CN111344895A - 具有天线元件功率吸收器的功率耦合器和相关设备 - Google Patents

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CN111344895A CN201880073359.8A CN201880073359A CN111344895A CN 111344895 A CN111344895 A CN 111344895A CN 201880073359 A CN201880073359 A CN 201880073359A CN 111344895 A CN111344895 A CN 111344895A
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Abstract

功率耦合器包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口以及电耦合在第一输出端口和第二输出端口之间或者电耦合到功率耦合器的隔离端口的天线元件。功率耦合器被配置为拆分入射在输入端口处的射频信号和/或组合入射在相应的第一输出端口和第二输出端口处的射频信号。

Description

具有天线元件功率吸收器的功率耦合器和相关设备
相关申请的交叉引用
本申请援引35 U.S.C.§119要求于2017年10月13日提交的美国临时专利申请序列No.62/571,822的优先权，其全部内容通过引用整体结合于此，就如同将其完整阐述一样。
技术领域
本文描述的发明构思涉及功率耦合器，并且更具体地，涉及包括功率吸收元件的功率耦合器。
背景
无线射频(“RF”)通信系统，诸如蜂窝通信系统、WiFi系统等，在本领域中是已知的。对无线通信的需求快速增长，提出了许多新的应用，其中无线通信将取代以前通过铜通信电缆或光纤通信电缆进行的通信。大多数常规无线通信系统在低于6.0GHz的频率下操作，值得注意的例外包括微波回程系统和各种军事应用。随着容量需求持续增加，许多应用正在考虑使用更高的频率。当考虑更高的频率时，包括从大约25GHz到高达大约300GHz的频率在内的毫米波频谱是潜在的候选，因为在这个频率范围内有很大的连续频带可能对新应用可用。
自由空间损耗一般随着频率的增加而增加，因此，当在毫米波频率下通信时，损耗会非常高。这些损耗可以通过使用在无线通信系统的传输和/或接收天线上表现出高增益水平的高方向性天线波束来抵消。为了生成高方向性天线波束，通常必需使用具有多行和多列辐射元件并具有完全的相位分布控制的大型抛物面碟形天线或相控阵天线。当还需要波束转向时(即，快速重定向天线波束的能力)，通常使用相控阵天线。
相控阵天线通过将RF信号划分为多个子分量、以将使得子分量在期望的方向上相长或“相干”组合的方式调整子分量的幅值和/或相位、然后通过相应的天线元件传输这些子分量来形成高方向性天线波束。虽然理论上高水平的相干组合是可能的，但是相控阵天线的实际性能通常会低于理论性能，因为通信系统的电子部件之间不会具有完美的阻抗匹配、完美的隔离和/或完美的幅值和相位调整。这些缺陷会使实际性能水平相比理论上可实现的性能水平显著降低。因此，设计和制造高性能部件以维持高性能水平会是重要的，特别是对于毫米波(和更高频率)无线通信系统。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了功率耦合器，该功率耦合器包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口以及电耦合在第一输出端口和第二输出端口之间或电耦合到功率耦合器的隔离端口的天线元件。这些功率耦合器被配置为拆分入射在输入端口处的RF信号和/或组合入射在相应的第一输出端口和第二输出端口处的无线电信号。
在一些实施例中，天线元件可以是贴片辐射元件。
在一些实施例中，功率耦合器可以是四端口功率耦合器，并且天线元件可以电耦合到隔离端口。
在一些实施例中，功率耦合器可以是三端口功率耦合器，并且天线元件可以电耦合在第一输出端口和第二输出端口之间。
在一些实施例中，功率耦合器可以在印刷电路板中实现，该印刷电路板包括介电基板、在介电基板的第一表面上的导电接地平面以及在介电基板的与第一表面相对的第二表面上的导电图案。在此类实施例中，功率耦合器的至少一部分可以被实现为基板集成的波导功率耦合器，其包括将导电接地平面连接到导电图案的镀覆过孔的阵列。在其它实施例中，功率耦合器的至少一部分可以被实现为共面波导，其包括将导电接地平面连接到导电图案的第一接地部分和第二接地部分的镀覆通孔的阵列，并且/或者导电图案还可以包括导电轨道，该导电轨道通过相应的第一间隙和第二间隙与第一接地部分和第二接地部分分开。
在一些实施例中，天线元件可以在印刷电路板中实现。
在一些实施例中，天线元件可以被配置为用作功率耦合器的操作频带中的RF信号的功率吸收器。
在一些实施例中，功率耦合器可以被配置为对毫米波信号进行操作。
在一些实施例中，贴片辐射元件可以包括作为导电图案的一部分的贴片辐射器，并且贴片辐射器可以具有插入式馈送。
在一些实施例中，输入端口、第一输出端口和第二输出端口中的至少一个可以是共面波导。
在一些实施例中，天线元件可以是贴片辐射元件、喇叭辐射元件或缝隙辐射元件。
在一些实施例中，可以将功率耦合器与耦合到相应的第一输出端口和第二输出端口的第一滤波器和第二滤波器以及与该功率耦合器相对地耦合到第一滤波器和第二滤波器的第二功率耦合器组合提供。在此类实施例中，功率耦合器、第二功率耦合器以及第一滤波器和第二滤波器的组合可以包括平衡滤波器。
在一些实施例中，可以将功率耦合器与耦合到相应的第一输出端口和第二输出端口的第一放大器和第二放大器以及与该功率耦合器相对地耦合到第一放大器和第二放大器的第二功率耦合器组合提供。在此类实施例中，功率耦合器、第二功率耦合器以及第一放大器和第二放大器的组合可以包括平衡放大器。
在一些实施例中，贴片辐射元件可以具有第一插入式馈送和第二插入式馈送。
根据本发明的另外的实施例，提供了印刷电路板结构，其包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的介电基板、在介电基板的第一表面上的导电接地平面以及在介电基板的第二表面上的导电图案，导电图案包括天线元件。包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口的功率耦合器被集成在印刷电路板结构内。天线元件耦合在第一输出端口和第二输出端口之间，或者耦合到功率耦合器的隔离端口。
在一些实施例中，天线元件可以是贴片辐射元件。贴片辐射元件可以在印刷电路板中实现。印刷电路板结构可以是带状线印刷电路板。贴片辐射元件可以包括作为导电图案的一部分的贴片辐射器，并且贴片辐射器可以具有插入式馈送。在一些实施例中，贴片辐射元件可以具有第一插入式馈送和第二插入式馈送。在其它实施例中，天线元件可以是缝隙辐射元件。
在一些实施例中，功率耦合器可以是四端口功率耦合器，并且天线元件可以电耦合到隔离端口。
在一些实施例中，功率耦合器可以是三端口功率耦合器，并且天线元件可以电耦合在第一输出端口和第二输出端口之间。
在一些实施例中，功率耦合器的至少一部分可以被实现为基板集成的波导，该基板集成的波导包括将导电接地平面连接到导电图案的镀覆过孔的阵列。
