CN109314298B - 补偿电磁耦合器 - Google Patents

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Abstract

一种电磁耦合器包含电介质层，该电介质层具有将输入端口连接到输出端口的第一传输线。电介质层的另一表面上的第二传输线形成耦合端口和隔离端口。电磁耦合器在耦合端口处提供耦合信号，其表示输入端口处的输入信号。耦合信号的幅度通过耦合因数与输入信号的幅度相关。电介质层上的调谐元件配置为在电介质层的厚度变化范围内稳定耦合因数。

Description

补偿电磁耦合器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年4月29日提交的共同待决的美国临时专利申请No.62/329,385和于2017年2月24日提交的共同待决的美国临时专利申请No.62/463,010在35U.S.C§119(e)和PCT第8条下的权益，并且，为了所有目的，每个申请都通过引用整体并入本文。
背景技术
定向耦合器广泛地用于前端模块(FEM)产品，诸如无线电收发器、无线手持设备等。例如，定向耦合器可以用于检测和监视电磁(EM)输出功率。当将RF源产生的射频(RF)信号提供给负载——诸如天线时，RF信号的一部分可以从负载反射回来。EM耦合器可以被包含在RF源和负载之间的信号路径中，以提供从RF源行进到负载的RF信号的前向RF功率的指示和/或从负载反射回来的反向RF功率的指示。EM耦合器包含例如定向耦合器、双向耦合器、多频带耦合器(例如，双频带耦合器)等等。
参考图1，EM耦合器100通常具有功率输入端口102、功率输出端口104、耦合端口106和隔离端口108。可以包含电感性耦合或电容性耦合的电磁耦合机构通常由两条平行或重叠的传输线提供，诸如微带(microstrip)、带状线、共面线等。主传输线110在功率输入端口102与功率输出端口104之间延伸，并且将来自功率输入端口102的大部分信号116提供给功率输出端口104。耦合线112在耦合端口106与隔离端口108之间延伸，并且可以提取在功率输入端口102与功率输出端口104之间行进的功率的一部分114，以用于各种目的，包含各种测量。当终端阻抗呈现给隔离端口108时，在耦合端口106处提供从功率输入端口102行进到功率输出端口104的前向RF功率的指示。
在前向耦合模式中，如图1中所示，部分114是从功率输入端口102行进到功率输出端口104的主信号116RF功率的一部分。EM耦合器通常通过它们的耦合因数来评定，通常以分贝表示，其是从输入信号116的功率耦合的部分114的功率比的量度。例如，20dB耦合器将提供耦合信号，例如部分114，其比输入功率低20dB，或者是输入功率的约1％。
通常期望具有相对较低的耦合因数以不过度地从主信号中移除功率，但是还期望耦合因数是确定且一致的，以允许准确评估主信号的功率。在耦合器的制造期间的工艺变化(Process variation)可能影响耦合因数，并且可能导致具有耦合因数的显著变化的耦合器。
发明内容
各方面和实施例涉及具有设计为用于补偿制造工艺变化对耦合器参数和性能的影响的结构的电磁耦合器。如下面更详细讨论的，各种组件和特征可以从传输线组合以形成补偿电磁耦合器，其可以进一步与各种组件和特征组合以形成模块、装置和系统。补偿电磁耦合器可以补偿制造期间的工艺变化，以提供更一致的耦合因数和更高的制造良率(yield)。
根据一个实施例，电磁耦合器包括具有第一表面和第二表面的电介质层；第一传输线，设置在电介质层的第一表面上并在输入端口与输出端口之间延伸；第二传输线，设置在电介质层的第二表面上并在耦合端口与隔离端口之间延伸，电磁耦合器配置为响应于在输入端口处接收输入信号而在耦合端口处提供耦合信号，耦合信号的幅度通过耦合因数与输入信号的幅度相关；调谐元件，设置在电介质层的第一表面上，并且配置为在电介质层的厚度变化范围内稳定耦合因数。
在一个示例性电磁耦合器中，调谐元件被短路到电气接地。在一个示例中，调谐元件通过阻抗接地。在一个示例中，阻抗是可调节的。在一个示例中，调谐元件配置为选择性地与第一传输线和第二传输线解耦。
在一个示例性电磁耦合器中，第二传输线从第一传输线横向偏移。在一个示例中，第二传输线从调谐元件横向偏移。在一个示例中，第二传输线的一部分与第一传输线和调谐元件中的至少一个形成重叠区域。
在另一个示例中，电磁耦合器可以是模块、无线装置或其它形式的电子装置或系统的一部分。在一个示例中，该系统或装置包含收发器。在一个示例中，该系统或装置包含用于发送发送信号和/或接收接收信号的天线。在一个示例中，该系统或装置包含天线开关模块，该天线开关模块连接到电磁耦合器的输入端口或输出端口，并且配置为在电磁耦合器与收发器或天线(或两者)之间引导信号。在一个示例中，该系统或装置包含连接在收发器与天线开关模块之间的功率放大器，功率放大器配置为接收和放大发送信号。在一个示例中，该系统或装置还可以包含传感器模块、存储器、基带子系统、用户接口和/或电池。
根据另一实施例，一种制造具有稳定电磁耦合器的耦合因数并补偿制造工艺变化的特征的电磁耦合器的方法包括：提供电介质层；在电介质的第一表面上形成第一传输线，第一传输线在电磁耦合器的输入端口与输出端口之间延伸；在电介质层的第二表面上形成第二传输线，使得电介质层位于第一传输线与第二传输线之间，第二传输线在电磁耦合器的耦合端口与隔离端口之间延伸，第二传输线相对于第一传输线定向，使得电磁耦合器响应于在输入端口处接收输入信号并且具有连接到隔离端口的终端阻抗而在耦合端口处提供耦合信号；以及提供调谐元件，该调谐元件配置为在电介质材料的厚度范围内稳定耦合因数。
