CN105226368B - 宽带定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种定向耦合器，其包括：发射端口、输出端口、隔离端口、耦合端口、连接于所述发射端口和所述输出端口之间的第一电感以及连接于所述耦合端口和所述隔离端口之间的第二电感，其中第一电感的电感值小于第二电感的电感值，至少第二电感为集总元件。这样的定向耦合器可以节省面积，且使用灵活，特别适用于片上实现或者基板设计，这种结构相较于分布式无源结构的方案而言，对无源结构的设计要求大大降低，灵活性也大大增强，而且容易实现高集成度和低成本。

Description

宽带定向耦合器

【技术领域】

本发明涉及电路设计领域，特别涉及一种宽带定向耦合器。

【背景技术】

传统的定向耦合器，特别是宽带定向耦合器一般是通过优化传输线的无源结构来实现的，这种分布式设计方法实现的定向耦合器虽然性能较好，但往往需要很大的面积或复杂的结构来实现，因而受制于面积、成本、工艺等因素。

因此，有必要提出改进的带定向耦合器。

【发明内容】

本发明的目的之一在于提供一种改进的宽带定向耦合器，其采用集总元件形成，既节省了面积，且使用灵活。

为了解决上述问题，本发明提供一种定向耦合器，其包括：发射端口、输出端口、隔离端口、耦合端口、连接于所述发射端口和所述输出端口之间的第一电感以及连接于所述耦合端口和所述隔离端口之间的第二电感，其中第一电感的电感值小于第二电感的电感值，至少第二电感为集总元件。

进一步的，所述定向耦合器在工作于第一频率和第二频率之间时，发射端口和输出端口之间的插入损耗不超过0.5dB，发射端口和耦合端口之间的耦合度在-20dB和-30dB之间，所述发射端口和所述隔离端口之间的隔离度低于-30dB，各个端口的回损均小于-10dB，其中第一频率小于等于650MHz，第二频率大于等于2.7GHz。

进一步的，定向耦合器还包括有：连接于所述耦合端口和接地端之间的第一阻抗以及连接于所述隔离端口和接地端之间的第二阻抗，第二阻抗和第一阻抗为集总元件。

进一步的，该第一阻抗为电阻、MOS晶体管、电容、电感中的一个或两个的串联或并联，该第二阻抗为电阻、MOS晶体管、电容、电感中的一个或两个的串联或并联，第一阻抗的取值不等于第二阻抗的取值。

进一步的，第一阻抗或第二阻抗的取值为零。

进一步的，所述定向耦合器形成于基板上或芯片上。

进一步的，定向耦合器还包括有：连接于所述耦合端口和所述发射端口之间的第一电容。

进一步的，定向耦合器还包括有：连接于所述隔离端口和所述输出端口之间的第二电容。

进一步的，定向耦合器还包括：与第二电感一并串联于耦合端口和隔离端口之间的第三电感和/或第一电阻，第三电感和第一电阻为集总元件。

与现有技术相比，本发明中利用集总元件实现了宽带定向耦合器，其既节省了面积，且使用灵活，特别适用于片上实现或者基板设计，这种结构相较于分布式无源结构的方案而言，对无源结构的设计要求大大降低，灵活性也大大增强，而且容易实现高集成度和低成本。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1示出了本发明中的宽带定向耦合器的设计模型示意图；

图2示出了本发明中的宽带定向耦合器在一个实施例中的电路图；

图3为图2中的宽带定向耦合器的插损频率特性曲线S21的示意图；

图4为图2中的宽带定向耦合器的耦合系数频率特性曲线S41、隔离度频率特性曲线S42的示意图；

图5为图2中的宽带定向耦合器的回损频率特性曲线S11，S22，S33的示意图；

图6示出了本发明中的宽带定向耦合器在另一个实施例中的电路图；

图7为图6中的宽带定向耦合器的插损频率特性曲线S21的示意图；

图8为图6中的宽带定向耦合器的耦合系数频率特性曲线S41、隔离度频率特性曲线S42的示意图；

图9为图6中的宽带定向耦合器的回损频率特性曲线S11，S22，S33的示意图；和

图10示出了本发明中的宽带定向耦合器在再一个实施例中的电路图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连，间接电性相连是指经由另外一个器件或电路电性相连。