在一些实施例中，功率耦合器的至少一部分可以被实现为共面波导，该共面波导包括将导电接地平面连接到导电图案的第一接地部分和第二接地部分的镀覆通孔的阵列，并且导电图案还可以包括导电轨道，该导电轨道通过相应的第一间隙和第二间隙与第一接地部分和第二接地部分分开。
根据本发明的还有另外的实施例，提供了基板集成的波导功率耦合器，其包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口、隔离端口、在输入端口与第一输出端口和第二输出端口之间并且在隔离端口与第一输出端口和第二输出端口之间的耦合区域，以及与第一输出端口和第二输出端口相对地电耦合到隔离端口的天线元件。功率耦合器被配置为拆分入射在输入端口处的RF信号和/或组合入射在相应的第一输出端口和第二输出端口处的无线电信号。天线元件可以是例如贴片辐射元件、喇叭辐射元件或缝隙辐射元件。
在一些实施例中，功率耦合器可以在印刷电路板中实现，该印刷电路板包括介电基板、在介电基板的第一表面上的导电接地平面以及在介电基板的与第一表面相对的第二表面上的导电图案，以及将导电接地平面连接到导电图案的第一行镀覆孔和第二行镀覆孔，第一行镀覆孔和第二行镀覆孔排在耦合区域相应的第一侧和第二侧。在此类实施例中，输入端口、第一输出端口和第二输出端口可以各自被实现为共面波导。
附图说明
图1A是贴片辐射元件的示意图。
图1B是图1A的贴片辐射元件的等效电路图。
图2是印刷电路板的示意性透视图，该印刷电路板包括微带传输线和形成于其中的贴片辐射元件。
图3是图示图2的贴片辐射元件的随频率而变的回波损耗的曲线图。
图4是具有这样曲线的曲线图：该曲线示出了通过图2的贴片辐射元件传输的信号的总功率随频率而变的分量。
图5A是接地的常规微带电阻性端接的示意性透视图。
图5B是图5A的接地的常规微带电阻性端接的等效电路图。
图6是具有这样曲线的曲线图：该曲线示出了通过图5A至图5B的电阻性端接传输的信号的总功率的分量。
图7是常规四端口功率耦合器的电路图。
图8是根据本发明实施例的四端口功率耦合器的电路图。
图9是根据本发明实施例的使用天线功率吸收器的四端口功率耦合器的示意性透视图。
图10是沿着图9的线10-10截取的横截面视图。
图11是功率耦合器的示意性透视图，该功率耦合器包括耦合到其隔离部分的接地的常规电阻性端接。
图12是图示图9至图10的功率耦合器的响应随频率而变的曲线图。
图13是图示图11的常规功率耦合器的响应随频率而变的曲线图。
图14是常规的无损耗三端口功率分配器的示意性透视图。
图15是常规Wilkinson三端口功率分配器的示意性透视图，该功率分配器在其输出端口之间包括电阻器。
图16是根据本发明实施例的三端口功率分配器的示意性透视图。
图17是使用图16的功率耦合器中的三个功率耦合器形成的1x4功率耦合器的示意性透视图。
图18是常规波导功率耦合器的示意性透视图。
图19是根据本发明实施例的波导功率耦合器的示意性透视图。
图20是根据本发明实施例的功率耦合器的示意性透视图，该功率耦合器被实现为基板集成的波导功率耦合器。
图21A是根据本发明另外的实施例的带状线功率耦合器的示意性透视图。
图21B是沿着图21A的线21B-21B截取的横截面视图。
图22是常规印刷电路板的示意性透视图，该印刷电路板包括通过串联表面安装电阻器连接的一对传输线片段。
图23是根据本发明实施例的印刷电路板的示意性透视图。
图24是根据本发明另外的实施例的平衡滤波器的示意性框图。
图25是根据本发明另外的实施例的平衡放大器的示意性框图。
图26是根据本发明实施例的相控阵天线的框图。
图27是基于印刷电路板的对数周期天线的示意性平面图，其可以被用作根据本发明实施例的任意功率耦合器中的功率吸收器。
具体实施方式
基于印刷电路板的RF设备以其低成本、小尺寸、轻重量和相对简单的制造而越来越多地被使用。基于印刷电路板的RF设备可以具有在印刷电路板结构中实现的RF传输线和/或RF部件，并且还可以具有表面安装部件(诸如安装在印刷电路板结构上的集成电路芯片和/或其它电路元件)。基于印刷电路板的RF设备的一个潜在困难是，随着RF应用移向更高的频率(诸如毫米波和更高的频率)，RF信号的波长变得越来越小。随着波长减小，由于制造公差，可能变得难以制造就RF信号的波长而言具有精确尺寸的部件(例如，λ/4的尺寸)。因为各种表面安装部件的长度和/或高度在尺寸上可能变得与RF信号的四分之一波长的长度太接近，所以也会出现困难。举例来说，在28GHz毫米波应用中，典型的印刷电路板基板中的四分之一波长传输线的长度可以约为1.6mm。现有技术的表面安装电阻器的长度和高度可以为0.5mm或更大的数量级，其在大小上与RF信号的四分之一波长足够接近，使得会产生寄生效应。换句话说，电阻器(连同其焊接的引线)将不会像纯电阻器那样起作用，而是可能具有相对较大的电抗值，这会劣化电阻器与该电阻器所连接到的传输线之间的阻抗匹配，从而导致回波损耗增加。另外，当电阻器的尺寸变得接近RF信号的四分之一波长时，电阻器会开始辐射大量功率。另一个潜在的困难是，将0.5mm电阻器焊接到印刷电路板上可能要求特殊的焊接技术和/或装备，这会增加生产成本。
图1A是诸如例如贴片辐射元件之类的天线元件10的示意图。图1B是图1A的天线元件10的等效电路图。参考图1A至图1B，天线元件10的阻抗是在天线元件10的输入端子12、14处存在的阻抗。跨输入端子12、14的电压Vg与流过天线元件10的电流II之比将天线元件10的阻抗ZA定义为：
ZA＝RA+jXA (1)
其中：
ZA＝天线元件10在端子12、14处的阻抗(以欧姆为单位)；
RA＝天线元件10在端子12、14处的电阻(以欧姆为单位)；以及
XA＝天线元件10在端子12、14处的电抗(以欧姆为单位)。
等式(1)中的电阻部分RA包括天线元件10的辐射电阻Rr和天线元件10的损耗电阻RL，并且可以被定义为：
RA＝Rr+RL (2)
参考图1B，Vg表示跨端子12、14的电压，而II表示在端子12、14之间流动的电流。在共轭匹配的条件下，递送到天线元件10进行辐射的功率Pr为：
Figure BDA0002489231400000081
作为热量耗散的功率PL由下式给出：
Figure BDA0002489231400000082
因此，在共轭匹配的条件下，送送到天线元件10的总功率为：
Figure BDA0002489231400000083
一般不可能完美地实现共轭匹配，因此功率PRL将从端子12、14反射回去，如图1A中所示。在源处激发的总功率Pt是上面讨论的三个功率分量的总和：
Pt＝PRL+Pr+PL (6)
微带线是一种众所周知的RF传输线，其可以使用印刷电路板技术来实现。诸如天线元件、功率耦合器等的RF部件也可以在印刷电路板中实现，并且诸如集成电路和/或电路元件之类的表面安装部件也可以安装(例如，通过焊接)在印刷电路板上。图2是印刷电路板20的示意性透视图，该印刷电路板20包括微带传输线40和形成于其中的贴片辐射元件30形式的天线元件。
