的表观负载。对于该负载的变更，由于电场耦合而在副线路产生的电流的振幅是独立的，但是由于磁场耦合而在副线路产生的电流的振幅发生变动。因此，通过适当地调整该负载，能够使由于磁场耦合而在副线路产生的电流的振幅与由于电场耦合而在副线路产生的电流一致，从而能够改善定向耦合器的定向。
优选在上述定向耦合器中，从副线路侧观察各阻抗变换部时的阻抗比从端口侧观察各阻抗变换部时的阻抗小。
优选在上述定向耦合器中，从副线路侧观察各阻抗变换部时的阻抗与从端口侧观察各阻抗变换部时的阻抗之比和磁场耦合系数与电场耦合常数之比大致相等。
优选在上述定向耦合器中，主线路、副线路、第一阻抗变换部以及第二阻抗变换部通过薄膜工艺而形成。
优选在上述定向耦合器中，具备在同一主表面上形成有主线路、副线路、第一阻抗变换部以及第二阻抗变换部的半绝缘性基板。
根据本发明，通过将第一阻抗变换部与第二阻抗变换部设置于副线路的两端，并调整从副线路观察第一阻抗变换部以及第二阻抗变换部时的阻抗，从而能够调整副线路的表观负载。通过适当地进行该负载的调整，能够改善定向耦合器的定向。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的定向耦合器的示意图。←请将阻抗调整部修改成阻抗变换部。
图2是表示本发明的第二实施方式的定向耦合器的示意图。←同上
图3是表示本发明的实施例的定向耦合器的构成例的俯视图。
图4是对本发明的实施例的定向耦合器的等效电路进行说明的图。
图5是对与实施例进行比较的定向耦合器的等效电路进行说明的图。
图6是对与实施例进行比较的定向耦合器的等效电路进行说明的图。
图7是表示定向耦合器的以往构成例的电路图。
图8是表示定向耦合器的以往构成例的电路图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式的定向耦合器的简要结构以及动作进行说明。
《第一实施方式》
图1是本发明的第一实施方式的定向耦合器1的示意图。
定向耦合器1具备信号输入端口RFin、信号输出端口RFout、耦合端口CPL以及隔离端口ISO作为外部连接端子。在该定向耦合器1被用于RF发送电路的情况下，信号输入端口RFin供发送电力放大器连接。信号输出端口RFout供天线连接。耦合端口CPL供检波电路或者终端电阻连接。隔离端口ISO供终端负载或者检波电路连接。
另外，定向耦合器1具备主线路2、耦合线路(副线路)3以及阻抗变换部4、5作为内部元件。主线路2连接在信号输入端口RFin与信号输出端口RFout之间。副线路3构成为与主线路2的电场耦合系数Kc约为1，并且通过与该电场耦合系数Kc对应地决定的分布电容(耦合电容)而与主线路2电容耦合。另外，副线路3构成为与主线路2的磁场耦合系数Km比1小，并且通过与该磁场耦合系数Km对应地决定的互感而与主线路2磁场耦合。
阻抗变换部4连接在耦合端口CPL与副线路3的第一端之间。对于该阻抗变换部4而言，从副线路3侧观察的阻抗Z1被设定为比从耦合端口CPL侧观察的阻抗Zcpl小的规定值(Zcpl*Km/Kc)。阻抗变换部5连接在隔离端口ISO与副线路3的第二端之间，并且从副线路3侧观察的阻抗Z2被设定为比从隔离端口ISO侧观察的阻抗Ziso小的规定值(Ziso*Km/Kc)。
在该定向耦合器1中，由于主线路2与副线路3的磁场耦合而在副线路3产生电流(Im)。该电流Im与由主线路2和副线路3的线路宽度、线路厚度、主线路2与副线路3之间的线路间隔、周围介电常数等物理结构决定的磁场耦合系数Km、以及副线路3的表观负载Z(＝Z1、Z2)对应。具体而言，将角频率设为ω，将磁场耦合系数设为Km，将磁场耦合系数Km为1的理想电路的互感设为Mo，将主线路的电流设为I，将副线路的表观负载设为Z，从而利用以下的公式1来决定由磁场耦合产生的电流Im。
公式1···Im＝j*ω*Km*Mo*I/(2*Z)
即，由磁场耦合产生的电流Im与副线路的表观负载Z对应地变动。