如图1所示，本发明中的宽带定向耦合器100包括有发射端口1、输出端口2、隔离端口4、耦合端口3、连接于所述发射端口1和所述输出端口2之间的第一电感L₁、连接于所述耦合端口3和所述隔离端口4之间的第二电感L₂、连接于所述耦合端口3和接地端之间的第一阻抗Z₁、连接于所述隔离端口4和接地端之间的第二阻抗Z₂、连接于所述耦合端口3和所述发射端口1之间的第一电容C₁、连接于所述隔离端口4和所述输出端口2之间的第二电容C₂。

本发明的一个优点、特点或好处之一在于：第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第一阻抗和第二阻抗中的至少部分或全部可以为集总元件，而不是如现有技术中的分布式元件，其可以实现宽带定向耦合功能，节省了面积，且使用灵活，特别适用于片上实现或者基板设计，这种结构相较于分布式无源结构的方案而言，对无源结构的设计要求大大降低，灵活性也大大增强，而且容易实现高集成度和低成本。

本发明中的定向耦合器100工作原理如下：

第一、耦合的能量通过第一电感L₁和第二电感L₂的互感耦合实现，其中定向耦合器100的耦合系数(或称耦合度)主要由第一电感L₁和第二电感L₂的互感系数k决定。为保证定向定向耦合器100具有较低的插入损耗，通常应保证第一电感L₁的取值小于第二电感L₂，具体取值差异视耦合系数而定；

第二、电容C₁和C₂起到改善端口隔离度的作用，即对于不同的第一电容C₁和第二电容C₂取值组合，端口1到端口3的耦合功率和端口2到端口3的耦合功率会呈现差异，从而实现端口之间隔离度，C₂因为在隔离端口的缘故，其取值往往比C₁对隔离度更敏感；

第三、阻抗Z₁和Z₂是非平衡的两个阻抗，即两者的阻抗不相等，其中Z₂主要用来调节隔离度，Z₁主要用来调节耦合系数和耦合端口3的回损，Z₁、Z₂两个阻抗可以是实阻抗，也可以是复数阻抗，视性能需要而定。具体到芯片设计中，Z₁、Z₁可以由可变的MOS晶体管、电阻、电容、电感中的一个或两个的串联或并联实现。

在不同的设计中，可以将第一电容C₁和/或第二电容C₂的取值设计为零，也可以将第一阻抗Z₁和/或第二阻抗Z₂的取值设计为零，在阻抗和电容的取值被设计为零时，则表示不设置该阻抗和电容。

图2示出了根据图1所示的设计模型得到的宽带定向耦合器的一个实施例。在此实施例中，第一电容C₁的取值设计为零，即不设置第一电容，用第一电阻R₁作为第一阻抗Z₁，用第二电阻R₂作为第二阻抗Z₂，各个元件的参数如下，R₁＝30ohm，R₂＝50ohm，C₂＝0.3pF，L₁＝1.7nH，L₂＝10nH，k＝0.2。

图3为图2中的宽带定向耦合器的插损频率特性曲线的示意图，图4为图2中的宽带定向耦合器的耦合系数频率特性曲线、隔离度频率特性曲线的示意图，图5为图2中的宽带定向耦合器的回损频率特性曲线的示意图。

在699MHz(第一频率f_L)到2.7GHz(第二频率f_H)的频率范围内，如图3所示，图2所示的定向耦合器的插入损耗不超过0.5dB，其中S21为端口1至端口2的插入损耗频率特征曲线；如图4所示的，耦合系数(Coupling factor)在-27dB左右，其带内平坦度为±2dB，隔离度(Isolation)低于-40dB，其中S41为耦合系数频率特征曲线，S42为耦合度频率特征曲线；如图5所示的，所有端口的回损均小于-10dB，其中S11为端口1的回损频率特征曲线，S22为端口2的回损频率特征曲线，S33为端口3的回损频率特征曲线。

图6为根据图1所示的设计模型所提出的定向耦合器在基板上实现的设计实例，其设计多频段在第一频率699MHz到第二频率2700MHz之间，定向耦合器占用的基板面积大小为1200um*600um。定向耦合器主要由两段耦合的蛇形走线组成，这两条走线可以有不同宽度，且耦合的方式是层叠走线(也可以平行走线)，两条走线的长度为4000um，其中端口1至2的走线宽度为100um，其就是第一电感L₁，端口3至4的走线宽度为50um，其就是第二电感L₂，为保证端口1到端口2的低插入损耗，端口1到端口2的线应尽可能粗，而端口3到端口4的耦合线做到最细。端口4是隔离端口。

