CN104779429A - 用于定向耦合器的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的各个实施例涉及用于定向耦合器的系统和方法。根据实施例，电路包括电流感测电路，该电流感测电路包括耦合至输入端口的电流输入端子、耦合至发送端口的电流输出端子、以及配置用以提供与在电流输入端子和电流输出端子之间流动的电流成比例的电流感测信号的电流感测输出端子。电路进一步包括电压感测电路，该电压感测电路具有耦合至发送端口的电压输入端子、以及配置用以提供与发送端口处电压成比例的电压感测信号的电压感测输出端子。组合电路具有耦合至电流感测输出端子的第一输入、耦合至电压感测输出端子的第二输入、以及耦合至输出端口的组合输出。

Description

用于定向耦合器的系统和方法

技术领域

本公开总体涉及一种电子装置，并且更具体地涉及一种用于定向耦合器的系统和方法。

背景技术

定向耦合器作为可以检测沿特定方向传送的功率的电子装置，用于大量各种射频(RF)电路中。例如，定向耦合器可以用于雷达系统中以通过从反射波分离入射波而检测反射波，或者可以用于测量传输线的阻抗失配的电路。功能上，定向耦合器具有正向传输路径以及耦合的传输路径。正向传输路径通常具有低损耗，而耦合的传输路径耦合了沿特定方向传播的传输功率的一小部分。存在许多不同类型的耦合器体系结构，包括电磁耦合器和磁性耦合器。这些耦合器类型的每一个可以取决于工作频率和工作环境而使用不同的拓扑结构和材料实施。

例如，定向耦合器可以使用布置在印刷电路板(PCB)或变压器上的带状线结构而实施。在一些带状线实施方式中，各种电路元件可以与所测量的特定信号的四分之一波长一样长。对于工作在500MHz和3.8GHz之间的频率下(其覆盖了许多蜂窝电话工作的频率范围)的应用，在集成电路上构造带状线定向耦合器变得具有挑战性，这是由于在这些频率下波长远长于集成电路上的特征尺寸。低损耗基于磁性的定向耦合器因为变压器损耗和寄生现象的影响，在该频率范围下构造也具有挑战性。

发明内容

根据实施例，电路包括电流感测电路，包括耦合至输入端口的电流输入端子，耦合至发送端口的电流输出端子，以及配置用以提供与在电流输入端子和电流输出端子之间流动的电流成比例的电流感测信号的电流感测输出端子。电路进一步包括电压感测电路，具有耦合至发送端口的电压输入端子，以及配置用以提供与发送端口处电压成比例的电压感测信号的电压感测输出端子。组合电路具有耦合至电流感测输出端子的第一输入，耦合至电压感测输出端子的第二输入，以及耦合至输出端口的组合输出节点。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下说明书，其中：

图1a-图1c示出了实施例定向耦合器电路和对应的波形图；

图2示出了另一实施例定向耦合器电路；

图3示出了又一实施例耦合器电路；

图4a-图4d示出了实施例可调谐无源网络；

图5a-图5b示出了实施例可调谐电阻器和实施例可调谐电容器；

图6示出了实施例定向耦合器系统；

图7示出了实施例方法的流程图；以及

图8a-图8d示出了采用实施例定向耦合器的实施例系统。

在不同附图中对应的数字和符号通常涉及对应的部件，除非另外给出指示。附图被绘制用于清楚地示出优选实施例的相关特征方面，并且无需按照比例绘制。为了更清楚地示出某些实施例，在图号之后可以有指示相同结构、材料或工艺步骤的变化的字母。

具体实施方式

以下详细讨论目前优选实施例的制造和使用。然而应该知晓的是本发明提供了可以在大量各种具体背景下实施的许多可应用的创新性概念。所述的具体实施例仅是制造和使用本发明的具体方式的示意并且并非限制了本发明的范围。

将参照具体背景下的优选实施例描述本发明，一种可以用于RF电路以测量入射或反射功率的定向耦合器的系统和方法。本发明的实施例也可以应用于其他系统和应用，包括利用了功率检测器和诸如锁相环(PLL)电路的相位检测器的其他电路。此外实施例可以指向执行RF测量的系统，包括但不限于测量和/或调谐阻抗失配的装置、时域反射计(TDR)、与可调谐天线匹配电路使用的感测装置、以及可调谐滤波器。

在本发明的实施例中，阻抗测量装置包括电压感测网络，耦合至与阻抗测量装置的传输路径串联耦合的电流感测网络。电压感测网络和电流感测网络的输出在输出端口组合，以产生与朝向阻抗测量装置的输入端口、或者备选地朝向传输端口传播的入射信号成比例的信号。可以通过调节电压测量装置的相位和幅度响应、和/或通过调节用于形成组合信号的电压感测网络和电流感测网络的输出的相对幅度，而调谐阻抗测量装置的方向性。在一些实施例中，该调谐可以使用控制电路自动地执行。

