CN111755792A - 一种3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端 - Google Patents

一种3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端 Download PDF

Info

Publication number
CN111755792A
CN111755792A CN202010503553.4A CN202010503553A CN111755792A CN 111755792 A CN111755792 A CN 111755792A CN 202010503553 A CN202010503553 A CN 202010503553A CN 111755792 A CN111755792 A CN 111755792A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal coil
coupling
hybrid coupler
radio
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010503553.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111755792B (zh
Inventor
陈岗
白云芳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vanchip Tianjin Electronic Technology Co Ltd
Original Assignee
Vanchip Tianjin Electronic Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vanchip Tianjin Electronic Technology Co Ltd filed Critical Vanchip Tianjin Electronic Technology Co Ltd
Priority to CN202010503553.4A priority Critical patent/CN111755792B/zh
Publication of CN111755792A publication Critical patent/CN111755792A/zh
Priority to PCT/CN2021/098457 priority patent/WO2021244648A1/zh
Priority to JP2022574499A priority patent/JP2023529627A/ja
Priority to EP21818033.9A priority patent/EP4164053A1/en
Priority to KR1020237000537A priority patent/KR20230029767A/ko
Application granted granted Critical
Publication of CN111755792B publication Critical patent/CN111755792B/zh
Priority to US18/061,482 priority patent/US20230100717A1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/19—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port of the junction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
    • H01P5/184—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers the guides being strip lines or microstrips
    • H01P5/185—Edge coupled lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
    • H01P5/184—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers the guides being strip lines or microstrips
    • H01P5/187—Broadside coupled lines

Landscapes

  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)
  • Transceivers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端。该3dB正交混合耦合器可以设置在基板上，通过直通金属线圈与耦合金属线圈采用层叠结构、共面结构或层叠结构与共面结构的组合形式，使得相应的射频信号输入端口和第一射频信号输出端口、隔离端口和第二射频信号输出端口连接。同时，根据3dB正交混合耦合器的工作频率和端口特征阻抗的要求，调整直通金属线圈与耦合金属线圈的匝数、层数，以降低耦合器插入损耗，优化3dB正交混合耦合器的端口反射系数、端口隔离度等射频性能。利用本发明，可以有效节省芯片面积，降低了射频前端模块的设计成本。

