CN115986358B

CN115986358B - 定向耦合器

Info

Publication number: CN115986358B
Application number: CN202310232429.2A
Authority: CN
Inventors: 任栋
Original assignee: Nanjing Suirui Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Suirui Technology Co ltd
Priority date: 2023-03-13
Filing date: 2023-03-13
Publication date: 2023-06-09
Anticipated expiration: 2043-03-13
Also published as: CN115986358A

Abstract

本申请提供了一种定向耦合器，包括：主信号线；与所述主信号线耦合的耦合信号线；以及设置在所述耦合信号线下方的至少一个导电线；其中，所述导电线的一端与所述耦合信号线重叠，所述导电线的另一端朝向远离所述主信号线的方向延伸，所述导电线的延伸方向垂直于所述耦合信号线的长度方向；并且所述导电线远离所述主信号线的一端连接有开关，所述开关被配置为控制所述导电线的接地状态。本申请提出的定向耦合器可以解决耦合器工作频带受限的问题。

Description

定向耦合器

技术领域

本申请涉及微电子技术领域，尤其涉及了一种定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，图1为现有技术中的定向耦合器的基本原理示意图，它是由两段靠的很近的，相互耦合的平行传输线组成，一段作为信号的主传输线，另一段作为信号的耦合线。如图1所示，定向耦合器包括主信号线以及与主信号线耦合的耦合信号线，当主信号线上输入信号时，由于电磁感应现象，耦合信号线上会产生耦合信号。

主信号线上有两个端口：输入端1，直通端2。耦合信号线也有两个端口：耦合端3，隔离端4，隔离端4通过隔离负载接地，也称为隔离负载端。

在现有技术中有对耦合器的频率调节的方案，例如申请号为201911339966.7的中国专利“一种可切换耦合频率的耦合器”，其通过开关改变耦合线的接入长度来实现耦合器耦合频率的变化，解决了传统的耦合器频率不可调的问题，但对于频率变化耦合器的定向度退化的情况并未阐述；又如申请号为202110210541.7的中国专利“一种可调耦合度双向耦合器及调节方法”，通过开关在耦合之路增加衰减网络，调节衰减电阻的方式在一定范围内调节耦合器工作频带，但该方法相对较为复杂且对于固定的衰减网络，可调节的频率范围有限。

发明内容

为了解决上述缺陷，本申请提出了一种频率可调的定向耦合器，可以通过可调工作带宽以解决耦合器工作频带受限的问题。

本申请的第一方面公开了一种定向耦合器，包括：主信号线；与所述主信号线耦合的耦合信号线；以及设置在所述耦合信号线下方的至少一个导电线；其中，所述导电线的一端与所述耦合信号线重叠，所述导电线的另一端朝向远离所述主信号线的方向延伸，所述导电线的延伸方向垂直于所述耦合信号线的长度方向；并且所述导电线远离所述主信号线的一端连接有开关，所述开关被配置为控制所述导电线的接地状态。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述至少一个导电线包括多组导电线，所述开关包括多组开关，其中每组导电线对应于每组开关。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述每组导电线包括至少两条导电线。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述主信号线和所述耦合信号线由微带线组成，且所述主信号线和所述耦合信号线中的一者或两者设置有金属块，以增加所述定向耦合器内部的电容。

在上述第一方面的一种可能的实现中，当所述主信号线和所述耦合信号线中均设置有所述金属块时，所述主信号线上的金属块与所述耦合线上的金属块对齐或错开设置。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述金属块的形状为方形、半球形或锥型中的至少一种。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述每组开关包括控制每个导电线接地的第一开关。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述每组开关还包括控制每组导电线的每条导电线之间导通的第二开关。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述定向耦合器还包括隔离负载，所述隔离负载根据开关切换来选通所述定向耦合器在不同工作状态下的负载。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述多组开关包括第一开关网络组和第二开关网络组，所述定向耦合器还包括开关控制电压电路，所述开关控制电压电路被配置为根据所述第一开关网络组和所述第二开关网络组的电平状态来选通所述负载。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述开关控制电压电路包括与门、或非门、和异或门。

与现有技术相比，本申请通过在耦合器的耦合信号线下方设置导电线，通过开关控制导电线的接地状态来改变耦合端的耦合分量，进一步改变对于设定的耦合度下耦合器的工作频率，能够通过可调工作带宽来解决耦合器工作频带受限的问题。

