CN106374942A - 用于定向耦合器的系统和方法 - Google Patents

Abstract

根据实施例，一种操作定向耦合器的方法包括：通过进行以下各项来确定耦合功率变化：在定向耦合器的输入端口处施加输入信号，在定向耦合器的发送端口处施加第一阻抗，在施加第一阻抗之后测量在定向耦合器的耦合端口处的第一耦合功率，在定向耦合器的发送端口处施加第二阻抗，在施加第二阻抗之后测量第二耦合功率，以及确定在第一耦合功率与第二耦合功率之间的差以形成耦合功率变化。

Description

用于定向耦合器的系统和方法

技术领域

本公开内容一般涉及电子器件，并且更具体地涉及用于定向耦合器的系统和方法。

背景技术

作为可以检测在特定方向上正被传输的功率的电子器件的定向耦合器被用在各种各样的射频(RF)电路中。例如，定向耦合器可以在雷达系统中通过从反射波中分离入射波以检测反射波，或可被用在测量传输线的阻抗失配的电路中。在功能上，定向耦合器具有前向传输路径和耦合传输路径。前向传输路径一般具有低损耗，而耦合传输路径耦合传播在特定方向上的一小部分传输功率。存在包括电磁耦合和磁耦合器的许多不同类型的耦合器架构。这些耦合器类型中的每个耦合器可取决于操作频率和操作环境使用不同拓扑结构和材料来实施。

一个用于定向耦合器的常见的应用是在诸如蜂窝电话或便携式计算设备的便携式射频(RF)设备中检测反射和传输的功率。传输功率的测量可被用在控制回路中以调节功率放大器的输出，而反射功率的测量连同反射功率的测量可被用于调节可调节天线匹配网络。随着便携式RF器件在能够利用多个标准运行在多个频率上方面变得日益精细，因此RF终端的拓扑结构已变得更加复杂。例如，多标准RF器件可以具有经由多个开关的网络、匹配网络、功率检测器等耦合到一根或多根天线的多个传输和接收路径。相应地，这种便携式RF器件的布局和结构通常占用相当大量的印刷电路板(PCB)空间。

发明内容

根据实施例，一种操作定向耦合器的方法包括：通过进行以下各项来确定耦合功率变化：在定向耦合器的输入端口处施加输入信号，在定向耦合器的发送端口处施加第一阻抗，在施加第一阻抗之后测量在定向耦合器的耦合端口处的第一耦合功率，在定向耦合器的发送端口处施加第二阻抗，在施加第二阻抗之后测量第二耦合功率，以及确定在第一耦合功率与第二耦合功率之间的差以形成耦合功率变化。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在对结合附图进行的以下描述进行参考，在附图中：

图1a-1c图示了实施例定向耦合器系统、与实施例定向耦合器系统相关的说明性波形图和测量实施例定向耦合器系统的性能的实施例方法的流程图；

图2a-2d图示了实施例可调节阻抗电路；

图3a-3b图示了实施例定向耦合器系统和对实施例定向耦合器系统进行校准的实施例方法的流程图；

图4图示了包括控制器的实施例定向耦合器系统；

图5a-5b图示了可调节阻抗电路；

图6图示了具有旁路开关的实施例方向性测量系统；

图7a和7b图示了具有多个定向耦合器的实施例方向性测量系统；

图8a-8d图示了针对方向性测量系统的实施例测试接口；

图9a-9d图示了利用实施例定向耦合器系统的RF系统；

图10图示了实施例定向耦合器系统的示意图；以及

图11a-11c进一步图示了利用实施例定向耦合器系统的RF系统。

对应的标号和标记在不同附图中通常指代对应的部件，除非另行指示。附图被绘制用于清楚地说明优选实施例的相关方面并且不一定是按比例绘制的。为了更清楚地示出某些实施例，指示相同结构、材料或过程步骤的变化的字母可以跟在附图标号之后。

具体实施方式

以下详细地论述当前优选实施例的制造和使用。然而，应当理解的是本发明提供可在多种特定情境下体现的许多适用的创新性概念。讨论的具体实施例仅仅是制造和使用本发明的说明性的具体方式，并非限制本发明的范围。

本发明将在特定的情境内结合优选的实施例被描述，用于定向耦合器的系统和方法可以例如使用在测量入射功率或反射功率的RF电路中。本发明的实施例也可以应用于包括具有定向耦合器的其它电路和具有可选信号路径的RF系统的其他系统和应用中。此外，用于执行RF测量的系统的实施例可以包括，但不限于测量和/或调谐阻抗失配、时域反射计(TDR)、用于与可调谐天线匹配电路一起使用的感测设备以及可调谐滤波器。

在单片集成耦合器设计中众所周知的挑战是获得充分高的方向性。另一挑战是提供在集成电路技术中存在的工艺变化上的高方向性。在本发明的各实施例中，测量定向耦合器的方向性并调节定向耦合器的参数，使得工艺不确定性的不利影响被校准掉，使得实现高方向性。

在实施例中，定向耦合器被负载有可切换阻抗，该可切换阻抗创建针对定向耦合器的高度失配的负载条件。在耦合器的发送端口处以VSWR的不同值测量耦合因数并检测耦合功率中的变化。在一些实施例中，当测得的测得功率中的变化与方向性成比例时，耦合器被校准以实现耦合功率的最小变化。

实施例系统的一个示例包括定向耦合器、耦合到定向耦合器的发送端口的可切换阻抗或VSWR发生器以及耦合到定向耦合器的耦合端口的功率检测器。在一些实施例中，可切换阻抗或VSWR发生器使用在校准期间生成针对定向耦合器的负载、短路和开路条件的串联和并联RF开关来实施。