图1a示出了根据本发明实施例的定向耦合器100，其包括输入端口108、发送端口110以及输出端口112。RF信号经由输入端口108和发送端口110而传过定向耦合器100，并且输出端口112沿正向方向或者沿反向方向而耦合了RF信号的一部分。该RF信号示出为由RF信号发生器116产生，然而应该理解的是入射在输出端口108上的RF信号可以从诸如放大器的各种RF源产生，或者可以例如从天线接收。所有端口理想地端接有参考阻抗Z0，其在各个实施例中为50Ω。这些终端阻抗示出为耦合至输入端口108的Z_S、耦合至发送端口110的Z_L、以及耦合至输出端口112的Z_C。备选地，其他特性阻抗可以用于可以相互相同或不同的Z_S、Z_L和Z_C。

在各个实施例中，定向耦合器100包括电流感测电路102，产生了相对于RF电流I_RF幅度缩放的(amplitude-scaled)和相移的信号V_i。定向耦合器100进一步包括产生了相对于RF电压V_RF幅度缩放的和相移的信号V_v的电压感测电路104、以及产生了与V_i与V_v之和成比例的信号的组合电路106。信号V_i与V_v可以存在例如作为节点电压、输出端子处的电压、或者作为其他信号类型。

图1b和图1c包括示出了相对于图1a的电路的、在匹配阻抗条件下和失配阻抗条件下的电压V_i与V_v之间关系的波形图。图1b说明了示出在匹配阻抗条件下输入RF电压/RF电流与来自实施例耦合器的感测和组合电路的输出电压之间的关系的波形图。如所示，电流I_RF和电压V_RF相互同相，且具有遵循以下关系的幅度：

$\frac{V_{\mathrm{RF}}}{I_{\mathrm{RF}}}=Z_0$

因此，在组合电路106的输入处的电压V_i与V_v具有相等的幅度并且相互相位差180度，以使得V_i与V_v的总和为零和/或其是DC电压。在一些实施例中，产生了V_i的电流感测电路102的输出可以称作电流测量节点，以及产生了V_v的电压感测电路104的输出可以称作电压测量节点。

图1c说明了示出在失配阻抗条件下输入RF电压/RF电流与来自实施例耦合器的感测和组合电路的输出电压之间的关系的波形图。如所示，电流I_RF和电压V_RF相互异相，且具有相对幅度，其中：

$\frac{V_{\mathrm{RF}}}{I_{\mathrm{RF}}}\≠Z_0$

在该条件下，电压V_i和V_v具有不相等的幅度并且不具有相互180度相位差。因此，V_i和V_v的总和具有AC分量。应该理解的是V_i和V_v的总和可以在其中V_i和V_v相互同相但是具有不相等幅度的条件下、或者在其中V_i和V_v相互异相但是具有相等幅度的条件下具有AC分量。在备选实施例中，V_i和V_v的幅度和相位可以缩放，以使得不相等幅度条件和/或异相条件表示匹配阻抗条件。

返回参照图1a，电压感测电路104的AC响应可以描述为：

V_v(jω)＝C_v(jω)·V_RF        (1)

其中C_v(jω)表示电压感测电路104的耦合因子；以及电流感测电路102的AC响应可以描述为：

V_i(jω)＝Z(jω)·C_i(jω)·I_RF        (2)

其中C_i(jω)表示电流感测电路102的耦合因子。最后，组合电路105的AC响应可以描述为

V_comb(jω)＝m_v(jω)·V_v+m_i(jω)·V_i      (3)

其中m_v(jω)表示组合电路106其影响V_v时通过组合电路106的信号增益和相移，以及m_i(jω)表示当组合电路106影响V_i时通过组合电路106的信号增益和相移。

在实施例中，Z(jω)限定了针对其获得最高隔离的阻抗。在理想耦合器中：

C_v(jω)＝±C_i(jω)，以及            (4)

Z(jω)＝Z₀              (5)

其中是Z₀参考阻抗，例如在一些实施例中为50Ω。

当C_v(jω)＝-C_i(jω)时，在输出端口112处信号指示了从发送端口110传播至输入端口108处的电磁功率的量；同时输出端口112与从输入端口108传播至发送端口110的电磁功率隔离。另一方面，当C_v(jω)＝C_i(jω)时，在输出端口112处信号指示了从输入端口108传播至发送端口110的电磁功率的量；同时输出端口112与从发送端口110传播至输入端口108的电磁功率隔离。

