CN115101911A - 一种超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片。包括耦合基片以及设在所述耦合基片上的主传输线、耦合传输线、接地焊盘、匹配枝节、耦合电阻和50欧姆接地电阻；主传输线与耦合传输线为物理上正交的结构设置，两者通过耦合电阻连接；主传输线的中部切去了250um×10um微带区域构成匹配枝节；耦合传输线通过50欧姆接地电阻连接有接地焊盘。本发明基于电阻耦合的方式实现超宽带、高线性、小型化双向耦合电路，实现了高精度耦合参数提取，提高了电路集成度。

Description

一种超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片

技术领域

本发明涉及耦合电路技术领域，特别涉及一种超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片。

背景技术

在射频微波电路设计中，耦合电路极为常见，通常耦合电路用于提取信号参数进行微波通道的自检/自校准，以及功率耦合监测等功能。

传统的耦合电路为传输线的宽边耦合模式（如图5和图6所示的2种结构），图6所示的结构其耦合端口和隔离端口通过外接负载可互换；虽然这两种结构的耦合电路可以实现宽带耦合特性，但只能实现一个信号方向的耦合提取，即耦合具有定向性。信号传输方向为：第一端口-第二端口，耦合方向为：第一端口-第三端口。其另外一个缺点的是该种结构的电路尺寸较大，传统结构长度尺寸与工作频率相关，工作频率越低，工作带宽越宽，则需要的耦合电路尺寸越大。以现有的GaAs耦合器芯片为例，工作带宽最宽为2-18GHz，9倍频程，典型尺寸为3mm×3mm，通常其耦合枝节线的长度为半波长，同时为了拓展带宽，需要采用多级耦合的结构，如图6所示，在宽带情况下，则需要多个波长尺寸，且不能实现双向耦合。

现有技术中，有专利202011309598.4公开了一种基于正交场双向耦合的小型化电路，其采用金带正交耦合的方式实现了双向耦合，并且实现了尺寸小型化，其优点是实现了小型化，缺点是通过金带的正交耦合；基于此其存在耦合度调谐范围小的缺点，如＞-10dB以上的耦合度难以实现，且工作频段不宽，约10%的工作带宽，而且跨金带的结构还导致了耦合第三端口驻波较差，这种结构适合对耦合要求不高的场合下应用，如自检。

还有专利201910326287.X通过3线耦合的方式实现宽带功分，工作频率2-6GHz，其工作原理采用传统电路的传输线的宽边耦合，通过3个传输线之间的宽边耦合，提高耦合度，但实现的工作带宽仍不能满足部分场景下的需求。

综上所述，现有技术中没有基于电阻耦合的实现方式，即主传输线和耦合传输线之间通过电阻实现能量耦合传输，且现有技术中的耦合电路结构无法实现宽频带、高线性、小型化应用需求，当下在射频微波电路领域迫切需要有新的结构形式来实现高精度的小型化耦合电路。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片，主传输线和耦合传输线之间通过耦合电阻构成物理上正交的结构，实现耦合传输线的端口分别与主传输线两端口间的对称耦合，基于电阻耦合的方式实现超宽带、高线性、小型化的双向耦合电路芯片。

本发明提供了一种超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片，具体技术方案如下：

包括耦合基片以及设在所述耦合基片上的主传输线、耦合传输线、接地焊盘、匹配枝节、耦合电阻、50欧姆接地电阻和测试接地焊盘，所述主传输线的线宽为70um；

所述主传输线与所述耦合传输线为物理上正交的结构设置，所述主传输线与所述耦合传输线之间通过所述耦合电阻连接；

所述主传输线的中部切去了250um×10um微带区域，在所述主传输线耦合位置处构成匹配枝节；

所述主传输线两端分别为第一端口和第二端口，所述耦合传输线与所述主传输线连接的另一端为第三端口，所述第一端口至所述第三端口与所述第二端口至所述第三端口呈对称耦合结构；