另外，由于主线路2与副线路3的电场耦合而在副线路3产生电流(Ic)。该电流Ic与由主线路2和副线路3的线路宽度、线路厚度、主线路2与副线路3之间的线路间隔、周围介电常数等物理结构决定的电场耦合系数Kc对应。具体而言，将角频率设为ω，将电场耦合系数设为Kc，将电场耦合系数Kc为1的理想电路的耦合电容设为Co，将主线路的电压设为V，从而利用以下的公式2来决定由电场耦合产生的电流Ic。
公式2···Ic＝j*ω*Kc*Co*V/2
即，相对于副线路的表观负载Z独立地决定由电场耦合产生的电流Ic。
对于从信号输入端口RFin被输入的信号(RF发送电路中的发送信号)，在耦合端口CPL电流Im的相位和电流Ic的相位为同相，从而振幅相加。另一方面，在隔离端口ISO电流Im的相位和电流Ic的相位为反相，从而振幅相互抵消。
另外，对于从信号输出端口RFout被输入的信号(RF发送电路中的天线反射信号)，在隔离端口ISO电流Im的相位和电流Ic的相位为同相，从而振幅相加。另一方面，在耦合端口CPL电流Im的相位和电流Ic的相位为反相，从而振幅相互抵消。
为了在隔离端口ISO、耦合端口CPL使电流Im与电流Ic完全相互抵消，需要电流Im的振幅与电流Ic的振幅一致。为此，需要使基于公式1和公式2的以下的公式3成立。
公式3···Im/Ic＝j*ω*Km*Mo*I/(2*Z)/((*j*ω*Kc*Co*V)/2)
＝Km*Mo*I/(Z*Kc*Co*V)
＝1
此处，若磁场耦合系数Km与电场耦合系数Kc为1，并且考虑没有阻抗变换部4、5的理想的定向耦合器中的电流Im与电流Ic之比，则将此时的副线路3的表观负载设为Zo，从而基于公式3的以下的公式4成立。
公式4···Im/Ic＝Mo*I/(Co*V*Zo)＝1
即，以下的公式5成立。
公式5···Mo*I/(Co*V)＝Zo
而且，若将公式5代入公式3，则以下的公式6成立。
公式6···Im/Ic＝Km*Mo*I/(Kc*Co*V*Z)＝(Km/Kc)/(Z/Zo)
因此，在该定向耦合器1中，通过使设置有阻抗变换部4、5的情况下的副线路的表观负载Z与没有阻抗变换部4、5的理想电路的副线路的负载Zo之比(Z/Zo)和磁场耦合系数与电场耦合常数之比(Km/Kc)相等，能够使电流Im与电流Ic相等。
该比(Z/Zo)和从副线路3侧观察阻抗变换部4、5时的阻抗(Z1、Z2)与从端口侧观察阻抗变换部4、5时的阻抗(Zcpl、Ziso)之比相等。因此，通过将从副线路3侧观察阻抗变换部4、5时的阻抗(Z1、Z2)调整为规定值(Zcpl*Km/Kc以及Ziso*Km/Kc)，从而即使磁场耦合系数Km为任意值，也能够相对于由电场耦合产生的电流Ic独立地调整由磁场耦合产生的电流Im，以使得电流Im的振幅与电流Ic的振幅一致。因此，能够改善定向耦合器1的定向。
《第二实施方式》
图2是本发明的第二实施方式的定向耦合器11的示意图。
该定向耦合器11具备主线路12、副线路13和阻抗变换部14、15作为内部元件。定向耦合器11与第一实施方式中示出的定向耦合器结构相同，但是副线路13的表观负载不同。具体而言，从副线路13侧观察阻抗变换部14时的阻抗(Z1)比从耦合端口CPL侧观察阻抗变换部14时的阻抗(Zcpl)小。另外，从副线路13侧观察阻抗变换部15时的阻抗(Z2)比从隔离端口ISO侧观察阻抗变换部15时的阻抗(Ziso)小。
即使是这种结构，也能够利用副线路的表观负载Z(Z1、Z2)的减少所引起的电流Im的增加来抵消磁场耦合系数Km降低为低于1所引起的电流Im的降低。因此，与未设置阻抗变换部14、15的情况相比，能够改善定向耦合器11的定向。
《实施例》
以下，对采用将电阻连接为L字型的电阻电路来作为阻抗变换部的实施例进行说明。此外，作为阻抗变换部，还能够采用其他的结构，例如能够采用将电阻连接为π型、T字型且将各电阻的电阻值配置为非对称的电阻电路等。