如图2中所示，印刷电路板20包括具有第一和第二相对的主表面的介电基板22。在介电基板22的第一(下)表面上提供金属层24，该金属层24可以充当接地平面层24。在介电基板22的第二(上)表面上提供金属图案26。金属图案26包括贴片辐射器34和传输线迹线40。贴片辐射器34是贴片辐射元件30的一部分，贴片辐射元件30包括贴片辐射器34以及介电基板22和接地平面层24的在贴片辐射器34下方的部分。贴片辐射器34具有插入式馈送设计，因此具有馈送点36，在该馈送点36处传输线40连接到贴片辐射器34，传输线40从贴片辐射器34的边缘插入。印刷电路板20可以通过在介电基板22的第一和第二相对的表面上形成金属层、然后在第二表面上蚀刻金属层以形成具有传输线40和插入式馈送的贴片辐射器34的金属图案26来形成。
当将具有功率Pt的RF信号施加到传输线40的第一端42时，功率Pt的第一部分Pr沿着传输线40到达贴片辐射元件30，在那里它被贴片辐射元件30辐射。功率Pt的第二部分PL被递送到贴片辐射元件30，但是在贴片辐射元件30内(例如作为热量)被耗散。功率Pt的第三部分PRL被贴片辐射元件30沿着传输线40反射回去。
图3是图示图2的贴片辐射元件30的随频率而变的回波损耗(即，沿着传输线反射回去的功率PRL的百分比)的曲线图。如本领域中已知的，电路元件的回波损耗等于10*log10(PRL/Pt)，其中Pt是输入到电路元件的总功率，PRL是由电路元件反射回到输入的功率。贴片辐射元件30被配置为在28GHz频带中辐射，因此回波损耗值在这个区域中最低(即，PRL在这个区域中低，而Pr高)。如图3中所示，贴片辐射元件30的-10dB回波损耗带宽为28.33GHz–27.56GHz＝0.77GHz。分数10dB回波损耗带宽BWF可以计算为：BWF＝2*[(28.33GHz–27.56GHz)]/[(28.33GHz+27.56GHz)]＝2.75％ (7)
图4是具有曲线40、42、44的曲线图，这些曲线示出了图3的微带贴片辐射元件30的Pr和PL和PRL占总功率Pt的相应百分比，其随频率而变。如图4中所示，在27.56–28.33GHz频带内，通过传输线40递送到贴片辐射元件30的功率Pt的至少90％被贴片辐射元件30或者辐射(Pr)或者吸收(PL)。因此，在这个带宽内，贴片辐射元件30可以充当功率吸收器，该功率吸收器“吸收”(在其不向后反射的意义上)递送到该功率吸收器的绝大多数RF功率。
图5A是常规微带电阻性端接50的示意性透视图。图5B是图5A的常规微带电阻性端接的等效电路图。如图5A中所示，电阻性端接50在印刷电路板60上实现，该印刷电路板60包括介电基板62、在介电基板62的下表面上的接地平面层64以及在介电基板62的上表面上的金属图案66。电阻性端接50包括电阻器52，该电阻器52作为表面安装部件连接在作为金属图案66的一部分的一对传输线片段68-1、68-2之间。第一传输线片段68-1的第一端可以连接到输入端口54，而第一传输线片段68-1的第二端可以连接到电阻器52。第二传输线片段68-2的第一端可以连接到电阻器52，而第二传输线片段68-2的第二端可以短路到接地平面层64，从而电阻器52充当接地的电阻性端接。
当具有功率Pt的RF信号被输入到输入端口54时，该功率可以被划分为三部分，即，由电阻器52辐射的第一部分Pr、作为在电阻器52内耗散的功率的第二部分PL以及在电阻器52处沿着传输线68-1反射回去的第三部分PRL。在28GHz时，Pr相对小(例如，小于5％)，而PL是主要分量。如通过比较图1B与图5B可以看出的，贴片辐射元件30的等效电路具有与微带电阻性端接50的等效电路相同的元件。
图6是具有曲线70、72、74的曲线图，示出了图5A至图5B的电阻性端接50的Pr、PL和PRL分别占总功率Pt的百分比，其随频率而变。如图6中所示，在27.56-28.33GHz的频带内，通过传输线68-1递送到电阻器52的功率中的至少90％由电阻器52辐射(Pr)或由电阻器52耗散(PL)。因此，电阻器52也像功率吸收器一样起作用。因此，根据本发明的实施例，可以认识到的是，在感兴趣的频带内，电阻器52和贴片辐射元件30在用作功率吸收元件时可以互换，因为在感兴趣的频带中，电阻器吸收的功率(即，Pr+PL)≈由天线元件吸收的功率≈90％。
根据本发明的实施例，提供了使用诸如例如贴片辐射元件、缝隙辐射元件或喇叭辐射元件之类的天线元件代替电阻器的RF功率耦合器。在一些实施例中，可以使用天线元件代替接地的电阻性端接。在其它实施例中，天线元件可以被用作插置在功率耦合器的两个端口之间的电阻器。天线元件可以被设计为充当耗散输入到该天线元件的功率的功率吸收设备。
在一些实施例中，可以在印刷电路板结构中实现RF功率耦合器，以提供低成本、易于组装的功率耦合器。在一些实施例中，由于表面安装电阻器可以在这样的高频下构成挑战，因此可以将RF功率耦合器设计为对诸如28GHz和更高信号的毫米波信号进行操作。
在一个示例实施例中，提供了一种功率耦合器，其包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口以及天线元件，该天线元件电耦合在第一输出端口和第二输出端口之间或者电耦合到功率耦合器的隔离端口。功率耦合器被配置为拆分入射在输入端口处的射频信号和/或组合入射在相应的第一输出端口和第二输出端口处的RF信号。
在另一个示例实施例中，提供了一种印刷电路板结构，其包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的介电基板、在介电基板的第一表面上的导电接地平面以及在介电基板的第二表面上的导电图案，导电图案包括天线元件。包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口的功率耦合器被集成在印刷电路板结构内。天线元件耦合在第一输出端口和第二输出端口之间，或者耦合到功率耦合器的隔离端口。
在又一个示例实施例中，提供了一种基板集成的波导功率耦合器，其包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口、隔离端口以及与第一输出端口和第二输出端口相对地电耦合到隔离端口的天线元件。功率耦合器被配置为拆分入射在输入端口处的RF信号和/或组合入射在相应的第一输出端口和第二输出端口处的RF信号。
现在将参考图7至图26更详细地描述本发明的实施例。
图7是常规四端口功率耦合器100的电路图。如本文所使用的，术语“功率耦合器”是指将向其输入的RF信号分为两个或更多个子分量的功率拆分器，以及将向其输入的两个或更多个RF信号组合为单个RF输出信号的功率组合器。将理解的是，大多数功率耦合器是双向设备，其作为用于在第一方向上通过其传播的信号的功率拆分器以及作为用于在相反方向上传播的信号的功率组合器进行操作。相应地，虽然在整个说明书中为方便起见将引用功率耦合器(以及包括功率耦合器的设备)的输入端口和输出端口，但是将认识到的是，将任意特定端口用作“输入”端口还是“输出”端口将取决于向其输入的RF信号的传播方向。
如图7中所示，常规的功率耦合器100包括输入端口110、第一输出端口120-1和第二输出端口120-2以及隔离端口130。功率耦合器100还包括耦合到端口110、120-1、120-2、130的耦合电路系统140。如图7中进一步所示，通常隔离端口130通过电阻器150耦合接地。入射在输入端口110处的RF信号被拆分成两个分量，该两个分量被递送到相应的第一输出端口120-1和第二输出端口120-2。RF输入信号的拆分可以相等或不相等，这取决于功率耦合器100的设计。通常，将输入RF信号均等拆分的四端口功率耦合器被称为混合耦合器，而将输入RF信号不均等拆分的功率耦合器称为定向耦合器。混合耦合器通常被设计为使第一输出端口和第二输出端口输出输入RF信号的相对于彼此异相90度或180度的子分量。如果输出是90度异相，那么混合耦合器可以称为正交混合耦合器或90度混合耦合器。
