CN1048602C - 用于射频信号放大器的嵌入的传输线耦合器 - Google Patents

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Abstract

一个偏置传输线耦合器(115)用于由一个RF信号放大器(103)产生一个发射机输出信号(123)，它包括一个直通通路传输线(201)和一个耦合通路传输线(202)，传输线(202)是由多个部分以螺旋线形状组成的且与传输线201电磁耦合，它们分别放置在直通通路传输线(201)的两侧，用来增强耦合灵敏度和消除因传输线镀层偏离对准位置而引起的耦合量的降低。

Description

用于射频信号放大器的嵌入的传输线耦合器
本发明一般涉及射频(RF)信号耦合器，尤其涉及用于蜂窝电话中RF信号放大器嵌入的传输线耦合器。
在常规的蜂窝电话中，RF信号耦合器可由以由几种方法来实现，包括采用电容耦合器或传输线耦合器的方法。现有的传输线耦合器通常设计成在所有通道上用50Ω的负载来终接。因此，在RF信号放大器的输出端需要包括提供与50Ω负载相匹配的电路。这个输出匹配电路通常包括一条或多条传输线、若干电容器、电阻器和/或电感，所有这些都要占有宝贵的电路板空间。此外，RF信号放大器和天线之间的总插入损耗包括由于输出匹配电路和传输线耦合器产生的损耗。由于上述原因，需要嵌入的传输线耦合器，它与RF信号放大器的输出匹配电路集成一体。
本发明的目的是提供一种传输线匹配电路和用于射频信号放大器的嵌入的传输线耦合器。
本发明包括射频(RF)信号耦合电路，用于检测由一个信号源产生的RF信号并产生一个RF检测信号，所述放大器有一个输出端和一个输出阻抗，所述的RF信号耦合电路包括具有顶表面和底表面以及一个预定的介电常数的一个基片和一个传输线匹配电路，其特征在于：所述射频信号耦合电路包括：一个传输线匹配电路，该传输线匹配电路配置在基片的顶表面上并与放大器输出端相耦接，为的是与放大器的输出阻抗相匹配，包括：包括第一传输线的第一低通滤波器部分；以及第二低通滤波器部分，该第二低通滤波器部分与第一低通滤波器部分相耦接并且包括配置在基片的顶表面上的直通通路传输线，该直通通路传输线与射频(RF)信号耦接；以及配置在基片底表面上的耦合通路传输线，其耦合端耦接至第一复阻抗，隔离端耦接至第二复阻抗，耦合通路传输线与直通通路传输线电磁耦合，用于在耦合端产生RF检测信号，其幅度与RF信号的幅度有关。本发明还包括用于放大一个射频(RF)信号并产生一个预定功率电平的发射机输出信号的发射电路，所述的发射电路包括：一个信号源，用于产生RF信号；一个具有输出阻抗的放大器，它与射频(RF)信号和一个增益控制信号耦接，由可变增益控制放大射频(RF)信号来产生发射机输出信号，可变增益具有与增益控制信号的幅度有关的幅度；一个基片，它具有顶表面和底表面以及一个预定的介电常数；一个传输线匹配电路，该传输线匹配电路配置在基片的顶表面上并与放大器输出端相耦接，为的是与放大器的输出阻抗相匹配，包括：包括第一传输线的第一低通滤波器部分；以及第二低通滤波器部分，该第二低通滤波器部分与第一低通滤波器部分相耦接并且包括配置在基片的顶表面上的直通通路传输线，该直通通路传输线与发射机输出信号耦接；以及配置在基片底表面的耦合通路传输线，其耦合端耦接至第一复阻抗，隔离端耦接至第二复阻抗，耦合通路传输线与直通通路传输线电磁耦合，用于在耦合端产生RF检测信号，其幅度与发射机输出信号的幅度有关；以及耦接至RF检测信号的检测电路，用于调节增益控制信号的幅度以保持发射机输出信号在预定的功率电平上。
本发明可以节约电路板的空间和元件的数目，并减小了RF信号放大器与天线间的总的插入损耗。
图1是很好地应用本发明的RF发射机电路100的方框图。