图3是本发明的实施例的定向耦合器21的俯视图。另外，图4的(A)是定向耦合器21的等效电路图。
如图3所示，定向耦合器21具备半绝缘性的GaAs基板20。对于GaAs基板20而言，在主表面上形成有主线路22、副线路23、信号输入电极(信号输入端口)RFin、信号输出电极(信号输出端口)RFout、耦合电极(耦合端口)CPL、隔离电极(隔离端口)ISO、接地电极GND以及高电阻线R1、R2。主线路22与副线路23形成为相互的长边方向朝向同方向且相互并行。信号输入电极RFin形成为与主线路22的一端连接。信号输出电极RFout形成为与主线路22的另一端连接。耦合电极CPL形成为经由高电阻线R1与副线路23的一端连接。隔离电极ISO经由高电阻线R1与副线路23的另一端连接。接地电极GND分别经由高电阻线R2与副线路23的两端连接。
该定向耦合器21通过使用了晶片状的GaAs基板20的半导体薄膜工艺而形成。在半导体薄膜工艺中，在通过蒸镀、溅射或者电镀等在晶片上形成电极材料之后，通过光刻工艺形成抗蚀剂膜，通过蚀刻除去不需要的电极材料。或者，在先通过光刻工艺形成抗蚀剂膜的图案之后，通过蒸镀、溅射或者电镀等使电极材料堆积在抗蚀剂膜图案以外的部分，最后通过剥离(lift off)抗蚀剂膜而形成电极图案。
更具体而言，在晶片状的GaAs基板20上，一次形成构成多个定向耦合器21的高电阻线R1、R2，之后，一次形成构成多个定向耦合器21的主线路22、副线路23、信号输入电极RFin、信号输出电极RFout、耦合电极CPL、隔离电极ISO以及接地电极GND，并通过晶片分割，一次制造多个定向耦合器21。
若如这样使用半导体薄膜工艺来制造定向耦合器21，则能够大幅度提高各电极的形状精度，并且相对于输入电力，即使是极端小至﹣30dB～﹣60dB的耦合量、隔离的输出特性，也能够稳定地实现。因此，能够成品率良好地实现定向耦合器21。另外，在使用半导体薄膜工艺的情况下，若使用一般的Si基板，则基板的损耗较大，定向耦合器21的插入损耗增加，但是通过使用如GaAs基板那样的半绝缘性的基板，能够减小插入损耗。另外，在半绝缘性的基板上，不仅能够安装定向耦合器，还能够混装其他有源元件，由此能够促进设备的小型化、廉价化等。
如图4的(A)所示，定向耦合器21具备阻抗变换部24、25。阻抗变换部24、25分别是将高电阻线R1、R2连接为L字型而成的电阻电路，具有阻抗变换的功能，并且还具有作为衰减器(Attenuator)的功能。
此处，使构成主线路22的电感和构成副线路23的电感分别为0.4nH，两电感间的磁场耦合系数为0.7。另外，使分别配置于电感的两侧的构成主线路22和副线路23的电容为0.08pF，电场耦合系数为1.0。使构成高电阻线R1的电阻值为27Ω，构成高电阻线R2的电阻值为64Ω。
若为这样的数值设定，则在与CPL、ISO端口连接的负载Zo为50Ω的情况下，从副线路23侧观察的表观上的阻抗Z约为35Ω，阻抗比Z/Zo约为0.7。即，和磁场耦合系数Km与电场耦合系数Kc之比0.7大致相等。因此，在该定向耦合器21中，对于由于电场耦合而在副线路23产生的电流与由于磁场耦合而在副线路23产生的电流而言，它们的振幅大致一致，从而能够实现良好的定向。
图4的(C)是表示基于仿真的阻抗变换部24、25的特性的图。在该阻抗变换部24、25的结构中，阻抗变换部24、25还作为具有﹣6dB的衰减量的衰减器而发挥作用。
此处，对本实施例与比较例的输出特性的差异进行说明。图5的(A)是第一比较例的定向耦合器31的等效电路图，图6的(A)是第二比较例的定向耦合器41的等效电路图。
定向耦合器31是电场耦合系数Kc和磁场耦合系数Km均为1的理想电路且在副线路的两端分别设置有一般的﹣6dB衰减器(Attenuator)的结构。另外，定向耦合器41是电场耦合系数Kc为1而磁场耦合系数Km为0.7且在副线路的两端分别设置有一般的﹣6dB衰减器(Attenuator)的结构。