附图说明

图1是现有技术中定向耦合器的原理示意图；

图2a是根据本申请的一种频率可调的定向耦合器的结构的俯视图；

图2b是根据本申请的一种频率可调的定向耦合器的结构的侧视图；

图3a是根据本申请的一种频率可调的定向耦合器的结构的俯视图；

图3b是根据本申请的一种频率可调的定向耦合器的结构的侧视图；

图4是本申请一个实施例的一组开关的结构示意图；

图5a是本申请一个实施例的耦合器的状态示意图；

图5b是本申请一个实施例的耦合器的状态示意图；

图5c是本申请一个实施例的耦合器的状态示意图；

图6是本申请一个实施例的耦合器的耦合度随频率的变化曲线；

图7是本申请一个实施例的耦合器的插损随频率的变化曲线；

图8a是本申请的一个实施例的隔离负载的结构示意图；

图8b是本申请一个实施例的电平逻辑转换示意图；

图9是本申请一个实施例的耦合器的定向度随频率的变化曲线。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。虽然本申请的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本申请的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本申请的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本申请也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本申请的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，默认为同一定义。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。

如前所述，通常对于耦合器需要在很宽的工作频带范围内具有较稳定的耦合信号输出，需要有较好的平坦度，耦合信号过小则易受到其他信号的干扰，增加了监测主信号变化的难度；耦合信号过大则增加了耦合器的插损。另外，随着频率的变化端口之间的隔离度也会下降，耦合器的定向度指标也会降低以至于失去定向性能。因此，耦合器的耦合度、插损以及定向度的指标要求限制了其工作频段，限制了其应用范围。

本申请提出了一种频率可调的定向耦合器，可以通过控制可调工作带宽以解决现有的耦合器工作频带受限的问题。

本申请的一个实施例提供了一种定向耦合器，包括：主信号线；与主信号线耦合的耦合信号线；以及设置在耦合信号线下方的至少一个导电线；其中，导电线的一端与耦合信号线重叠，导电线的另一端朝向远离主信号线的方向延伸，导电线的延伸方向垂直于耦合信号线的长度方向；并且导电线远离主信号线的一端连接有开关，开关被配置为控制导电线的接地状态。

可以通过开关的切换状态来控制至少一个导电线的接地状态。当至少一个导电线接地时，耦合器的耦合端的耦合分量会降低，从而对于设定的耦合度，可以提高耦合器的工作频率。

在一些示例中，导电线的材料可以为金属。在其它的一些示例中，导电线的材料可以为其它材料，例如导电塑料或者导电陶瓷。

图2a是根据本申请的一种频率可调的定向耦合器的结构的俯视图，根据本申请一个实施例的定向耦合器除了主信号线，耦合信号线，还包括有多条金属线21。主信号线上有两个端口：输入端1，直通端2。耦合信号线也有两个端口：耦合端3，隔离端4，隔离端4通过隔离负载41接地。

如图2a所示，多组金属线21的一端位于耦合信号线的正下方，另一端朝向远离主信号线的方向延伸。多条金属线21的延伸方向垂直于主信号线和耦合信号线，每条金属线21沿着耦合信号线的长度方向平行且等间隔的设置。图2a中示出的金属线平行且等间隔的设置，但是金属线的方向和间隔并不限于此。在一些实施方式中，多条金属线也可以以非平行的方式设置。在其它的一些实施方式中，多条金属线也可以以非等间隔的方式设置。

多条金属线21在远离主信号线的一端分别连接有多组开关22，可以基于多组开关的状态切换来改变耦合器的工作频率。具体地，可以基于多组开关的状态切换来控制金属线21的状态。例如，金属线21处于悬浮状态或者是处于并入接地的状态。即通过多个开关的切换状态来控制并入接地的金属线的数量。若并入接地的金属线的数量越多，则耦合端3的耦合分量越少，从而对于设定的耦合度，耦合器的工作频率越高。

图2b是根据本申请的一种频率可调的定向耦合器的结构的侧视图。如图2b所示，主信号线包括金属层23和金属层24，金属层23和金属层24的组合能够减小信号到直通端的损耗。在图2b的示例的视角中，金属层23和金属层24是上下设置。在其它的一些示例中，金属层23和金属层24还可以是左右并齐的设置。耦合信号线包括金属层25。