图2是包括RF发射机电路100的蜂窝电话200的方框图。
图3是在图1中的放大器103和功率检测电路109的详细电路图。
图4是在图1中发射机电路的电路板的一部分，显示了传输线耦合器115。
图5是在图4中的电路板部分的顶层321的俯视图，显示了传输线耦合器中的传输线201和202的一种实施方式。
图6是在图4中的电路板部分的顶层321的俯视图，显示了传输线耦合器115中的传输线201和202的优选实施方式。
图7是在图4中的电路板部分的顶层321的俯视图，显示了传输线耦合器115中的传输线201和202的另一种实施方式。
简要地描述，本发明包括RF信号耦合器电路，它用于检测由放大器产生的RF信号并产生一个RF检测信号。放大器还包括一个连到传输线匹配电路的输出端。RF信号耦合器电路包括一个基片，它具有顶表面和底表面以及一个预定的电介常数；直通通路传输线，它具有一个预定的形状并放置在基片的顶表面上，该直通通路传输线与RF信号耦合，并包括在放大器的传输线匹配电路中；以及放置在基片底表面上的耦合通路传输线，其耦合端与第一复阻抗耦接，隔离端与第二复阻抗耦接，耦合通路传输线与直通通路传输线电磁耦合，用于在耦合端产生RF检测信号，其幅度与RF信号的幅度有关；
参见图1，是一个说明性的专用RF接收机电路100的方框图，它可以很好地应用本发明。RF接收机电路100是在图2中的蜂窝电话200的一部分，蜂窝电话还包括接收机电路141、用户接口电路151，它与麦克风152，扬音器153和按键面板154相连，所有这些电路都由微机111来控制并且它们可以是任何常规的蜂窝电话中的元件，如：由位于1313 East Algonquin Road，Schaumburg，lllinois 60196的Motorola C&E部门发表并可由此得到的，题为“DYNATAC的蜂窝移动电话800MHZ接收机”的使用手册68P81066E40号中所显示和描述的蜂窝电话。在由本部门发表并可由此得到的，另一篇题为“DYNATAC 6800XL蜂窝移动电话用户手册”的用户手册68P81116E58号中，描述了这种通用电话的操作和特性。
在图1中的RF接收机电路100包括级联放大器101、102和103，它们由定向耦合器115和滤波器105耦接至天线107。RF发射机电路100与在图2中的微机111和接收器141一起均可实现在多层印刷电路板上。定向耦合器115最好是如下所描述的传输线定向耦合器，且耦接至功率检测电路109，此电路可产生功率检测信号131。微机111响应功率检测信号131来调整增益控制信号132的幅度以产生发射机输出信号123所要求的功率电平。增益控制信号132耦接至驱动器电路113(由在此仅作为参考的美国专利4,523,155号中所显示和描述的方法来实现)来调整驱动放大器的驱动电压/电流以相应地调整其放大增益。在模拟蜂窝电话中，发射机输出信号123可以设置为8个可能的功率电平中的一个以响应来自蜂窝基站(见美国专利4,523,155号)的控制信号。在数字蜂窝电话中，为了响应来自蜂窝基站(见在此仅作参考的美国专利5,192,223号)的控制信号，在一个指定的时隙中，发射机输出信号123可设置为8个可能电平中的一个。模拟蜂窝电话和数字蜂窝电话都可以很好地应用本发明。
参见图3，是一个说明性的在图1中的末端放大器103和功率检测电路109的详细电路图。放大器103最好是一个场效应晶体管(OK1的KGF1321SFET)，它由一个电容和传输线203耦接至被放大的TX信号122上并产生了发射机输出信号123。放大器103的输出匹配包括两个低通器部分和二次和三次谐波的谐波匹配。此谐波匹配由传输线204和电容器243来实现。传输线205和电容器245提供一个低通滤波器部分，传输线201和电容器247提供另一个低通滤波器部分。传输线201也耦接至滤波器105，它依次地由两个电容和一个电感耦接至天线107。