图4的(B)是表示基于仿真的本实施例的定向耦合器21的输出特性的图。图5的(B)是表示基于仿真的第一比较例的定向耦合器31的输出特性的图。图6的(B)是表示基于仿真的第二比较例的定向耦合器41的输出特性的图。
其中，图中所示的耦合特性是指在信号输入端口RFin与耦合端口CPL之间的耦合度的频率特性。隔离特性是指在信号输入端口RFin与隔离端口ISO之间的耦合度(隔离)的频率特性。插入损耗特性是指在信号输入端口RFin与信号输出端口RFout之间的耦合度(耦合损耗)的频率特性。反射损耗特性是指在信号输入端口RFin的输入输出的耦合度(插入损耗)的频率特性。定向特性是指相当于隔离特性与耦合特性之间的差值的频率特性。
在作为理想电路的定向耦合器31中，约2GHz时的定向为60.05dB，耦合特性中的耦合量为﹣26.03dB。另一方面，在作为以往电路的定向耦合器41中，2GHz时的定向为9.54dB，耦合特性中的耦合量为﹣28.52dB。对于本实施例的定向耦合器21而言，2GHz时的定向为34.74dB，耦合特性中的耦合量为﹣26.85dB。这样，在作为理想电路的定向耦合器31中，能够实现较高的定向，但是在作为以往电路的定向耦合器41中，仅能够实现较低的定向。对此，对于本实施例的定向耦合器21而言，尽管是与作为以往电路的定向耦合器41相同的磁场耦合系数Km，也能够实现比较高的定向。
这样，可知：在本实施例的结构中，即使磁场耦合系数Km较低，通过设置阻抗变换部，也能够调整副线路23的表观负载，进而改善定向耦合器的定向。
能够如以上所示的实施方式、实施例那样地实施本发明，但是本发明的范围并非由上述实施方式的记载限制。本发明的范围由权利要求书示出，并且旨在包括与权利要求书均等的含义以及范围内的所有的变更。
附图标记说明：CPL…耦合端口；ISO…隔离端口；RFin…信号输入端口；RFout…信号输出端口；1、11、21…定向耦合器；2、12、22…主线路；3、13、23…副线路；4、5、14、15、24、25…阻抗变换部；20…GaAs基板。

Claims (6)

1.一种定向耦合器，其中，具备：
主线路，其连接在信号输入端口与信号输出端口之间；
副线路，其通过耦合电容和互感与所述主线路耦合，并且连接在耦合端口与隔离端口之间；
第一阻抗变换部，其设置在所述耦合端口与所述副线路之间，并且变换阻抗；以及
第二阻抗变换部，其设置在所述隔离端口与所述副线路之间，并且变换阻抗。
2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其中，
对于所述第一阻抗变换部而言，从所述副线路侧观察的阻抗与从所述耦合端口侧观察的阻抗不同，
对于所述第二阻抗变换部而言，从所述副线路观察的阻抗与从所述隔离端口观察的阻抗不同。
3.根据权利要求1或2所述的定向耦合器，其中，
对于所述第一阻抗变换部和所述第二阻抗变换部而言，从所述副线路侧观察的阻抗比从端口侧观察的阻抗小。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的定向耦合器，其中，
对于所述第一阻抗变换部和所述第二阻抗变换部而言，从所述副线路侧观察的阻抗与从端口侧观察的阻抗之比和磁场耦合系数与电场耦合常数之比大致相等。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的定向耦合器，其中，
所述主线路、所述副线路、所述第一阻抗变换部以及所述第二阻抗变换部通过薄膜工艺而形成。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的定向耦合器，其中，
具备在同一主表面上形成有所述主线路、所述副线路、所述第一阻抗变换部以及所述第二阻抗变换部的半绝缘性基板。
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