在一些实施方式中，可以由厚金属层，例如图2b中的金属层23和金属层24的组合，来作为主信号线，金属层较大的厚度和较高的电导率可以减小信号到直通端的损耗，以降低主信号通路的插损。耦合信号线主要用于对主信号线进行能量耦合，对降低插损并无较高的要求，因此耦合信号线中的金属层的厚度可以设置为低于主信号线中的金属层的厚度。例如，图2b中金属层25的厚度等于主信号线中的一个金属层24的厚度。在其它的一些示例中，金属层25的厚度可以为其它厚度值，例如主信号线总厚度的1/2，1/3，1/5等。

另外，金属线的厚度可以设置为低于耦合信号线中金属层的厚度，如图2b中的金属线21所示。

另外，在图2a中，每两条金属线为一组，两两一组的金属线分别与电连接每组开关22连接，通过多组开关22的开闭改变多条金属线的接地状态，通过控制接入地的金属线的数量来改变耦合信号线的耦合端的耦合信号分量，在设计的目标耦合度不变的情况下，耦合器的工作频率可以在一定范围内调节。

在一些实施方式中，多条金属线为其它形式设置，每组中的金属线的数量不受限制。例如，在一些示例中，可以每三条金属线为一组，每组金属线分别与每组开关连接，通过多组开关改变多组金属线的接地状态。在其它的一些示例中，也可以每四条金属线为一组。可选地，每组中的金属线的数量可以不同，例如第一组中的金属线数量为3条，最后一组中的金属线数量为2条。

在图2b中，金属线21的一端设置在耦合线的正下方。从图2a中看，金属线21与耦合信号线重叠，实际上从图2b可以看出金属线21悬浮于耦合信号线24之下，即金属线21与耦合信号线并非电连接在一起，而是通过空间电磁耦合传递信号能量。

图3a和图3b示出了根据本申请的一个实施例的频率可调的定向耦合器的结构的俯视图和侧视图。在图3a-3b的示例中，定向耦合器除了主信号线，耦合信号线，还包括有多条金属线31。主信号线包括金属层33和金属层34，耦合信号线包括金属层35。多条金属线31在远离主信号线的一端分别连接有多组开关32。

通常主信号线和耦合信号线均由微带线构成，为了改善方向性指标，使奇模相速和偶模相速相等，耦合信号线会采用锯齿形或墙垛形。在如图3a和图3b所示的根据本申请的定向耦合器中，主信号线和耦合信号线都由微带线构成，都具有矩形的锯齿结构。与图2a-2b相比，图3a-3b在耦合器的内部增加了金属块36。金属块36的加入可以增加耦合器内部的电容，以对耦合器的奇模相速做补偿，提高耦合器带内的定向度。

虽然图3a中的金属块36在主信号线和耦合信号线均有设置并且金属块36的位置对应于金属线31的位置，但是金属块36的设置不限于此。在一些示例中，可以仅在主信号线和耦合信号线中的一者设置金属块。或者在其它一些示例中，在主信号线和耦合信号线均设置金属块，并且主信号线处的金属块和耦合信号线处的金属块错开设置。

另外，图3a中示出的金属块36为方形，在其它的一些示例中，金属块也可以为其它形状，例如半球形或锥型。

图4示出了本申请一个实施例的一组开关的结构示意图，具体说明图2a和图3a中的每组开关22。

金属线1和金属线2为一组，金属线1、金属线2的一端均在耦合信号线的正下方，金属线1、金属线2的另一端连接开关22的端口。开关22包括三个开关，分别为M1、M2和M3。其中，M1控制金属线1、金属线2之间是否导通，M2和M3分别控制自金属线1和金属线2是否接地。

在图4中，M1、M2和M3为场效应晶体管。M1的源端和漏端分别连接金属线1、金属线2的一端。M2的漏端连接M1的漏端和金属线1的一端，M2的源端接地。M3的漏端连接M1源端和金属线2的一端，M3的源端接地。M1、M2和M3的栅极均和控制电压Vctrl连接，由控制电压Vctrl控制M1、M2和M3的开启和关闭。

图4中M1、M2和M3的结构仅为示例，在一些实施方式中，M1、M2和M3也可以为其它可以实现开关功能的器件。在一些示例中，M1、M2和M3可以为BJT结构。

通过图4中的开关可以控制图2a和图3a中并入到地的金属线的数量。图5a-5c示出了本申请一个实施例的耦合器的结构在不同控制状态下的结构示意图。图5a-5c分别对应于并入到地的金属线数量为0，N，2N时的耦合器的结构，其中N为大于等于1的整数，2N为金属线的总数量。