Description

一种3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端
技术领域
本发明涉及一种3dB正交混合耦合器，同时也涉及包括该3dB正交混合耦合器的射频前端模块及相应的通信终端。
背景技术
3dB正交混合耦合器是一种常用的四端口设备，可以在保持端口之间高隔离的同时均分输入信号，并且在两路输出信号之间产生90°相移，或者在保持端口之间高隔离的同时合并两个相位差为90°的输入信号。
如图1所示，现有技术中的3dB正交混合耦合器包括两条交叉的四分之一波长传输线。理想情况下，当射频信号输入端口输入射频信号时，一半射频信号(相当于3dB)直通到射频信号输出1(相位为0°)端口，另一半射频信号耦合到射频信号输出2(相位为90°)端口。将3dB正交混合耦合器的端口因不匹配产生的反射能量引导流入隔离端口或在射频信号输入端口抵消，可以避免损坏驱动器设备(功率单元)。
在4G/5G等移动终端所使用的射频前端模块中，空间比较有限。如果要实现较佳的射频性能，3dB正交混合耦合器一般都是通过芯片来实现，但受限于芯片上无源器件的Q值较低，使得3dB正交混合耦合器的插入损耗较大。此外，由于有些工艺制造的芯片只提供单层或者两层不同厚度的金属，使得3dB正交混合耦合器的端口出现阻抗失配、隔离度不好的问题。另外，在芯片上设计3dB正交混合耦合器会占用较大的芯片面积，进而增加射频前端模块的设计成本。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种在基板上实现的3dB正交混合耦合器。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括上述3dB正交混合耦合器的射频前端模块及通信终端。
为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种3dB正交混合耦合器，所述3dB正交混合耦合器设置在基板上，包括射频信号输入端口、第一射频信号输出端口、第二射频信号输出端口、隔离端口、连接于所述射频信号输入端口和所述第一射频信号输出端口之间的直通金属线圈，连接于所述隔离端口和所述第二射频信号输出端口之间的耦合金属线圈，所述隔离端口连接隔离电阻到地；
当所述射频信号输入端口输入射频输入信号时，所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈通过电磁耦合和电容耦合，一半的所述射频输入信号流向所述第一射频信号输出端口，另一半的所述射频输入信号耦合到所述第二射频信号输出端口，两路射频输出信号相位相差90度。
其中较优地，所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈采用层叠结构时，所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈通过金属线圈表面进行电容耦合。
其中较优地，在所述基板上，所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈交错排布。
其中较优地，当所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈采用共面结构时，所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈通过金属线圈边缘进行电容耦合。
其中较优地，在所述基板上，每一层的所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈等间距交错排布，相邻层之间的所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈的位置相同。
其中较优地，当所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈采用层叠结构与共面结构的组合形式时，所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈通过金属线圈表面与金属线圈边缘组合的形式进行电容耦合。
其中较优地，在所述基板上，每一层的所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈等间距交错排布，相邻层之间的所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈的位置相反。
其中较优地，各层之间的所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈的连接关系为：位于首层的所述耦合金属线圈的一端连接所述第一射频信号输出端口，并通过第五通孔分别与位于奇数层的所述耦合金属线圈的一端连接，位于首层的所述耦合金属线圈的另一端通过第六通孔分别与位于偶数层的所述耦合金属线圈的一端、奇数层的所述耦合金属线圈的另一端连接，位于第二层的所述耦合金属线圈的另一端通过第七通孔分别与位于偶数层的所述耦合金属线圈的另一端连接，位于最后一层的所述耦合金属线圈的另一端还与所述隔离端口连接；
位于首层的所述直通金属线圈的一端连接所述第一射频信号输出端口，并通过第八通孔分别与位于奇数层的所述直通金属线圈的一端连接，位于首层的所述直通金属线圈的另一端通过第九通孔分别与位于偶数层的所述直通金属线圈的一端、奇数层的所述直通金属线圈的另一端连接，位于第二层的所述直通金属线圈的另一端与所述射频信号输入端口连接，并通过第十通孔分别与位于偶数层的所述直通金属线圈的另一端连接。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种射频前端模块，所述射频前端模块中包括有上述的3dB正交混合耦合器。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种通信终端，所述通信终端中包括有上述的3dB正交混合耦合器。