根据定向耦合器115的新颖特性，传输线201和202被嵌入在放大器103的输出匹配中。由于耦合器115被嵌入在放大器103的输出匹配中，那么需要仔细地选择在耦合通路传输线202的耦合端口和隔离端口(此端连接到电感210)上的复阻抗，使得出现在耦合通路传输线202的耦合端口(此端连接到电感212)上的信号只包括在前向传送的信号而不包括在反向传送的信号。在常用的定向耦合器中，直通通路传输线和耦合通路传输线的所有端口的阻抗均设计为550ohm。当理想地以50ohm阻抗终接时，RF信号的一部分出现在耦合通路传输线的耦合端口上，而在耦合通路传输线的隔离端口上没有信号出现。同样，由于直通通路传输线的两个端口都理想地以50ohm阻抗终接，因此不会出现RF信号的反射。然而，由于被嵌入耦接器115的直通通路传输线201不是理想地终接，而是耦接在电容器245和247之间，这样将会出现发射机输出信号123的一些反射。
在耦合器115中，发射机输出信号123的所要求部分与耦合通路传输线202的耦合端口相耦合。发射机输出信号123沿传输线201向下传送并由电容器247反射回一部分。第一次被反射的发射机输出信号123传送回来并由电容器245反射回一部分。第二次被反射的发射机输出信号123的非要求部分与耦合通路传输线的耦合端口相耦合。第一次被反射的发射机输出信号123的一部分也与耦合通路传输线202的隔离端口相耦合并传逆回至耦合通路传输线202的耦合端口上。根据定向耦合器115的新颖特性，如果适当的隔离端口复阻抗终接在耦合通路传输线202的隔离端口上，那么传送回至耦合端口上的第一次被反射的发射机输出信号123的这部分将抵消第二次被反射的发射机输出信号123的耦合部分。这个适当的隔离端口复阻抗包括一个实数部分和一个虚数部分，在优选的实施方式中，它由电感210(15nH)和电阻222(39ohm)串联地耦接至耦合通路传输线202的隔离端口上来实现。通过采用适当的隔离端口复阻抗来抵消反射信号中的非要求部分，耦合器115可以嵌入放大器103的输出匹配中，从而节省了电路板的空间和许多元件。适当的耦合端口复阻抗还可增强所要求的抵消作用，此阻抗在优选的实施方式中由电感2l2(5nH)和电感211(22nH)以及二极管阻抗206串联地耦接至耦合通路传输线202的耦合端口上来实现。
传输线201提供给发射机输出信号123一个直通通路。耦合通路传输线202与传输线201电磁耦合来产生一个RF检测信号，此信号的幅度与发射机输出信号123的振幅有关。从传输线202来的RF检测信号由电感212和211耦接到二极管206并和电容231一起对此信号进行半波整流以产生一个直流电压，此电压与存贮在电容器231中的电压成比例。
存贮在电容器231中的直流电压经电阻232～235和电容器236耦接后，提供功率测试信号131。电阻224和二极管207根据电压V2产生一个偏压，电压V2经电阻223和222以及电感210耦接至传输线202，用于通过电感212和211给二极管206加上偏置电压。二极管207和206最好是具有相同电特性的热载流子二极管，如Motorola的MMBD770T1型二极管。二极管207对二极管206进行温度补偿，使得功率检测信号131不随温度的变化而变化。
根据功率检测电路109的新颖特性，由电感211(22nH)实现的阻抗耦接至二极管206，用于匹配固有的二极管电阻和电容(1.5pF)，从而通过两个因素中的其中之一尽量地增强功率检测电路109的灵敏度。虽然匹配阻抗是用电感211实现的，但其也可以由相应的电容电路来实现。匹配阻抗使传送到二极管206的功率增至最大并优化其在低功率电平下(如，在低于8个可能的功率电平中的一个预定的功率电平)的操作，在这种情况下灵敏度非常重要。由于功率检测电路109比较灵敏，只需较低电平的信号检测且具有20dB耦合量的耦合器115可代替在没有电感211的检测电路中所使用的15dB耦合量的耦合器。具有20dB耦合量的耦合器115可以使插入损耗降低约0.1dB，变换为节省漏电流约8mA，因此实际上延长了电池的通话时间。