在本发明的实施例中，定向耦合器的方向性通过在定向耦合器的输入端口处引入测试信号并在定向耦合器的耦合端口处进行两次测量来确定。第一测量当定向耦合器的输出或发送端口被负载有第一阻抗时进行，并且第二测量当定向耦合器的输出或发送端口被负载有第二阻抗时进行。该方向性测量可以例如用于校准连接到定向耦合器的各个端口的可调节终端电阻器使得定向耦合器的方向性被最大化或被增大。

可以在例如用于蜂窝手机的RF前端系统和前端多芯片模块中使用实施例定向耦合器系统，并且各种实施例利用RF开关将单个或多个定向耦合器的输出组合为单一输出。这样的定向耦合器系统例如可以具体用在用于蜂窝手机的可重构RF前端中。在一些实施例中，利用定向耦合器、射频开关以及衰减器的定向耦合器系统可以用在RF前端系统中以对从PA传输到天线的功率以及由于在系统中各种端口处的阻抗失配所导致的从天线反射回PA的功率进行感测。

图1a示出了根据本发明的实施例的定向耦合器系统100。如图所示，定向耦合器系统100包括定向耦合器102、耦合到定向耦合器102的发送端口的VSWR发生器104、耦合到定向耦合器102的耦合端口的功率检测器108和耦合到定向耦合器102的隔离端口的终端阻抗106。测试信号发生器101可以用于在定向耦合器102的输入端口处引入RF信号。根据各种实施例，定向耦合器102可以使用本领域中已知的定向耦合器电路进行实施。例如，定向耦合器102可以利用基于变压器的定向耦合器、带状线定向耦合器、或本领域中已知的其他类型的定向耦合器。在一些实施例中，可以使用2014年1月14日提交的美国专利申请No.14/155,130，标题为“System and Method for a directional coupler”所公开的定向耦合器，该专利申请以全文引用的方式并入本文。功率检测器108可以使用本领域中已知的RF检测电路和系统实施。

一般地，定向耦合器的方向性越高，定向耦合器对在其发送端口处的阻抗的变化将越不敏感。因此，该性质可以用于测量定向耦合器102的方向性并且用于通过调节终端阻抗106来校准定向耦合器102的方向性。在实施例中，方向性测量通过在定向耦合器102的输入端口处引入测量信号并使用功率检测器108在由VSWR发生器104产生的两种不同的负载条件或终端阻抗下测量在耦合端口处的功率来进行。

定向耦合器的耦合因数被定义为：

CPL＝P_input.dB-P_coupled.dB (1)

其中P_inpu.tdB是输入功率，并且P_coupled.dB是耦合功率。针对两个不同终端阻抗的耦合因数的偏差被定义为：

δ＝CPL₁-CPL₂ (2)

其中CPL₁是针对在发送端口处的终端阻抗的第一值的耦合因数，并且CPL₂是针对在发送端口处的终端阻抗的第二值的耦合因数。

图1b图示了定向耦合器上的匹配条件和失配条件的影响。所图示的示图具有对应于在VSWR₁＝1的情况下的匹配阻抗条件的点146和对应于具有VSWR₂和反射系数|Γ_L|的失配阻抗条件的轨迹142，使得：

$\left|{\mathrm{\Γ}}_L\right|=\frac{{\mathrm{VSWR}}_2-1}{{\mathrm{VSWR}}_2+1},---\left(3\right)$

参考图1a，该VSWR₂是在VSWR发生器1-4的端口1处可见的电压驻波比。如在耦合因数对比相位角的绘图中示出的，表示对应于匹配条件的耦合因数的轨迹144在相位角上是恒定的，而表示失配条件的轨迹140在相位角上变化，其中峰到峰幅值为δ_pk-pk。该峰到峰幅值δ_pk-pk可以根据反射系数|Γ_L|和耦合器方向性DIR而被表示如下：

${\mathrm{\δ}}_{pk-pk}=20log\frac{1+\frac{\left|{\mathrm{\Γ}}_L\right|}{{10}^{DIR/20}}}{1-\frac{\left|{\mathrm{\Γ}}_L\right|}{{10}^{DIR/20}}},dB---\left(4\right)$

使用等式(3)和(4)，方向性DIR能够关于VSWR和δ_pk-pk而被表示如下：

$DIR=20log\left(\frac{VSWR-1}{VSWR+1}\·\frac{{10}^{\frac{{\mathrm{\δ}}_{pk-pk}}{20}}+1}{{10}^{\frac{{\mathrm{\δ}}_{pk-pk}}{20}}-1}\right),dB.---\left(5\right)$

图1c图示了确定耦合功率变化δ的实施例方法120。在步骤122中，经由VSWR发生器104将第一阻抗施加到定向耦合器102的发送端口，并且在步骤124中，将RF信号施加到定向耦合器102的输入端口。接下来，在步骤126中经由功率检测器108测量第一耦合功率CPL1。在测量了第一耦合功率CP1之后，在步骤128中经由VSWR发生器104将第二阻抗施加到定向耦合器102的发送端口，并且在步骤130中使用功率检测器108测量第二耦合功率CPL2。在步骤132中，通过找到在CPL1和CPL2之间的差来确定耦合功率变化δ。

关于由VSWR发生器104生成的终端阻抗存在许多不同的选择。在一个实施例中，两个阻抗都可以被选择使得它们引发相同的VSWR但是具有关于反射系数的不同相位。例如，对应于具体VSWR的高实数阻抗可以被用作一个阻抗，并且对应于相同VSWR的较低实数阻抗可以用于其他阻抗。这个的另一示例是RF短路和RF开路。备选地，两个测量结果可以对应于不同的VSWR。例如，定向耦合器可以使用针对VSWR₁＝1的匹配终端(例如，使用50Ω系统中的50Ω终端阻抗)来终止以用于测量额定耦合因数CPL，并且之后利用阻抗来终止以产生具有使得最大耦合因数偏差δpk＝(δpk-pk)/2被实现的相位角的第二VSWR₂。方向性可以之后被计算如下：

