CN108028452B - 内置定向耦合器功能的环行器模块设计及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于无线通信系统的环行器(Circulator)和定向耦合器(Directional Coupler)的模块化，不需实现可抽样高频信号的定向耦合器(Directional Coupler)的线路，可以应用可与环行器共享的电气特性实施模块化，从而改进无线通信系统的电气特性，并实现微型化。

Description

内置定向耦合器功能的环行器模块设计及其制造方法
技术领域
本发明涉及内置定向耦合器功能的环行器模块设计及其制造方法。
背景技术
环行器(Circulator)和隔离器(Isolator)等非可逆电路元件(Non-reciprocalCircuit Element)是一般通过既定的端口输入的信号随着法拉第旋转(FaradayRotation)向一侧方向旋转后传递到既定的其它端口的高频通信配件。
如图1所示，环行器一般具备三个端口，从各个端口输入的信号一般传递到具有相同传输系数和反射系数的其它邻接端口。进而各个端口既是输入端(Input Port)又是对邻接端口的输出端(Output Port)。
环行器在无线通信装置的收发端通常位于功率放大器(Power Amplifier)和天线(Antenna)之间，使在功率放大器上放大的信号在损耗一点的状态下传递到天线侧。相反可以阻断信号，使从天线反射回来的信号或不必要的信号不会传递到功率放大器侧。
定向耦合器(Directional Coupler)是指具有四个端口的人工可逆电路(PassiveReciprocal Networks)，对于输入端可以抽样某一个该输入信号，另一个端口对其输入信号具有电气绝缘特性。四个端口均处匹配状态，方向耦合器才能完整运行，而且通常要包括1/4波长(a quarter wavelength)的传输线路(Transmission Line)。定向耦合器用以向某一特定方向流的信号进行抽样。
图2是显示普通的定向耦合器符号的示意图。
如图2所示，理想的定向耦合器中输入到第一端口(P1)的信号大部分传递到第二端口(P2)，一些极小的信号在第三端口(P3)被耦合，但不会传递到第四端口(P4)。相反输入到第二端口(P2)的信号在第四端口(P4)被抽样，但不会传递到第三端口(P3)。就是说，定向耦合器是设计成向特定方向流的信号只可在特定端口被耦合的元件。
图3是显示定向耦合器中随信号输入方向的抽样信号传递方向的示意图。
如图3所示，通常定向耦合器是在一个端口上连接终端电阻构成。在第一端口(P1)输入的信号可在第三端口(P3)被抽样，相反输入到第二端口(P2)的信号的耦合信号是传递到连接有终端电阻的端口并被消灭。
定向耦合器中对输入信号(P1)的输出信号(P2)的衰减大小叫做插入损耗(Insertion Loss)，对输入信号(P1)的第四端口(P4)中的绝缘程度叫做隔离(Isolation)，对输入信号(P1)的第三端口(P3)中的结合程度叫做耦合(Coupling)，从所述隔离中减掉耦合的值叫做指向性(Directivity)。在此指向性是评估从第一端口(P1)的输入信号与第四端口(P4)相比传递地如何好的标准，是定向耦合器的最重要评估项目之一。
与此相关的数学公式如下。
[数学公式]
Insertion Loss(IL)＝10*log(P1/P2)
Isolation(I)＝10*log(P1/P4)
Coupling(C)＝10*log(P1/P3)
Directivity(D)＝10*log(P3/P4)
通常定向耦合器和环行器一样位于功率放大器和环行器及天线之间，用以抽样从功率放大器放大的信号的大小。如上所述，此时应只抽样从功率放大器放大的输入信号，故耦合器的指向性(Directivity)是重要的电气特性。
随着无线通信需求增加和通信技术的发达，不仅对相应通信设备的需求增多，价格竞争也日益加重，因此可减少该通信设备的电气特性尤其系统的插入损耗(InsertionLoss)而使用的配件模块化需求也随之产生。
进而开展了对定向耦合器和环行器模块化的研究。但每个元件的电气运行方式截然不同，而且结构上也采用完全不同形态的材料制作，因此其模块化会存在不少困难。
图4是将定向耦合器和环行器模块化的线路图。用已知技术实现的环行器和定向耦合器的模块大部分都遵照图4上显示的模块的结构。