本发明所提供的3dB正交混合耦合器可以在基板上实现。为此，将直通金属线圈与耦合金属线圈采用层叠结构、共面结构或层叠结构与共面结构的组合形式，使得相应的射频信号输入端口和第一射频信号输出端口、隔离端口和第二射频信号输出端口连接。根据3dB正交混合耦合器的工作频率和端口特征阻抗的要求，调整直通金属线圈与耦合金属线圈的匝数、层数，以降低耦合器插入损耗，优化3dB正交混合耦合器的端口反射系数、端口隔离度等射频性能。利用本发明，可以有效节省芯片面积，降低了射频前端模块的设计成本。
附图说明
图1为现有技术中的3dB正交混合耦合器的结构示意图；
图2为耦合线耦合器的结构示意图及偶模电容等效电路；
图3为耦合线耦合器的结构示意图及奇模电容等效电路；
图4为本发明所提供的3dB正交混合耦合器的层叠结构示意图；
图5为本发明所提供的3dB正交混合耦合器中，单层金属线圈的共面结构示意图；
图6为本发明所提供的3dB正交混合耦合器中，多层金属线圈的共面结构示意图；
图7为本发明所提供的3dB正交混合耦合器中，两层金属线圈层叠共面的混合结构示意图；
图8为本发明所提供的3dB正交混合耦合器中，多层金属线圈层叠共面的混合结构示意图；
图9为本发明所提供的3dB正交混合耦合器中，三个端口发射系数的仿真结果示意图；
图10为本发明所提供的3dB正交混合耦合器中，插入损耗的仿真结果示意图；
图11为本发明所提供的3dB正交混合耦合器中，两路射频输出信号功率差的仿真结果示意图；
图12为本发明所提供的3dB正交混合耦合器中，两路射频输出信号相位差的仿真结果示意图；
图13为本发明所提供的3dB正交混合耦合器中，两路射频输出信号端口隔离度的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。
为了有效降低射频前端模块的设计成本，如图4～图6所示，本发明提供了一种可以在基板上实现的3dB正交混合耦合器。该3dB正交混合耦合器包括射频信号输入端口1，第一射频信号输出端口2，第二射频信号输出端口3，隔离端口4，连接于射频信号输入端口1和第一射频信号输出端口2之间的直通金属线圈，连接于隔离端口4和第二射频信号输出端口3之间的耦合金属线圈，隔离端口4连接隔离电阻到地。
当射频信号输入端口1输入射频输入信号时，直通金属线圈与耦合金属线圈通过电磁耦合和电容耦合，一半的射频输入信号流向第一射频信号输出端口2，另一半的射频输入信号耦合到第二射频信号输出端口3，两路射频输出信号相位相差90度。
其中，连接于射频信号输入端口1和第一射频信号输出端口2之间的直通金属线圈形成电感线圈，连接于隔离端口4和第二射频信号输出端口3之间的耦合金属线圈形成电感线圈，利用直通金属线圈形成的电感线圈与耦合金属线圈形成的电感线圈进行电磁耦合。并且，直通金属线圈与耦合金属线圈设置在基板上，直通金属线圈与耦合金属线圈可以采用层叠结构、共面结构或层叠结构与共面结构的组合形式，以实现直通金属线圈与耦合金属线圈通过金属线圈表面、金属线圈边缘或金属线圈表面与金属线圈边缘组合的形式进行电容耦合。
具体地说，当直通金属线圈与耦合金属线圈采用层叠结构时，直通金属线圈与耦合金属线圈通过金属线圈表面进行电容耦合，金属线圈表面为直通金属线圈与耦合金属线圈的相互交叠面。当直通金属线圈与耦合金属线圈采用共面结构时，直通金属线圈与耦合金属线圈通过金属线圈边缘进行电容耦合，金属线圈边缘为直通金属线圈的边缘和与其相邻的耦合金属线圈的边缘。当直通金属线圈与耦合金属线圈采用层叠结构与共面结构的组合形式时，直通金属线圈与耦合金属线圈通过金属线圈表面与金属线圈边缘组合的形式进行电容耦合。
直通金属线圈与耦合金属线圈可以由相应的金属线围合的单匝或多匝金属线圈。其中，直通金属线圈与耦合金属线圈的形状相同，并且，以圆形或方形直通金属线圈与耦合金属线圈较佳。为了便于对本发明所提供的3dB正交混合耦合器的结构及原理的理解，下面以方形的直通金属线圈与耦合金属线圈为例，针对直通金属线圈与耦合金属线圈分别采用层叠结构、共面结构或层叠结构与共面结构的组合形式进行详细说明。
实施例1
该实施例所提供的3dB正交混合耦合器中，直通金属线圈与耦合金属线圈采用层叠结构。其中，每一层直通金属线圈的长度相近，每一层耦合金属线圈的长度相近；直通金属线圈与耦合金属线圈的层数和线圈匝数相同，直通金属线圈与耦合金属线圈重合，各层相邻匝直通金属线圈以及相邻匝耦合金属线圈的间距相同。并且，在基板上，从上而下，直通金属线圈与耦合金属线圈交错排布。即在基板上，从上而下，可以是一层直通金属线圈一层耦合金属线圈交错排布，或者一层耦合金属线圈一层直通金属线圈交错排布。各层直通金属线圈通过第一通孔相连，各层耦合金属线圈通过第二通孔相连。该实施例所提供的3dB正交混合耦合器通过在基板上实现，解决了现有技术中，在芯片上设计3dB正交混合耦合器占用较大的芯片面积，进而增加射频前端模块的设计成本的问题。其中，在本发明的不同实施例中，最后一层金属线圈为参考地，距离参考地所在金属线圈层高度由远到近，定义金属线圈的层顺序为从上而下的顺序。
实际应用中，根据3dB正交混合耦合器的工作频段及输出端口的特征阻抗要求，并结合下面的公式，初步确定出在基板上设计3dB正交混合耦合器初始版图时参照的数据，该数据为直通金属线和耦合金属线圈的线圈宽度、对地高度、层数、匝数以及线圈之间的间隔；在基板上设计出3dB正交混合耦合器初始版图后，将该版图输入到仿真软件中建立3D电磁学仿真模型，进而验证所设计的3dB正交混合耦合器初始版图所参照的数据是否准确，并根据验证结果调整设计3dB正交混合耦合器版图参照的数据，并不断生成新的3dB正交混合耦合器版图，输入到仿真软件中建立3D电磁学仿真模型进行验证，直到验证结果输出的金属线特征阻抗值和工作频段达到尽可能将3dB正交混合耦合器工作频段移至设计的频率范围内，并使得第一射频信号输出端口2和第二射频信号输出端口3的特征阻抗尽可能一致，同时使得耦合器各端口阻抗和隔离度满足设计指标。下面详细说明直通金属线圈与耦合金属线圈采用层叠结构时，如何初步确定在基板上设计3dB正交混合耦合器初始版图时参照的数据。
