CN115603021B - 定向耦合器和微波器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种定向耦合器和微波器件，所述定向耦合器包括：耦合线，其包括第一传输线组和第二传输线组，所述第一传输线组具有一输入端和一同相输出端，所述第二传输线组具有一隔离端和一正交输出端；多个开关，其对应安装在所述第一传输线组和所述第二传输线组上，当所述开关断开时，所述定向耦合器的信号传输路径的长度等于所述耦合线的长度，当所述开关闭合时，所述定向耦合器的信号传输路径的长度小于所述耦合线的长度。本发明在不增加耦合线尺寸的基础上，通过所述开关切换调整耦合线的等效尺寸、大大展宽了定向耦合器的工作带宽。

Description

定向耦合器和微波器件

技术领域

本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种定向耦合器和微波器件。

背景技术

第五代（5G）移动网络被期许在数据流量和用户体验方面实现重大飞跃。为了实现高数据率，同时确保优于1毫秒的延迟，频谱效率与宽调制带宽相结合是关键指标。目前3GPP发布了大量的毫米波频谱资源，而不同国家或地区采用的频段不尽相同。

典型的几种正交移相的方案有：双分支线微带正交混合桥，环形混合桥，耦合线定向耦合器，传输线，LC网络和多相滤波器。LC网络实现的正交移相器尺寸紧凑，但工作带宽过窄。多相滤波器能够在超宽频带上实现90°相移同时具有紧凑器件尺寸，但其巨大的插入损耗需要额外的放大器来弥补，这将增加系统功耗和额外的芯片尺寸开销。多段式功分器级联高通网络以及多段式耦合线定向耦合器能够实现带宽展宽目标，但多段式方案带来的巨大尺寸难以实现芯片集成。常用的带宽拓展方案或是在低频段尺寸过大、难以实现芯片内集成，或是损耗过大、无法满足系统指标要求。因此，亟需一种超宽带且尺寸紧凑的片上正交移相方案。

发明内容

本发明提供一种定向耦合器和微波器件，用以解决现有技术的定向耦合器的因带宽过窄或尺寸过大而无法同时满足在不同场景下工作频段跨度大的需求的问题。

第一方面，本发明提供一种定向耦合器，所述定向耦合器包括：

耦合线，其包括第一传输线组和第二传输线组，所述第一传输线组具有一输入端和一同相输出端，所述第二传输线组具有一隔离端和一正交输出端；

多个开关，其对应安装在所述第一传输线组和所述第二传输线组上，当所述开关断开时，所述定向耦合器的信号传输路径的长度等于所述耦合线的长度，当所述开关闭合时，所述定向耦合器的信号传输路径的长度小于所述耦合线的长度。

在本发明一实施例中，所述定向耦合器还包括用于分压和隔离射频信号的第一电阻，所述开关为晶体管，所述晶体管的第一电极和第二电极接在同一根传输线组上的一段耦合线，所述晶体管的第三电极与所述第一电阻串联后再与外部的控制端连接，所述控制端通过向所述晶体管输入高电平或低电平信号以对应控制所述晶体管的闭合或断开；当所述晶体管闭合时，所述晶体管使得所在传输线组的部分耦合线被短路以实现所述定向耦合器的信号传输路径的长度小于所述耦合线的长度。

在本发明一实施例中，所述第一传输线组和所述第二传输线组均由至少两层的传输线构成，每层传输线包括至少两根传输线，所述至少两层的传输线形成叠层结构，所述叠层结构的耦合包括同层传输线之间的侧边耦合和上下层传输线之间的平面耦合。

在本发明一实施例中，所述至少两层的传输线包括第一层传输线和第二层传输线，所述第一层传输线包括第一传输线和第四传输线，所述第二层传输线包括与所述第一传输线和所述第四传输线相对应的第二传输线和第三传输线，所述第一传输线与所述第二传输线实现平面耦合，所述第一传输线与所述第四传输线实现侧边耦合。

在本发明一实施例中，每个传输组由不同层的两根传输线构成，若所述第一传输线组包括第一传输线和第三传输线，则所述第二传输线组包括第二传输线和第四传输线，所述第一传输线和所述第三传输线均安装有所述开关，所述第二传输线和所述第四传输线均安装有所述开关，所述第一传输线组上安装的开关数量和所述第二传输线组上安装的开关数量相等。