$DIR=20log\left(\frac{{\mathrm{VSWR}}_2-1}{{\mathrm{VSWR}}_2+1}\·\frac{{10}^{\frac{{\mathrm{\δ}}_{pk}}{10}}+1}{{10}^{\frac{{\mathrm{\δ}}_{pk}}{10}}-1}\right),dB.---\left(6\right)$

在一些实施例中，VSWR₂的高值用于在VSWR₁不确切为1时使所计算的方向性中的误差最小化。在一个实施例中，并联开关用于生成VSWR₂，并且使并联开关的导通电阻尽可能低，例如在大约1Ω到5Ω的范围中。备选地，可以使用负载阻抗和VSWR的其他值。

图2a-2d图示了可以用于实施VSWR发生器104的各种电路。例如，图2a图示了双端口VSWR发生器，其具有耦合在端口1和端口2之间的第一复阻抗Z₁和耦合在端口2和公共节点之间的第二复阻抗。这些复阻抗中的一个或两者可以在方向性测量期间来调节，如图2b-2d所示。在图2b中，复阻抗Z₁和Z₂均使用开关来实施，使得每个复阻抗Z₁和Z₂可以实现短路或开路阻抗。图2c图示了被实施为短路的复阻抗Z₁和被实施为开关的复阻抗Z₂，并且图2d图示了被实施为可调节电感器L₁的复阻抗Z₁和被实施为可调节电容器C₁的复阻抗Z₂。

在一些实施例中，图2c和2d中示出的开关可以使用半导体开关来实施，使得断开开关和闭合开关的阻抗通过用于实施开关的晶体管的设备参数来确定。在这种实施例中，开关将具有对应于当开关被闭合时用于实施开关的晶体管的导通电阻的阻抗。

在实施例中，图2b的VSWR生成电路可以用于使用如下的三种测量来测量定向耦合器102的方向性。在实施例中，图2b的电路的端口2利用匹配阻抗Z₀来终止，使得VSWR₁＝1。例如，实数阻抗50Ω可以被用在50Ω系统中。因此，定向耦合器102的发送端口通过闭合与Z₁相关联的开关并断开与Z₂相关联的开关利用匹配阻抗Z₀来终止，并且经由功率检测器108测量额定耦合因数CPL。接下来，通过闭合与Z₁和Z₂两者相关联的开关来生成低终端阻抗，并且经由功率检测器108测量与CPL的第一偏差δpk1。最后，通过关闭与Z₁相关联的开关来生成高终端阻抗，并且经由功率检测器108测量与CPL的第二偏差δpk2。

为了计算方向性，等式(6)可以用于基于第一偏差δpk1来计算第一方向性DIR1并且用于基于第二偏差δpk2来计算第二方向性DIR2。根据方向性DIR1和DIR2，平均方向性可以被找到如下：

$DIR=\frac{DIR1+DIR2}{2},dB.---\left(7\right)$

通过使用在多个方向性测量结果上的平均方向性，可以减小所计算的方向性中的误差。在本发明的备选实施例中，可以在不同的负载条件上进行任意数量的方向性测量以计算平均方向性。

图3a图示了实施例定向耦合器系统，其包括定向耦合器102、VSWR发生器104和经由方向选择开关162耦合到隔离端口和耦合端口的功率检测器108。在实施例中，方向选择开关162用于选择定向耦合器102的隔离端口或耦合端口。当方向选择开关162选择了隔离端口时，方向选择开关162的输出提供与从发送端口传播到输入端口的RF信号成比例的信号。这种信号可以例如从反射RF功率得到。该信号可以用于测量阻抗失配。相反，当方向选择开关162选择了耦合端口时，方向选择开关162的输出提供与从发送端口传播到输入端口的RF信号成比例的信号。这种信号可以用于测量传输功率。在实施例中，定向耦合器102和方向选择开关162可以被设置在单独的集成电路上或者可以被单片集成在单个管芯上。单独的芯片可以被集成在多芯片模块中或者被安装在应用印刷电路板上。

可调节终端阻抗164和166还被耦合到方向选择开关162以便提供到定向耦合器102的终端。当耦合端口被选择时，耦合端口被路由到功率检测器108并且隔离端口被路由到可调节终端电阻器164。另一方面，当隔离端口被选择时，耦合端口被路由到可调节终端电阻器166。可调节终端阻抗164和166中的每个可以被调节以增大耦合器160的方向性和/或使耦合器160的方向性最大化。

图3b图示了确定耦合功率变化δ的实施例方法180。步骤122至132类似于图1c中图示的并且以上描述的用于测量定向耦合器102的耦合功率变化δ的方法120的步骤122至132。一旦通过在步骤132中找到在CPL1和CPL2之间的差确定了耦合功率变化δ，就在步骤182中将耦合功率变化δ与阈值THR进行比较。在一些实施例中，阈值THR被设置为在大约0.1dB和大约1dB之间。在备选实施例中，可以取决于具体实施例和其规定来使用在该范围之外的阈值。在一些实施例中，可以将耦合功率变化δ的绝对值与阈值THR进行比较。如果耦合功率变化δ大于阈值，则在步骤184中调节终端阻抗并且重复步骤122至132以再次测量定向耦合器102。当耦合功率变化δ小于阈值时，校准流程结束。

在备选实施例中，除了耦合功率变化δ之外的其他值可以用作在测量和校准耦合器时针对定向耦合器102的指标的图。例如，方向性DIR可以被导出并使用本文公开的各种方法在步骤182中与阈值进行比较。在一些实施例中，在各种负载条件上的多个测量结果可以被求平均以产生平均方向性。

图4图示了方向性系统170，其包括图1a的方向性系统，其中另外添加了耦合到功率检测器108、可调节终端阻抗106和VSWR发生器104的控制器172。在实施例中，控制器172被配置为控制包括以下的测量过程并对其进行排序：设置VSWR发生器104的状态，从功率检测器108收集测量结果和设置可调节终端阻抗106的值以实现高方向性，以及执行本文描述的各种计算以支持定向耦合器102的测量和校准。在一些实施例中，控制器172可以例如使用处理器、微控制器或专用系统逻辑来实施。