利用TEM(横电磁模)模型分析3dB正交混合耦合器。对于偶模和奇模，电场关于中心线偶对称，在两根带状导体之间没有电流流过。这时导出的等效电路如图2和图3所示，第一射频信号输出端口2的电压为：
Figure BDA0002525727590000061
其中，V0为射频信号输入端口1的电压，j为虚部，θ为传输线相位，C为3dB正交混合耦合器的耦合系数。
第二射频信号输出端口3的电压为：
Figure BDA0002525727590000062
其中，V0为射频信号输入端口1的电压，j为相位的虚部，θ为传输线相位，C为3dB正交混合耦合器的耦合系数。3dB正交混合耦合器的耦合系数为：
Figure BDA0002525727590000063
其中，Z0e为3dB正交混合耦合器的偶模特征阻抗，Z0o为3dB正交混合耦合器的奇模特征阻抗，分别为：
Figure BDA0002525727590000071
其中，d为直通金属线和耦合金属线圈对地高度；c为光速，εr为基板介质层的介电常数，ε0为标准介电常数，W为直通金属线和耦合金属线圈的线圈宽度。
Figure BDA0002525727590000072
其中，d为直通金属线和耦合金属线圈对地高度；S为线圈之间的间隔，c为光速，εr为基板介质层的介电常数，ε0为标准介电常数，W为直通金属线和耦合金属线圈的线圈宽度。
由于3dB正交混合耦合器的两个射频信号输出端口的电压相同，相位相差90°，根据这两个条件可得：
Figure BDA0002525727590000073
其中，mag(V2)为第一射频信号输出端口2的电压幅度，mag(V3)为第二射频信号输出端口3的电压幅度，mag(V0)为射频信号输入端口1的电压幅度。
Figure BDA0002525727590000074
其中，phase(V3)为第二射频信号输出端口3的电压相位，phase(V2)为第一射频信号输出端口2的电压相位。通过上述两个条件可，并结合公式(1)～(7)，确定出在基板上设计3dB正交混合耦合器初始版图时参照的数据。上述公式也适用于下面的共面结构。
如图4所示，为便于对该实施例所提供的3dB正交混合耦合器的理解，以直通金属线圈与耦合金属线圈采用2层的层叠结构为例，对3dB正交混合耦合器的结构进行详细说明。该3dB正交混合耦合器中，基板的第一层金属线圈为直通金属线圈111，基板的第二层金属线圈为耦合金属线圈112，直通金属线圈111连接于射频信号输入端口1和第一射频信号输出端口2之间，耦合金属线圈112连接于隔离端口4和第二射频信号输出端口3之间，隔离端口4连接隔离电阻到地。其中，基板可以由介质层和导电层组成，该基板为现有用于功率放大器上的基础件，类似于微型化的印刷电路板，在此再详述了。其中，在本发明的不同实施例中，最后一层金属线圈为参考地，将距离参考地所在金属线圈层高度最高的金属线圈层定义为第一层直通金属线圈，并按照距离参考地所在金属线圈层高度由远到近的顺序，对金属线圈的层顺序进行排序。
在理想情况下，当射频信号输入端口1输入射频输入信号时，利用直通金属线圈111形成的电感线圈与耦合金属线圈112形成的电感线圈进行电磁耦合，直通金属线圈111与耦合金属线圈112通过金属线圈表面进行电容耦合，使得一半的射频输入信号流向第一射频信号输出端口2，另一半的射频输入信号耦合到第二射频信号输出端口3，两路射频输出信号相位相差90度。
实施例2
该实施例所提供的3dB正交混合耦合器中，直通金属线圈与耦合金属线圈采用共面结构。其中，每一层直通金属线圈的长度相近，每一层耦合金属线圈的长度相近；直通金属线圈与耦合金属线圈的层数和线圈匝数相同，每一匝直通金属线圈与耦合金属线圈之间的间距相同；并且，在基板上，每一层相同匝数的直通金属线圈与耦合金属线圈等间距交错排布，相邻层之间的直通金属线圈与耦合金属线圈的位置相同。即在基板上，针对位于同一层的直通金属线圈与耦合金属线圈，可以是一匝直通金属线圈一匝耦合金属线圈交错排布，或者一匝耦合金属线圈一匝直通金属线圈交错排布。各层直通金属线圈通过第三通孔并联在一起，各层耦合金属线圈通过第四通孔并联在一起。
该实施例所提供的3dB正交混合耦合器主要针对在有些基板属性中，如金属线圈层数少，底层金属线圈与地平面距离太近，或者金属线圈层厚度相差太大，并不适合层叠结构的3dB正交混合耦合器而设计。该实施例所提供的3dB正交混合耦合器同样通过在基板上实现，解决了现有在芯片上设计3dB正交混合耦合器时需要占用较大的芯片面积，进而增加射频前端模块的设计成本的问题。
在共面结构的3dB正交混合耦合器中，由于直通金属线圈与耦合金属线圈的厚度在10um到40um之间，会导致3dB正交混合耦合器工作频段偏向于高频，因此在实际应用中，根据3dB正交混合耦合器的工作频段及输出端口的特征阻抗要求，并结合公式(1)～(7)，初步确定出在基板上设计3dB正交混合耦合器初始版图时参照的数据，该数据为直通金属线和耦合金属线圈的线圈宽度、对地高度、层数、匝数以及线圈之间的间隔；在基板上设计出3dB正交混合耦合器初始版图后，将该版图输入到仿真软件中建立3D电磁学仿真模型，进而验证所设计的3dB正交混合耦合器初始版图所参照的数据是否准确，并根据验证结果调整设计3dB正交混合耦合器版图参照的数据，并不断生成新的3dB正交混合耦合器版图，输入到仿真软件中建立3D电磁学仿真模型进行验证，直到验证结果输出的金属线特征阻抗值和工作频段达到尽可能将3dB正交混合耦合器工作频段移至设计的频率范围内，并使得第一射频信号输出端口2和第二射频信号输出端口3的特征阻抗尽可能一致，同时使得耦合器各端口阻抗和隔离度满足设计指标。