参见图4，示出的是在图1中的发射机电路100的电路板的一部分，它显示了传输线耦合器115。发射机电路100是在一个多层电路板上或具有三个基片层321、322、323的基片上来实现的，在优选的实施方式中，它们由电介常数为4.66的FR—4玻璃纤维材料来构成。基片材料也可以是其它合适的材料，如氧化铝、硬铝和石英。层321包括前向通路传输线201，它由镀在顶表面301上的导电材料构成，以及耦合通路传输线202，它由镀在底表面302上的导电材料构成。其它电路镀层(未标出)也可以包括在电路板321层的顶表面301和底表面302上的其它部分上。层322是一个中间层，它没有任何电路镀层。层323在顶表面303上有接地镀层，它向传输线201和202提供一个接地层且在底表面304上有其它电路镀层(未标出)。层321、322和323镀上相应的电路并通过分层处理或其它合适的处理，把它们结合在一起形成电路板。
参见图5，示出了在图4中的电路板部分的顶层321的俯视图，它显示了传输线耦合器115中的传输线201和202的实施方式。根据传输线耦合器115的新颖特性，以蛇形线的方法形成传输线202，使得各部分341、342和部分343、344从图5中的顶部看过去分别位于传输线201的两侧。
传输线耦合器115最好具有足够的灵敏度以检测列发射机输出信号123处于低信号电平状态以及相对较低的损耗状态来避免不必要的发射机输出信号123的衰减和来自电池的相应不必要的漏电流。通过使用传输线耦合器115，可在825mHz至925mHz频带内实现20dB的电磁耦合且具有小于0.15dB的插入衰耗。
传输线201的202间的电磁耦合量取决于许多因素，包括传输线202的宽度、层321的厚度以及各部分341、342、343和344平行地偏离于传输线201边界的距离。在图5中的各部分341、342、343和344的宽度小于传输线201的宽度且偏离于传输线201边界大致相同的距离。各部分341和342合在一起的长度与部分343和344合在一起的长度基本相同。由部分341和342合在一起提供耦合量与部分343和344合在一起提供的耦合量基本相等。传输线201和202间的电磁耦合在输线201和部分别341、342、343和344间最大，而在传输线201与在其下的垂直部分间为最小。因此，层321的顶表面301和底表面302上的电路镀层在对准位置的小的变化不会降低传输线201和202间的总体电磁耦合，这是因为当部分343、344的耦合量减少时，部分341、342的耦合量增加，反之亦然。传输线202的许多其它结构和形状可能包括锯齿形的、半圆形的和椭圆形的以及在如下所述的图6和图7中的结构。
参见图6，说明了在图4中的电路板部分的顶层321的俯视图，它显示了传输线耦合115中的传输线201和202的优选实施方式。传输线201是U形的，传输线202包括部分641和642，它们与U形传输线201的两条平行边电磁耦合，以及部分643和644，它们与U形传输线201的中间边耦合。各部分641、642、643和644与传输线201均间隔约0.004英寸。部分641和642的长度大致相同，部分643和644的长度大致相同。部分641、642、643和644合在一起的总长度约0.4英寸。由部分641提供的耦合量大致等于由部分642提供的耦合量，由部分643提供的耦合量大致等于由部分644提供的耦合量。部分641和644至少提供23dB的耦合量以及部分642和643至少提供23dB的耦合量，用来在825MHz至925MHz的频带内产生至少20dB的电磁耦合且插入损耗小于0.15dB，在图6中的此实施方式中，层321的顶表面301和底表面302上的电路镀层在X和Y方向上的对准位置的稍微偏离不会造成传输线201和传输线202间的总体耦合量的降低。