在实施例中，电流感测电路102和电压感测电路104可以使用线性无源网络实施。此外，电流感测电路102、电压感测电路104和组合电路106可以是可调谐的，以使得C_v(jω)、C_i(jω)、m_v(jω)和m_i(jω)是电子可调节的。例如，电流感测电路102、电压感测电路104和组合电路106可以包括无源网络，其包括可切换元件以提供可调节的AC转移函数。

图2示出了定向耦合器100的实施例实施方式，其中电流感测电路102使用磁性变压器120实施，具有由耦合在输入端口108和发送端口110之间的电感器Lp表示的初级绕组、以及由耦合在参考节点和组合电路的第一输入之间的电感器Ls表示的次级绕组。该参考节点在一些实施例中可以是接地，或者在其他实施例中是另一参考节点。电压感测电路104包括耦合在发送端口110与组合电路106的第二输入之间的RC网络。备选的，电压感测电路104可以耦合在输入108和组合电路106的第二输入之间。可以如在此全文引用以作参考的2013年6月28日提交的标题为“System and Method for aTransformer and a Phase-Shift Network”的共同未决美国专利申请案号13/931,092中所述，而进行磁性变压器120与电压感测电路104的RC网络配合的操作。在一些实施例中，组合电路106包括两个阻抗，将来自电流感测电路102和电压感测电路104的信号合计并缩放。组合电路106中两个阻抗可以例如实施作为两个电阻器。

在图2的实施例中，电压V_v可以表示作为：

$V_v=\frac{{\mathrm{j\ωR}}_1{C}_1}{{\mathrm{j\ωR}}_1{C}_1+1}\·V_{\mathrm{RF}}---\left(6\right)$

其中R₁是电压感测电路104的RC网络的电阻值而C1是电压感测电路104的RC网络的电容值。当RC网络的截止频率远高于耦合器的工作频率范围时，也即

$\mathrm{\&omega;}<<\frac{1}{R_1{C}_1}---\left(7\right)$

方程(6)可以近似如下：

V_v≈jωR₁C₁·V_RF           (8)

因此，相对于方程(1)，电压感测电路104的电压耦合因子C_v(jω)可以表示为：

C_v(jω)＝jωR₁C₁              (9)

使用关于承载有高阻抗的理想变压器的方程(假设R2远高于在磁性变压器的次级绕组处看到的阻抗)，电压V_i可以表示为：

$V_i=-\mathrm{j\&omega;}\&CenterDot;k\sqrt{L_p{L}_s}\&CenterDot;I_{\mathrm{RF}}---\left(10\right)$

其中L_p和L_s是在电流感测网络中变压器的初级和次级绕组的自感，以及k是初级和次级绕组之间的耦合因子。在实施例中，选择各个部件和参数k、Lp、Ls、R₁和C₁以满足以下条件：

$\frac{k\sqrt{L_p{L}_s}}{R_1{C}_1}=Z_0---\left(11\right)$

其中Z₀是参考阻抗。

使用方程(11)，方程(10)可以修改为：

V_i＝-jω·Z₀·R₁C₁·I_RF        (12)

因此，相对于方程(2)，电流感测电路102的电流耦合因子C_i(jω)可以表示为：

C_i(jω)＝-jωR₁C₁             (13)

图3示出了根据类似于图2所示实施例的另一实施例的定向耦合器150，但是进一步包括耦合在磁性变压器120和组合电路106之间的方向开关156。如所示，方向开关156被配置为，通过选择性地将电流感测电路152的输出切换至磁性变压器120的次级绕组的每一末端、以及选择性将参考节点切换至磁性变压器120的次级绕组的另一末端，而翻转了电流感测电路152的输出的极性。在一些实施例中，方向开关156可以使用开关晶体管实施。此外，电压感测电路154包括耦合在发送端口110和组合电路的第二输入之间的RC网络。备选地，电压感测电路154可以耦合在输入端口108和组合电路106的第二输入之间。RC网络包括用于为电压感测电路154实施可调谐传输特性的电容器C1、可调谐电阻器R1和可调谐电容器C2。电容器C1也可以是可调谐的。

定向耦合器150的电压感测电路可以描述如下：

$V_v=\frac{{\mathrm{j\&omega;R}}_1{C}_1}{{\mathrm{j\&omega;R}}_1(C_1+C_2)+1}\&CenterDot;V_{\mathrm{RF}}---\left(14\right)$