图5a图示了可以用于实施本文公开的各种可调节阻抗的可调节阻抗200。如图所示，可调节阻抗200包括彼此串联耦合的电阻器R21、R22和R23。此外，开关S21被配置为旁路电阻器R21，开关S22被配置为旁路电阻器R22以及开关S23被配置为旁路R23。在操作期间，开关S21、S22、S23以各种组合开启和关闭以便提供可调节电阻值。当开关S21、S22、S23都关闭时，可调节电阻200具有最大电阻值，该电阻值可以通过选择性地打开和关闭开关S21、S22、S23减少和调节以影响电阻的变化。

图5b图示了可以用于实施本文公开的各种可调节阻抗的可调节阻抗210。如图所示，可调节阻抗210包括彼此串联耦合的电阻器R31、R32和R33，使得电阻器R31、R32和R33中的每个分别与开关S31、S32和S33串联耦合。可调节阻抗210的电阻可以通过选择性地打开和关闭开关S31、S32和S33调节。在本发明的实施例中，在可调节阻抗200和210中使用的开关可以使用本领域中已知的开关晶体管来实施。例如，这些开关可以使用诸如NMOS和PMOS的MOSFET或其他适当的设备来实施。还应当理解，可调节阻抗200和210的拓扑结构是许多可能的可调节阻抗拓扑结构的仅仅两种示例。例如，在一些实施例中，可以使用大于或小于三个的电阻器。在一些实施例中，也可以使用串联电阻器和并联电阻器的组合。备选地，可以使用本领域中已知的其他可调节阻抗拓扑结构。

图6图示了方向性系统220，其包括图1a的方向性系统，其中另外添加了耦合到功率检测器108的旁路开关222。旁路开关222被配置为选择功率检测器108的输出或定向耦合器102的耦合端口。在一些实施例中，耦合端口可以被选择以便进行定向耦合器102的耦合端口的直接RF测量或者功率检测器108的输出可以被选择以获得与在定向耦合器102的耦合端口处的平均功率成比例的DC和/或数字值。

图7a图示了方向性系统300，其具有串联耦合的n个定向耦合器102₁、102₂至102n。方向选择开关302₁、302₂至302_n结合耦合器选择开关306选择来自定向耦合器102₁、102₂至102n中的一个的隔离端口或耦合端口用于使用功率检测器108的测量。因此，功率检测器108可以用于在前向方向或后向方向上测量在定向耦合器102₁、102₂至102n中的每个中的功率。堆叠开关304₁和304₂连接在每个定向耦合器102₁、102₂至102n之间以便允许在正常操作期间独立连接到单独的信号路径和在校准期间的串联耦合。这些堆叠开关304₁和304₂可以被实施在与定向耦合器302₁、302₂至302_n相同的集成电路上。备选地，堆叠开关304₁和304₂可以被实施在集成电路被安装在其上以进行测试的测试板上。在校准期间，将RF信号施加到定向耦合器102₁的输入端口1，并且RF信号沿堆叠结构进行传播。VSWR发生器104提供如以上所描述的不同负载。可以一次选择一个耦合器以执行方向性测量，并且旁路开关允许功率检测器108在测试、测量和/或校准期间被绕过。堆叠开关可以与系统的其余元件一起被集成在相同的管芯上或者可以被实施在外部。

图7b图示了方向性系统320，其类似于图7a中示出的方向性系统300，但是由电子短路324₁和324₂替代堆叠开关。在一些实施例中，这些电子短路324₁和324₂被实施在例如测试板上。

图8a图示了针对如以上所描述的包括功率检测器108和旁路开关222的方向性测量系统的实施例测试接口400。另外，实施例测试接口400包括可切换终端，该可切换终端包括终端开关404和终端电阻器406。在实施例中，终端电阻器406当功率检测器108执行功率测量时耦合到定向耦合器的隔离端口和/或耦合端口并且当在旁路RF测量期间外部负载被施加到输出管脚时保持断开连接。通过使用旁路开关222，单个管脚可以用于测量直接RF输出和DC功率检测器输出两者。

图8b图示了用于方向性测量的实施例测试接口430，其类似于图8a中示出的测试接口400，其中添加了耦合在功率检测器108和旁路开关222之间的电压电流转换器402。电压电流转换器402提供功率检测器108的电流输出以便使得测试装备能够在输出管脚处提供低电压和/或零电压。使用在输出管脚处的这种低电压避免对诸如耦合器IC上的NMOS栅极介电层的设备结构加压。在备选实施例中，功率检测器108可以利用提供电流模式输出的电路来实施，在这种情况下可以省略电压电流转换器402。

图8c图示了实施例测试接口430的实施例测试配置，其中方向性系统被配置为将旁路RF测量结果提供到输出管脚。如所示出的，旁路开关222将耦合器芯路由到输出管脚，输出管脚耦合到旁路电容器412和接收器负载410。终端电阻器406通过终端开关404与输出管脚断开连接。如所示出的，直接形成从耦合器芯到接收器负载410的RF信号路径。RF扼流器414将高RF阻抗提供到电流测量设备416。

图8d图示了当方向性系统被配置为提供电流模式DC测量结果时的实施例测试接口430的实施例测试配置。如所示出的，旁路开关222将电压电流转换器402的输出路由到输出管脚，输出管脚耦合到旁路电容器412和接收器负载410。终端电阻器406经由终端开关404连接到耦合器芯。如所示出的，形成从耦合器芯到终端电阻器406和到功率检测器108的输入的RF信号路径。功率检测器108的输出提供与定向耦合器的功率输出成比例的电压。该电压经由电压电流转换器402被转换为电流并经由RF扼流器414被提供到电流测量设备416。电流测量设备416可以使用本领域中已知的电流测量电路和系统来实施。例如，电流测量设备416可以使用具有小值的安培计或并联电阻器来实施。