一些已知技术是，将定向耦合器设置在叠层基板内，在该叠层基板上安装环行器的方式设计模块。这种模块可能会引发以下问题。就是说，在环行器上产生的热通过叠层基板传递到模块底面，因此无法有效传热，如果无法有效传热，则环行器和叠层基板内的定向耦合器温度会增加，最终导致模块的电气特性退化。而且用于基站和中继器的定向耦合器和环行器是应可承受高输出信号，但内置定向耦合器的叠层基板是通过多个导通孔传递高输出的高频信号，因此可以承受高输出信号。如上所述，以将个别元件聚在一起程度的模块化方式是最终难以改进插入损耗。而且上述的一些已知技术是需采用价格高昂的基于多层特氟龙(Teflon)的基板或LTCC基板制作，导致其制造成本增加。
发明内容
技术课题
本发明的目的在于实现定向耦合器(Directional Coupler)和环行器(Circulator)的模块化，是利用可相互共享的电气特性，简化该模块结构，从而改善电气特性，缩小其大小。
技术方案
本发明一方面可以提供包括环行器和信号耦合器的环行器模块。此时，所述信号耦合器是其本身不具有指向性(Directivity)，可以通过所述环行器的隔离(Isolation)特性控制所述环行器模块的指向性。
所述信号耦合器包括耦合线路(Coupling Line)和主传输线路(MainTransmission Line)构成，所述耦合线路与所述主传输线路相离一定间隔相互交叉成直角。
所述耦合线路和所述主传输线路是设在印制电路板的相互不同层。
所述印制电路板包括设在所述主传输线路和所述耦合线路之间的接地面，所述接地面设有开口部(open slot)，所述主传输线路和所述耦合线路之间的电耦合(coupling)程度受到所述开口部的控制。
所述耦合线路的一部分和所述主传输线路位于印制电路板的同一层上，所述耦合线路的剩余部分是所述交叉区域中所述主传输线路上具有跳线(Jump Line)形态的耦合导体(Coupling Conductor)，通过所述耦合导体使所述主传输线路和所述耦合线路之间发生电耦合(coupling)。
本发明另一方面提供包括环行器和信号耦合器的环行器模块。所述信号耦合器包括：从所述环行器的输入端口和输出端口通过的信号流动的主传输线路(MainTransmission Line)；可对通过所述主传输线路的流动的信号进行抽样的耦合线路(Coupling Line)；通过所述耦合线路流动的信号通过与所述输入端口和所述输出端口区别的其它端口提供；所述信号耦合器是其本身不具有指向性(Directivity)；通过所述环行器的隔离(Isolation)特性控制所述信号耦合器的指向性。
所述耦合线路与所述主传输线路相离一定间隔相互绝缘，并相互交叉成直角。
所述耦合线路和所述主传输线路是设在印制电路板的相互不同的层。
所述印制电路板包括设在所述主传输线路和所述耦合线路之间的接地面，所述接地面上设有开口部(open slot)，所述主传输线路和所述耦合线路之间的电耦合(coupling)程度受所述开口的控制。
所述耦合线路的一部分和所述主传输线路位于印制电路板的同一层上，所述耦合线路的剩余部分是在所述交叉区域中所述主传输线路上呈跳线(Jump Line)形态的耦合导体(Coupling Conductor)，通过所述耦合导体在所述主传输线路和所述耦合线路之间发生电耦合(coupling)。
有益效果
根据本发明的环行器和定向耦合器的模块化，其有益效果在于，可以去掉构成定向耦合器的1/4波长(λ/4)长度的传输线路，可以大幅减少模块的插入损耗，缩小模块规格。而且可以通过导通孔等避免高输出信号的流动，从而提升产品可信度，还可以实现对高输出的高频信号的操作。
附图说明
图1是显示普通环行器符号的示意图；
图2是显示普通定向耦合器符号的示意图；
图3是显示定向耦合器中随信号输入方向的抽样信号传递方向的示意图；
图4是根据已知技术模拟化的环行器和定向耦合器的线路图；
图5是显示根据本发明一实施例设计的环行器模块的示意图；
图6是显示根据本发明另一实施例设计的环行器模块的示意图；
图7是本发明一实施例的环行器模块的线路图；
图8是图7中图示的环行器模块中，环行器信号旋转方向相反的模块的线路图；
图9是本发明另一实施例的环行器模块的线路图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例进行描述，但所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，也可以以各种形态实现。本说明书中使用的用语仅仅是有助于理解实施例，并不是限定本发明的范围。下面使用的单数形态的语句在没有明确相反意义的前提下也包括复数形态。