在本发明一实施例中，位于上层的所述第一传输线和所述第四传输线以及位于下层并与所述第一传输线和所述第四传输线相对应的所述第二传输线和所述第三传输线分别以并排方式从内往外进行绕线以形成具有预设形状的第一线圈。

在本发明一实施例中，所述定向耦合器还包括第二线圈，所述第一线圈与所述第二线圈通过金属通孔连接，所述第二线圈为所述第一线圈的镜像线圈。

在本发明一实施例中，所述预设形状为多边形或圆形。

在本发明一实施例中，所述第一传输线、所述第二传输线、所述第三传输线以及所述第四传输线的宽度相同或不相同；所述第一传输线、所述第二传输线、所述第三传输线以及所述第四传输线的长度相同。

在本发明一实施例中，所述开关为双极结型晶体管或场效应晶体管。

在本发明一实施例中，所述定向耦合器还包括第二电阻，所述隔离端与所述第二电阻串联后接地。

第二方面，本发明提供一种微波器件，所述微波器件包括如第一方面任一项所述的定向耦合器。

本发明提供的一种定向耦合器和微波器件，通过提供多个开关，并将所述开关引入至耦合线中，通过切换该开关的断开和闭合来调节所述定向耦合器的有效工作长度，从而可以切换所述定向耦合器的工作频率，故本发明在不增加耦合线尺寸的基础上，通过开关切换调整耦合线的等效尺寸、大大展宽了定向耦合器的工作带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的定向耦合器的结构示意图；

图2是基于图1的开关断开的定向耦合器的结构示意图；

图3是基于图1的开关闭合的定向耦合器的结构示意图；

图4（a）是本发明实施例提供的耦合线的结构示意图；

图4（b）是图4（a）中A1部放大图；

图5是本发明实施例提供的定向耦合器的顶部示意图；

图6是本发明实施例提供的定向耦合器的底部示意图；

图7（a）是本发明另一实施例定向耦合器的顶部示意图；

图7（b）是图7（a）中A2部放大图；

图8是本发明实施例提供的仿真幅度和相位误差的变化曲线图；

图9（a）~图9（h）是本发明实施例的000到111八个状态的不同仿真散射参数的变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。

以下对本发明涉及的技术术语进行描述：

定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合（分配）元件。它是一种四端口元件，通常由直通线（主线）和耦合线（副线）的两段传输线组合而成。直通线和耦合线之间通过一定的耦合机制（例如缝隙、孔、耦合线段等）把直通线功率的一部分（或全部）耦合到耦合线中，并且要求功率在耦合线中只传向某一输出端口，另一端口则无功率输出。如果直通线中波的传播方向变为与原来的方向相反，则耦合线中功率的输出端口与无功率输出的端口也会随之改变，也就是说，功率的耦合（分配）是有方向的，因此称为定向耦合器（方向性耦合器）。定向耦合器作为许多微波电路的重要组成部分被广泛应用于现代电子系统之中。

为了解决现有技术的定向耦合器的因带宽过窄或尺寸过大而无法同时满足在不同场景下工作频段跨度大的需求的问题，本发明提供一种定向耦合器和微波器件，通过提供多个开关，并将所述开关引入至耦合线中，通过切换该开关的断开和闭合来调节所述定向耦合器的有效工作长度，从而可以切换所述定向耦合器的工作频率，故本发明在不增加耦合线尺寸的基础上，通过开关切换调整耦合线的等效尺寸、大大展宽了定向耦合器的工作带宽，实现所述定向耦合器的频带可调。

下面结合图1-图9（h）描述本发明的定向耦合器和微波器件。

请参考图1，图1是本发明提供的定向耦合器的结构示意图。一种定向耦合器，包括耦合线10和多个开关20。耦合线10包括第一传输线组100和第二传输线组101，第一传输线组100具有一输入端1001和一同相输出端1002，第二传输线组101具有一隔离端1011和一正交输出端1012。信号由输入端1001输入后，信号由同相输出端1002和正交输出端1012分别输出，在理想情况下隔离端1011无信号输出。理想情况下的定向耦合器的两路输出（即同相输出端1002输出和正交输出端1012输出）信号，幅度相等，相位相差90°。