如图5和图6所示，为便于对该实施例所提供的3dB正交混合耦合器的理解，以直通金属线圈与耦合金属线圈分别采用单层和3层的共面结构为例，对3dB正交混合耦合器的结构进行详细说明。
如图5所示，该3dB正交混合耦合器中，位于基板上的直通金属线圈141与耦合金属线圈142交错排布，并且直通金属线圈141与耦合金属线圈142的匝数分别为1.5匝。直通金属线圈141连接于射频信号输入端口1和第一射频信号输出端口2之间，耦合金属线圈142连接于隔离端口4和第二射频信号输出端口3之间，隔离端口4连接隔离电阻到地。
理想情况下，当射频信号输入端口1输入射频输入信号时，利用直通金属线圈141形成的电感线圈与耦合金属线圈142形成的电感线圈进行电磁耦合，直通金属线圈111与耦合金属线圈112通过金属线圈边缘进行电容耦合，使得一半的射频输入信号流向第一射频信号输出端口2，另一半的射频输入信号耦合到第二射频信号输出端口3，两路射频输出信号相位相差90度。
如图6所示，该3dB正交混合耦合器中，基板上形成3层共面结构的直通金属线圈151与耦合金属线圈152中，每个层的直通金属线圈151与耦合金属线圈152交错排布，并且直通金属线圈151与耦合金属线圈152的匝数分别为3.75匝。3层直通金属线圈通过第三通孔并联在一起，3层耦合金属线圈通过第四通孔并联在一起，利用3层直通金属线圈与3层耦合金属线圈构成并联形式的共面结构，从而实现传输形同的信号。其中，直通金属线圈151连接于射频信号输入端口1和第一射频信号输出端口2之间，耦合金属线圈152连接于隔离端口4和第二射频信号输出端口3之间，隔离端口4连接隔离电阻到地。
实施例3
该实施例所提供的3dB正交混合耦合器中，直通金属线圈与耦合金属线圈采用层叠结构与共面结构的组合形式,进一步优化射频信号输入端口1，第一射频信号输出端口2和第二射频信号输出端口3之间的阻抗对称性，以提高3dB正交混合耦合器的性能，并节省设计3dB正交混合耦合器时所需占用的芯片面积，降低射频前端模块的设计成本。
其中，每一层直通金属线圈的长度相近，每一层耦合金属线圈的长度相近；直通金属线圈与耦合金属线圈的层数和线圈匝数相同；并且，在基板上，每一层相同匝数的直通金属线圈与耦合金属线圈等间距交错排布，相邻层之间的直通金属线圈与耦合金属线圈的位置相反。即在基板上，针对位于同一层的直通金属线圈与耦合金属线圈，可以是一匝直通金属线圈一匝耦合金属线圈交错排布，此时相邻层的直通金属线圈与耦合金属线圈，可以是一匝耦合金属线圈一匝直通金属线圈交错排布；或者，同一层的直通金属线圈与耦合金属线圈，可以是一匝耦合金属线圈一匝直通金属线圈交错排布，此时相邻层的直通金属线圈与耦合金属线圈，可以是一匝直通金属线圈一匝耦合金属线圈交错排布。
具体地说，当直通金属线圈与耦合金属线圈的层数不小于4层时，各层之间的直通金属线圈与耦合金属线圈的连接关系为：位于首层的耦合金属线圈的一端连接第一射频信号输出端口2，并通过第五通孔分别与位于奇数层的耦合金属线圈的一端连接，位于首层的耦合金属线圈的另一端通过第六通孔分别与位于偶数层的耦合金属线圈的一端、位于奇数层的耦合金属线圈的另一端连接，位于第二层的耦合金属线圈的另一端通过第七通孔分别与位于偶数层的耦合金属线圈的另一端连接，位于最后一层耦合金属线圈的另一端还与隔离端口4连接。位于首层的直通金属线圈的一端连接第一射频信号输出端口3，并通过第八通孔分别与位于奇数层的直通金属线圈的一端连接，位于首层的直通金属线圈的另一端通过第九通孔分别与位于偶数层的直通金属线圈的一端、位于奇数层的直通金属线圈的另一端连接，位于第二层的直通金属线圈的另一端与射频信号输入端口1连接，并通过第十通孔与位于偶数层的直通金属线圈的另一端连接。其中，在本发明的不同实施例中，最后一层金属线圈为参考地，将距离参考地所在金属线圈层高度最高的金属线圈层分别定义为第一层直通金属线圈和第一层耦合金属线圈，并按照距离参考地所在金属线圈层高度由远到近的顺序，对金属线圈的层顺序进行排序。
实际应用中，根据3dB正交混合耦合器的工作频段及输出端口的特征阻抗要求，根据3dB正交混合耦合器的工作频段及输出端口的特征阻抗要求，并结合公式(1)～(7)，初步确定出在基板上设计3dB正交混合耦合器初始版图时参照的数据，该数据为直通金属线和耦合金属线圈的线圈宽度、对地高度、层数、匝数以及线圈之间的间隔；在基板上设计出3dB正交混合耦合器初始版图后，将该版图输入到仿真软件中建立3D电磁学仿真模型，进而验证所设计的3dB正交混合耦合器初始版图所参照的数据是否准确，并根据验证结果调整设计3dB正交混合耦合器版图参照的数据，并不断生成新的3dB正交混合耦合器版图，输入到仿真软件中建立3D电磁学仿真模型进行验证，直到验证结果输出的金属线特征阻抗值和工作频段达到尽可能将3dB正交混合耦合器工作频段移至设计的频率范围内，并使得第一射频信号输出端口2和第二射频信号输出端口3的特征阻抗尽可能一致，同时使得耦合器各端口阻抗和隔离度满足设计指标。
如图7和图8所示，为便于对该实施例所提供的3dB正交混合耦合器的理解，以直通金属线圈与耦合金属线圈分别采用2层和4层的层叠结构与共面结构的组合形式为例，对3dB正交混合耦合器的结构进行详细说明。
如图7所示，该3dB正交混合耦合器中，直通金属线圈与耦合金属线圈的匝数分别为1.75匝；连接于射频信号输入端口1和第一射频信号输出端口2之间的直通金属线圈121和直通金属线圈122，连接于隔离端口4和第二射频信号输出端口3之间的耦合金属线圈123和耦合金属线圈124，连接于直通金属线圈121和直通金属线圈122之间的通孔125，连接于耦合金属线圈123和耦合金属线圈124之间的通孔126；直通金属线圈121与耦合金属线圈123形成共面结构，直通金属线圈121与耦合金属线圈124形成层叠结构，直通金属线圈122与耦合金属线圈123形成层叠结构，直通金属线圈122与耦合金属线圈124形成共面结构。