当C₂小于C₁时，方程(14)可以近似为方程(8)。当C₂>>C₁时，取决于电容器C₂的电容值，在V_v和V_RF之间具有在0和90度之间数值的相移。通过调节电容器C₂的电容值以及电阻器R₁的电阻值，可以调谐电压感测网络的传输函数的幅度和相位。此外，可以通过调节电容器C1的电容值而调谐电压感测电路的传输函数的幅度和相位。应该理解的是电压感测电路154的拓扑结构仅是许多可能的实施例电压感测电路的一个示例。在备选实施例中，可以使用产生了可调节的相移的其他网络。

在电流感测电路152中的方向开关156改变电压V_i的极性，由此实施了以下功能：

$V_i=-\mathrm{j\&omega;}\&CenterDot;k\sqrt{L_p{L}_s}\&CenterDot;I_{\mathrm{RF}}$ 第一位置     (15)

$V_i=\mathrm{j\&omega;}\&CenterDot;k\sqrt{L_p{L}_s}\&CenterDot;I_{\mathrm{RF}}$ 第二位置       (16)

如从方程(15)和(16)可见，选择开关以180度反相了电流感测电路152的输出。当时，输出端口112处的信号指示了从发送端口110传播至输入端口108的电磁功率的量；同时输出端口112与从发送端口108传播至发送端口110的电磁功率隔离。当时，输出端口112处的信号指示了从输入端口108传播至发送端口110的电磁功率的量；同时输出端口112与从发送端口110传播至输入端口108的电磁功率隔离。

图4a-图4d示出了可以用于实施组合电路106的各种电路。图4a示出了包括固定电阻器R2和R3的组合电路106，可以用于其中在电流感测电路102和电压感测电路104的输出之间仅需要固定比例的实施例中。图4b示出了其中电阻器R2和/或电阻器R3可调谐的组合电路160。在图4c中，组合电路162使用两个可调谐电容器C3和C4实施，并且在图4d中，组合电路164使用分别与电容器C4和C3并联耦合的可调谐电阻器R2和R3实施。通过独立地调节电阻器R2和R3以及电容器C4和C3，可以调节m_v(jω)和m_i(jω)的幅度和相位两方面。

图5a-图5b示出了可以用于在实施例电压感测电路和组合电路中实施可调谐部件的可调谐无源元件的示例。图5a示出了包括串联耦合的电阻器R21、R22和R23的实施例可调谐电阻器。NMOS晶体管M1、M2和M3可以用于分别选择性地短路电阻器R21、R22和R23。在一个示例中，可以通过关断NMOS晶体管M1、M2和M3而选择R21、R22和R23的总和的电阻值。在另一示例中，可以通过导通晶体管M2和M3并且关断晶体管M1而选择约R23的电阻值。在备选实施例中，多于或者少于三个开关晶体管可以用于选择多于或者少于三个电阻器。在其他实施例中，电阻器可选择作为并联电阻器的组合和/或并联和串联两种电阻器的组合。此外，开关晶体管M1、M2和M3可以使用除了NMOS晶体管之外的其他类型晶体管实施，例如PMOS晶体管、双极结型晶体管和其他类型晶体管。

图5b示出了由NMOS晶体管M4、M5和M6所选择的可选择电容器C31、C32和C33的并联组合所实施的实施例可调谐电容器。在备选实施例中，多于或者少于三个开关晶体管可以用于选择多于或者少于三个电容器。在其他实施例中，电容器可以选择作为并联电容器的组合和/或并联和串联两种电容器的组合。此外，开关晶体管M4、M5和M6可以使用除了NMOS晶体管之外的其他类型晶体管实施，例如PMOS晶体管、双极结型晶体管和其他类型晶体管。

图6示出了实施例定向耦合器200，进一步包括可以用于经由数字接口204而调谐和/或校准电流感测电路152、电压感测电路104以及组合电路106的控制器202。如所示，控制器202可以用于通过调节例如在如上所述这些块内的无源部件而控制在组合电路106和电压感测电路104内的设置。控制器202可以进一步耦合至电流感测电路152以控制方向开关。在一些实施例中，定向耦合器200中所有元件可以实施在一个或多个集成电路上。控制器202可以使用微控制器、微处理器、状态机、或其他类型的硬连线或可编程的逻辑而实施。在其他实施例中，控制器202可以包括内置自测试电路装置(built-in self-test circuitry)，提供了一定程度的对测试和校准序列的控制。确定的设置可以存储在存储器210中，其可以使用诸如EEPROM、掩模可编程ROM、可编程熔丝或其他类型存储器的非易失性存储器而实施。在测试期间，定向耦合器200可以在具有耦合至发送端口110的输入的测试仪212的控制下而工作。测试仪212可以控制部件的状态，部件诸如为在电流感测电路152内的方向开关以及在电压感测电路104和组合电路106内的可调节无源网络。