图9a图示了根据本发明实施例的RF系统500。系统500包括经由实施例定向耦合器系统504和可调谐匹配网络506耦合至天线512的RF收发器502。定向耦合器504的输出端口耦合到功率检测器508，功率检测器508的输出耦合到控制器510。在实施例中，控制器510根据功率检测器508的数字化输出调节可调谐匹配网络506。在一些实施例中，当定向耦合器504检测到在RF收发器502和到可调匹配网络506的输入之间的阻抗失配时，控制器510调节可调谐匹配网络506直到测量的在阻抗中的其失配落入预定阈值以下。在一些实施例中，例如，控制器510可以使用处理器、微控制器或专用系统逻辑来实施。在操作期间，控制器510根据进行的测量选择定向耦合器的哪个输出端口被路由到功率检测器508。例如，RF系统500可以被实施在蜂窝电话、无线局域网收发器或其它射频系统的前端中。在一些实施例中，如在图9b中结合系统520所示，可调谐匹配网络506耦合在RF收发器502和定向耦合器504之间。

图9c图示了根据本发明另一实施例的实施例雷达系统550。系统550包括经由实施例定向耦合器系统504耦合到天线512的雷达收发器552。定向耦合器系统504的输出经由功率检测器508耦合到控制器510。在实施例中，定向耦合器系统504测量来自天线512的可以表示反射雷达脉冲的入射信号。例如，系统550可以用于雷达系统，例如汽车或近距离雷达系统。例如，定向耦合器系统504可以使用本文公开的实施例定向耦合器系统来实施。可以利用实施例反射测量电路的其他实例系统包括在平面倒F天线(PIFA)馈电点调谐器中的功率监控。

图9d图示了包括经由实施例定向耦合器系统504耦合到天线512的天线开关562。天线开关562被配置为选择并耦合来自输入S1之中通过SN到输出节点O1中的一个输入。定向耦合器504的输出端口经由功率检测器508耦合到控制器510。例如，系统560可以被用于在正向和反向的方向通过选择在定向耦合器504内的极性开关的位置测量传输功率和反射功率。定向耦合器504的输出可以进一步用于执行包络跟踪和天线调谐。

应当理解，图9a-d中示出的实施例仅仅是可以使用实施例定向耦合器来实施的许多实施例系统中的四个实例。

图10示出了定向耦合器600，其可以用于实施各种实施例中的定向耦合器。如所示出的，定向耦合器600使用变压器604来实施，变压器604具有耦合在输入端口和发送端口之间的一个绕组602a以及耦合在隔离端口和耦合端口之间并磁耦合到绕组602a的另一绕组602b。变压器604可以利用本领域已知的电路和系统来实施。例如，在一个实施例中，变压器604可以使用设置在集成电路上的堆叠的或相邻螺旋电感器来实施。在另一实施例中，变压器604可以利用设置在衬底上的带线状(stripline)变换器来实施。备选地，可以采用其他结构。在一个实施例中，电容器606、608、610、612、614和616耦合到变压器604。

图11a-11c图示了利用实施例定向耦合器系统的各种RF系统。例如，图11a图示了天线系统700，其经由天线开关702和实施例定向耦合器系统704将来自RF前端的多个通道耦合到天线706。天线开关702从多个射频前端输入端口选取一个，并且定向耦合器系统704在其输出端口处提供对耦合信号的接入。定向耦合器系统704可以根据本文描述的各种实施例来实施。在实施例中，天线系统700可以并入诸如蜂窝电话等的便携式RF设备内。通过利用天线开关702在各种RF路径中进行选择，可以支持多标准蜂窝电话。实施例定向耦合器系统722可以用于例如在各种耦合测量路径之间进行选择，以便执行在系统运行期间传输功率和反射功率测量。

图11b示出了实施例天线系统720，其可以用在使用多个天线的RF前端系统中。天线系统720包括天线开关702a和702b、实施例定向耦合器系统722以及天线706和724。在一个实施例中，天线706被配置为主天线，并且天线724被配置为分集天线。在实施例中，定向耦合器系统722可以使用利用多个定向耦合器的实施例定向耦合器系统来实施，以支持对天线706和724的两个信号的同步传输。

图11c示出了天线系统730，其包括天线开关702a和702b、实施例定向耦合器系统722、组合网络732、以及天线706。在此，天线开关702a从第一射频路径的多个信号中选取一个信号，并且702b从第二射频路径的多个信号中选取一个信号。这两个射频路径经由组合网络732进行组合，组合网络732可以利用射频功率合成器、天线共用器(diplexer)、或其他本领域已知的电路来实施。定向耦合器系统722的输出端口可以耦合到功率检测器(未示出)，以便对各个RF路径中的传输功率和反射功率进行测量。

根据各种实施例，电路或系统可以被配置为借助于具有在操作时使系统执行动作的软件、固件、硬件或它们的组合安装在系统上来执行具体操作或动作。一个总体方面包括一种操作定向耦合器的方法，其通过进行以下各项来确定耦合功率变化：在定向耦合器的输入端口处施加输入信号，在定向耦合器的发送端口处施加第一阻抗，在施加第一阻抗之后测量在定向耦合器的耦合端口处的第一耦合功率，在定向耦合器的发送端口处施加第二阻抗，在施加第二阻抗之后测量第二耦合功率，以及确定在第一耦合功率与第二耦合功率之间的差以形成耦合功率变化。该方面的其他实施例包括被配置为执行方法的各个动作的对应的电路和系统。

实施方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。该方法还可以包括当耦合功率变化超过预定阈值时调节耦合到定向耦合器的隔离端口的终端阻抗和/或重复对耦合变化的确定和对终端阻抗的调节直到耦合功率变化不超过预定阈值。