在一个示例中，该方法包含提供到调谐元件的电气接地连接。在一个示例中，该方法包含提供开关元件，该开关元件配置为选择性地将调谐元件连接到电气接地。
在又一个实施例中，一种在制造工艺变化范围中稳定电磁耦合器的耦合因数的方法包括提供电磁耦合器，其包含第一传输线和第二传输线，第一传输线设置在电介质层的第一表面上并在输入端口与输入端口之间延伸，第二传输线设置在电介质层的第二表面上并在耦合端口与隔离端口之间延伸，电磁耦合器配置为响应于在输入端口处接收输入信号而在耦合端口处提供耦合信号，耦合信号的幅度通过耦合因数与输入信号的幅度相关；并且提供调谐元件，该调谐元件配置为在电介质层的厚度范围内稳定耦合因数。
在一个示例中，该方法包含选择性地将调谐元件连接到电气接地。在一个示例中，该方法包含经由可调节阻抗选择性地将调谐元件接地。在一个示例中，该方法包含测量耦合因数和调节阻抗以将耦合因数保持在预定的值的范围内。
根据另一个实施例，一种电磁耦合器包括多层电介质衬底，其包含多个衬底层，每个衬底层具有厚度变化范围；主传输线，其设置在多个衬底层中的第一表面上，并在输入端口与输出端口之间延伸；耦合线，设置在多个衬底层中的第二表面上并在耦合端口与隔离端口之间延伸，电磁耦合器配置为响应于在输入端口处接收输入信号而在耦合端口处呈现耦合信号，耦合信号的幅度通过耦合因数与输入信号的幅度相关，主传输线和耦合线通过多个衬底层中的至少一个衬底层彼此分离；调谐元件设置在第一表面上并且配置为在至少一个衬底层的厚度的变化范围内稳定耦合因数。
在一个示例中，调谐元件被短路到电气接地。在一个示例中，调谐元件通过阻抗接地。在一个示例中，阻抗是可调节的。在一个示例中，调谐元件配置为选择性地与主传输线和耦合线解耦。
在一个示例中，耦合线从主传输线横向偏移。在一个示例中，耦合线从调谐元件横向偏移。在一个示例中，耦合线的一部分与主传输线和/或调谐元件形成重叠区域。
在另一示例中，电磁耦合器可以是模块、无线装置或其它形式的电子装置或系统的一部分。在一个示例中，该系统或装置包含收发器。在一个示例中，该系统或装置包含用于发送发送信号和/或接收接收信号的天线。在一个示例中，该系统或装置包含天线开关模块，该天线开关模块连接到电磁耦合器的输入端口或输出端口，并且配置为在电磁耦合器与收发器或天线(或两者)之间引导信号。在一个示例中，该系统或装置包含连接在收发器与天线开关模块之间的功率放大器，功率放大器配置为接收和放大发送信号。在一个示例中，该系统或装置还可以包含传感器模块、存储器、基带子系统、用户接口和/或电池。
下面详细讨论这些示例性方面和实施例的其它方面、实施例和优点。本文公开的实施例可以以与本文公开的原理中的至少一个一致的任何方式与其它实施例组合，并且对“实施例”、“一些实施例”、“替代性实施例”、“各种实施例”、“一个实施例”等等的引用不一定是相互排斥的，并且旨在指示所描述的特定特征、结构或特性可以被包含在至少一个实施例中。本文中出现的这些术语不一定都指相同的实施例。
附图说明
下面参考附图讨论至少一个实施例的各个方面，附图不是按比例绘制的。包含附图是为了提供对各个方面和实施例的说明和进一步理解，并且附图被并入并构成本说明书的一部分，但是并不旨在作为本发明的限制的限定。在附图中，在各个图中示出的每个相同或几乎相同的组件由相同的数字表示。为清楚起见，并非每个组件都被标记在每个图中。在图中：
图1是电磁耦合器的一个示例的图；
图2是耦合理论的图示；
图3A是补偿耦合器的示例的俯视示意图；
图3B是图3A的补偿耦合器的端视示意图；
图3C是补偿耦合器的替代性示例的端视示意图；
图3D是补偿耦合器的替代性示例的俯视示意图；
图3E是补偿耦合器的替代性示例的俯视示意图；
图4是示例性补偿耦合器的布局的侧视示意图；
图5A是对于小于标称厚度的电介质厚度的未补偿耦合器的在一系列频率上的耦合因数的曲线图；
图5B是对于标称电介质厚度的未补偿耦合器的在一系列频率上的耦合因数的曲线图；
图5C是对于大于标称厚度的电介质厚度的未补偿耦合器的在一系列频率上的耦合因数的曲线图；
图6A是对于小于标称厚度的电介质厚度的补偿耦合器的在一系列频率上的耦合因数的曲线图；
图6B是对于标称厚度的电介质厚度的补偿耦合器的在一系列频率上的耦合因数的曲线图；以及
图6C是对于大于标称厚度的电介质厚度的补偿耦合器的在一系列频率上的耦合因数的曲线图。
图7是包含补偿耦合器的模块的一个示例的框图；
图8是可以包含补偿耦合器的电子装置的一个示例的框图；以及
图9A-9C是包含补偿耦合器的无线装置的各种示例的框图。
具体实施方式
传统的多层耦合器设计，无论是以层压制造工艺还是半导体制造工艺实现，都会受到工艺变化的影响。例如，形成主传输线与耦合线的金属层之间的电介质厚度的变化可能导致性能变化，诸如由于变化的厚度对两条线之间的电容性耦合和电感性耦合的影响而引起的耦合因数的变化。
参考图2解释该影响，图2示出了功率输入端口102、功率输出端口104、耦合端口106和隔离端口108。主传输线110和耦合线112可以被认为是电感器，并且由于它们彼此接近而在它们之间存在电感性耦合。另外，耦合线112与主传输线110的接近形成电容器，使得在两条线之间也存在电容性耦合。两种形式的耦合——电感性和电容性，随着主传输线110与耦合线112之间的接近而变化。相应地，如果主传输线与耦合线之间的接近度改变，则EM耦合器的耦合因数将变化。现代传输线耦合器可以使用层压和/或半导体技术来制造，并且传输线可以通过电介质材料的层彼此分开。层压或沉积电介质材料的工艺可能导致电介质厚度从一个耦合器到下一个耦合器不同，或者甚至在单个耦合器内不同。