图7示出了实施例定向耦合器校准方法300的流程图。在实施例中，在步骤302中，输入端口和发送端口端接有已知的阻抗。在一些实施例中，输出端口也端接有已知的阻抗。在一些情形中，这些阻抗可以均端接至设定的特性阻抗，诸如Z₀＝50Ω。备选地，可以使用其他阻抗。例如，在一些实施例中，耦合至输入端口、发送端口和/或输出端口的阻抗可以故意地失配，以便于允许校准序列以校准可以由于寄生电路板阻抗的影响而增大的非理想系统负载。

接着，在步骤304中，RF信号施加至输入端口和/或至发送端口。该信号可以例如使用RF信号发生器施加。在步骤306中，诸如图3所示方向开关156的方向开关被设置至第一位置，以使得实施例电流感测电路的输出提供第一极性的信号。接着，在步骤308中，测量在定向耦合器的输出端口处的第一功率。随后在步骤310中设置方向开关至第二位置，以反转电流感测电路的输出的极性，并且随后在步骤312中测量在输出端口处的第二功率。随后在步骤314中通过计算在第一功率与第二功率之间的差值和/或比例而计算方向性。

接着在步骤316中将计算得到的方向性与预定的阈值作比较。在一些实施例中，该预定的阈值对于在约500MHz和约3GHz之间的频率，例如可以在20dB和约25dB之间。备选地，可以取决于特定的应用及其规范而使用在该范围之外其他的阈值和频率。如果方向性小于预定的阈值，在步骤318中调节电压感测电路和/或组合器的设置，并且重复步骤306至步骤316。可以使用诸如最小平均方(LMS)算法或本领域已知的其他算法的优化算法调节设置。另一方面，如果测得和计算得到的方向性在预定阈值内，在步骤320中在诸如非易失性存储器的存储器中存储电压感测电路和/或电流感测电路的设置。

图8a示出了根据本发明实施例的RF系统400。系统400包括经由实施例定向耦合器404和可调谐匹配网络406而耦合至天线412的RF收发器402。定向耦合器404的输出端口耦合至功率检测器408，其输出耦合至控制器410。在实施例中，控制器410根据功率检测器408的数字化输出而调节可调谐匹配网络406。当定向耦合器404检测到在RF收发器402与至可调谐匹配网络406的输入之间阻抗失配时，在一些实施例中控制器410调节可调谐匹配网络406直至测得的它的阻抗失配跌落至预定阈值之下。在一些实施例中，控制器410可以例如使用处理器、微控制器或专用系统逻辑而实施。RF系统400可以例如实施在蜂窝电话、无线局域网收发器、或其他射频系统的前端中。在一些实施例中，可调谐匹配网络406耦合在RF收发器402与定向耦合器404之间，如关于系统420的图8b所示。

图8c示出了根据本发明另一实施例的实施例雷达系统450。系统450包括经由实施例定向耦合器404耦合至天线412的雷达收发器452。定向耦合器404的输出经由功率检测器408耦合至控制器410。在实施例中，定向耦合器404测量可以表示反射雷达脉冲的、来自天线412的入射信号。系统450可以使用例如雷达系统，诸如自动或邻近雷达系统。定向耦合器404可以例如使用在此公开的实施例定向耦合器而实施。可以采用实施例反射测量电路的其他示例性系统包括在平面倒F天线(PIFA)馈电点调谐器中功率监控。

图8d示出了实施例系统460，包括经由实施例定向耦合器404而耦合至天线412的天线开关462。配置天线开关462以从输入S1至SN之中选择一个并且耦合至输出节点O1。定向耦合器404的输出端口经由功率检测器408耦合至控制器410。例如可以将系统460用于通过选择定向耦合器404内的极性开关的位置而测量沿正向和反向方向发送和反射的功率。定向耦合器404的输出可以进一步用于执行包络追踪和天线调谐。

应该知晓的是图8a至图8d中所示实施例仅是可以使用实施例定向耦合器实施的许多实施例系统的三个示例。

根据实施例，电路包括电流感测电路，具有耦合至输入端口的电流输入端子、耦合至发送端口的电流输出端子、以及配置用以提供与在电流输入端子和电流输出端子之间流动的电流成比例的电流感测信号的电流感测输出端子。电路进一步包括电压感测电路，具有耦合至发送端口的电压输入端子、以及配置用以提供与发送端口处的电压成比例的电压感测信号的电压感测输出端子。组合电路具有耦合至电流感测输出端子的第一输入、耦合至电压感测输出端子的第二输入、以及耦合至输出端口的组合输出节点。配置电路以基于在电压感测输出端子和电流感测输出端子之间幅度差和相位差而指示在输入端口和发送端口之间传播的电磁功率的量。