参见图7，说明在图4中的电路板部分的顶层321的俯视图，它显示了传输线耦合器115中的传输线201和202的另一种实施方式。传输线202包括两个平行的部分741和742，它们与传输线201电磁耦合。部分741和742的长度大致相同且由部分741提供的耦合量与由部分742提供的耦合量大致相等。
总之，专用传输线耦合器115包括前向通路传输线201和耦合通路传输线202，它们嵌入放大器103的输出匹配电路。传输线201用作放大器103的输出匹配的低通滤波器部分，也用作耦合器115的前向通路传输线，从而节约了电路板的空间和元件的数目，并减小了放大器103和天线107间总的插入损耗。

Claims (4)

1.射频(RF)信号耦合电路，用于检测由一个信号源产生的RF信号并产生一个RF检测信号，所述放大器有一个输出端和一个输出阻抗，所述的RF信号耦合电路包括具有顶表面和底表面以及一个预定的介电常数的一个基片和一个传输线匹配电路，其特征在于：所述射频信号耦合电路包括：
一个传输线匹配电路，该传输线匹配电路配置在基片的顶表面上并与放大器输出端相耦接，为的是与放大器的输出阻抗相匹配，包括：
包括第一传输线的第一低通滤波器部分；以及
第二低通滤波器部分，该第二低通滤波器部分与第一低通滤波器部分相耦接并且包括配置在基片的顶表面上的直通通路传输线，该直通通路传输线与射频(RF)信号耦接；以及
配置在基片底表面上的耦合通路传输线，其耦合端耦接至第一复阻抗，隔离端耦接至第二复阻抗，耦合通路传输线与直通通路传输线电磁耦合，用于在耦合端产生RF检测信号，其幅度与RF信号的幅度有关。
2.用于放大一个射频(RF)信号并产生一个预定功率电平的发射机输出信号的发射电路，所述的发射电路包括：
一个信号源，用于产生RF信号；
一个具有输出阻抗的放大器，它与射频(RF)信号和一个增益控制信号耦接，由可变增益控制放大射频(RF)信号来产生发射机输出信号，可变增益具有与增益控制信号的幅度有关的幅度；
一个基片，它具有顶表面和底表面以及一个预定的介电常数；
一个传输线匹配电路，该传输线匹配电路配置在基片的顶表面上并与放大器输出端相耦接，为的是与放大器的输出阻抗相匹配，包括：
包括第一传输线的第一低通滤波器部分；以及
第二低通滤波器部分，该第二低通滤波器部分与第一低通滤波器部分相耦接并且包括配置在基片的顶表面上的直通通路传输线，该直通通路传输线与发射机输出信号耦接；以及
配置在基片底表面的耦合通路传输线，其耦合端耦接至第一复阻抗，隔离端耦接至第二复阻抗，耦合通路传输线与直通通路传输线电磁耦合，用于在耦合端产生RF检测信号，其幅度与发射机输出信号的幅度有关；以及
耦接至RF检测信号的检测电路，用于调节增益控制信号的幅度以保持发射机输出信号在预定的功率电平上。
3.如权利要求2的发射电路，其中控制电路还包括通过一电感耦合到RF检测信号的二极管检测器，用于对RF控制信号进行整流，以产生检测器信号，所述耦接至检测器信号的控制电路用于调节增益控制信号的幅度，以使发射和输出信号保持在预定的功率电平。
4.如权利要求2的发射电路，其中控制电路还包括通过一电感耦合到RF检测信号的二极管检测器，用于对RF控制信号进行整流，以产生检测器信号，所述耦接至检测器信号的控制电路用于调节增益控制信号的幅度，以使发射和输出信号保持在预定的功率电平。
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