由工艺变化引起的耦合因数变化难以控制。特别地，可能难以校正电介质厚度变化。常规地，在制造过程中需要严格的控制和公差，或者需要进行测试以进行电介质的筛选(例如，横截面剖切并测量可接受的电介质厚度，即在公差范围内)或制造后的耦合因数性能筛选。这通常会导致更高的成本和更长的制造或测试时间。
各方面和实施例提供了一种耦合器，其包含用于补偿耦合因数变化的附加元件。耦合因数变化可能是由于主传输线与耦合线之间的间距变化，诸如线之间的电介质厚度的变化，形成线的金属迹线之间的间距，或者线的宽和高度的变化，所有这些都由制造工艺期间的变化带来。耦合因数的一致性是期望的，因为耦合信号可以用于确定主信号的功率，因而耦合信号与主信号的比率(即耦合因数)需要是众所周知的和一致的以符合挑战性的性能规范。在移动电话应用中，准确监视和控制信号功率的能力至关重要。随着装置和组件的尺寸变得越来越小，制造工艺带来的变化(本文中称为工艺变化)可能变得越来越显著。在传统的耦合器设计和制造中，电介质厚度的变化可能导致耦合因数的25％或更多变化。本文所公开的EM耦合器的实施例包含用作调谐短截线(stub)以抵消耦合因数变化的附加部件，从而根据工艺变化来改善耦合因数一致性，导致合适的EM耦合器的更低成本和更高良率。
应当理解，本文中讨论的方法和设备的实施例不限于应用于以下描述中阐述的或附图中示出的构造细节和部件布置。所述方法和设备能够在其它实施例中实现并且能够以各种方式实践或实施。本文中提供的具体实现方式的示例仅用于说明性目的，而不是限制性的。此外，本文中使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应被视为限制性的。本文中使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变形意味着包括其后列出的项目及其等同物以及附加项目。对“或”的引用可以被解释为包含性的，使得使用“或”描述的任何术语可以指示单个、多于一个和所有所描述的术语中的任何术语。对前和后、左和右、顶部和底部、上部和下部、端部、侧面、垂直和水平等的任何参考旨在便于描述，而不是将本系统和方法或其组件限制为任何一个位置性或空间性方向。
根据某些实施例，在EM耦合器中，耦合线可以相对于主传输线以各种取向定位。可以定位一个或多个附加迹线或传输线以影响主传输线与耦合线之间的耦合，其方式将倾向于抵消工艺变化对耦合因数的影响，从而使得所制造的EM耦合器具有比常规耦合器设计可获得的更低的耦合因数的变化。
这种布置的各种示例在图3A-3E中示出。图3A是主传输线110、耦合线112和调谐元件118的俯视示意图。图3B是图3A中所示的传输线的对应的端视图。在该示例中，调谐元件118与主传输线110在同一平面中，并且耦合线112位于调谐元件118下方(或上方)的不同平面中，由电介质材料120隔开并且偏离主传输线110。在替代性示例中，如图3C所示，调谐元件118可以与耦合线112在同一平面中，并且主传输线110可以位于调谐元件118下方(或上方)的不同平面中，由电介质材料120分开并且偏离耦合线112。
传输线110、112、调谐元件118和电介质材料120可以通过例如层压工艺或沉积和蚀刻工艺制造。如图3B和3C所示，电介质材料120的厚度可以确定第一平面与第二平面之间的间距或距离，并且因此确定调谐元件118与耦合线112或主传输线110之间的间距或距离。该间距影响线之间的电容性耦合和电感性耦合，并且电介质厚度的变化引起耦合因数的变化。
在图3A-3C中所示的示例中，在制造工艺期间，电介质材料120的厚度可能存在变化。一个耦合器可能具有比使用相同工艺或设备制造的另一个耦合器更厚的电介质材料120，反之亦然。电介质材料的示例性厚度为42微米(μm或微米)，并且通常可以变化5％或10％。对于42μm的标称预期厚度，所得到的厚度的示例性范围可以是38μm至46μm。
在特定实例下，如果制造过程产生小于标称的厚度，则耦合线112将比标称设计更接近主传输线110。在这种情况下，传统耦合器中的耦合线112与主传输线110之间的耦合将更大并且将导致比预期更高的耦合因数，如上面参考图2所讨论的。
然而，在本文公开的实施例中，调谐元件118抵抗增加的耦合，相对于工艺变化稳定耦合因数。图3A-3C的示例包含接地122，由此调谐元件118在每一端接地，形成部分接地平面并与耦合线112和/或主传输线110产生接地效应。在图3B的示例中，减小的电介质厚度将使耦合线112更靠近主传输线110和调谐元件118两者。如上所述，更靠近主传输线110将倾向于增加EM耦合，但是更接近接地调谐元件118将具有相反的效果。当工艺变化导致电介质厚度变薄时，这两种效应相互抵消并产生更一致的耦合因数。
以类似的方式，仍然参考图3B的示例，由于工艺变化而增加的电介质厚度将导致耦合线112进一步远离主传输线110和调谐元件118中的每一个。耦合线112远离主传输线110的效果是减少耦合，而耦合线112远离调谐元件118的效果是随着接地效应的减小而增加耦合。当工艺变化导致电介质厚度更大时，这两种效应倾向于相互抵消并保持更一致的耦合因数。具有接地122的调谐元件118的效果是将一些耦合的功率分流到接地。当调谐元件118更靠近其它元件(即，主传输线110和耦合线112)时，调谐元件118将更多耦合的功率分流到接地，并且当更远离时，调谐元件118将更少的耦合功率分流到地。