所述耦合传输线通过所述50欧姆接地电阻连接所述接地焊盘。

进一步的，所述第一端口至所述第三端口与所述第二端口至所述第三端口的耦合度相同。

进一步的，所述耦合基片采用砷化镓或陶瓷或石英基材制成。

进一步的，所述主传输线为射频信号微带传输线，实现第一端口到第二端口的双向信号传输。

进一步的，所述耦合传输线为耦合信号微带传输线，实现耦合信号输出。

进一步的，所述接地焊盘上设有接地孔，所述接地孔为金属化通孔或实心孔，实现信号良好接地。

进一步的，所述耦合电阻采用印制电阻。

进一步的，所述印制电阻采用25um×98um的50欧姆方阻，对应的耦合度为-20dB。

本发明的有益效果如下：

1、本发明实现耦合电路3个端口全匹配，具有小型化特点，电路尺寸与工作频率无关，不占用额外的电路尺寸即可实现射频信号耦合提取，可实现电路小型化集成，解决了工程应用的小型化应用耦合信号高精度提取问题。

2、本发明具有超宽带频率特点，基于电阻耦合形式实现的耦合电路芯片，可以实现比较宽的耦合量调整，通过调整电阻大小实现耦合量的调整，能够实现大范围的耦合量调整，同时使得带宽与工作频率和耦合波长无关，脱离工作带宽的限制，具有高线性度特点，解决了传统的宽边耦合电路无法实现大工作带宽的问题，且极大的降低了成本，提高了电路集成度。

附图说明

图1是本发明的耦合电路芯片组成结构示意图；

图2是本发明实施例1的仿真模型示意图；

图3是本发明实施例1的仿真结果示意图；

图4是本发明实施例1的不同耦合电阻情况下的耦合量仿真结果示意图；

图5是传统单向耦合电路示意图；

图6是传统带线耦合电路示意图。

附图标记说明：1-耦合基片、2-主传输线、3-耦合传输线、4-接地焊盘、5-接地孔、6-匹配枝节、7-耦合电阻、8-50欧姆接地电阻、9-测试接地焊盘。

具体实施方式

在下面的描述中对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明的实施例1公开了一种超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片，如图1所示，包括：

耦合基片1以及设在所述耦合基片1上的主传输线2、耦合传输线3、接地焊盘4、匹配枝节6、耦合电阻7和50欧姆接地电阻8。

所述传输基片介质材料可采用Al2O3陶瓷、石英基材等介质基片，本实施实例选择0.1mm厚的GaAs基片，主传输线的线宽为70um，整个耦合电路尺寸为650um×650um，是传统2-18GHz耦合器芯片的尺寸的5%以下。

所述测试接地焊盘9与射频端口构成GSG结构，本实施例中耦合电路芯片共有3个射频接口，6个测试接地焊盘。

所述主传输线2与所述耦合传输线3为物理上正交的结构设置，所述主传输线2与所述耦合传输线3之间通过所述耦合电阻7连接，所述耦合电阻7，为主传输线2和耦合传输线3之间的电阻，通过调整电阻大小实现耦合量的调整，实现不同耦合度的设计；

本实施例中，所述耦合电阻7采用印制电阻，印制电阻的电阻值大小可通过调整其方阻值和长宽比实现，即方阻值与长宽比的乘积为电阻值大小。

结合图2和图3所示，分别为仿真模型和仿真结果，在本实施例中，所述印制电阻采用25um×98um的50欧姆方阻，对应的耦合度为-20dB；现有技术中，基于传统的宽边耦合电路无法实现大工作带宽，目前的芯片耦合器，最宽工作频率为2-18GHz，耦合平坦度超过4dB，线性度差，本实施例中，工作频率为0.1-40GHz甚至更宽，超过400倍频程，远超现有技术的最宽9倍频工作带宽，且在整个0.1-40GHz频带内耦合平坦度＜0.5dB，远远超过现有技术水平，通过调整耦合电阻7的大小，实现不同耦合度的调整，如图4所示，为不同耦合电阻7情况下的第三端口的耦合量，实现了耦合量从-10dB到-25dB的线性调整。

本实施例中通过耦合电阻提取耦合信号，通过印制电阻实现信号耦合和第三端口的匹配，任何改变电阻连接方式，如通过焊接方式安装电阻等均属于本专利权利主张范围内。

所述主传输线2两端分别为第一端口和第二端口，所述耦合传输线3与所述主传输线2连接的另一端为第三端口，实现从第一端口到第三端口，第二端口到第三端口的对称耦合，且所述第一端口至所述第三端口与所述第二端口至所述第三端口的耦合度相同；