在实施例中，电路进一步包括磁性变压器，具有耦合在电流输入端子和电流输出端子之间的第一绕组、以及耦合在第一参考节点和电流感测输出端子之间的第二绕组。电路可以进一步包括耦合在电流感测输出端子和第二绕组之间的开关。可以配置开关以选择极性，电流感测输出端子以该极性耦合至第二绕组。

在一些实施例中，电压感测电路包括具有可调节相位和幅度响应的可调节网络。可调节网络可以包括耦合在电压输入端子和电压感测输出端子之间的串联电容器、以及耦合在电压感测输出端子和参考节点之间的旁路电阻器，以使得串联电容器和旁路电阻器中的至少一个可调节。在另一实施例中，可调节网络包括耦合在电压输入端子和电压感测输出端子之间的串联电容器、耦合在电压感测输出端子和参考节点之间的旁路电阻器、以及耦合在电压感测输出端子和参考节点之间的旁路电容器，以使得串联电容器、旁路电阻器和旁路电容器中的至少一个可调节。

电路可以进一步包括配置用以校准可调节网络以产生基本上90°相移的控制器。在一些实施例中，电路包括配置用以校准可调节网络以基本上最大化电路的方向性的控制器。在实施例中，组合电路包括另一可调节无源网络，并且进一步配置控制器以校准另一可调节无源网络以基本上最大化电路的方向性。

在一些实施例中，组合电路包括耦合在电流感测输出端子和组合输出节点之间的第一阻抗、以及耦合在电压感测输出端子和组合输出节点之间的第二阻抗。第一阻抗可以使用第一电阻器实施，而第二阻抗可以使用第二电阻器实施。备选地，第一和第二阻抗可以使用第一和第二电容器实施。在一些实施例中，第一阻抗可以包括第一可调节阻抗，而第二阻抗可以包括第二可调节阻抗。例如，第一可调节阻抗可以使用第一可调节电阻器实施，而第二可调节阻抗可以使用第二可调节电阻器实施。在其他实施例中，第一可调节阻抗可以使用第一可调节电容器实施，而第二可调节阻抗可以使用第二可调节电容器实施。

根据另一实施例，定向耦合器包括磁性变压器，具有耦合在输入端口和发送端口之间的第一绕组，以及经由可选的极性开关而耦合至电流感测节点和参考节点的第二绕组。定向耦合器也包括耦合在发送端口和电压感测节点之间的可调节无源网络，以及具有耦合至电流感测节点的第一输入、耦合至电压感测节点的第二输入、和耦合至定向耦合器的输出端口的输出的组合电路。

在实施例中，配置输入端口以耦合至RF信号源，配置发送端口以耦合至第一RF负载，以及配置输出端口以耦合至第二RF负载。定向耦合器可以进一步包括配置用以通过调节可调节无源网络而校准耦合器的方向性的控制器。可以配置该控制器以通过以下各项来校准方向性：(a)设置可选择极性开关至第一位置并且测量在输出端口处的第一功率；(b)设置可选择极性开关至第二位置并且测量在输出端口处的第二功率；(c)计算第一功率和第二功率之间的差值；以及(d)如果差值小于预定阈值，则调节可调节无源网络。在一些实施例中，进一步配置控制器以当差值小于预定阈值时，重复步骤(a)、(b)、(c)和(d)。可以进一步配置控制器以当差值大于预定阈值时，存储用于可调节无源网络的设置。

在实施例中，组合电路包括可调节组合电路；以及如果差值大于预定阈值则进一步配置控制器以调节可调节组合电路。

根据另一实施例，校准定向耦合器的方法包括，测量定向耦合器的方向性以形成第一测量值，调节电压感测电路的特性以便当第一测量值低于预定阈值时增大定向耦合器的方向性，以及重复测量和调节直至第一测量值在预定阈值之上。定向耦合器自身包括耦合在输入端口和发送端口之间的电流感测电路、耦合在发送端口和电压感测输出端子之间的电压感测电路、以及具有耦合至电压感测电路的电压感测输出端子和电流感测电路的电流感测输出端子的输入以及耦合至定向耦合器的输出端口的输出的组合电路。

在实施例中，方法进一步包括调节电压感测电路的特性，包括调节无源网络。在一些实施例中，组合电路包括可调节组合电路，并且方法进一步包括调节可调节组合电路以当第一测量值低于预定阈值时增大定向耦合器的方向性。调节可调节组合电路可以包括，切换耦合在电流感测输出端子和输出端口之间的第一可调谐阻抗的元件、以及切换耦合在电压感测输出端子和输出端口之间的第二可调谐阻抗的元件。