在实施例中，测量第一耦合功率和测量第二耦合功率包括使用功率检测器电路。使用功率检测器电路包括在功率检测器电路的输出处产生电压并将在功率检测器电路的输出处的电压转换为电流。在实施例中，施加第一阻抗包括使定向耦合器的发送端口开路；并且施加第二阻抗包括使定向耦合器的发送端口短路。在一些实施例中，施加第一阻抗包括使定向耦合器的发送端口短路；并且施加第二阻抗包括使定向耦合器的发送端口开路。

在实施例中，该方法还包括基于耦合功率变化来确定定向耦合器的方向性。确定方向性可以包括根据下式来确定方向性：

$DIR=20log\left(\frac{VSWR-1}{VSWR+1}\·\frac{{10}^{\frac{{\mathrm{\δ}}_{pk-pk}}{20}}+1}{{10}^{\frac{{\mathrm{\δ}}_{pk-pk}}{20}}-1}\right),$

其中DIR是定向耦合器的方向性，δ_pk-pk是耦合功率变化，并且VSWR是电压驻波比。

在实施例中，该方法还包括通过进行以下各项来确定反射功率变化：在定向耦合器的输入端口处施加输入信号，在定向耦合器的发送端口处施加第一阻抗，在施加第一阻抗之后测量在定向耦合器的隔离端口处的第一反射功率，在定向耦合器的发送端口处施加第二阻抗，在施加第二阻抗之后测量第二反射功率，以及确定在第一反射功率与第二反射功率之间的差以形成反射功率变化。

在一些实施例中，该方法还包括当反射功率变化超过预定阈值时调节耦合到定向耦合器的耦合端口的终端阻抗。该方法还可以包括重复对反射功率变化的确定和对终端阻抗的调节直到耦合功率变化不超过预定阈值。

在实施例中，该方法还包括在定向耦合器的发送端口处施加第三阻抗；以及在施加第二阻抗之后测量第三耦合功率。该方法还可以包括：基于对第一耦合功率和第二耦合功率的测量来计算第一方向性；基于对第一耦合功率和第三耦合功率的测量来计算第二方向性；以及通过对第一方向性和第二方向性进行求平均来确定平均方向性。第一阻抗可以包括匹配阻抗；第二阻抗可以包括开路；并且第三阻抗可以包括短路。所描述的技术的实施方式可以包括硬件、方法或过程、或者计算机可访问介质上的计算机软件。

另一总体方面包括一种定向耦合器系统，其包括：定向耦合器；功率检测器，其耦合到定向耦合器的耦合端口；以及可切换阻抗电路，其耦合到定向耦合器的发送端口，可切换阻抗电路被配置为根据控制输入来可切换地将第一阻抗施加到发送端口和将第二阻抗施加到发送端口。

实施方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。定向耦合器系统还包括：控制器，其耦合到可切换阻抗电路的控制输入并耦合到功率检测器的输出，并且控制器被配置为：经由可切换阻抗电路在定向耦合器的发送端口处施加第一阻抗，经由功率检测器在施加第一阻抗之后测量在定向耦合器的耦合端口处的第一耦合功率，经由可切换阻抗电路在定向耦合器的发送端口处施加第二阻抗，经由功率检测器在施加第二阻抗之后测量第二耦合功率，以及确定在第一耦合功率与第二耦合功率之间的差以形成耦合功率变化。

在一些实施例中，定向耦合器系统还包括耦合到定向耦合器系统的第一可调节终端阻抗。定向耦合器系统还可以包括耦合到可切换阻抗电路的控制输入并耦合到功率检测器的输出的控制器，并且控制器被配置为：通过进行以下各项来确定耦合功率变化：经由可切换阻抗电路在定向耦合器的发送端口处施加第一阻抗，经由功率检测器在施加第一阻抗之后测量在定向耦合器的耦合端口处的第一耦合功率，经由可切换阻抗电路在定向耦合器的发送端口处施加第二阻抗，经由功率检测器在施加第二阻抗之后测量第二耦合功率，以及确定在第一耦合功率与第二耦合功率之间的差以形成耦合功率变化。控制器还被配置为当耦合功率变化超过第一预定阈值时调节第一可调节终端阻抗以及重复对耦合变化的确定和对第一可调节终端阻抗的调节直到耦合功率变化不超过第一预定阈值。

定向耦合器系统可以包括耦合到定向耦合器的耦合端口的第二可调节终端阻抗，其中控制器还被配置为：通过进行以下各项来确定反射功率变化：经由可切换阻抗电路在定向耦合器的发送端口处施加第一阻抗，经由功率检测器在施加第一阻抗之后测量在定向耦合器的隔离端口处的第一反射功率，经由可切换阻抗电路在定向耦合器的发送端口处施加第二阻抗，经由功率检测器在施加第二阻抗之后测量第二反射功率，以及确定在第一反射功率与第二反射功率之间的差以形成反射功率变化；当反射功率变化超过第二预定阈值时调节第二可调节终端阻抗；以及重复对耦合变化的确定和对第二可调节终端阻抗的调节直到耦合功率变化不超过第二预定阈值。

在实施例中，定向耦合器系统还包括输出选择开关，输出选择开关被配置为将定向耦合器的耦合端口的直接输出和电压电流转换器的输出中的一个路由到输出管脚。定向耦合器还可以包括：终端阻抗，其耦合到功率检测器的输入；以及终端开关，其耦合在功率检测器的输入与定向耦合器的直接输出之间。在一些实施例中，定向耦合器系统还包括耦合在功率检测器的输出与输出选择开关之间的电压电流转换器。在一些实施例中，定向耦合器、功率检测器和可切换阻抗电路被设置在相同的集成电路上。所描述的技术的实施方式可以包括硬件、方法或过程、或者计算机可访问介质上的计算机软件。