电阻R₆₂作为第二阻抗Z₂，其可以选择50ohm左右。电阻R₆₁和电容C₆₁串联作为第一阻抗Z₁，其中可以选择R₆₁为30ohm，电容C₆₁为2pF的方案。图6中的定向耦合器还包括有串联在第二电感L₂和耦合端口3之间的第三电感L₃，第三电感的取值为8.2nH，其用来调整高频段的耦合系数的平坦度。电阻R₆₁和电容C₆₁的取值用来调节端口3的耦合系数和端口3的回损特性。第一电感L₁的金属走线和第二电感L₂的金属走线之间形成有分布式电容构成，形成图1中的第一电容C₁和第二电容C₂，这两个电容影响定向耦合器的隔离度。所设计的电阻、电容、电感取值可以独立在基板上采用，也可以在芯片上实现，或者可以部分在基板、部分结合芯片实现。

通过仿真，在设计频段(f_L＝699MHz，f_H＝2700MHz)的范围，插入损耗频率特性曲线如图7所示的S21，在整个设计频段内插损不到0.5dB；如图8所示的，定向耦合器的耦合系数在-25dB左右，而且整个频段内误差不超过±0.5dB，端口的隔离度在-35dB一下；如图9所示的，其示出了各端口的回损特性，在所设计频段内有<-15dB的回损特性。通过仿真也表明，其在负载失配为2.5:1的情况下，耦合系数和隔离度都具有很好的稳定性，在-25±1dB以内。

图10为根据图1所示的设计模型所提出的定向耦合器的设计实例。端口1和端口2走的是顶层金属，其可以被视为第一电感L₁，端口3和端口4之间的走线(黑色线条部分)形成第二电感L₂，在第二电感L₂和端口3之间串联有电阻R₁₁和电感L₃，在端口4和地之间并联有电容C₇₁和电阻R₇₁，并联的电容C₇₁和电阻R₇₁相当于第二阻抗Z₂，第一阻抗Z₁取值为零，即不设置第一阻抗Z₁。其中电容C₇₁取值为1pF，R₇₁的取值为150ohm，L₃的取值约为1.5nH，R₁₁的取值为20ohm。通过仿真，在设计频段(f_L＝699MHz，f_H＝2700MHz)的范围，插入损耗频率特性曲线、耦合系数、隔离度、各端口的回损特性都能够满足应用要求。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (7)

1.一种定向耦合器，其特征在于，其包括：发射端口、输出端口、隔离端口、耦合端口、连接于所述发射端口和所述输出端口之间的第一电感以及连接于所述耦合端口和所述隔离端口之间的第二电感，其中第一电感的电感值小于第二电感的电感值，至少第二电感为集总元件，

所述定向耦合器还包括：连接于所述耦合端口和接地端之间的第一阻抗以及连接于所述隔离端口和接地端之间的第二阻抗，第二阻抗和第一阻抗为集总元件，

所述定向耦合器形成于基板上或芯片上，

所述定向耦合器在工作于第一频率和第二频率之间时，发射端口和输出端口之间的插入损耗不超过0.5dB，发射端口和耦合端口之间的耦合度在-20dB和-30dB之间，所述发射端口和所述隔离端口之间的隔离度低于-30dB，各个端口的回损均小于-10dB，其中第一频率小于等于650MHz，第二频率大于等于2.7GHz。

2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，该第一阻抗为电阻、MOS晶体管、电容、电感中的一个或两个的串联或并联，该第二阻抗为电阻、MOS晶体管、电容、电感中的一个或两个的串联或并联，第一阻抗的取值不等于第二阻抗的取值。

3.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，第一阻抗或第二阻抗的取值为零。

4.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，其还包括有：连接于所述耦合端口和所述发射端口之间的第一电容。

5.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，其还包括有：连接于所述隔离端口和所述输出端口之间的第二电容。

6.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，其还包括：

与第二电感一并串联于耦合端口和隔离端口之间的第三电感和/或第一电阻，第三电感和第一电阻为集总元件。

7.根据权利要求6所述的定向耦合器，其特征在于，其中第三电感和/或第一电阻连接于第二电感和耦合端口之间。