图3A-3C的示例性实施例还包含在每个接地122处的接地开关124，以允许调谐元件118与接地选择性地解耦。某些实施例可以包含将调谐元件118接地的固定连接，但是替代性实施例可以包含一个或多个接地开关124，以选择性地将调谐元件118与接地连接解耦。替代性实施例还可以包含开关124，以选择性地将调谐元件118连接到替代性节点、参考电压或其它实施方式。在包含一个或多个开关124的实施例中，可以选择性地从操作中移除调谐元件118，从而在不需要调谐元件118的情况下消除调谐元件118的补偿效果。相应地，在某些实施例中，接地122可以被切换124。另外，在各种实施例中，接地122可以位于不同的位置。例如，虽然图3A-3C中的接地122被示出为将调谐元件118的端部连接到地，但是替代性实施例可以包含在附加位置或替代性位置处的接地122，诸如沿着调谐元件118的长度，以及可以在侧面、中间或其它地方耦合到调谐元件118。
在图3B的示例实施例中，耦合线112基本上位于调谐元件118下方并且偏离主传输线110。在其它实施例中，耦合线112可以基本上在主传输线110下方并且从调谐元件118偏移，或者耦合线112可以从主传输线110和调谐元件118中的每一个偏移，或者传输线可以以其它方式以任何数量的方式彼此定向。另外，应当理解，主传输线110、耦合线112和调谐元件118可以具有各种形状，并且可以由各种材料构成。主传输线110和耦合线112可以由诸如金属的导体形成，并且调谐元件118也可以由导体形成，但是可以替代性地由半导体或基于其对耦合因数的影响(例如，当减少的厚度倾向于增加耦合时，减少主传输线110与耦合线112之间的耦合)所选择的其它材料形成。
如上所述，主传输线110、耦合线112和调谐元件118中的任何一个可以具有各种形状，并且特别地，不需要是直线也不限于特定平面。另外，可以进行许多变化以影响耦合因数并优化调谐元件118的补偿效果，包含但不限于主传输线110、耦合线112和调谐元件118中的任何一个的材料、几何形状(宽度、长度、形状等)、位置等等。
如本文所述，适合于以补偿方式进行或用于工艺变化的主传输线110、耦合线112和调谐元件118的任何物理布置可以被包含在各种实施例中。例如，图3D和图3E示出了主传输线110、耦合线112和调谐元件118的替代性物理布置。图3D和图3E各自示出了实现为环路的主传输线110，其中耦合线112实现为与主传输线110相邻的环路，并且在该示例中，其在与主传输线110不同的平面中，例如，在不同的层上，其之间有电介质。图3D的示例包含在与主传输线110相同的平面中的环形式的调谐元件118，其中端部选择性地切换124到接地122。图3E的示例包含接地平面的形式的调谐元件118，也选择性地切换124到接地122。替代性实施例包含主传输线110、耦合线112和调谐元件118的物理结构、材料和布置的多种变化。
图3A-3E示出了主传输线110、耦合线112和调谐元件118相对于彼此的各种物理形状和布置，图4示出了这些元件在叠层400内的位置的示例。图4示出了本文描述的任何EM耦合器的示例性构造的一些方面。图4的示例包含电路叠层400，其包含层压衬底410和裸芯420，裸芯420经由焊料凸块412安装在层压衬底410上并且电连接到层压衬底410。衬底410和裸芯420各自由通过电介质隔开的多层导电(例如，金属)或半导体材料构成，具有穿过导电通孔的在层之间的互连体。在各种实施例中，裸芯420可以通过其它布置电连接到衬底410，诸如引脚、插座、垫、球、焊盘等。其它实施例可以仅包含层叠衬底410而不包含裸芯420。
在图4的示例中，EM耦合器的主线和耦合线部分在衬底410的层内实现。图4示出了主传输线110和耦合线112的“端视图”，因为它们的长度范围可以垂直于图像的平面。如图所示，类似于图3B的布置，耦合线112形成在主传输线110下方并且偏离主传输线110的层上，并且在调谐元件118下方和附近。在实施例中并且如图4所示，调谐元件118可以与主传输线110在相同层中并且与主传输线110相邻。如上所述，主传输线110和耦合线112可以在图中交换，或者元件相对于彼此的其它物理布置可以是合适的。同样如上所述，在某些实施例中，主传输线110、耦合线112或调谐元件118中的任何一个可以包含弯曲或成角度的部分，并且可以不是直的。另外，主传输线110、耦合线112和调谐元件118可以在衬底410或裸芯420中任何一个的一个或多个层中实现。另外，虽然叠层400已被描述为衬底410和裸芯420，但是叠层400可等效地描述为电路板(例如，410)和衬底(例如，420)，或者叠层可以具有多个和/或附加分层结构。例如，多芯片模块可以具有衬底和多个裸芯，并且装置可以包含安装有一个或多个多芯片模块的电路板。本文描述的任何EM耦合器的主传输线110、耦合线112和调谐元件118可以在各种结构的多个层之间或跨多个层实现。
另外，开关、接地、滤波器、阻抗、控制电路、通信接口和存储器以及其它组件也可以在叠层内在电路板、衬底或裸芯的一个或多个层处实现，或者可以在各个层之间分布，或者可以在叠层的外部，或者这些的任何组合。
虽然上面已经将42μm的电介质厚度作为示例性厚度给出，但是其它实施例可以包含其它标称厚度，并且标称厚度的标准可以取决于改变操作性参数或应用，诸如频率、频带和期望的耦合因数。
没有本文公开的调谐元件的益处的特定耦合器设计的模拟性能在图5A至5C中示出。图5A至5C中的每个图示出了在X轴上的一系列频率上的Y轴上的耦合因数的曲线图。图5A示出了对于该示例，薄于42μm的标称厚度的38μm的“薄”电介质厚度的结果。图5B示出了42μm的标称电介质厚度的结果。图5C示出了46μm的更厚的电介质厚度的结果。在图5A至5C的每一个中，附图标记510对应于频率为1GHz的耦合因数，附图标记520对应于频率为2GHz的耦合因数，附图标记530对应于频率为3GHz的耦合因数。表1中列出了在不同电介质厚度下在1GHz、2GHz和3GHz这些特定频率下的耦合因数，以分贝表示，并四舍五入为两位数。