如果功率耦合器100是“理想”功率耦合器，那么输入到输入端口110的RF信号被功率耦合器100均等拆分，并且输入RF信号的全部功率从两个输出端口120-1、120-2流出，并且没有功率流向隔离端口130。在现实世界中，这种性能是无法实现的，并且一定量的功率流向隔离端口130(这减少了流向输出端口120-1、120-2的功率)。提供电阻器150以吸收流过隔离端口130的剩余功率。如果未提供电阻器150，那么第一输出端口120-1和第二输出端口120-2将不会彼此隔离。
图8是根据本发明实施例的四端口功率耦合器200的电路图。如图8中所示，功率耦合器200包括输入端口210、第一输出端口220-1和第二输出端口220-2、隔离端口230以及耦合电路系统240。但是，包括在功率耦合器100中的接地的电阻性端接150被天线吸收器电路250代替。除了天线吸收器250用来吸收流向隔离端口230的剩余功率之外，功率耦合器200可以以与上述功率耦合器100完全相同的方式操作。
图9是根据本发明实施例的使用天线元件功率吸收器的四端口功率耦合器300的透视图。
如图9中所示，功率耦合器300在印刷电路板310中被实现。印刷电路板包括具有第一和第二相对的主表面的介电基板312。金属接地平面层314在介电基板312的第一主表面上形成。金属图案316在介电基板312的第二主表面上形成。金属图案316可以覆盖介电基板312的第二主表面的大部分。多个金属镀覆或金属填充的通孔318-1至318-5延伸穿过介电基板312，以将金属图案316的部分电连接到接地平面层314并将RF信号限制在介电基板312的选定部分内。
功率耦合器300主要被实现为基板集成的波导结构。如本领域中已知的，基板集成的波导是指通过金属化介电基板的相对的第一和第二表面而在介电基板中实现的波导。提供两行延伸穿过介电基板的金属填充通孔。两行金属填充的通孔形成金属波导结构，其将输入RF信号限制在由两行金属填充的通孔限定的“侧壁”内。
如图9中所示，功率耦合器300包括输入端口320、第一输出端口330-1和第二输出端口330-2以及隔离端口340。共面波导是可以在印刷电路板上实现的另一种波导结构。共面波导结构包括在印刷电路板的介电基板的第一表面上形成的单个导电轨道。一对接地(返回)导体在介电基板的第一表面上的导电轨道的任一侧形成，因此与导电轨道共面。返回导体通过相应的小间隙与导电轨道分开，这些小间隙沿着共面波导传输线的长度可以具有不变的宽度。提供金属填充的通孔，其将返回导体连接到在介电基板的第二表面上提供的接地平面。
再次参考图9，输入端口320包括导电轨道322，其具有部署在其任一侧的返回导体324-1、324-2。金属图案316中的间隙326将导电轨道322与相应的返回导体324-1、324-2电分离。第一组金属填充的通孔318-1将返回导体324-1、324-2连接到介电基板312的相对侧的接地平面层314。在输入端口320处输入的RF能量沿着导电轨道322流动。图10是沿着图9的线10-10截取的横截面视图。图10更清楚地图示了用于实现输出端口330-2的共面波导结构(并且还代表用于实现端口320、330-1和340的共面波导结构)。
第一输出端口330-1和第二输出端口330-2同样被实现为共面波导传输线，金属填充的通孔318-2是用于输出端口330-1的共面波导结构的一部分，而金属填充的通孔318-3是用于输出端口330-2的共面波导结构的一部分。第四组金属填充的通孔318-4形成隔离端口340。第五组金属填充的通孔318-5限定功率耦合器300的基板集成的波导区域。
如图9中进一步所示，在隔离端口340的输出端处在印刷电路板310中实现贴片辐射元件360。贴片辐射元件360包括作为金属图案316的一部分的一般为矩形的金属贴片辐射器，以及介电基板312和接地平面层314的在贴片辐射器下方的部分。进入隔离端口340的RF能量被馈送到贴片辐射元件360，在那里它可以被大部分耗散和辐射。贴片辐射元件360包括插入式馈送362，其可以增加贴片辐射元件360将作为功率吸收器操作的带宽。
虽然在图9的实施例中功率耦合器300具有共面的波导输入、输出和隔离端口320、330-1、330-2、340，但是将理解的是，可以使用其它类型的印刷电路板传输线(诸如例如微带传输线)来实现这些端口中的一些或全部。
应当注意的是，贴片辐射元件360辐射的功率可能是不期望的。对于从输入端口320传播到输出端口330-1、330-2的RF信号，递送到贴片辐射元件360并由其辐射的功率可能非常低(例如，小于10％Pt)，因此可能不太会引发问题。但是，当RF信号被输入到端口330-1或330-2时，递送到贴片辐射元件360并由其辐射的功率可以高得多(例如，接近50％Pt)。辐射的视轴方向将垂直于印刷电路板310的顶表面，因此印刷电路板310可以被定向为使得由贴片辐射元件360辐射的功率在将减少干扰的方向上传输。附加地，在一些实施例中，RF吸收材料可以位于贴片辐射元件360上方，以吸收由贴片辐射元件360辐射的功率的大部分。可以适当地在根据本文描述的本发明实施例的任何设备的天线元件上方和/或附近包括RF吸收材料。
图11是功率耦合器300'的示意性透视图，除了在功率耦合器300'中省略贴片辐射元件360并且将表面安装电阻器360'耦合在隔离端口340和接地层314之间之外，功率耦合器300'与功率耦合器300完全相同的。
图12和13是分别图示功率耦合器300、300'的响应随频率而变的曲线图。在图12中，曲线370表示响应于具有在输入端口320施加的功率Pt的输入信号而耦合到第一输出端口330-1的功率，而曲线372表示响应于具有在输入端口320施加的功率Pt的输入信号而耦合到第二输出端口330-2的功率。曲线374表示响应于具有在输入端口320施加的功率Pt的输入信号而反射回到输入端口320的功率。在图12中可以看到，曲线370和曲线372在27–28.5GHz的频率范围内具有非常接近-3dB的值。这表明输入功率Pt几乎完全被递送到第一输出端口330-1和第二输出端口330-2。在这个频率范围内，反射的功率电平(曲线374)较低，范围约为-22至-26dB。换句话说，输入信号功率的不到1％会向后反射到输入端口320。这证明贴片辐射元件360在感兴趣的频率范围内充当高效的功率吸收器。
在与图11的功率耦合器300'对应的图13中，曲线380表示响应于具有功率Pt的输入信号而耦合到第一输出端口330-1的功率，曲线382表示响应于具有功率Pt的输入信号而耦合到第二输出端口330-2的功率，而曲线384表示响应于具有功率Pt的输入信号而反射回到输入端口320的功率。如通过比较图12与图13可以看出的，对于所有这三个参数，功率耦合器300和300'在24–32GHz的频率范围内提供相似的性能。