方法可以进一步包括使得输入端口端接有第一阻抗，以及使得发送端口端接有第二阻抗。在各个实施例中，测量方向性包括设置方向开关至第一位置，以使得方向开关被配置用于选择电流感测电路的电流感测输出端子的极性。测量方向性可以进一步包括在输入端口处施加第一RF信号，使得当方向开关在第一位置时测量输出端口处的第一功率，设置方向开关至第二位置，使得当方向开关在第二位置时测量输出端口处的第二功率，以及计算在第一功率和第二功率之间的差值以形成测得的方向性。

调节电压感测电路的特性可以包括施加用于可调谐元件的设置至电压感测电路。在一些实施例中，方法进一步包括在第一测量值在预定阈值之上之后在非易失性存储器中存储用于可调谐元件的设置。

一些实施例定向耦合器的优点包括能够通过仅使用单个耦合的输出端口来监控沿正向方向和反向方向的RF信号的功率。另一优点包括能够校准定向耦合器的方向性以补偿部件和工艺的变化、以及由于板上寄生阻抗导致的变化和非理想性。同样的，实施例的定向耦合器可以使用标准半导体工艺和/或廉价部件实现高度方向性。尽管已经参照示意性实施例描述了本发明，本说明书并非意在被解释为限定性的。基于本说明书的描述，示意性实施例的各种修改和组合以及本发明其他实施例对于本领域技术人员而言将是明显的。

Claims (31)

1.一种电路，包括：

电流感测电路，包括耦合至输入端口的电流输入端子、耦合至发送端口的电流输出端子，以及被配置用于提供电流感测信号的电流感测输出端子，所述电流感测信号与在所述电流输入端子和所述电流输出端子之间流动的电流成比例；

电压感测电路，具有耦合至所述发送端口的电压输入端子，以及被配置用于提供电压感测信号的电压感测输出端子，所述电压感测信号与所述发送端口处的电压成比例；以及

组合电路，具有耦合至所述电流感测输出端子的第一输入、耦合至所述电压感测输出端子的第二输入、以及耦合至输出端口的组合输出节点，其中所述电路被配置用于基于所述电压感测输出端子和所述电流感测输出端子之间的幅度差和相位差来指示在所述输入端口和所述发送端口之间传播的电磁功率的量。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电流感测电路包括磁性变压器，所述磁性变压器具有耦合在所述电流输入端子和所述电流输出端子之间的第一绕组、以及耦合在第一参考节点和所述电流感测输出端子之间的第二绕组。

3.根据权利要求2所述的电路，进一步包括耦合在所述电流感测输出端子和所述第二绕组之间的开关。

4.根据权利要求3所述的电路，其中，所述开关被配置用于选择极性，所述电流感测输出端子以所述极性耦合至所述第二绕组。

5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电压感测电路包括具有可调节的相位和幅度响应的可调节网络。