Figure BDA0001900311680000111
表1
如可以参考表1所见，当电介质的厚度薄了4μm时，耦合因数从标称值减少约0.4dB。类似地，当电介质的厚度厚了4μm时，耦合因数从标称值增加约0.4dB。作为参考，如果不考虑耦合因数的变化，0.4dB的差异可以在功率测量中产生大约10％的误差。
如图3A-3E所示，使用调谐元件118，例如，根据本文公开的方面和实施例，可以极大地改善耦合因数的变化。图6A至6C中的每一幅图是对于和上面一样的相同电介质厚度但是对于具有如图3A-3B的示例性实施例中的调谐元件118的耦合器，由模拟所产生的在一系列频率上的耦合因数的曲线图。图6A示出了38μm的电介质厚度的结果，而图6B示出了42μm的标称电介质厚度的结果，图6C示出了46μm的电介质厚度的结果。在图6A至6C的每一个中，附图标记610对应于频率为1GHz的耦合因数，附图标记620对应于频率为2GHz的耦合因数，附图标记630对应于频率为3GHz的耦合因数。表2中列出了对于图3A-3B的示例性耦合器设计在不同电介质厚度下在这些特定频率的耦合因数，以分贝表示，并四舍五入为两位数。
Figure BDA0001900311680000121
表2
如可以参考表2看到的，对于图3A-3B的示例实施例，当电介质的厚度薄了4μm时，耦合因数基本不改变，并且当电介质的厚度厚了4μm时，耦合因数仅增加最多0.06dB。表2示出了当如图3A-3B的示例性实施例中设置调谐元件118时，对于不同的电介质厚度的耦合因数的低得多的变化。
如上所述，主传输线110、耦合线112和调谐元件118可以是例如电导体的直线(线性)迹线，或者可以是非线性的。主传输线110、耦合线112和调谐元件118中的一个或多个可以具有弯曲或曲线，并且可以是例如螺旋(helical)形、盘旋(spiral)形或C形。在特定实施例中，主传输线110、耦合线112和调谐元件118中的任何一个或全部可以形成为电感器匝(turn)或可以被图案化，例如网格、锯齿等。在实施例中，可以预期实现期望的耦合和对变化的补偿的任何合适的成形和相对接近度。
在图3A-3E的示例性实施例中，调谐元件118示出为在每一端具有开关124的终端接地122。其它实施例可以包含沿着调谐元件118在各个位置处的接地，并且可以包含到地的终端阻抗(例如，1欧姆、5欧姆或10欧姆)，而不是直接连接到地或接地短路。某些实施例可以具有实现为场效应晶体管(FET)或微机电开关(MEMS)的开关的连接，例如，选择性地将调谐元件118直接连接到地或通过一个或多个阻抗连接到地。阻抗可以是可选择的和/或可调节的，允许进一步的可调节性并允许可定制的耦合和补偿效果。在其它实施例中，调谐元件118可以是电自由浮动的，没有接地路径。如果调谐元件118是电自由浮动的(开路)，则它通常不会起作用，因此当不需要特定应用时可以选择性地断开。
另外，主传输线110、耦合线112和调谐元件118中的一个或多个可以被分段，以便具有选择性可调节的长度。例如，一组合适的开关(例如，FET、MEMS)可以互连传输线的各个部分，并且控制器可以被编程为控制开关，从而以多种方式选择性地连接各个部分以形成一个或多个主传输线110、一个或多个耦合线112，以及一个或多个调谐元件118，以进行调整来改变操作参数或应用。
本文描述的补偿耦合器100a的实施例可以在各种不同的模块中实现，包含例如独立的耦合器模块、前端模块、将补偿耦合器与天线开关网络组合的模块、阻抗匹配模块、天线调谐模块等等。图7示出了耦合器模块的一个示例，该耦合器模块可以包含本文讨论的补偿耦合器的任何实施例或示例。
图7是包含补偿耦合器100a的实施例的模块700的一个示例的框图。模块700包含衬底702并且可以包含各种裸芯，并且可以包含封装，诸如包覆模制件，以提供保护并且便于操作。可以在衬底702上形成包覆模制件，并且尺寸设计成基本上密封在其上的各种裸芯和部件。模块700还可以包含从耦合器100a到封装外部的连接，以提供信号互连，诸如输入端口连接704、输出端口连接706、耦合端口连接708和隔离端口连接710。例如，连接704、706、708和710可以是引线键合或焊料凸块。
本文公开的补偿耦合器的实施例(可选地封装到模块700中)可以有利地用在各种电子装置中。电子装置的示例可以包含但不限于消费电子产品、消费电子产品的部件、电子测试设备、诸如基站的蜂窝通信基础设施等。电子装置的示例可以包含但是不限于诸如智能电话的移动电话、电话、电视、计算机显示器、计算机、调制解调器、手持计算机、笔记本计算机、平板计算机、电子书阅读器、诸如智能手表的可穿戴计算机、个人数字助理(PDA)、微波炉、冰箱、汽车、立体声系统、DVD播放器、CD播放器、诸如MP3播放器的数字音乐播放器、收音机、便携式摄像机、相机、数码相机、便携式存储芯片、保健监控装置、诸如汽车电子系统或航空电子系统的车载电子系统、洗衣机、烘干机、洗衣机/干衣机、外围装置、腕表、时钟等。此外，电子装置可以包含未完成的产品。