在实际中，可根据耦合第三端口的实际需要调整耦合端口位置，例如左右旋转一定的角度等。

本实施例中，所述主传输线2和所述耦合传输线3采用的传输线为微带线结构，所述主传输线2为射频信号微带传输线，实现第一端口到第二端口的双向信号传输；

所述耦合传输线3为耦合信号微带传输线，实现耦合信号输出。

所述主传输线2的中部，相对与耦合传输线3连接的一端，切去了250um×10um微带区域，在所述主传输线2耦合位置处形成匹配枝节6，所述匹配枝节6，用来抵消耦合电阻7对主传输信号的影响，进而调整主传输第一端口和第二端口的射频驻波。实现了第一端口和第二端口的良好匹配，如图3所示，第一端口和第二端口回波损耗≤-22dB；

所述耦合传输线3通过所述50欧姆接地电阻8连接所述接地焊盘4，所述接地焊盘4为耦合端口的接地焊盘4；

所述接地焊盘4上设有接地孔5，所述接地孔5为金属化通孔或实心孔，实现信号良好接地，本实施实例中，选取直径为50um的金属化通孔，在实际应用中还可其它的接地方式，例如通过金丝键合到接地焊盘4等方式。

所述50欧姆接地电阻8，为长宽比为1的50方阻的印制电阻,本实施例中，该印制电阻尺寸为20um×20um，即50欧姆电阻，与50欧姆传输阻抗匹配。

本实施例中，耦合传输线3经过50欧姆电阻，再经过接地焊盘4和接地孔5实现射频信号到地，进而实现了第三端口经过50欧姆匹配到地的目的，第三端口是匹配的，实现了良好的驻波特点；通过在所述主传输线2上切去的250um×10um微带区域，在主传输线2耦合位置处构成的匹配枝节6，实现了第一端口和第二端口的良好匹配；结合图3所示，第一端口和第二端口回波损耗≤-19dB，第三端口回波损耗≤-22dB。

本实施例的耦合电路芯片，适合超宽带DC-40GHz，高精度耦合情况下应用，例如，可以在仪器系统中应用，如矢量网络分析仪中的耦合检测，矢量网络分析仪工作原理就是通过耦合端口测试回波，其可以应用到0.1-40GHz。

本发明中提出了基于电阻形式实现的小型化、高线性，三端口匹配的收发双向耦合电路的结构形式。凡依本发明所做的均等变化与修饰，包括：改变介质基板材料、耦合提取方法（如焊接电阻）、接地形式，匹配枝节6（改变匹配枝节6形状），耦合量调整方法（如增加冗余焊盘通过跳金丝短接电阻方式调整耦合量）等均属本专利主张的权利保护范围。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片，其特征在于，包括耦合基片以及设在所述耦合基片上的主传输线、耦合传输线、接地焊盘、匹配枝节、耦合电阻，50欧姆接地电阻和测试接地焊盘，所述主传输线的线宽为70um；

所述主传输线与所述耦合传输线为物理上正交的结构设置，所述主传输线与所述耦合传输线之间通过所述耦合电阻连接；

所述主传输线的中部切去了250um×10um微带区域，在所述主传输线耦合位置处构成匹配枝节；

所述主传输线两端分别为第一端口和第二端口，所述耦合传输线与所述主传输线连接的另一端为第三端口，所述第一端口至所述第三端口与所述第二端口至所述第三端口呈对称耦合结构；

所述耦合传输线通过所述50欧姆接地电阻连接所述接地焊盘。

2.根据权利要求1所述的超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片，其特征在于，所述第一端口至所述第三端口与所述第二端口至所述第三端口的耦合度相同。

3.根据权利要求1所述的超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片，其特征在于，所述耦合基片采用砷化镓或陶瓷或石英基材制成。

4.根据权利要求1所述的超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片，其特征在于，所述主传输线为射频信号微带传输线，实现第一端口到第二端口的双向信号传输。

5.根据权利要求1所述的超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片，其特征在于，所述耦合传输线为耦合信号微带传输线，实现耦合信号输出。

6.根据权利要求1所述的超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片，其特征在于，所述接地焊盘上设有接地孔，所述接地孔为金属化通孔或实心孔，实现信号良好接地。

7.根据权利要求1所述的超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片，其特征在于，所述耦合电阻采用印制电阻。

8.根据权利要求7所述的超宽带高线性小型化双向耦合电路芯片，其特征在于，所述印制电阻采用25um×98um的50欧姆方阻，对应的耦合度为-20dB。

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