图5是根据本发明一实施例设计的环行器模块的叠层图。
如图5所示，本发明一实施例的环行器模块是可以包括由上向下方向依次叠层的环行器100和四个印制电路板110、120、130、140。
由用软磁材料(soft magnetic material)制作的环行器100的开放的开口面伸展出来的中心导体(Center Conductor)的连接端子101、102、103是与设在印制电路板最上层110的输入输出连接导体端子111、112、113相互电连接。
印制电路板的最上层110设有可安放环行器100之输入输出端子101、102、103的输入输出连接导体端子111、112、113，环行器的接地面是可以利用排列孔217安放在最上层110的接地面116上。通过内部连接205从上连接到第三层130的导体端子部分117可以连接终端电阻160。
从上到第二层120构成开放的开口面121，成为设在最上层110的主传输线路115和设在第三层130的耦合线路132之耦合导体部分131之间的电耦合通道。调节该开口面121的大小即可调节主传输线路115和耦合线路132之间的耦合强度。第二层120设有从第三层130开始到最上层110可连接导通孔的接地面被去掉的导体部分123。
本发明的多个实施例中，将包括主传输线路115和耦合线路132的部分可以称为“信号耦合器”。所述信号耦合器是其本身不具有指向性。图5实施例中所述信号耦合器可以包括开口面121。
从上到第三层130设有耦合线路132，该耦合线路132上设有耦合导体部分131和侧面连接端子133。耦合导体部分131的一侧端上设有可连接导通孔的导体部分134。
最下层140提供模块的输入输出端子141、142、143和耦合端子144。
图5中图示的环行器模块如下通电运行。
通过设在模块最下层140的第一个输入输出端子141输入的高频信号是通过沿着印制电路板的侧面连接的部分即侧面连接201输入到最上层110的连接端子114。所述输入的高频信号的极小一部分是与和主传输线路115相互交叉的耦合线路132的耦合导体部分131耦合，耦合的高频信号是通过侧面连接202连接到耦合端子144并输出。大部分高频信号是传送到连接导体部分111，进而传递到环行器的输入输出连接端子101。输入于所述环行器的高频信号是通过法拉第旋转现象向顺时针方向旋转后传递到输出连接端子102。所述传递的高频信号是被传递到连接导体部分112，经过侧面连接203后通过设在最下层140的第二个输入输出端子142输出。
相反通过第二输入输出端子142输入的高频信号也通过环行器的法拉第旋转现象向顺时针方向旋转以后，传递到第三个输入输出端子143，因此高频信号不会传递到第一个输入输出端子141和耦合端子144。
图6是本发明另一实施例的环行器模块。
如图6所示，从环行器100的开放的开口面伸展出来的中心导体(CenterConductor)的连接端子101、102、103是与设在印制电路板上层210的输入输出连接导体部分211、212、213相互通电连接。
印制电路板的上层210上构成可安放环行器100之输入输出端子101、102、103的端子211、212、213，环行器的接地面是与设在上层接地面216的排列孔217排列安放。此外设有耦合线路221用来与主传输线路215通电耦合，并设有端子222、224用以安放使主传输线路和耦合线路相互垂直交叉的耦合导体170。导体端子部分224和接地面216之间安放用以连接线路电匹配的终端电组160。
印制电路板的下层240构成模块的输入输出端子241、242、242和耦合端子244。
图6上图示的环行器模块是如下通电运行。
通过设在模块下层240的第一个输入输出端子241输入的高频信号是通过基板的侧面连接251输入到上层210的连接端子214。所述输入的高频信号的极小一部分是与从主传输线路215上面交叉经过的耦合线路221的耦合导体170电耦合，耦合的高频信号是通过侧面连接252连接到耦合端子244并输出。另外大部分高频信号是传递到输入输出连接导体部分211后传递到环行器的输入连接端子101。输入到所述环行器的高频信号是通过法拉第旋转现象向顺时针方向旋转后传送到输出连接端子102。所述传递的高频信号连接于输出连接导体212，通过经过侧面连接253设在基板下层240的第二个输入输出端子242输出。