图8是电子装置800的一般示例的示意性框图。电子装置800包含电路板810，电路板810上安装有多个模块820、830、840。电路板810可以具有多个层，并且可以包含层中的和/或安装在电路板810的表面上的电路元件和互连体。模块820、830、840中的每一个可以具有多层衬底，在该多层衬底内和其上还可以存在各种电路元件和互连体。另外，模块820、830、840还可以包含表面安装的裸芯，例如，裸芯822、824、832、834、836，每个裸芯可以具有多个层并且包含各种电路元件和互连体。根据本文公开的方面和实施例的补偿EM耦合器100a可以在各种结构的任何层(例如，电路板、衬底和裸芯)内、之中或之间实现，作为电子装置800(诸如手机、平板电脑、智能装置、路由器、电缆调制解调器、无线接入点等)的一部分。
图9A-9C示出了根据上述各种实施例的包含补偿EM耦合器100a的无线装置的示例。EM耦合器100a配置为提取在收发器920与天线930之间行进的RF信号的一部分功率。通常，EM耦合器100a是双向耦合器。如图所示，在前向或发送方向上，功率放大器940从收发器920接收EM信号，诸如RF信号，并且经由天线开关模块950和EM耦合器100a将放大的信号提供给天线930。类似地，在接收方向上，经由EM耦合器100a、天线开关模块950和低噪声放大器960从天线930向收发器920提供接收信号。各种附加元件可以被包含在无线装置中(诸如图9A-9C的无线装置900)，和/或在一些实施例中可以实施所示出的元件的子组合。
功率放大器940放大RF信号。功率放大器940可以是任何合适的功率放大器。例如，功率放大器940可以包含以下中的一个或多个：单级功率放大器、多级功率放大器、由一个或多个双极晶体管实现的功率放大器，或由一个或多个场效应晶体管实现的功率放大器。例如，功率放大器940可以在GaAs裸芯、CMOS裸芯或SiGe裸芯上实现。
天线930可以发送放大的信号，并接收信号。例如，在蜂窝电话、无线基站等中，天线930可以向其它装置发送RF信号和从其它设备接收RF信号。在替代性实施例中，可以使用多个天线。
在前向模式下操作时，EM耦合器100a可以提取在功率放大器940与天线930之间行进的放大信号的一部分功率。例如，EM耦合器100a可以产生从功率放大器940行进到天线930的前向功率的指示。在反向模式下操作时，EM耦合器100a可以产生从天线930朝向功率放大器940行进的反射功率的指示，或者可以从外部源提取由天线930接收的信号的一部分功率。在任一模式中，EM耦合器100a可以将信号部分提供给传感器912，传感器912通过测量信号部分的功率来提供功率反馈。
图9A-9C的无线装置900的示例还包含功率管理系统904，其连接到收发器920，收发器920管理用于无线装置的操作的功率。功率管理系统904还可以控制基带子系统906以及无线装置900的其它组件的操作。功率管理系统904可以通过以下方式来管理无线装置900内的功率：例如，从电池902向无线装置900提供功率或从功率连接器向无线装置900提供功率，并且通过控制电池902的充电和放电循环和/或状态来控制电池902的充电水平。
在一个实施例中，基带子系统906连接到用户接口908，以便于向用户提供和从用户接收语音和/或数据的各种输入和输出。基带子系统906还可以连接到存储器910，存储器910配置为存储数据和/或指令以便于无线装置900的操作，和/或为用户提供信息的储存。
功率放大器940可以用于放大各种RF或其它频带传输信号。例如，功率放大器940可以接收使能信号，该使能信号可以用于脉冲(pulse)功率放大器的输出以帮助发送无线局域网(WLAN)信号或任何其它合适的脉冲信号。功率放大器940可以配置为放大各种类型的信号中的任何一种，包含例如全球移动系统(GSM)信号、码分多址(CDMA)信号、W-CDMA信号、长期演进(LTE)信号、EDGE信号等等。在某些实施例中，功率放大器940和包含开关等的相关联部件可以使用例如pHEMT或BiFET晶体管制造在GaAs衬底上，或者使用CMOS晶体管制造在硅衬底上，以及其它半导体制造技术。
仍然参考图9A-9C，无线装置900还可以包含具有一个或多个定向EM耦合器的补偿耦合器100a，用于测量来自功率放大器940的发送功率信号并且用于向传感器模块912提供一个或多个耦合信号。传感器模块912进而可以将信息发送到收发器920和/或直接发送到功率放大器940作为反馈，以进行调节来调整功率放大器940的功率水平。以这种方式，补偿耦合器100a可以用于增强/降低具有相对低/高功率的传输信号的功率。然而，应当理解，补偿耦合器100a可以用于各种其它实施方式中。
在无线装置900的任何示例的某些实施例中，来自无线装置900的传输可以具有规定的功率限制和/或时隙。功率放大器940可以在功率对时间的规定限制内上下移动功率包络(power envelope)。例如，可以为特定的移动电话分配特定频率信道的传输时隙。在这种情况下，可能需要功率放大器940随时间调整一个或多个RF功率信号的功率电平，以便防止在指定的接收时隙期间发送信号干扰并降低功耗。在这样的系统中，如上所述，补偿耦合器100a可以用于测量功率放大器输出信号的功率，以帮助控制功率放大器940。图9A-9C中所示的实现方式旨在仅是示例性的而非限制性的。
图9B中所示出的示例包含组合模块970，其包含根据本文描述的方面和实施例的补偿耦合器，其与天线开关模块(例如，ASM 950)组合。图9C中所示的示例包含组合模块980，其合并了补偿耦合器、天线开关模块和功率放大器(例如，PA 940)作为前端模块(模块980)。附加实施例包含前端模块，其进一步合并了一个或多个低噪声放大器(例如，LNA960)和/或传感器(例如，传感器912)。