6.根据权利要求5所述的电路，其中，所述可调节网络包括：

串联电容器，耦合在所述电压输入端子和所述电压感测输出端子之间；以及

旁路电阻器，耦合在所述电压感测输出端子和参考节点之间，

其中所述串联电容器和所述旁路电阻器中的至少一个是可调节的。

7.根据权利要求5所述的电路，其中，所述可调节网络包括：

串联电容器，耦合在所述电压输入端子和所述电压感测输出端子之间；

旁路电阻器，耦合在所述电压感测输出端子和参考节点之间；以及

旁路电容器，耦合在所述电压感测输出端子和参考节点之间，其中所述串联电容器、所述旁路电阻器和所述旁路电容器中的至少一个是可调节的。

8.根据权利要求5所述的电路，进一步包括：控制器，被配置用于校准所述可调节网络以产生基本上90°的相移。

9.根据权利要求5所述的电路，进一步包括：控制器，被配置用于校准所述可调节网络以基本上最大化所述电路的方向性。

10.根据权利要求9所述的电路，其中：

所述组合电路包括另一可调节无源网络；以及

所述控制器进一步被配置用于校准所述另一可调节无源网络以基本上最大化所述电路的所述方向性。

11.根据权利要求1所述的电路，其中，所述组合电路包括：

第一阻抗，耦合在所述电流感测输出端子和所述组合输出节点之间；以及

第二阻抗，耦合在所述电压感测输出端子和所述组合输出节点之间。

12.根据权利要求11所述的电路，其中：

所述第一阻抗是第一电阻器；以及

所述第二阻抗是第二电阻器。

13.根据权利要求11所述的电路，其中：

所述第一阻抗是第一电容器；以及

所述第二阻抗是第二电容器。

14.根据权利要求11所述的电路，其中：

所述第一阻抗包括第一可调节阻抗；以及

所述第二阻抗包括第二可调节阻抗。

15.根据权利要求14所述的电路，其中：

所述第一可调节阻抗是第一可调节电阻器；以及

所述第二可调节阻抗是第二可调节电阻器。

16.根据权利要求14所述的电路，其中：

所述第一可调节阻抗是第一可调节电容器；以及

所述第二可调节阻抗是第二可调节电容器。

17.一种定向耦合器，包括：

磁性变压器，具有耦合在输入端口和发送端口之间的第一绕组，以及经由可选择极性开关耦合至电流感测节点和参考节点的第二绕组；

可调节无源网络，耦合在所述发送端口和电压感测节点之间；以及

组合电路，具有耦合至所述电流感测节点的第一输入、耦合至所述电压感测节点的第二输入、以及耦合至所述定向耦合器的输出端口的输出。

18.根据权利要求17所述的定向耦合器，其中：

所述输入端口被配置为耦合至RF信号源；

所述发送端口被配置为耦合至第一RF负载；以及

所述输出端口被配置为耦合至第二RF负载。

19.根据权利要求17所述的定向耦合器，进一步包括：控制器，被配置用于通过调节所述可调节无源网络而校准所述耦合器的方向性。

20.根据权利要求19所述的定向耦合器，其中，所述控制器被配置用于通过以下步骤校准所述方向性：

a)设置所述可选择极性开关至第一位置，并且测量在所述输出端口处的第一功率；

b)设置所述可选择极性开关至第二位置，并且测量在所述输出端口处的第二功率；

c)计算在所述第一功率和所述第二功率之间的差值；以及

d)如果所述差值小于预定阈值，调节所述可调节无源网络。

21.根据权利要求20所述的定向耦合器，其中，所述控制器进一步被配置为当所述差值大于所述预定阈值时存储用于所述可调节无源网络的设置。

22.根据权利要求20所述的定向耦合器，其中，所述控制器进一步被配置为当所述差值小于所述预定阈值时重复所述步骤a)、b)、c)和d)。

23.根据权利要求20所述的定向耦合器，其中，

所述组合电路包括可调节组合电路；以及

所述控制器进一步被配置为如果所述差值大于所述预定阈值则调节所述可调节组合电路。

24.一种校准定向耦合器的方法，所述定向耦合器包括耦合在输入端口和发送端口之间的电流感测电路、耦合在所述发送端口和电压感测输出端子之间的电压感测电路、以及具有耦合至所述电压感测电路的电压感测输出端子和所述电流感测电路的电流感测输出端子的输入以及耦合至所述定向耦合器的输出端口的输出的组合电路，所述方法包括：

测量所述定向耦合器的方向性以形成第一测量值；

当所述第一测量值低于预定阈值时，调节所述电压感测电路的特性以提高所述定向耦合器的所述方向性；以及

重复所述测量和所述调节，直至所述第一测量值在所述预定阈值之上。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，调节所述电压感测电路的特性包括调节无源网络。

26.根据权利要求25所述的方法，其中：

所述组合电路包括可调节组合电路；以及

所述方法进一步包括，当所述第一测量值低于所述预定阈值时，调节所述可调节组合电路以提高所述定向耦合器的所述方向性。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，调节所述可调节组合电路包括切换耦合在所述电流感测输出端子和所述输出端口之间的第一可调谐阻抗的元件，以及切换耦合在所述电压感测输出端子和所述输出端口之间的第二可调谐阻抗的元件。

28.根据权利要求24所述的方法，进一步包括：

使得所述输入端口端接有第一阻抗；以及

使得所述发送端口端接有第二阻抗。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，测量所述方向性包括：

设置方向开关至第一位置，其中所述方向开关被配置用于选择所述电流感测电路的电流感测输出端子的极性；

在所述输入端口处施加第一RF信号；

当所述方向开关在所述第一位置时，测量在所述输出端口处的第一功率；

设置所述方向开关至第二位置；

当所述方向开关在所述第二位置时，测量在所述输出端口处的第二功率；以及

计算所述第一功率和所述第二功率之间的差值以形成测得的所述方向性。

30.根据权利要求24所述的方法，其中，调节所述电压感测电路的特性包括施加用于可调谐元件的设置至所述电压感测电路。

31.根据权利要求30所述的方法，进一步包括，在所述第一测量值在所述预定阈值之上之后，在非易失性存储器中存储用于所述可调谐元件的所述设置。