在一些实施方式中，多组开关包括第一开关网络组和第二开关网络组。定向耦合器还包括开关控制电压电路，开关控制电压电路被配置为根据第一开关网络组和第二开关网络组的电平状态来选通负载。

例如，在图5a-5c中，将金属线和对应的开关分为数量相等（为N）的两组，第一组中与金属线对应的第一开关网络组由控制电压V_Ctrl1控制，第二组中与金属线对应的第二开关网络组由控制电压V_Ctrl2控制。

在图5a中，所有的开关均处于关闭断开的状态，在该状态下所有的金属线均处于悬浮状态。

图5b中受V_Ctrl1控制的开关网络组导通，受V_Ctrl2控制的开关网络组断开。因此位于第一组的金属线两两导通并接地，而位于第二组的金属线处于悬浮状态。

图5c中受V_Ctrl1和V_Ctrl2控制的所有开关网络组均导通。在该状态下，所有金属线均处于两两导通并接地的状态。

图6示出了本申请一个实施例的耦合器中不同金属线控制状态下的耦合度随频率的关系。图6中的三条曲线A、B、C分别对应于图5a、5b、5c的状态。当设计的耦合度在-10dB的时候，图5a的耦合器状态对应的频率为18GHz（m1箭头），图5b的耦合器状态相对于图5a，第一组接地的金属线可以将耦合端口的耦合信号耦合到地，减小了耦合端口的耦合分量，因此对于目标耦合度-10dB，处于更高的频率，为21.5GHz（m2箭头）。图5c中的所有金属线均接地，因而可以在图5b的基础上将耦合端口的耦合信号进一步耦合到地，进一步减小了耦合端口的耦合分量。对于目标耦合度-10dB，处于更高的频率，为25GHz（m3箭头）。

图7示出了本申请一个实施例的耦合器中不同金属线控制状态下的插损随频率的关系。图7中的三条曲线A、B、C分别对应于图5a、5b、5c的状态。图5a的耦合器状态下，在对应的频点18GHz处，插损为-0.53（m4箭头）；在图5b的耦合器状态下，在对应的频点21.5GHz处，插损为-0.60（m5箭头）；在图5c的耦合器状态下，在对应的频点25GHz处，插损为-0.65（m6箭头）。

根据图5a-图7可知，通过不同的开关控制状态，在-10dB的耦合度下，耦合器的工作频率可以在18- 25GHz之间可调，对应于k波段7GHz的可调范围。即本申请中通过在耦合器中设置金属线，并通过开关来调节接地金属线的数量来使得耦合器的工作带宽可调。另外，耦合器在可调工作频率范围内的插损基本保持不变。

图5a-5c中的耦合器结构中，还可以通过设置隔离端处的隔离负载41的大小来保证定向度。图8a示出了本申请的一个实施例的隔离负载41的结构示意图。图8a中的隔离负载41包括并联接地的负载Z1、Z2、Z3，分别对应于图5a、5b、5c中的不同耦合器状态。可以通过开关切换来选通不同的负载Z1、Z2、Z3，以配合调整图5a、5b、5c中不同耦合器工作频段时的定向度。

负载Z1、Z2、Z3上的开关控制电压VT1、VT2、VT3分别和开关网络组的控制电压V_Ctrl1和V_Ctrl2相关。表1示出了本申请一个实施例中的控制电压电平逻辑表。

表1控制电压电平逻辑表

表1中的“0”表示低电平，开关关闭；“1”表示高电平，开关导通。在金属线的状态为S1时，对应于图5a中的结构，此时V_Ctrl1和V_Ctrl2均设为低电平状态，此时隔离负载41选通Z1。当金属线的状态为S2时，对应于图5b中的结构，此时V_Ctrl1设为高电平状态，V_Ctrl2设为低电平状态，此时隔离负载41选通Z2。在一些实施方式中，S2中也可以设V_Ctrl1为低电平状态，V_Ctrl2为高电平状态。当金属线的状态为S3时，对应于图5c中的结构，此时V_Ctrl1和V_Ctrl2均设为高电平状态，此时隔离负载41选通Z3。在一些实施方式中，开关控制电压电路包括与门、或非门、和异或门。例如，图8b示出了本申请一个实施例的开关控制电压电路800的结构示意图，其中开关网络组的控制电压电平V_Ctrl1、V_Ctrl2和负载的控制电压VT1、VT2、VT3电平的逻辑转换参照如下的论述。