已经描述了至少一个实施例的以上几个方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这些改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的范围内。相应地，前面的描述和附图仅是示例性的。

Claims (53)

1.一种电磁耦合器，包括：
电介质层，具有第一表面和第二表面，所述第二表面在与所述第一表面相反的侧上；
第一传输线，与所述电介质层的第一表面相邻并在输入端口与输出端口之间延伸；
第二传输线，与所述电介质层的第二表面相邻，所述第二传输线通过所述电介质层与所述第一传输线电隔离，并在耦合端口与隔离端口之间延伸，所述第二传输线配置为响应于在所述输入端口处接收输入信号，而经由来自所述第一传输线的电磁耦合在所述耦合端口处提供耦合信号，所述耦合信号的幅度通过耦合因数与所述输入信号的幅度相关联；以及
调谐元件，与所述电介质层的第一表面和第二表面中的一个相邻，并且配置为经由电磁耦合在所述电介质层的厚度变化范围内稳定所述耦合因数，所述调谐元件通过阻抗连接到接地。
2.根据权利要求1所述的电磁耦合器，其中所述调谐元件的第一端通过阻抗连接到接地并且所述调谐元件的第二端被短路到电气接地。
3.根据权利要求1所述的电磁耦合器，其中所述调谐元件被配置为调谐短截线，并且其中所述第一传输线被配置为环路形式并且所述调谐元件处于与所述第一传输线相同的平面中并且布置在所述第一传输线的环路内。
4.根据权利要求3所述的电磁耦合器，其中所述阻抗是可调节的。
5.根据权利要求1所述的电磁耦合器，其中所述调谐元件配置为选择性地从所述第一传输线和所述第二传输线解耦。
6.根据权利要求1所述的电磁耦合器，其中所述第二传输线从所述第一传输线横向偏移。
7.根据权利要求1所述的电磁耦合器，其中所述第二传输线从所述调谐元件横向偏移。
8.根据权利要求1所述的电磁耦合器，其中所述第二传输线的至少一部分与所述第一传输线和所述调谐元件中的至少一个形成重叠区域。
9.一种模块，包括如权利要求1所述的电磁耦合器。
10.一种电子装置，包括如权利要求9所述的模块。
11.一种通信装置，包括：
收发器，配置为产生发送信号；
电磁耦合器，具有输入端口、输出端口、耦合端口以及隔离端口，所述电磁耦合器配置为响应于在所述输入端口接收输入信号，而经由电磁耦合在所述耦合端口处提供耦合信号，所述耦合信号的幅度通过耦合因数与所述输入信号的幅度相关联，并且所述电磁耦合器包含具有第一表面和第二表面的电介质层，第一传输线与在所述输入端口和所述输出端口之间延伸的第一表面相邻，第二传输线与在所述耦合端口和所述隔离端口之间延伸的第二表面相邻，所述第一传输线和所述第二传输线电隔离，并且调谐元件与所述第一表面和所述第二表面中的一个相邻，并且配置为经由电磁耦合在所述电介质层的厚度变化范围内稳定所述耦合因数，其中所述调谐元件通过阻抗连接到接地；
天线开关模块，连接到所述电磁耦合器的输入端口或输出端口，并配置为在所述电磁耦合器与所述收发器或天线中的任一个之间引导所述发送信号。
12.如权利要求11所述的通信装置，其中所述调谐元件短路到电气接地。
13.如权利要求11所述的通信装置，其中所述调谐元件被配置为调谐短截线，并且其中所述第一传输线被配置为环路形式并且所述调谐元件处于与所述第一传输线相同的平面中并且布置在所述第一传输线的环路内。
14.如权利要求13所述的通信装置，其中所述阻抗是可调节的。
15.如权利要求11所述的通信装置，其中所述调谐元件配置为从所述第一传输线和所述第二传输线选择性地解耦。
16.根据权利要求11所述的通信装置，还包括连接在所述收发器与所述天线开关模块之间的功率放大器，所述功率放大器配置为接收和放大所述发送信号。
17.根据权利要求11所述的通信装置，还包括所述天线，所述天线配置为发送所述发送信号并接收接收信号。
18.根据权利要求17所述的通信装置，其中所述电磁耦合器还配置为在所述输出端口处接收所述接收信号并在所述输入端口处提供所述接收信号，并且所述天线开关模块还配置为将所述接收信号引导至所述收发器。
19.根据权利要求11所述的通信装置，其中所述通信装置是无线装置。
20.根据权利要求11所述的通信装置，还包括传感器、存储器、基带子系统、用户接口和电池中的至少一个。
21.一种模块，包括：
如权利要求1所述的电磁耦合器；以及
天线开关模块，连接到所述电磁耦合器的输入端口和输出端口中的一个。
22.根据权利要求21所述的模块，还包括连接到所述天线开关模块的功率放大器，所述天线开关模块连接在所述功率放大器与所述电磁耦合器之间。
23.一种无线装置，包括：
如权利要求1所述的电磁耦合器；以及
收发器，配置为产生发送信号并接收接收信号。
24.根据权利要求23所述的无线装置，还包括天线，所述天线耦合到所述电磁耦合器，并且配置为发送所述发送信号并且接收所述接收信号。
25.根据权利要求24所述的无线装置，还包括传感器模块、存储器、基带子系统、用户接口和电池中的至少一个。
26.一种制造电磁耦合器的方法，所述电磁耦合器具有稳定所述电磁耦合器的耦合因数和补偿制造工艺变化的特征，所述方法包括：
提供电介质层；
形成与所述电介质层的第一表面相邻的第一传输线，所述第一传输线在所述电磁耦合器的输入端口与输出端口之间延伸；
形成与所述电介质层的第二表面相邻的第二传输线，使得所述电介质层位于所述第一传输线和所述第二传输线之间，所述第二传输线在所述电磁耦合器的耦合端口与隔离端口之间延伸，所述第二传输线相对于所述第一传输线定向，使得所述第一传输线与所述第二传输线电隔离，并且所述第二传输线配置为响应于在所述输入端口处接收输入信号并且具有连接到所述隔离端口的终端阻抗，而经由来自所述第一传输线的电磁耦合在所述耦合端口处提供耦合信号；以及