另一总体方面包括一种电路，其包括：第一定向耦合器，其包括第一输入端口、第一发送端口、第一隔离端口和第一耦合端口；以及第二定向耦合器，其包括第二输入端口、第二发送端口、第二隔离端口和第二耦合端口，第二输入端口耦合到第一定向耦合器的第一发送端口。该电路还包括耦合到第二定向耦合器的第二发送端口的可切换阻抗电路，其中可切换阻抗电路被配置为可切换地将第一阻抗施加到第二发送端口和将第二阻抗施加到第二发送端口。该电路还包括：开关网络，其被配置为将第一隔离端口、第一耦合端口、第二隔离端口和第二耦合端口中的一个路由到开关网络的输出；功率检测器，其耦合到开关网络的输出；以及旁路开关，其被配置为将开关网络的输出和功率检测器的输出中的一个路由到输出管脚。

在实施例中，该电路还包括耦合在第一发送端口和第二输入端口之间的第一堆叠开关。该电路还可以包括耦合在第二发送端口与可切换阻抗电路之间的至少一个另外的定向耦合器，其中开关网络还被配置为对耦合到开关网络的输出的至少一个另外的定向耦合器的隔离端口和耦合端口中的一个进行路由。

在实施例中，该电路还包括控制器，控制器被配置为：经由开关网络选择第一隔离端口、第一耦合端口、第二隔离端口和开关网络中的一个；经由可切换阻抗电路施加第一阻抗；经由功率检测器在开关网络的输出处测量第一功率；经由可切换阻抗电路施加第二阻抗；经由功率检测器在开关网络的输出处测量第二功率；以及确定在第一功率与第二功率之间的差。在一些实施例中，第一定向耦合器、第二定向耦合器、可切换阻抗电路、开关网络和功率检测器被设置在相同的集成电路上。

一些实施例定向耦合器的优点包括使用功率检测器来确定定向耦合器的方向性的能力，其中在发送端口处的耦合器的回波损耗不需要低于定向耦合器的目标方向性。一些实施例的另一优点包括当在耦合端口处测量功率时使用较不敏感的功率检测器的能力。另一优点包括共享集成电路的单个管脚以输出RF耦合信号以及指示由内部功率检测器测量的功率的DC信号两者。

虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但这种描述并不旨在以限制性的意义来解释。说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它实施例对本领域的技术人员而言在参考说明书后将是显而易见的。

Claims (29)

1.一种操作定向耦合器的方法，所述方法包括：

通过以下各项来确定耦合功率变化：

在所述定向耦合器的输入端口处施加输入信号，

在所述定向耦合器的发送端口处施加第一阻抗，

在施加所述第一阻抗之后测量在所述定向耦合器的耦合端口处的第一耦合功率，

在所述定向耦合器的所述发送端口处施加第二阻抗，

在施加所述第二阻抗之后测量第二耦合功率，以及

确定在所述第一耦合功率与所述第二耦合功率之间的差以形成所述耦合功率变化。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括当所述耦合功率变化超过预定阈值时，调节耦合到所述定向耦合器的隔离端口的终端阻抗。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括重复对所述耦合功率变化的所述确定和对所述终端阻抗的所述调节，直到所述耦合功率变化不超过所述预定阈值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中测量所述第一耦合功率和测量所述第二耦合功率包括使用功率检测器电路。

5.根据权利要求4所述的方法，其中使用所述功率检测器电路包括在所述功率检测器电路的输出处产生电压并将在所述功率检测器电路的所述输出处的所述电压转换为电流。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

施加所述第一阻抗包括使所述定向耦合器的所述发送端口开路；并且

施加所述第二阻抗包括使所述定向耦合器的所述发送端口短路。

7.根据权利要求1所述的方法，其中：

施加所述第一阻抗包括使所述定向耦合器的所述发送端口短路；并且

施加所述第二阻抗包括使所述定向耦合器的所述发送端口开路。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所述耦合功率变化来确定所述定向耦合器的方向性。

9.根据权利要求8所述的方法，其中确定所述方向性包括根据下式来确定所述方向性：

$DIR=20log\left(\frac{VSWR-1}{VSWR+1}\·\frac{{10}^{\frac{{\mathrm{\δ}}_{pk-pk}}{20}}+1}{{10}^{\frac{{\mathrm{\δ}}_{pk-pk}}{20}}-1}\right),$

其中DIR是所述定向耦合器的所述方向性，δ_pk-pk是所述耦合功率变化，并且VSWR是电压驻波比。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括通过以下各项来确定反射功率变化：

在所述定向耦合器的输入端口处施加所述输入信号，

在所述定向耦合器的发送端口处施加所述第一阻抗，

在施加所述第一阻抗之后测量在所述定向耦合器的隔离端口处的第一反射功率，

在所述定向耦合器的所述发送端口处施加所述第二阻抗，

在施加所述第二阻抗之后测量第二反射功率，以及

确定在所述第一反射功率与所述第二反射功率之间的差以形成所述反射功率变化。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括当所述反射功率变化超过预定阈值时，调节耦合到所述定向耦合器的所述耦合端口的终端阻抗。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括重复对所述反射功率变化的所述确定和对所述终端阻抗的所述调节直到所述耦合功率变化不超过所述预定阈值。