在图12和13中，曲线376和曲线386表示响应于输入到第一输出端口330-1的信号而耦合到第二输出端口330-2的功率。如图12中所示，具有贴片辐射元件360功率吸收器的功率耦合器300在感兴趣的频带中提供相对良好的隔离。然而，包括在图11的功率耦合器300'中的电阻性吸收器提供了更高水平的隔离并且在实质上更大的带宽上提供了良好的隔离。这是由于贴片辐射元件360的窄带宽。功率耦合器300的带宽可以通过使用具有较厚介电基板的印刷电路板来增加。
根据本发明的其它实施例，提供了使用天线元件作为功率吸收器的三端口功率耦合器。在示例实施例中，三路功率分配器可以类似于Wilkinson功率分配器，但是可以使用天线元件功率吸收器代替电阻器。
首先参考图14，绘出了无损耗功率耦合器400。功率耦合器400在印刷电路板410上被实现，该印刷电路板410包括介电基板412、在介电基板412的下表面上的导电接地平面414以及在介电基板412的上表面上的导电图案416。功率耦合器400包括输入端口420、第一输出端口430-1和第二输出端口430-2以及耦合传输线440。耦合传输线440可以具有较窄的宽度，使得连接到输入和输出端口的传输线具有特征阻抗Z0，而耦合传输线具有特征阻抗Z0√2。这样，每个耦合传输线440充当四分之一波长变换器。图14的功率耦合器400可以拆分在输入端口420处输入的RF信号的功率，但是不提供两个输出端口430-1、430-2之间的隔离。
接下来参考图15，示出了Wilkinson功率耦合器400'，其与功率耦合器400完全相同，但是还包括被焊接在两条窄耦合传输线440之间的表面安装电阻器450。通过为电阻器450选择适当的电阻值，可以在第一输出端口430-1和第二输出端口430-2之间维持高度的隔离。
现在参考图16，描绘了根据本发明实施例的功率耦合器500，其用贴片辐射元件550代替功率耦合器400'的电阻器450。功率耦合器500在印刷电路板510上被实现，该印刷电路板510包括介电基板512、在介电基板512的下表面上的导电接地层514以及在介电基板512的上表面上的导电图案516。功率耦合器500包括输入端口520、第一输出端口530-1和第二输出端口530-2以及耦合传输线540。耦合传输线540可以具有较窄的宽度，使得连接到输入端口和输出端口530-1、530-2的传输线具有特征阻抗Z0，而耦合传输线540具有特征阻抗Z0√2。这样，每个耦合传输线540充当四分之一波长变换器。如在图16中可以看到的，贴片辐射元件550直接连接到每个传输线540。贴片辐射元件550用作在第一输出端口530-1和第二输出端口530-2之间提供隔离的功率吸收器。贴片辐射元件550是导电图案516的一部分，并且因此可以通过简单地改变用于从沉积在介电基板512的上表面上的金属层蚀刻导电图案516的蚀刻掩模的形状在与输入端口520、输出端口530-1、530-2和耦合传输线540相同的步骤中实现。
上面讨论的根据本发明实施例的1×2功率耦合器可以被用于形成进一步拆分输入信号的功率耦合器。例如，图17是使用根据图16的本发明实施例的功率耦合器500中的三个形成的1×4功率耦合器560的示意性透视图。如图17中所示，第一功率耦合器500-1的第一输出端口530-1连接到第二功率耦合器500-2的输入端口，而第一功率耦合器500-1的第二输出端口530-2连接到第三功率耦合器500-3的输入端口。可以使用相同的技术来形成进一步细分RF信号的功率耦合器。例如，1×4功率耦合器560中的两个可以由另一个1×2功率耦合器500的输出馈送，以形成1×8功率耦合器。
与使用常规电阻器的功率耦合器相比，根据本发明实施例的使用天线元件作为功率吸收器的功率耦合器可以更容易且更便宜地制造。根据本发明实施例的功率耦合器还可以消除对专用焊接技术的需求，考虑到在毫米波频率下一些表面安装电阻器的小尺寸这种专用焊接技术可能是必需的。此外，当电阻器的长度和/或高度太接近工作频率的四分之一波长时，可能无法使用表面安装电阻器，因为与工作频率的四分之一波长相比，由于表面安装电阻器的长度和/或高度，它们可能不像电阻器那样工作。在30GHz下，对于在典型的印刷电路板介电基板中传播的信号，四分之一波长约为1.5mm。因此，0.5mm长的电阻器的长度相对接近四分之一波长，并且可以在更高的毫米波频率下会变得太接近。当集总电路元件(如电阻器)的长度和/或高度与RF信号的四分之一波长变得太接近时，寄生特征变得明显，并且集总电路元件也开始辐射。寄生特征和/或辐射可能是不期望的。根据本发明实施例的功率耦合器在这样的频率下提供可行的解决方案。
如上所述，根据本发明的一些实施例，提供了使用贴片辐射元件作为功率吸收器的基于印刷电路板的功率耦合器。根据本公开，将理解的是，对于本发明，存在许多其它应用，包括在波导、带状线或其它介质中制成的实施方式，使用其它形式的天线元件(诸如喇叭辐射元件或缝隙辐射元件)的实施方式，以及使用天线元件代替串联电阻器而不是分流电阻器的实施方式。根据本发明实施例的技术还可以用在其它电路元件中，诸如例如平衡滤波器或平衡放大器。现在将参考图18至图26描述本发明的这些另外方面的示例实施例。
图18是常规波导功率耦合器600的示意图。如图18中所示，功率耦合器600具有输入波导610、第一输出波导620-1和第二输出波导620-2以及隔离端口波导630。输入波导610与第一输出波导620-1和第二输出波导620-2以T形布置定位，并且隔离端口波导630定位在波导610、620-1、620-2的相交处并垂直于此延伸。电阻性端接640附接到隔离端口630。波导600常常被称为波导Magic T(魔T)耦合器。
图19是根据本发明实施例的波导Magic T耦合器600'的示意图。如可以看出的，除Magic T耦合器600中包括的电阻性端接640被图19的Magic T耦合器600'中的喇叭天线元件640'(或任何其它合适的天线元件)代替之外，Magic T耦合器600'与Magic T耦合器600完全相同。喇叭天线元件640'将以与上述讨论的贴片辐射元件用作功率吸收器相同的方式在感兴趣的频带中用作功率吸收器。
图20是在基板集成的波导中实现的功率耦合器700的示意性透视图，该基板集成的波导使用一系列缝隙辐射元件作为功率吸收器。如图20中所示，功率耦合器700在印刷电路板710中被实现，印刷电路板710包括介电基板712，该介电基板具有在其下表面上形成的金属接地平面层714以及在其上表面上形成的金属图案716。多个金属镀覆或金属填充的通孔718延伸穿过介电基板712，以将金属图案716的部分电连接到接地平面层714，并且将RF信号限制在介电基板712的选定部分内。
功率耦合器700具有输入端口720以及第一输出端口730-1和第二输出端口730-2，它们由金属填充的通孔718限定在印刷电路板710中。接地平面层714、金属图案716和金属镀覆的通孔718形成邻近输入端口720的基板集成的波导，该波导拆分成一对连接到相应输出端口730-1、730-2的基板集成的波导。如图20中进一步所示，通过移除金属图案716中位于连接第一输出端口730-1和第二输出端口730-2的通道上方的部分而在印刷电路板710中形成一系列缝隙天线740。缝隙天线740可以被设定大小以在功率耦合器700的频带中辐射能量。因此，图20图示了在一些实施例中如何可以使用缝隙天线代替贴片辐射元件。
图21A和21B图示了以带状线实现的根据本发明实施例的功率耦合器800。特别地，图21A是带状线功率耦合器800的示意性透视图，而图21B是沿着图21A的线21B-21B截取的横截面。