示例性地，隔离端1011通过串联一预设值的第二电阻R2接地，例如该预设值可以是50欧姆。

示例性地，多个开关20对应安装在第一传输线组100和第二传输线组101上，当开关20断开时（如图2所示），定向耦合器的信号传输路径的长度等于耦合线的长度，也就是说定向耦合器的信号传输路径的长度为第一传输线组或第二传输线组的长度。当开关20闭合时（如图3所示），定向耦合器的信号传输路径的长度小于耦合线的长度，也就是说因为开关闭合使得第一传输线组和第二传输线组的部分传输线短路而导致信号传输路径的长度小于第一传输线组或第二传输线组的长度。因此，开关的导通可以为信号提供一短路路径，即耦合线被短路，从而导致定向耦合器在导通状态下的等效长度变短、工作频段向高频偏移。

需要说明的是，信号传输路径是指信号实际所经过的传输线长度，耦合线长度是指第一传输线组或第二传输线组的传输线长度，第一传输线组的传输线长度等于第二传输线组的传输线长度。

示例性地，再如图1所示，定向耦合器还包括用于分压和隔离射频信号的第一电阻R1，第一电阻R1的作用是分压和隔离射频信号，开关20可以是晶体管，例如是双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，简称BJT）或场效应晶体管（Field Effect Transistor，简称FET)。

若是BJT晶体管，则BJT晶体管的集电极C和发射极E接在同一根传输线组上的一段耦合线，例如接在第一传输线组100的一段耦合线，也可以接在第二传输线组101上的一段耦合线。BJT晶体管的基极B与第一电阻R1串联后再与外部的控制端连接。外部的控制端可以输出电平信号，例如高电平信号或低电平信号，外部的控制端通过向BJT晶体管输入高电平信号以控制BJT晶体管的闭合以实现BJT晶体管导通。外部的控制端也可以通过向BJT晶体管输入低电平信号以控制BJT晶体管的断开以使得BJT晶体管不导通。由于BJT晶体管闭合而导通，使得所在传输线组的部分耦合线被短路以实现定向耦合器的信号传输路径的长度小于耦合线的长度。

若是FET晶体管，则FET晶体管的漏极D和源极S接在同一根传输线组上的一段耦合线，例如接在第一传输线组100的一段耦合线，也可以接在第二传输线组101上的一段耦合线。FET晶体管的栅极G与第一电阻R1串联后再与外部的控制端连接。外部的控制端可以输出电平信号，例如高电平信号或低电平信号，外部的控制端通过向FET晶体管输入高电平信号以控制FET晶体管的闭合以实现FET晶体管导通。外部的控制端也可以通过向FET晶体管输入低电平信号以控制FET晶体管的断开以使得FET晶体管不导通。由于FET晶体管闭合而导通，使得所在传输线组的部分耦合线被短路以实现定向耦合器的信号传输路径的长度小于耦合线的长度。

可以理解的是，本发明所述开关也可以是其他开关器件，不限于上述示出的BJT晶体管或FET晶体管。

本发明通过将开关引入耦合线中，通过切换开关的关闭和断开来调节耦合器的有效工作长度，从而切换定向耦合器的工作频段，并实现定向耦合器的频带可调。

此外，本发明提供的耦合线也可以是层叠结构的耦合线，例如第一传输线组100和第二传输线组101均由至少两层的传输线构成，每层传输线包括至少两根传输线，所述至少两层的传输线形成叠层结构，所述叠层结构的耦合包括同层传输线之间的侧边耦合和上下层传输线之间的平面耦合。

请参考图4（a）、图4（b），图4（a）是本发明实施例提供的耦合线的结构示意图，图4（b）是图4（a）中A1部放大图。将耦合线10拆分第一传输线组100（具有输入端和同相输出端）和第二传输线组101（具有隔离端和正交输出端），所述至少两层的传输线包括第一层传输线40和第二层传输线41，第一层传输线40包括第一传输线401和第四传输线404，第二层传输线41包括与第一传输线401和第四传输线404相对应的第二传输线402和第三传输线403，第一传输线401与第二传输线402实现平面耦合，第一传输线401与第四传输线404实现侧边耦合。