提供调谐元件，所述调谐元件与所述第一传输线和所述第二传输线电隔离，并且配置为经由与所述第一传输线和所述第二传输线中的至少一个电磁耦合而在所述电介质层的厚度范围内稳定所述耦合因数，所述调谐元件通过阻抗连接到接地。
27.根据权利要求26所述的方法，还包括提供与所述调谐元件的电气接地连接。
28.根据权利要求27所述的方法，还包括提供开关元件，所述开关元件配置为选择性地将所述调谐元件连接到所述电气接地。
29.一种在一系列制造工艺变化中稳定电磁耦合器的耦合因数的方法，所述方法包括：
提供所述电磁耦合器，所述电磁耦合器包含与电介质层的第一表面相邻并在输入端口与输出端口之间延伸的第一传输线，与所述电介质层的第二表面相邻并在耦合端口与隔离端口之间延伸的第二传输线，所述第一传输线与所述第二传输线电隔离，并且所述第二传输线配置为响应于在所述输入端口处接收输入信号，而经由来自所述第一传输线的电磁耦合在所述耦合端口处提供耦合信号，所述耦合信号的幅度通过所述耦合因数与所述输入信号的幅度相关；以及
提供调谐元件，其与所述第一传输线和所述第二传输线电隔离，并且配置为经由与所述第一传输线和所述第二传输线中的至少一个电磁耦合而在所述电介质层的厚度范围内稳定所述耦合因数，所述调谐元件通过阻抗连接到接地。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括选择性地将所述调谐元件连接到电气接地。
31.根据权利要求30所述的方法，其中选择性地将所述调谐元件连接到所述电气接地包含经由可调节阻抗将所述调谐元件选择性地接地。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括：
测量所述耦合因数；并且
调节所述阻抗以将所述耦合因数保持在预定的值的范围内。
33.一种电磁耦合器，包括：
多层电介质衬底，包含多个衬底层，每个衬底层具有厚度变化范围；
主传输线，与所述多个衬底层中的第一表面相邻，并且在输入端口与输出端口之间延伸；
耦合线，与所述多个衬底层中的第二表面相邻，所述耦合线通过所述电介质层与所述主传输线电隔离并且在耦合端口与隔离端口之间延伸，所述耦合线配置为响应于在所述输入端口处接收输入信号，而经由来自所述主传输线的电磁耦合在所述耦合端口处呈现耦合信号，所述耦合信号的幅度通过耦合因数与所述输入信号的幅度相关，所述主传输线和所述耦合线通过所述多个衬底层中的至少一个衬底层与彼此分离；以及
调谐元件，与所述第一表面和所述第二表面中的一个相邻，并且配置为经由电磁耦合在所述至少一个衬底层的厚度变化范围内稳定耦合因数，其中所述调谐元件通过阻抗连接到接地。
34.根据权利要求33所述的电磁耦合器，其中所述调谐元件的第一端通过阻抗连接到接地并且所述调谐元件的第二端被短路到电气接地。
35.根据权利要求33所述的电磁耦合器，其中所述调谐元件被配置为调谐短截线，并且其中所述主传输线被配置为环路形式并且所述调谐元件处于与所述主传输线相同的平面中并且布置在所述主传输线的环路内。
36.根据权利要求35所述的电磁耦合器，其中所述阻抗是可调节的。
37.根据权利要求33所述的电磁耦合器，其中所述调谐元件配置为选择性地从所述主传输线和所述耦合线解耦。
38.根据权利要求33所述的电磁耦合器，其中所述耦合线从所述主传输线横向偏移。
39.根据权利要求33所述的电磁耦合器，其中所述耦合线从所述调谐元件横向偏移。
40.根据权利要求33所述的电磁耦合器，其中所述耦合线的至少一部分与所述主传输线和所述调谐元件中的至少一个形成重叠区域。
41.一种模块，包括如权利要求33所述的电磁耦合器。
42.一种电子装置，包括如权利要求41所述的模块。
43.一种系统，包括：
如权利要求33所述的电磁耦合器；
收发器，配置为产生发送信号；以及
天线开关模块，连接到所述电磁耦合器的输入端口或输出端口，并配置为在所述电磁耦合器与所述收发器或天线中的任一个之间引导所述发送信号。
44.根据权利要求43所述的系统，还包括连接在所述收发器与所述天线开关模块之间的功率放大器，所述功率放大器配置为接收和放大所述发送信号。
45.根据权利要求43所述的系统，还包括所述天线，所述天线配置为发送所述发送信号并接收接收信号。
46.根据权利要求45所述的系统，其中所述电磁耦合器还配置为在所述输出端口处接收所述接收信号并在所述输入端口处提供所述接收信号，并且所述天线开关模块还配置为将所述接收信号引导至所述收发器。
47.根据权利要求43所述的系统，其中所述系统是无线装置。
48.根据权利要求47所述的系统，其中所述无线装置还包括传感器模块、存储器、基带子系统、用户接口和电池中的至少一个。
49.一种模块，包括：
如权利要求33所述的电磁耦合器；以及
天线开关模块，连接到所述电磁耦合器的输入端口和输出端口中的一个。
50.根据权利要求49所述的模块，还包括连接到所述天线开关模块的功率放大器，所述天线开关模块连接在所述功率放大器与所述电磁耦合器之间。
51.一种无线装置，包括：
如权利要求33所述的电磁耦合器；以及
收发器，配置为产生发送信号并接收接收信号。
52.根据权利要求51所述的无线装置，还包括天线，所述天线耦合到所述电磁耦合器，并且配置为发送所述发送信号并且接收所述接收信号。
53.根据权利要求52所述的无线装置，还包括传感器模块、存储器、基带子系统、用户接口和电池中的至少一个。
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