功率耦合器800是另一种三端口功率耦合器设计。功率耦合器800在带状线印刷电路板上被实现，该带状线印刷电路板包括堆叠的第一和第二介电基板812-1、812-2以及第一至第三金属图案814、816、818。第一金属图案814在第一介电基板812-1的下表面上形成并且用作接地平面层，而第三金属图案818在第二介电基板812-2的上表面上形成并且也用作接地平面层。在第二金属图案816中实现三端口功率耦合器，该第二金属图案816在第一介电基板812-1和第二介电基板812-2之间形成。三端口功率耦合器包括输入端口820、第一输出端口830-1和第二输出端口830-2以及耦合传输线840，这些可以与图16的功率耦合器500中的对应元件完全相同。在第三金属图案818中，缝隙天线元件850在耦合传输线840汇聚在一起以馈送相应输出端口830-1、830-2的位置上方形成。缝隙天线元件850用作在第一输出端口830-1和第二输出端口830-2之间提供隔离的功率吸收器。
图22是具有介电基板912、接地平面层914和金属图案916的印刷电路板900的示意性透视图。金属图案916包括传输线916。串联表面安装电阻器930安装在印刷电路板900上，并将传输线916划分成第一片段922和第二片段924。图23是根据本发明实施例的印刷电路板900'的示意性透视图，其中图22的串联表面安装电阻器930用天线功率吸收器940代替。如可以看出的，除了使用贴片辐射元件940代替串联电阻器930之外，印刷电路板900'可以与印刷电路板900完全相同。传输线片段922、924都可以连接到贴片辐射元件940。在所描绘的实施例中，传输线片段922、924各自具有插入式馈送，使得它们连接到贴片辐射元件940的相应内部部分。这可以增加贴片辐射元件940可以用作良好的功率吸收器的带宽。可以选择贴片辐射元件940的尺寸，使得贴片辐射元件在包括印刷电路板900'的设备的操作带宽中辐射RF能量。
图24是根据本发明另外的实施例的平衡滤波器1000的示意性框图。在图24所示的示例中，平衡滤波器是平衡双工器1000。可以使用根据本发明的实施例的天线元件功率吸收器形成其它平衡滤波器，诸如例如平衡多路复用器。根据本发明实施例的平衡滤波器可以具有常规的设计，不同之处在于它们可以使用根据本发明实施例的天线元件功率吸收器代替常规的电阻性端接。
参考图24，所示的平衡双工器1000被示为用于将无线电装置的传输端口和接收端口连接到诸如例如基站天线之类的天线。如图24中所示，平衡双工器1000包括第一功率耦合器1010、第一滤波器1020-1和第二滤波器1020-2、第二功率耦合器1030和功率吸收天线元件1040。第一功率耦合器1010是四端口功率耦合器，其包括耦合到天线的第一端口1012、耦合到第一滤波器1020-1的第一端口的第二端口1014、耦合到第二滤波器1020-2的第一端口的第三端口1016，以及耦合到无线电装置的传输端口的第四端口。第一功率耦合器1010可以包括具有相等功率分配的90度混合耦合器。如本领域技术人员所知，与“直通”信号(即，在图24中由直线连接的端口之间传播的信号)相比，90度混合耦合器在“交叉耦合信号”(即，在图24中由对角线连接的端口之间传播的信号)上注入90度相位改变。因此，例如，在端口1012处输入的信号被拆分成两半，并在端口1014、1016处输出，在端口1016处输出的信号包括额外的90度相移。
第二功率耦合器1030可以与第一功率耦合器1010相同，具有第一至第四端口1032、1034、1036、1038。第一端口1032耦合到第一滤波器1020-1的第二端口、第二端口1034耦合到功率吸收天线元件1040、第三端口1036耦合到无线电装置的接收端口，而第四端口1038耦合到第二滤波器1020-2的第二端口。可以使用功率吸收器天线元件1040代替常规的平衡双工器中所包括的接地的电阻性端接。第一滤波器1020-1和第二滤波器1020-2可以是相同的滤波器，并且可以包括例如具有在第一频率f1和第二频率f2之间延伸的通带的带通滤波器。在示例实施例中，无线电装置的接收频带可以是f2-f1。还将理解的是，在其它实施例中，在对平衡双工器1000进行其它适当的重新配置的情况下，可以使用相同的带阻滤波器来代替相同的带通滤波器。
当在天线处接收到信号时，该信号被输入到第一功率耦合器1010的端口1012。接收到的信号被第一功率耦合器1010拆分成两半，并且其两个子分量被馈送到相应的第一滤波器1020-1和第二滤波器1020-2，该两个子分量彼此异相90度。在对子分量进行滤波之后，它们分别输入到第二功率耦合器1030的端口1032和1038。输入到端口1032的每个子分量被再次拆分成两半并将90度相移应用于交叉耦合的子分量，并且输入到端口1038的每个子分量被同样拆分成两半并将90度相移应用于交叉耦合的子分量。因此，在端口1034和1036中的每一个处接收到一对信号。在端口1036处接收到的两个信号相长地组合，因为这些信号中的每一个都将被交叉耦合一次。然后，将经过相长组合的信号传递到无线电装置的接收端口。在端口1034处接收的两个信号彼此异相180度，因为两个信号之一是通过每个功率耦合器1010、1030的直通信号，而另一个信号是通过每个功率耦合器1010、1030的交叉耦合信号。因此，这两个信号在端口1034处彼此抵消。由于抵消通常不会是完美的，因此天线元件功率吸收器1040的作用是吸收端口1034处存在的任何剩余功率的绝大部分。
当要传输的信号从无线电的传输端口传递到第一功率耦合器1010的端口1018时，该信号被第一功率耦合器1010拆分成两半，其两个子分量分别馈送到相应的第一滤波器1020-1和第二滤波器1020-2，其中传递到端口1014的子分量包括附加的90度相移。由于传输信号不在接收频带f2-f1内，因此，传递到端口1014和1016的信号的子分量会被带通滤波器1020-1、1020-2拒绝(反射)。每个反射信号被拆分成两半并传递返回到功率耦合器1010的端口1012、1018，其中交叉耦合的反射信号接收附加的90度相移。在端口1012处接收到的两个反射信号将各自交叉耦合一次，因此将在端口1012进行相长组合，然后传递到天线进行传输。在端口1018处接收到的两个反射信号将包括作为直通信号穿过功率耦合器1010两次的一个信号和作为交叉耦合信号穿过功率耦合器1010两次(因此经历了附加的180度相移)的一个信号。因此，这两个信号在端口1018处抵消。
图25是根据本发明另外的实施例的平衡放大器1100的示意性框图。如图25中所示，平衡放大器1100包括第一功率耦合器1110、第一放大器1120-1、第二放大器1120-2、第二功率耦合器1130以及第一功率吸收天线元件1140-1和第二功率吸收天线元件1140-2。第一功率耦合器1110是四端口功率耦合器，其包括用作平衡放大器1100的输入端口的第一端口1112、耦合到第一放大器1120-1的第一端口的第二端口1114、耦合到第二放大器1120-2的第一端口的第三端口1116，以及耦合到第一功率吸收天线元件1140-1的第四端口1118。第一功率耦合器1110可以包括具有相等功率分配的90度混合耦合器。
第二功率耦合器1130可以与第一功率耦合器1110相同，具有第一至第四端口1132、1134、1136、1138。第一端口1132耦合到第一放大器1120-1的第二端口、第二端口1134耦合到第二功率吸收天线元件1140-2、第三端口1136用作平衡放大器1100的输出端口，而第四端口1138耦合到第二放大器1120-2的第二端口。可以使用功率吸收器天线元件1140-1、1140-2代替常规的平衡放大器中所包括的接地的电阻性端接。第一放大器1120-1和第二放大器1120-2可以是相同的放大器。
当信号在输入端口1112处输入时，它被第一功率耦合器1110拆分成两半，并且其两个子分量被馈送到相应的第一放大器1120-1和第二放大器1120-2，其中传递到第二放大器1120-2的交叉耦合的分量包括附加的90度相移。如果放大器1120-1、1120-2与输入之间的阻抗匹配不完美，那么每个放大器1120-1、1120-2将生成反射信号，该反射信号被功率耦合器1110拆分成两半并向后传递回到端口1112、1118。传递到端口1112的反射信号将包括(1)从端口1112传递到端口1114、然后从端口1114传递返回到端口1112的第一反射信号，以及(2)从端口1112传递到端口1116、然后从端口1116传递返回到端口1112的第二反射信号。因此，在端口1112处接收到的第一反射信号作为直通信号两次通过功率耦合器1110，而在端口1112处接收到的第二反射信号作为交叉耦合信号两次通过了功率耦合器1110(因此相对于第一反射信号经历了180度相位偏移)。因此，在端口1112处接收到的两个反射信号彼此抵消。对于在端口1118处接收到的两个反射信号，情况也是如此。这种相位抵消可以在平衡放大器1100的输入处提供几乎完美的阻抗匹配。
传递到第一放大器1120-1和第二放大器1120-2的输入信号的子分量被分别放大并传递到第二功率耦合器1130的端口1132、1138。输入到端口1132的每个子分量被再次拆分成两半并将90度相移应用于交叉耦合的子分量，并且输入到端口1138的每个子分量被同样拆分成两半并将90度相移应用于交叉耦合的子分量。因此，在端口1134和1136中的每一个处接收到一对信号。在端口1136处接收到的两个信号进行相长地组合，因为这些信号中的每一个信号都会被交叉耦合一次。从平衡放大器1100输出相长组合的信号。在端口1134处接收到的两个信号彼此异相180度，因为两个信号之一是通过每个功率耦合器1110、1130的直通信号，另一个信号是通过每个功率耦合器1110、1130的交叉耦合信号。因此，这两个信号在端口1134处彼此抵消。由于抵消通常不会是完美的，因此天线元件功率吸收器1140-2的作用是吸收端口1134处存在的任何剩余功率的绝大部分。
在一些实施例中，根据本发明实施例的功率耦合器可以用在毫米波相控阵天线的馈送网络中。相控阵天线是指包括用于传输和接收RF信号的多个辐射元件的天线。可以将要通过相控阵天线传输的RF信号划分为多个子分量，并且每个子分量可以馈送到辐射元件中相应的一个或馈送到辐射元件中通常被称为子阵列的一组。可以调整RF信号的子分量的幅值和/或相位，使得子分量将在期望的方向上相干地组合。幅值和相位可以改变，以便使天线波束在不同方向上电子地转向。天线阵列的孔径越大，相控阵天线可以形成的天线波束越窄。具有许多天线元件的小孔径天线阵列可以比具有较少天线元件的大孔径天线阵列具有低得多的增益。
图26是根据本发明实施例的相控阵天线1200的框图，其包括具有天线元件功率吸收器的功率耦合器。如图26中所示，相控阵天线1200包括(或耦合到)RF源1210(诸如无线电装置)。由无线电装置1210输出的RF信号被输入到功率耦合器1220。功率耦合器1220可以包括根据本发明实施例的任何功率耦合器。在图26中，功率耦合器1220是1×8功率耦合器。如以上参考图17所讨论的，可以通过级联多个1×2功率耦合器来形成这样的1×8功率耦合器1220。
1×8功率耦合器1220将从无线电装置1210接收到的RF信号划分为八个子分量。子分量可以具有或可以不具有相同的幅值，因为如果期望，可以将用于形成1×8功率耦合器1220的1×2功率耦合器配置为不均等的功率分配。RF信号的八个子分量从1×8功率耦合器1220传递到八个移相器1230。如上面所讨论的，移相器1230可以对RF信号的八个子分量施加不同的相移，该八个子分量被设计为形成将在期望方向上相干组合的天线波束。RF信号的相移子分量被输入到相应的放大器1240，其将RF子分量的功率电平增加到适于传输的电平。然后，每个放大的子分量通过相应的天线元件1250(诸如例如偶极子或贴片辐射元件)被传输。
如上所述，贴片辐射元件的带宽可以相对窄。虽然在贴片辐射元件上使用插入式馈送可以增加带宽，但是这种方法只能提供有限的改进。在一些情况下，可能期望宽带功率吸收器。在这种情况下，可以使用具有更宽带宽的天线元件。
例如，行波或对数周期天线元件可以在印刷电路板中形成，例如在http://www.mwrf.com/passive-components/single-microstrip-layer-holds-uwb-log-periodic-antenna上由Yanfeng Geng的“Single microstrip layer holds UWB log-periodic antenna”中公开的那样。图27是这种基于印刷电路板的对数周期天线1300的示意性平面图，其可以被用于代替本文公开的任何天线元件(诸如图9的贴片辐射元件360)。
如以上所讨论的，在毫米波频率下，市售电阻器的大小可能太接近传输频率的四分之一波长，这可能导致电阻器既具有电阻性分量又具有显著的电抗性分量，这会对系统性能产生负面影响。附加地，可能要求特殊的技术来将这种表面安装电阻器焊接到包括天线元件的安装基板，以减少焊接的连接可能对性能造成的影响。通过使用天线元件代替1×8功率耦合器1220中的电阻器，可以简化功率耦合器的设计和制造。
上面已经参考附图描述了本发明。本发明不限于图示的实施例；更确切地说，这些实施例旨在向本领域技术人员完全和完整地公开本发明。在附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。一些元件的厚度和尺寸可以不成比例。
为了便于描述，在本文中可以使用空间相对术语，诸如“在...下方”、“在...之下”、“下方”、“在...之上”、“上方”、“顶部”、“底部”等，以描述如附图中所示的元件或特征与另一个(或多个)元件或特征的关系。将理解的是，除了附图中描绘的朝向之外，空间相对术语还意图涵盖设备在使用或操作中的不同朝向。例如，如果附图中的设备被翻转，那么被描述为在其它元件或特征“下方”或“之下”的元件将被定向为在其它元件或特征“之上”。因此，示例性术语“在...下方”可以包括上方和下方的朝向。可以以其它方式定向设备(旋转90度或其它朝向)，并相应地解释本文使用的空间相对描述语。
为了简洁和/或清楚起见，可能不会详细描述众所周知的功能或构造。如本文所使用的，表述“和/或”包括相关联列出的项中的一个或多个的任意和所有组合。
以上实施例中的任何一个的方面和特征可以被包括在任何其它实施例中，以提供附加的实施例。
将理解的是，虽然本文可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。

Claims (33)

1.一种功率耦合器，包括：
输入端口；
第一输出端口；
第二输出端口；
天线元件，所述天线元件电耦合在所述第一输出端口和所述第二输出端口之间或电耦合到所述功率耦合器的隔离端口；
其中所述功率耦合器被配置为拆分入射在所述输入端口处的射频(“RF”)信号和/或组合入射在相应的第一输出端口和第二输出端口处的无线电信号。
2.根据权利要求1所述的功率耦合器，其中所述天线元件包括贴片辐射元件。
3.根据权利要求1所述的功率耦合器，其中所述功率耦合器包括四端口功率耦合器，该四端口功率耦合器包括所述隔离端口，并且其中所述天线元件电耦合到所述隔离端口。
4.根据权利要求1所述的功率耦合器，其中所述功率耦合器包括三端口功率耦合器，并且其中所述天线元件电耦合在所述第一输出端口和所述第二输出端口之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率耦合器，其中所述功率耦合器可以在印刷电路板中实现，该印刷电路板包括介电基板、在该介电基板的第一表面上的导电接地平面以及在该介电基板的与第一表面相对的第二表面上的导电图案。
6.根据权利要求5所述的功率耦合器，其中所述功率耦合器的至少一部分被实现为基板集成的波导功率耦合器，所述波导功率耦合器包括将所述导电接地平面连接到所述导电图案的镀覆过孔的阵列。
7.根据权利要求5所述的功率耦合器，其中所述功率耦合器的至少一部分被实现为共面波导，所述共面波导包括将所述导电接地平面连接到所述导电图案的第一接地部分和第二接地部分的镀覆通孔的阵列，所述导电图案还包括导电轨道，该导电轨道通过相应的第一间隙和第二间隙与所述第一接地部分和第二接地部分分开。
8.根据权利要求5所述的功率耦合器，其中所述天线元件在所述印刷电路板中被实现。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的功率耦合器，其中所述天线元件被配置为在所述功率耦合器的操作频带中用作用于RF信号的功率吸收器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的功率耦合器，其中所述功率耦合器被配置为对毫米波信号进行操作。
11.根据权利要求5所述的功率耦合器，其中所述天线元件包括贴片辐射元件，该贴片辐射元件包括作为所述导电图案的一部分的贴片辐射器，并且其中所述贴片辐射器具有插入式馈送。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的功率耦合器，其中所述输入端口、所述第一输出端口和所述第二输出端口中的至少一个包括共面波导。
13.根据权利要求1所述的功率耦合器，其中所述天线元件是喇叭辐射元件。
14.根据权利要求1所述的功率耦合器，其中所述天线元件是缝隙辐射元件。
15.根据权利要求3所述的功率耦合器，所述功率耦合器与耦合到相应的第一输出端口和第二输出端口的第一滤波器和第二滤波器以及与功率耦合器相对地耦合到第一滤波器和第二滤波器的第二功率耦合器组合，所述功率耦合器、所述第二功率耦合器以及第一滤波器和第二滤波器的组合包括平衡滤波器。
16.根据权利要求3所述的功率耦合器，所述功率耦合器与耦合到相应的第一输出端口和第二输出端口的第一放大器和第二放大器以及与功率耦合器相对地耦合到第一放大器和第二放大器的第二功率耦合器组合，所述功率耦合器、所述第二功率耦合器以及第一放大器和第二放大器的组合包括平衡放大器。
17.根据权利要求2所述的功率耦合器，其中所述贴片辐射元件具有第一插入式馈送和第二插入式馈送。
18.一种印刷电路板结构，包括：
介电基板，所述介电基板具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；
所述介电基板的第一表面上的导电接地平面；以及
所述介电基板的第二表面上的导电图案，该导电图案包括天线元件，
其中包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口的功率耦合器被集成在印刷电路板结构内，
其中所述天线元件耦合在所述第一输出端口和所述第二输出端口之间，或者耦合到所述功率耦合器的隔离端口。
19.根据权利要求18所述的印刷电路板结构，其中所述天线元件包括贴片辐射元件。
20.根据权利要求19所述的印刷电路板结构，其中所述贴片辐射元件包括作为导电图案的一部分的贴片辐射器，并且其中所述贴片辐射器具有插入式馈送。
21.根据权利要求19或20所述的功率耦合器，其中所述贴片辐射元件具有第一插入式馈送和第二插入式馈送。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的印刷电路板结构，其中所述功率耦合器包括四端口功率耦合器，该四端口功率耦合器包括所述隔离端口，并且其中所述天线元件电耦合到所述隔离端口。
23.根据权利要求18至21中任一项所述的印刷电路板结构，其中所述功率耦合器包括三端口功率耦合器，并且其中所述天线元件电耦合在所述第一输出端口和所述第二输出端口之间。
24.根据权利要求18至23中任一项所述的印刷电路板结构，其中所述功率耦合器的至少一部分被实现为基板集成的波导，所述波导包括将所述导电接地平面连接到所述导电图案的镀覆过孔的阵列。
25.根据权利要求18至23中任一项所述的印刷电路板结构，其中所述功率耦合器的至少一部分被实现为共面波导，所述共面波导包括将所述导电接地平面连接到所述导电图案的第一接地部分和第二接地部分的镀覆通孔的阵列，所述导电图案还包括导电轨道，该导电轨道通过相应的第一间隙和第二间隙与所述第一接地部分和所述第二接地部分分开。
26.根据权利要求18至25中任一项所述的印刷电路板结构，其中所述天线元件包括在所述印刷电路板中实现的贴片辐射元件。
27.根据权利要求18至26中任一项所述的印刷电路板结构，其中所述印刷电路板结构包括带状线印刷电路板。
28.根据权利要求18所述的印刷电路板结构，其中所述天线元件是缝隙辐射元件。
29.一种基板集成的波导功率耦合器，包括：
输入端口；
第一输出端口；
第二输出端口；
隔离端口；
耦合区域，所述耦合区域在所述输入端口与第一输出端口和第二输出端口之间并且在所述隔离端口与第一输出端口和第二输出端口之间；以及
天线元件，所述天线元件与第一输出端口和第二输出端口相对地电耦合到所述隔离端口；
其中所述功率耦合器被配置为拆分入射在所述输入端口处的射频(“RF”)信号和/或组合入射在相应的第一输出端口和第二输出端口处的无线电信号。
30.根据权利要求29所述的基板集成的波导功率耦合器，其中所述天线元件包括贴片辐射元件。
31.根据权利要求29所述的基板集成的波导功率耦合器，其中所述天线元件是缝隙辐射元件。
32.根据权利要求29至31中任一项所述的基板集成的波导功率耦合器，其中所述功率耦合器在印刷电路板中实现，该印刷电路板包括介电基板、在该介电基板的第一表面上的导电接地平面以及在该介电基板的与第一表面相对的第二表面上的导电图案，以及将所述导电接地平面连接到所述导电图案的第一行镀覆孔和第二行镀覆孔，所述第一行镀覆孔和所述第二行镀覆孔排在耦合区域的相应的第一侧和第二侧。
33.根据权利要求32所述的基板集成的波导功率耦合器，其中所述输入端口、所述第一输出端口和第二输出端口各自被实现为共面波导。
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