每个传输组由不同层的两根传输线构成，若第一传输线组100包括第一传输线401和第三传输线403，则第二传输线组101包括第二传输线402和第四传输线404。

需要说明的是，叠层结构的耦合度可由同层传输线之间的间距D来调节。同层传输线之间的间距D、叠层之间的间距H以及每根传输线的线宽W可根据实际需求而设计，本发明对此不做限定。第一传输线401、第二传输线402、第三传输线403以及第四传输线404的宽度W相同或不相同；第一传输线401、所述第二传输线402、第三传输线403以及第四传输线404的长度相同。

本发明所述开关也可以基于图4（a）示出的耦合线的基础上增加开关，如图5、图6以及图7（a）、图7（b）所示，图5是本发明实施例提供的定向耦合器的顶部示意图，图6是本发明实施例提供的定向耦合器的底部示意图，图7（a）是本发明另一实施例定向耦合器的顶部示意图，图7（b）是图7（a）中A2部放大图。

位于上层的第一传输线401和第四传输线404以及位于下层并与第一传输线401和第四传输线404相对应的第二传输线402和第三传输线403分别以并排方式从内往外进行绕线以形成具有预设形状（例如是多边形，也可以是圆形，图5、图6、图7（a）以及图7（b）示出的是多边形）的第一线圈501。定向耦合器还包括第二线圈502，第一线圈501与第二线圈502通过金属通孔503连接，第二线圈502为第一线圈501的镜像线圈。

其中，第一传输线401和第三传输线403均安装有开关20，第二传输线402和第四传输线404均安装有开关20，第一传输线组100上安装的开关数量和第二传输线组101上安装的开关数量相等。

由图5、图6、图7（a）以及图7（b）可知，定向耦合器的第一传输线组100或第二传输线组101的两根耦合线均由多圈线圈实现。开关20的两端可以连接在同一线圈的相同传输线的相邻两圈传输线（例如图5、图7（b）中的标号504）上，例如图5示出了三组开关，每组开关各配置有四个开关，第一线圈501和第二线圈502的开关组对称设置，第一组开关各配置有一组控制端进行控制，例如第一组开关的每个开关的通断均由第一组控制端来控制。当开关20导通时，信号可以通过开关20直接从当前圈流入下一圈，并使得当前圈的传输线被短路，从而导致定向耦合器的传输线的有效长度缩短。

需要说明的是，图5示出的是三组开关，每组开关配置有四个开关，但本发明所述定向耦合器设置的开关组的数量由频段切换的范围和精度决定。切换精度越高、范围越大，则开关组的数量越多。开关组的数量的上限由版图尺寸容纳能力决定。

此外，本发明所述定向耦合器可应用在如下领域：

例如，（1）IQ混频器的中频正交端口；（2）平衡式放大器输入端信号生成；（3）输出端信号合成；（4）Doherty（多赫蒂）功率放大器输入正交信号的生成。

示例性地，请参考图8，图8是本发明实施例提供的仿真幅度和相位误差的变化曲线图。本发明采用了三组开关，每组由一位控制字控制高低电平，每组含八个开关管。该三组开关管使得耦合线耦合器具有了八种频段的切换状态，在100%的相对带宽上、从2.8 GHz到8.4 GHz频段，实现了幅度误差<±1 dB，相位误差<±5°。而图9（a）~图9（h）示出了本发明实施例在000到111八个状态下的仿真散射参数，其中各端口的回波损耗小于-13 dB。

由此可知，传统的定向耦合器带宽受到结构的约束，无法同时提供在不同场景下工作频段跨度大的需求。并且多段式的带宽展宽方案尺寸过大、芯片内实现的成本过高，难以在中频频段集成到芯片当中。而本发明提供的频带可调的定向耦合器，在定向耦合器中引入了开关切换技术，通过开关调整耦合线的有效长度，从而切换定向耦合器的工作频段。本发明在不牺牲芯片尺寸的前提下，拓宽了定向耦合器的工作带宽。