当射频信号输入端口1输入射频输入信号时，利用直通金属线圈121和直通金属线圈122形成的电感线圈，与耦合金属线圈123和耦合金属线圈124形成的电感线圈进行电磁耦合，直通金属线圈121与耦合金属线圈123通过金属线圈边缘进行电容耦合，直通金属线圈121与耦合金属线圈124通过金属线圈表面进行电容耦合,直通金属线圈122与耦合金属线圈123通过金属线圈表面进行电容耦合，直通金属线圈122与耦合金属线圈124通过金属线圈边缘进行电容耦合，使得一半的射频输入信号流向第一射频信号输出端口2，另一半的射频输入信号耦合到第二射频信号输出端口3，两路射频输出信号相位相差90度。
如图8所示，该3dB正交混合耦合器中，每一层相同匝数的直通金属线圈与耦合金属线圈等间距交错排布，相邻层之间的直通金属线圈与耦合金属线圈的位置相反。
其中，针对该4层的层叠结构与共面结构的组合形式的3dB正交混合耦合器，其各部分连接关系为：位于首层的耦合金属线圈131的一端连接第二射频信号输出端口3，并通过第五通孔与位于第3层的耦合金属线圈133的一端连接，位于首层的耦合金属线圈131的另一端通过第六通孔分别与位于第2层的耦合金属线圈132、第4层的耦合金属线圈134的一端、第3层的耦合金属线圈133的另一端连接，位于第2层耦合金属线圈132的另一端通过第七通孔与位于第4层的耦合金属线圈134的另一端连接，位于第4层的耦合金属线圈134的另一端还与隔离端口4连接。位于首层的直通金属线圈的一端连接第一射频信号输出端口2，并通过第八通孔与位于第3层的直通金属线圈的一端连接，位于首层的直通金属线圈的另一端通过第九通孔分别与位于第二层的直通金属线圈的一端、第二层的直通金属线圈的另一端连接，位于第二层直通金属线圈的另一端与射频信号输入端口1连接，并通过第十通孔分别与位于偶数层的直通金属线圈的另一端连接。
本发明利用图8所示的3dB正交混合耦合器结构，在6层金属的基板上设计了一个n77频段(3.3GHz～4.2GHz)的3dB正交混合耦合器，图9～图13为该3dB正交混合耦合器的电磁仿真性能指标。
图9为本发明所提供的3dB正交混合耦合器的三个端口(射频信号输入端口1，第一射频信号输出端口2和第二射频信号输出端口3)反射系数仿真结果，端口阻抗为50Ohm，三个端口的反射系数都小于－20dBc，该指标数值越小代表端口阻抗匹配越好，3dB正交混合耦合器使得射频前端模块性能越好，并且本发明所提供的3dB正交混合耦合器的反射系数小于－20dBc满足系统设计指标。
图10为本发明所提供的3dB正交混合耦合器的插入损耗仿真结果。传统在芯片内部设计实现的3dB正交混合耦合器的插入损耗一般在－0.5dBc，由于本发明中利用基板的金属层进行设计，得益于更大的金属线宽、更厚的金属层、更多的金属层次，所以在整个工作频段内，3dB正交混合耦合器插入损耗都大于－0.2dBc，比在芯片内部设计实现的3dB正交混合耦合器设计值要大0.3dBc，本发明所提供的3dB正交混合耦合器的反射系数小于－15dBc满足系统设计指标。
图11为本发明所提供的3dB正交混合耦合器的第一射频信号输出端口2和第二射频信号输出端口3的输出功率差仿真结果，两路射频输出信号功率差越小，两路的射频输出信号的对称性越好；本发明所提供的3dB正交混合耦合器中，两路射频信号输出功率差绝对值小于0.4dBc满足系统设计指标。
图12为本发明所提供的3dB正交混合耦合器的第一射频信号输出端口2和第二射频信号输出端口3的射频输出信号相位差仿真结果，两路射频输出信号相位差越接近90度，射频前端模块的正交特性越好，本发明所提供的3dB正交混合耦合器中两路射频输出信号相位差非常接近90度，满足系统设计指标。
图13为本发明所提供的3dB正交混合耦合器的第一射频信号输出端口2和第二射频信号输出端口3的隔离度仿真结果，两路射频输出端口隔离度越小，两路射频输出端口的发射能量对射频前端模块性能影响越小，本发明所提供的3dB正交混合耦合器中两路射频输出端口隔离度小于－20dBc，满足系统设计指标。
从图9至图13的仿真指标中可以看到，本发明所提供的3dB正交混合耦合器，可以较好地优化插入损耗指标，同时在端口阻抗发射系数、端口隔离度、射频输出信号功率差和相位差等指标上都满足系统设计指标，达到了优化电路性能，节省芯片面积，降低射频前端模块成本的目的。
本发明所提供的3dB正交混合耦合器可以应用在多种射频前端模块中，该射频前端模块包括射频前端接收链路、射频前端发射链路、平衡式功率放大器结构等其它现有常规器件，在此就不一一赘述了。
另外，本发明所提供的3dB正交混合耦合器还可以被用在通信终端中，作为射频集成电路的重要组成部分。这里所说的通信终端是指可以在移动环境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE、5G等多种通信制式的计算机设备，包括移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车载电脑等。此外，本发明所提供的技术方案也适用于其他射频集成电路应用的场合，例如通信基站等。
本发明所提供的3dB正交混合耦合器可以在基板上实现。为此，将直通金属线圈与耦合金属线圈采用层叠结构、共面结构或层叠结构与共面结构的组合形式，使得相应的射频信号输入端口和第一射频信号输出端口、隔离端口和第二射频信号输出端口连接。根据3dB正交混合耦合器的工作频率和端口特征阻抗的要求，调整直通金属线圈与耦合金属线圈的匝数、层数，以降低耦合器插入损耗，优化3dB正交混合耦合器的端口反射系数、端口隔离度等射频性能。利用本发明，可以有效节省芯片面积，降低了射频前端模块的设计成本。
以上对本发明所提供的3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。