根据表1，当V_Ctrl1和V_Ctrl2均为低电平状态时选通负载Z1，在负载Z1的通路上的或非门结构801的设置可以实现选通负载Z1。当V_Ctrl1为高电平，V_Ctrl2为低电平状态时选通隔离负载Z2，在负载Z2的通路上的异或门结构802的设置可以实现选通负载Z2。当V_Ctrl1和V_Ctrl2均为高电平时选通隔离负载Z3，在负载Z2的通路上的与门结构803的设置可以实现选通负载Z3。即，当V_Ctrl1和V_Ctrl2均为低电平状态（“0”）时，门结构801、802、803的设置使得仅负载Z1的通路导通；当V_Ctrl1为高电平状态（“1”）且V_Ctrl2为低电平状态（“0”）时，门结构801、802、803的设置使得仅负载Z2的通路导通；当V_Ctrl1和V_Ctrl2均为高电平状态（“1”）时，门结构801、802、803的设置使得仅负载Z3的通路导通。

本申请中采用在金属线不同的接地情况下，选通对应不同的负载能够保证耦合器的定向度。图9示出了本申请的一个实施例的耦合器中不同金属线的状态下的定向度随频率的关系。

图9中的三条曲线A、B、C分别对应于图5a、5b、5c的状态。图5a的耦合器状态下，在对应的频点18GHz处，定向度为-36.24dB（m7箭头）；在图5b的耦合器状态下，在对应的频点21.5GHz处，定向度为-39.60dB（m8箭头）；在图5c的耦合器状态下，在对应的频点25GHz处，定向度为-31.42dB（m9箭头）。因此，本申请的耦合器在工作频率内均能保证-30dB以下的较佳的定向度。

由图9可知，本申请中通过在不同频段切换负载的方式能够提高不同频带内耦合器的定向度。

图5a-5c中将金属线分为了两组，通过V_Ctrl1和V_Ctrl2这两个控制电压调节耦合器的工作频率。在其它一些实施方式中，可以通过增加金属线的控制电压V_Ctrl的数量，来调整控制工作频率的间隔。当V_Ctrl的数量越多时，可调节的频率越细。

在一些实施方式中，隔离负载可以是电阻。在其他一些实施方式中，隔离负载可以是电容或者电阻和电容的组合。

需声明的是，本申请所提供的说明书中提供了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有部分或全部这些具体细节的情况下实施。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本申请的示例性实施例的描述中，本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。

本领域的技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员应当理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

Claims

1.一种定向耦合器，其特征在于，包括：

主信号线；

与所述主信号线耦合的耦合信号线；以及

设置在所述耦合信号线下方的至少一个导电线；其中，

所述导电线的一端与所述耦合信号线重叠，所述导电线的另一端朝向远离所述主信号线的方向延伸，所述导电线的延伸方向垂直于所述耦合信号线的长度方向；并且

所述导电线远离所述主信号线的一端连接有开关，所述开关被配置为控制所述导电线的接地状态；其中，所述至少一个导电线包括多组导电线，所述开关包括多组开关，其中每组导电线对应于每组开关；以及所述每组导电线包括至少两条导电线。

2.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述主信号线和所述耦合信号线由微带线组成，且所述主信号线和所述耦合信号线中的一者或两者设置有金属块，以增加所述定向耦合器内部的电容。

3.如权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于，当所述主信号线和所述耦合信号线中均设置有所述金属块时，所述主信号线上的金属块与所述耦合信号线上的金属块对齐或错开设置。

4.如权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于，所述金属块的形状为方形、半球形或锥型中的至少一种。

5.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述每组开关包括控制每个导电线接地的第一开关。

6.如权利要求5所述的定向耦合器，其特征在于，所述每组开关还包括控制每组导电线的每条导电线之间导通的第二开关。

7.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器还包括隔离负载，所述隔离负载根据开关切换来选通所述定向耦合器在不同工作状态下的负载。

8.如权利要求7所述的定向耦合器，其特征在于，所述多组开关包括第一开关网络组和第二开关网络组，所述定向耦合器还包括开关控制电压电路，所述开关控制电压电路被配置为根据所述第一开关网络组和所述第二开关网络组的电平状态来选通所述负载。

9.如权利要求8所述的定向耦合器，其特征在于，所述开关控制电压电路包括与门、或非门、和异或门。