另外，本发明实施例还提供一种微波器件，微波器件包括上述所述的定向耦合器。

示例性地，微波器件可以为微波振荡器（微波源）、功率放大器、混频器、检波器、微波天线、微波传输线等。通过电路设计，可将这些微波器件组合成各种有特定功能的微波电路，例如，利用这些微波器件可以组装成发射机、接收机、天线系统、显示器等，用于雷达、电子战系统和通信系统等电子装备，本申请实施例不对微波器件的类型进行限定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器包括：

耦合线，其包括相交的第一传输线组和第二传输线组，所述第一传输线组具有一输入端和一同相输出端，所述第二传输线组具有一隔离端和一正交输出端；

多个开关，其对应安装在所述第一传输线组和所述第二传输线组上且所述第一传输线组上的开关数量和所述第二传输线组的开关数量相等，当所述开关断开时，所述定向耦合器的信号传输路径的长度等于所述耦合线的长度，当所述开关闭合时，所述定向耦合器的信号传输路径的长度小于所述耦合线的长度且所述第一传输线组的传输线长度等于所述第二传输线组的传输线长度；

所述定向耦合器包括第一线圈、第二线圈以及三组开关，第一线圈和第二线圈的开关组对称设置，每组开关各配置有一组控制端进行控制，第一组开关的通断由第一组控制端来控制，第二组开关的通断由第二组控制端来控制，第三组开关的通断由第三组控制端来控制，每组控制端由一位控制字控制高低电平，三组开关使得所述定向耦合器具有000到111八种频段的切换状态。

2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器还包括用于分压和隔离射频信号的第一电阻，所述开关为晶体管，所述晶体管的第一电极和第二电极接在同一根传输线组上的一段耦合线，所述晶体管的第三电极与所述第一电阻串联后再与外部的控制端连接，所述控制端通过向所述晶体管输入高电平或低电平信号以对应控制所述晶体管的闭合或断开；当所述晶体管闭合时，所述晶体管使得所在传输线组的部分耦合线被短路以实现所述定向耦合器的信号传输路径的长度小于所述耦合线的长度。

3.根据权利要求1或2所述的定向耦合器，其特征在于，所述第一传输线组和所述第二传输线组均由至少两层的传输线构成，每层传输线包括至少两根传输线，所述至少两层的传输线形成叠层结构，所述叠层结构的耦合包括同层传输线之间的侧边耦合和上下层传输线之间的平面耦合。

4.根据权利要求3所述的定向耦合器，其特征在于，所述至少两层的传输线包括第一层传输线和第二层传输线，所述第一层传输线包括第一传输线和第四传输线，所述第二层传输线包括与所述第一传输线和所述第四传输线相对应的第二传输线和第三传输线，所述第一传输线与所述第二传输线实现平面耦合，所述第一传输线与所述第四传输线实现侧边耦合。

5.根据权利要求4所述的定向耦合器，其特征在于，每个传输组由不同层的两根传输线构成，若所述第一传输线组包括第一传输线和第三传输线，则所述第二传输线组包括第二传输线和第四传输线，所述第一传输线和所述第三传输线均安装有所述开关，所述第二传输线和所述第四传输线均安装有所述开关，所述第一传输线组上安装的开关数量和所述第二传输线组上安装的开关数量相等。

6.根据权利要求5所述的定向耦合器，其特征在于，位于上层的所述第一传输线和所述第四传输线以及位于下层并与所述第一传输线和所述第四传输线相对应的所述第二传输线和所述第三传输线分别以并排方式从内往外进行绕线以形成具有预设形状的第一线圈。

7.根据权利要求6所述的定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器还包括第二线圈，所述第一线圈与所述第二线圈通过金属通孔连接，所述第二线圈为所述第一线圈的镜像线圈。

8.根据权利要求7所述的定向耦合器，其特征在于，所述预设形状为多边形或圆形。

9.根据权利要求4所述的定向耦合器，其特征在于，所述第一传输线、所述第二传输线、所述第三传输线以及所述第四传输线的宽度相同或不相同；所述第一传输线、所述第二传输线、所述第三传输线以及所述第四传输线的长度相同。

10.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述开关为双极结型晶体管或场效应晶体管。

11.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器还包括第二电阻，所述隔离端与所述第二电阻串联后接地。

12.一种微波器件，其特征在于，所述微波器件包括如权利要求1~11任一项所述的定向耦合器。

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