Claims (10)

1.一种3dB正交混合耦合器，其特征在于设置在基板上，包括射频信号输入端口、第一射频信号输出端口、第二射频信号输出端口、隔离端口、连接于所述射频信号输入端口和所述第一射频信号输出端口之间的直通金属线圈，连接于所述隔离端口和所述第二射频信号输出端口之间的耦合金属线圈，所述隔离端口连接隔离电阻到地；
当所述射频信号输入端口输入射频输入信号时，所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈通过电磁耦合和电容耦合，一半的所述射频输入信号流向所述第一射频信号输出端口，另一半的所述射频输入信号耦合到所述第二射频信号输出端口，两路射频输出信号相位相差90度。
2.如权利要求1所述的3dB正交混合耦合器，其特征在于：
所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈采用层叠结构时，所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈通过金属线圈表面进行电容耦合。
3.如权利要求2所述的3dB正交混合耦合器，其特征在于：
在所述基板上，所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈交错排布。
4.如权利要求1所述的3dB正交混合耦合器，其特征在于：
当所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈采用共面结构时，所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈通过金属线圈边缘进行电容耦合。
5.如权利要求4所述的3dB正交混合耦合器，其特征在于：
在所述基板上，每一层的所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈等间距交错排布，相邻层之间的所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈的位置相同。
6.如权利要求1所述的3dB正交混合耦合器，其特征在于：
当所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈采用层叠结构与共面结构的组合形式时，所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈通过金属线圈表面与金属线圈边缘组合的形式进行电容耦合。
7.如权利要求6所述的3dB正交混合耦合器，其特征在于：
在所述基板上，每一层的所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈等间距交错排布，相邻层之间的所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈的位置相反。
8.如权利要求7所述的3dB正交混合耦合器，其特征在于各层之间的所述直通金属线圈与所述耦合金属线圈的连接关系为：
位于首层的所述耦合金属线圈的一端连接所述第一射频信号输出端口，并通过第五通孔分别与位于奇数层的所述耦合金属线圈的一端连接，位于首层的所述耦合金属线圈的另一端通过第六通孔分别与位于偶数层的所述耦合金属线圈的一端、奇数层的所述耦合金属线圈的另一端连接，位于第二层的所述耦合金属线圈的另一端通过第七通孔分别与位于偶数层的所述耦合金属线圈的另一端连接，位于最后一层的所述耦合金属线圈的另一端还与所述隔离端口连接；
位于首层的所述直通金属线圈的一端连接所述第一射频信号输出端口，并通过第八通孔分别与位于奇数层的所述直通金属线圈的一端连接，位于首层的所述直通金属线圈的另一端通过第九通孔分别与位于偶数层的所述直通金属线圈的一端、奇数层的所述直通金属线圈的另一端连接，位于第二层的所述直通金属线圈的另一端与所述射频信号输入端口连接，并通过第十通孔分别与位于偶数层的所述直通金属线圈的另一端连接。
9.一种射频前端模块，其特征在于所述射频前端模块中包括有权利要求1～8中任意一项所述的3dB正交混合耦合器。
10.一种通信终端，其特征在于所述通信终端中包括有权利要求1～8中任意一项所述的3dB正交混合耦合器。
CN202010503553.4A 2020-06-05 2020-06-05 一种3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端 Active CN111755792B (zh)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010503553.4A CN111755792B (zh) 2020-06-05 2020-06-05 一种3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端
PCT/CN2021/098457 WO2021244648A1 (zh) 2020-06-05 2021-06-04 一种3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端
JP2022574499A JP2023529627A (ja) 2020-06-05 2021-06-04 ３ｄＢ直交ハイブリッドカプラ、高周波フロントエンドモジュール及び通信端末
EP21818033.9A EP4164053A1 (en) 2020-06-05 2021-06-04 3 db orthogonal hybrid coupler, radio-frequency front-end module and communication terminal
KR1020237000537A KR20230029767A (ko) 2020-06-05 2021-06-04 3dB 직교 혼합 결합기 및 무선 주파수 프런트엔드 모듈, 통신 단말기
US18/061,482 US20230100717A1 (en) 2020-06-05 2022-12-05 3 db orthogonal hybrid coupler, radio-frequency front-end module and communication terminal