13.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述定向耦合器的所述发送端口处施加第三阻抗；以及

在施加所述第二阻抗之后测量第三耦合功率。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

基于对所述第一耦合功率和所述第二耦合功率的测量来计算第一方向性；

基于对所述第一耦合功率和所述第三耦合功率的测量来计算第二方向性；以及

通过对所述第一方向性和所述第二方向性进行求平均来确定平均方向性。

15.根据权利要求14所述的方法，其中：

所述第一阻抗包括匹配阻抗；

所述第二阻抗包括开路；并且

所述第三阻抗包括短路。

16.一种定向耦合器系统，包括：

定向耦合器；

功率检测器，被耦合到所述定向耦合器的耦合端口；以及

可切换阻抗电路，被耦合到所述定向耦合器的发送端口，所述可切换阻抗电路被配置为根据控制输入可切换地将第一阻抗施加到所述发送端口和将第二阻抗施加到所述发送端口。

17.根据权利要求16所述的定向耦合器系统，还包括：

控制器，被耦合到所述可切换阻抗电路的所述控制输入并耦合到所述功率检测器的输出，所述控制器被配置为：

经由所述可切换阻抗电路在所述定向耦合器的所述发送端口处施加所述第一阻抗，

经由所述功率检测器在施加所述第一阻抗之后测量在所述定向耦合器的所述耦合端口处的第一耦合功率，

经由所述可切换阻抗电路在所述定向耦合器的所述发送端口处施加所述第二阻抗，

经由所述功率检测器在施加所述第二阻抗之后测量第二耦合功率，以及

确定在所述第一耦合功率与所述第二耦合功率之间的差以形成耦合功率变化。

18.根据权利要求16所述的定向耦合器系统，还包括第一可调节终端阻抗，被耦合到所述定向耦合器的所述耦合端口。

19.根据权利要求18所述的定向耦合器系统，还包括控制器，被耦合到所述可切换阻抗电路的所述控制输入并被耦合到所述功率检测器的输出，所述控制器被配置为：

通过以下各项来确定耦合功率变化：

经由所述可切换阻抗电路在所述定向耦合器的所述发送端口处施加所述第一阻抗，

经由所述功率检测器在施加所述第一阻抗之后测量在所述定向耦合器的所述耦合端口处的第一耦合功率，

经由所述可切换阻抗电路在所述定向耦合器的所述发送端口处施加所述第二阻抗，

经由所述功率检测器在施加所述第二阻抗之后测量第二耦合功率，以及

确定在所述第一耦合功率与所述第二耦合功率之间的差以形成所述耦合功率变化；

当所述耦合功率变化超过第一预定阈值时调节所述第一可调节终端阻抗；以及

重复对所述耦合功率变化的所述确定和对所述第一可调节终端阻抗的所述调节直到所述耦合功率变化不超过所述第一预定阈值。

20.根据权利要求19所述的定向耦合器系统，包括第二可调节终端阻抗，被耦合到所述定向耦合器的所述耦合端口，其中所述控制器还被配置为：

通过以下各项来确定反射功率变化：

经由所述可切换阻抗电路在所述定向耦合器的所述发送端口处施加所述第一阻抗，

经由所述功率检测器在施加所述第一阻抗之后测量在所述定向耦合器的隔离端口处的第一反射功率，

经由所述可切换阻抗电路在所述定向耦合器的所述发送端口处施加所述第二阻抗，

经由所述功率检测器在施加所述第二阻抗之后测量第二反射功率，以及

确定在所述第一反射功率与所述第二反射功率之间的差以形成所述反射功率变化；

当所述反射功率变化超过第二预定阈值时调节所述第二可调节终端阻抗；以及

重复对所述耦合功率变化的所述确定和对所述第二可调节终端阻抗的所述调节直到所述耦合功率变化不超过所述第二预定阈值。

21.根据权利要求16所述的定向耦合器系统，还包括：

输出选择开关，被配置为将以下各项中的一项路由到输出管脚：

所述定向耦合器的所述耦合端口的直接输出；和

所述电压电流转换器的输出。

22.根据权利要求21所述的定向耦合器系统，还包括：

终端阻抗，被耦合到所述功率检测器的输入；以及

终端开关，被耦合在所述功率检测器的所述输入与所述定向耦合器的所述耦合端口的所述直接输出之间。

23.根据权利要求21所述的定向耦合器系统，还包括电压电流转换器，被耦合在所述功率检测器的输出与所述输出选择开关之间。

24.根据权利要求16所述的定向耦合器系统，其中所述定向耦合器、所述功率检测器和所述可切换阻抗电路被布置在相同的集成电路上。

25.一种电路，包括：

第一定向耦合器，包括第一输入端口、第一发送端口、第一隔离端口和第一耦合端口；以及

第二定向耦合器，包括第二输入端口、第二发送端口、第二隔离端口和第二耦合端口，所述第二输入端口被耦合到所述第一定向耦合器的所述第一发送端口；

可切换阻抗电路，被耦合到所述第二定向耦合器的所述第二发送端口，所述可切换阻抗电路被配置为可切换地将第一阻抗施加到所述第二发送端口和将第二阻抗施加到所述第二发送端口；

开关网络，被配置为将所述第一隔离端口、所述第一耦合端口、所述第二隔离端口和所述第二耦合端口中的一个端口路由到所述开关网络的输出；

功率检测器，被耦合到所述开关网络的所述输出；以及

旁路开关，被配置为将所述开关网络的所述输出和所述功率检测器的所述输出中的一个输出路由到输出管脚。

26.根据权利要求25所述的电路，还包括第一堆叠开关，被耦合在所述第一发送端口和所述第二输入端口之间。

27.根据权利要求25所述的电路，还包括至少一个另外的定向耦合器，被耦合在所述第二发送端口与所述可切换阻抗电路之间，其中所述开关网络还被配置为对耦合到所述开关网络的所述输出的所述至少一个另外的定向耦合器的隔离端口和耦合端口中的一个端口进行路由。

28.根据权利要求25所述的电路，还包括控制器，所述控制器被配置为：

经由所述开关网络选择所述第一隔离端口、所述第一耦合端口、所述第二隔离端口和所述开关网络中的一个端口；

经由所述可切换阻抗电路施加所述第一阻抗；

经由所述功率检测器在所述开关网络的所述输出处测量第一功率；

经由所述可切换阻抗电路施加所述第二阻抗；

经由所述功率检测器在所述开关网络的所述输出处测量第二功率；以及

确定在所述第一功率与所述第二功率之间的差。

29.根据权利要求25所述的电路，其中所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器、所述可切换阻抗电路、所述开关网络和所述功率检测器被设置在相同的集成电路上。