相反通过第二个输入输出端子242输入的高频信号是通过环行器的法拉第旋转现象依然向顺时针方向旋转后传递到第三个输入输出端子243，因此高频信号不会传递到第一个输入输出端子241和耦合端子244。
图7是本发明一实施例的环行器模块的线路图。
如图7所示，输入到第一端口(P1)的高频信号是通过主传输线路1(MainTransmission Line)(对应于图5和图6中显示的主传输线路115)传递到环行器。在此与主传输线路1相互垂直交叉的耦合线路2(Coupling Line)(与图5和图6中显示的结合线路132对应)是将极小的高频信号抽样传递到第三端口(P3)。传递到环行器110的大部分高频信号是向顺时针方向旋转并传递到第二端口(P2)。相反输入到第二端口(P2)的高频信号是在环行器100旋转后传递到第四端口(P4)。就是说，输入到第二端口(P2)的信号只传递到第四端口(P4)，不会传递到第三端口(P3)。进而在第三端口(P3)提取的抽样信号仅仅是在第一端口(P1)输入的高频信号，因此与从第二端口(P2)到第三端口(P3)耦合传递的高频信号相比具有较高的指向性(Directivity)。
就是说，图7中图示的环行器100会将从第二端口(P2)传递到第一端口(P1)的信号阻断，因此在第三端口(P3)可以获得从第一端口(P1)的信号的高指向性。
图8是图7中图示的环行器模块中环行器之信号旋转方向相反的模块的线路图。
图9是本发明另一实施例的环行器模块的线路图。
如图9所示，输入到第一端口(P1)的高频信号是在第三端口(P3)耦合，输入到第二端口(P2)的高频信号是在第五端口(P5)耦合。
在本发明的实施例上，所述耦合线路和所述主传输线路是离一定间隔相互实际交叉成直角。所谓实际交叉成直角的意思是，交叉的角度稍微偏离准确交叉成直角的结构及90°。为了避免所具指向性与所述已知技术的定向耦合器同样，本发明多个实施例的所述交叉区域的最大延长宽度可能远远达不到输入的信号频率波长的1/4。
根据本发明实施例叙述的所述环行器模块是也可以称为“定向模块”或“定向环行器模块”、“定向环行器结合模块”。
本发明的实施例并不限于以上叙述的实施例。就是说，用于所述实施例的印制电路板是可由设有导体部分的三维状塑料注塑物来替代，安装在所述印制电路基板上的环行器是也可以直接设在印制电路板上。所述环行器模块也可以用波导管实现。
本领域技术人员可以利用上述的本发明实施例对本发明进行多种修改和变更，但这些修改和变更并不脱离本发明的技术方案范围。权利要求书的各项要求内容是在可通过本说明书理解的范围内可以与没有引用关系的其它要求项结合。

Claims (3)

1.一种环行器模块，其特征在于，作为包括环行器和信号耦合器的环行器模块，所述信号耦合器包括耦合线路（Coupling Line）和主传输线路（Main Transmission Line）;所述信号耦合器是其本身不具有指向性（Directivity），可以通过所述环行器的隔离（Isolation）特性控制所述环行器模块的指向性;
所述耦合线路和所述主传输线路是设在印制电路板的相互不同层;
所述印制电路板包括设在所述主传输线路和所述耦合线路之间的接地面，所述接地面设有开口部（open slot），所述主传输线路和所述耦合线路之间的电耦合（coupling）程度受到所述开口部的控制。
2.根据权利要求1所述的环行器模块，其特征在于，所述耦合线路与所述主传输线路相离一定间隔且相互交叉成直角。
3.一种环行器模块，其特征在于，作为包括环行器和信号耦合器的环行器模块，所述信号耦合器包括：从所述环行器的输入端口和输出端口通过的信号流动的主传输线路（MainTransmission Line）；可对通过所述主传输线路的流动的信号进行抽样的耦合线路（Coupling Line）；
通过所述耦合线路流动的信号通过与所述输入端口和所述输出端口区别的其它端口提供；所述信号耦合器是其本身不具有指向性（Directivity）；通过所述环行器的隔离（Isolation）特性控制所述信号耦合器的指向性;
所述耦合线路与所述主传输线路相离一定间隔相互绝缘，并相互交叉成直角；
所述耦合线路的一部分和所述主传输线路位于印制电路板的同一层上，所述耦合线路的剩余部分是在交叉区域中所述主传输线路上呈跳线（Jump Line）形态的耦合导体（Coupling Conductor），通过所述耦合导体在所述主传输线路和所述耦合线路之间发生电耦合（coupling）。
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