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010503553.4A CN111755792B (zh) 2020-06-05 2020-06-05 一种3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111755792A true CN111755792A (zh) 2020-10-09
CN111755792B CN111755792B (zh) 2022-03-04

Family

ID=72674804

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010503553.4A Active CN111755792B (zh) 2020-06-05 2020-06-05 一种3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230100717A1 (zh)
EP (1) EP4164053A1 (zh)
JP (1) JP2023529627A (zh)
KR (1) KR20230029767A (zh)
CN (1) CN111755792B (zh)
WO (1) WO2021244648A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021244648A1 (zh) * 2020-06-05 2021-12-09 唯捷创芯(天津)电子技术股份有限公司 一种3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端
CN113871136A (zh) * 2021-08-24 2021-12-31 锐石创芯（深圳）科技有限公司 耦合器及射频前端模组
CN115173017A (zh) * 2022-06-28 2022-10-11 中国电子科技集团公司第四十三研究所 一种采用折叠耦合线结构的微型90°功分器

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1620754A (zh) * 2002-01-22 2005-05-25 M/A-Com公司 改进正交混合电路和芯片尺度封装中使用其的改进矢量调制器
CN1635661A (zh) * 2003-12-30 2005-07-06 台达电子工业股份有限公司 高频滤波器
CN1647316A (zh) * 2002-06-13 2005-07-27 松下电器产业株式会社 天线控制单元和相控阵天线
CN1894823A (zh) * 2003-12-08 2007-01-10 韦拉托内有限公司 双层耦合器
CN101953019A (zh) * 2008-01-29 2011-01-19 赫梯特微波公司 改进的螺旋耦合器
JP2012186734A (ja) * 2011-03-07 2012-09-27 Mitsubishi Electric Corp 多層方向性結合器
CN108631036A (zh) * 2018-04-09 2018-10-09 北京翰飞电子科技有限公司 单芯片正交3dB定向耦合器
RU2693501C1 (ru) * 2018-10-03 2019-07-03 Акционерное общество "Микроволновые системы" Спиральный сверхширокополосный микрополосковый квадратурный направленный ответвитель

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9123982B2 (en) * 2011-12-05 2015-09-01 Peking University Directional coupler integrated by CMOS process
CN111755792B (zh) * 2020-06-05 2022-03-04 唯捷创芯(天津)电子技术股份有限公司 一种3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1620754A (zh) * 2002-01-22 2005-05-25 M/A-Com公司 改进正交混合电路和芯片尺度封装中使用其的改进矢量调制器
CN1647316A (zh) * 2002-06-13 2005-07-27 松下电器产业株式会社 天线控制单元和相控阵天线
CN1894823A (zh) * 2003-12-08 2007-01-10 韦拉托内有限公司 双层耦合器
CN1635661A (zh) * 2003-12-30 2005-07-06 台达电子工业股份有限公司 高频滤波器
CN101953019A (zh) * 2008-01-29 2011-01-19 赫梯特微波公司 改进的螺旋耦合器
JP2012186734A (ja) * 2011-03-07 2012-09-27 Mitsubishi Electric Corp 多層方向性結合器
CN108631036A (zh) * 2018-04-09 2018-10-09 北京翰飞电子科技有限公司 单芯片正交3dB定向耦合器
RU2693501C1 (ru) * 2018-10-03 2019-07-03 Акционерное общество "Микроволновые системы" Спиральный сверхширокополосный микрополосковый квадратурный направленный ответвитель

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021244648A1 (zh) * 2020-06-05 2021-12-09 唯捷创芯(天津)电子技术股份有限公司 一种3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端
CN113871136A (zh) * 2021-08-24 2021-12-31 锐石创芯（深圳）科技有限公司 耦合器及射频前端模组
CN113871136B (zh) * 2021-08-24 2022-07-26 锐石创芯(深圳)科技股份有限公司 耦合器及射频前端模组
WO2023024654A1 (zh) * 2021-08-24 2023-03-02 锐石创芯(深圳)科技股份有限公司 耦合器及射频前端模组
CN115173017A (zh) * 2022-06-28 2022-10-11 中国电子科技集团公司第四十三研究所 一种采用折叠耦合线结构的微型90°功分器
CN115173017B (zh) * 2022-06-28 2024-04-09 中国电子科技集团公司第四十三研究所 一种采用折叠耦合线结构的微型90°功分器

Also Published As

Publication number Publication date
CN111755792B (zh) 2022-03-04
WO2021244648A1 (zh) 2021-12-09
JP2023529627A (ja) 2023-07-11
KR20230029767A (ko) 2023-03-03
EP4164053A1 (en) 2023-04-12
US20230100717A1 (en) 2023-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111755792B (zh) 一种3dB正交混合耦合器及射频前端模块、通信终端
US8314663B2 (en) Directional coupler
US7755447B2 (en) Multilayer balun, hybrid integrated circuit module, and multilayer substrate
KR101119910B1 (ko) 모바일 ｒｆｉｄ 리더 송수신 시스템
US8049589B2 (en) Balun circuit manufactured by integrate passive device process
US9093734B2 (en) Miniature radio frequency directional coupler for cellular applications
US8330551B2 (en) Dual band high frequency amplifier using composite right/left handed transmission line
US6549089B2 (en) Microstrip directional coupler loaded by a pair of inductive stubs
CN103022616B (zh) 基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器
CN101673864A (zh) 使用整合被动组件工艺制造的巴伦器
KR20140020911A (ko) 모듈간 통신 장치
US8203396B2 (en) Thin film balun
CN104241749B (zh) 一种传输零点可控的微带滤波器
US8008987B2 (en) Balun circuit manufactured by integrate passive device process
US7459989B2 (en) Integrated phase shifter of differential signals in quadrature
US10454444B2 (en) Integrated delay modules
US20190068166A1 (en) Phase shifter module, multiplexer/demultiplexer, and communication apparatus
US9979374B2 (en) Integrated delay modules
CN213213434U (zh) 天线装置
US9362883B2 (en) Passive radio frequency signal handler
JP5578440B2 (ja) 差動伝送線路
JPH1197962A (ja) 高周波部品
EP3712912B1 (en) Oscillator system comprising a transformer
CN117525796A (zh) 一种功率分配器及多路功率分配装置
CN104953211A (zh) L波段外负载可正交功分滤波器组

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant