CN1306652C - 定向耦合器及使用该定向耦合器的双频带发射机 - Google Patents

Abstract

在此公开了一种通过用于信号耦合的带状线和用于相位补偿的叉指电容器实现的定向耦合器，以及使用该定向耦合器的双频带发射机。定向耦合器包括第一发射器件、第一定向耦合器件，用于耦合来自第一发射器件的信号的一部分、第一叉指电容器，连接在第一发射器件和第一定向耦合器件之间、第二发射器件、第二定向耦合器件，用于耦合来自第二发射器件的信号的一部分，以及连接在第二发射器件和第二定向耦合器件间的第二叉指电容器。

Description

定向耦合器及使用该定向耦合器的双频带发射机

技术领域

本发明涉及应用于双频带移动通信终端诸如双频带移动电话上的定向耦合器，以及更具体地说，涉及通过用于信号耦合的带状线和用于相位补偿的叉指电容器实现以便它能改进定向性、最小化工艺误差以及微型化，从而更容易以单芯片的形式实现的定向耦合器，以及使用该定向耦合器的双频带发射机。

背景技术

一般来说，功率放大器用在移动通信终端，诸如移动电话的发射机中，以便放大将通过终端的天线送出的发射信号的功率。这一功率放大器必须将该发射信号放大到适当的功率水平。能将用于调整功率放大器的输出功率的方法粗略在分成两种类型，通过定向耦合器检测来自功率放大器的输出端口的输出信号的一部分，使用肖特基二极管将所检测的信号转换成直流(DC)电流，以及通过比较器将所转换的DC电流与参考电压比较的闭环型，以及通过读出施加到功率放大器上的电压或电流，调整功率的开环型。

闭环方法是传统的方法并具有能精确地控制功率的优点，但缺点在于涉及复杂电路实现，以及由于耦合器的损耗，降低放大器的功率。当前通常使用开环方法，因为其电路实现简单，但缺点在于不能精确控制功率。

近年来，以集成电路(IC)的形式提供用在闭环方法中的部件，从而使电路实现简单。另外，控制芯片的性能会变得更好，从而显著地降低定向耦合器的耦合值，导致显著降低耦合器的损耗。特别地，能精确地控制功率的闭环方法已经应用于GSM(全球移动系统)通信系统，其中非常关注斜坡曲线。

下面将参考图1，描述具有上述闭环类型的功率控制功能的发射机。

图1是表示传统的发射机的结构的框图。

如图1所示，传统的发射机包括用于放大发射信号ST的功率的功率放大器11、用于耦合来自功率放大器11的输出信号部分的定向耦合器12、用于在由定向耦合器12耦合的信号的电平的基础上，控制功率放大器11的放大系数的功率控制器13，以及用于通过定向耦合器12，从功率放大器11接收输出信号以及将其传递到天线ANT的滤波器14。

近年来，已经开发了双频带终端，其能发射和接收两种频带的信号，例如高频带，诸如使用约1800MHz的DCS(数字蜂窝系统)1800通信系统的频带，以及低频带，诸如使用约900MHz的GSM通信系统的频带。

这种双频带终端要求能耦合两种频带的每一个的信号以便控制每个频带的功率的定向耦合器。这种用于双频带终端的定向耦合器必须具有良好的定向性以及带间隔离特性。

在下文中，将参考图2来描述应用于双频带终端的一种这样的定向耦合器。

图2是传统的定向耦合器的布局视图。

应用用标记20表示的、如图2所示的传统的定向耦合器来分别耦合第一输入端口1和第一输出端口2间的信号部分以及第二输入端口4和第二输出端口5间的信号部分，以及通过耦合端口3输出耦合信号。为此，定向耦合器20包括第一频带信号线SL1、第二频带信号线SL2和相邻地位于两个频带信号线SL1和SL2间的耦合线SL3。耦合线SL3共同用于两个频带，并具有连接到耦合端口3的一个端口以及经50Ω的电阻器RT连接到接地端的另一端口。这一定向耦合器具有由耦合线和每个信号线间的距离确定的耦合系数，以及耦合线的长度通常为λ/4。

在欧洲专利No.0,859,463A3中示出了这种定向耦合器的详细描述。

通常应用于双频带发射机的定向耦合器20通过使用一条耦合线，通过一个耦合端口输出两个频带的耦合信号。因此，减小了耦合器本身的大小，还简化了包括检测二极管、比较器等等的功率控制器。即，与按频带单个耦合的结构相比，在大小方面这一耦合结构更简洁和简单。

然而，由于在用于双频带发射机的传统的定向耦合器中，耦合端口共同用于两个频带以便降低耦合器的芯片大小，问题在于在双频带发射机中降低了带间隔离。

已经提出了如图3所示，使用双工器的滤波器型定向耦合器以便改进双频带发射机中的带间隔离。

图3是传统的滤波器型定向耦合器的示意图。

用标记30表示的、如图3所示的传统的滤波器型定向耦合器包括用于耦合第一输入端口1和第一输出端口2间的信号部分的第一耦合电容器C1、用于耦合第二输入端口4和第二输出端口5间的信号部分的第二耦合电容器C2，以及用于通过耦合端口3输出由第一和第二耦合电容器C1和C2耦合的信号的双工器31。双工器31包括用于高通滤波由第一耦合电容器C1耦合的信号的第一滤波器FT1，以及用于低通滤波由第二耦合电容器C2耦合的信号的第二滤波器FT2。

在这一传统的滤波器型定向耦合器中，每个滤波器有选择地仅通过两个频带的相应的一个并阻碍另一频带，从而使两个频带间的隔离良好。

一般来说，用于移动通信终端诸如移动电话的定向耦合器耦合用于功率控制所需的少量功率，例如约-33dB或-28dB，其导致约-0.02dB的耦合损耗。考虑到传输线上的损耗，出现由于不匹配等等的反射损耗，约-0.05至-0.1dB的小耦合损耗。

然而，上述的传统滤波器型定向耦合器的不利之处在于增加了芯片大小并降低定向性，如参考图4a至4d所述。

图4a至4d表示在通过第一输入端口1和第一输出端口2发射DCS频带信号，通过第二输入端口4和第二输出端口5发射GSM频带信号，以及通过耦合端口3输出DCS频带信号和GSM频带信号的耦合信号的情况下，图3的滤波器型定向耦合器的特性。

图4a至4d是表示图3的滤波器型定向耦合器的特性的视图。

在图4a中，S(2，1)和S(5，4)分别是DCS和GSM频带的插入损耗。在图4b中，S(3，1)是DCS1800MHz的耦合值，以及S(3，2)是在DCS频带输出端口处出现的抽取功率值。在这里，S(3，1)和S(3，2)间的差值表示定向性。在图4c中，S(1，4)是带间隔离。在图4d中，S(3，4)是GSM频带的耦合值，以及S(3，5)是在GSM输出端口处出现的抽取功率值。在这里，S(3，4)和S(3，5)间的差值表示定向性。S(P1，P2)，其中，P1和P2表示端口，表示部分发送到端口P1的端口P2的信号量。例如，S(3，1)表示从端口1发送到端口3的信号量。

在传统的滤波器型定向耦合器中，然而，为抽取约33dB的低耦合值，有必要缩短带状线并使信号线与耦合线彼此远离。在这种情况下，为S(3，2)和S(3，1)间的差值以及S(3，4)和S(3，5)间的差值的定向性显示为约0至-1dB的低值，如图4b和4d所示。因此，传统的滤波器型定向耦合器的不利之处在于差的定向性并增加了芯片大小。

发明内容

因此，鉴于上述问题，做出了本发明，以及本发明的目的是提供通过用于信号耦合的带状线以及用于相位补偿的叉指电容器实现以便改进定向性、最小化工艺误差以及微型化，从而容易用单芯片形式实现的定向耦合器，以及使用该定向耦合器的双频带发射机。

根据本发明的方面，通过提供一种定向耦合器来实现上述和其他目的，包括：第一发射器件，用于发射第一频带信号；第一定向耦合器件，包括第一端子和第二端子并与第一发射器件分开预定距离，第一定向耦合器件耦合来自第一发射器件的第一频带信号的一部分并在其第一端子处生成耦合信号，第一定向耦合器件的第二端子连接到接地端；第一叉指电容器，具有连接到第一发射器件的一端以及连接到第一定向耦合器件的另一端；第二发射器件，用于发射第二频带信号；第二定向耦合器件，包括第一端子和第二端子并与第二发射器件分开预定距离，第二定向耦合器件耦合来自第二发射器件的第二频带信号的一部分以及在其第一端子处生成耦合信号，第二定向耦合器件的第二端子连接到接地端；以及第二叉指电容器，具有连接到第二发射器件的一端以及连接到第二定向耦合器件的另一端。

定向耦合器进一步包括第一滤波器，连接到第一定向耦合器件的第一端子，用于高通滤波来自第一定向耦合器件的耦合信号；以及第二滤波器，连接到第二定向耦合器件的第一端子，用于低通滤波来自第二定向耦合器件的耦合信号。

根据本发明的另一方面，提供使用上述定向耦合器的双频带发射机。

附图说明

从下述结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：

图1是表示传统的发射机的结构的框图；

图2是传统的定向耦合器的布局视图；

图3是另一传统的定向耦合器的示意图；

图4a至4d是表示图3的定向耦合器的特性的视图；

图5是表示根据本发明的定向耦合器的结构的视图；

图6是表示根据本发明的双频带发射机的结构的视图；

图7a至7d是表示根据本发明的定向耦合器的特性的视图。

具体实施方式

现在，将参考附图，详细地描述本发明的优选实施例。

在图中，相同或相似的元件用相同的标记表示，尽管在不同图中描述它们。

图5表示根据本发明的定向耦合器的结构。

参考图5，用标记140表示的、根据本发明的定向耦合器包括具有第一端口1和第二端口2以便传送第一频带信号的第一发射器件141、以及包括第一端子143A和第二端子143B并与第一发射器件141分隔预定距离的第一定向耦合器件143。第一定向耦合器件143耦合来自第一发射器件141的第一频带信号部分以及在其第一端子143A处生成耦合信号。第一定向耦合器件143的第二端子143B连接到接地端。根据本发明的定向耦合器140进一步包括具有连接到第一发射器件141的一端145A以及连接到第一定向耦合器件143的另一端145B的第一叉指电容器145、具有第一端口4和第二端口5以便传送第二频带信号的第二发射器件142，以及包括第一端子144A和第二端子144B并与第二发射器件142分隔预定距离的第二定向耦合器件144。第二定向耦合器件144耦合来自第二发射器件142的第二频带信号的一部分并在其第一端子144A处生成耦合信号。第二定向耦合器144的第二端子144B连接到接地端。根据本发明的定向耦合器140进一步包括具有连接到第二发射器件142的一端146A以及连接到第二定向耦合器件144的另一端146B的第二叉指电容器146。

根据本发明的定向耦合器140进一步包括连接到第一定向耦合器件143的第一端子143A的第一滤波器FT1，用于高通滤波来自耦合器件143的耦合信号，以及连接到第二定向耦合器件144的第一端子144A的第二滤波器FT2，用于低通滤波来自耦合器件144的耦合信号。优选地，第一滤波器FT1和第二滤波器FT2构成双工器147。

第一定向耦合器件143的第二端子143B通过电阻器R1连接到接地端，以及第二定向耦合器件144的第二端子144B通过电阻器R2连接到接地端。

优选地，将电阻器R1和R2的每一个设置为约50Ω，其能提高相应的一个耦合信号的定向性。

图6表示根据本发明的双频带发射机的结构。

参考图6，根据本发明的双频带发射机包括第一功率放大器111，用于使为高频带信号的第一频带信号BS1的频率放大由施加到其上的偏压确定的放大系数，以及第二功率放大器121，用于使为低频带信号的第二频带信号BS2的功率放大由施加到其上的偏压确定的放大系数。在双频带发射机中提供定向耦合器140以便分别耦合来自第一功率放大器111的输出信号部分以及来自第二功率放大器121的输出信号部分。根据本发明的双频带发射机进一步包括功率放大器控制器150，用于将由定向耦合器140耦合的信号的电平与预定参考值进行比较并根据期间的差值，调整第一功率放大器111或第二功率放大器121的偏压以便控制第一功率放大器111或第二功率放大器121的放大系数。

如前参考图5所述，定向耦合器140包括连接到第一定向耦合器件143的第一端子143A的第一滤波器FT1，高通滤波来自耦合器件143的耦合信号，以及连接到第二定向耦合器件144的第一端子144A的第二滤波器FT2，低通滤波来自耦合器件144的耦合信号。

第一定向耦合器件143的第二端子143B通过电阻器R1连接到接地端，以及第二定向耦合器件144的第二端子144B通过电阻器R2连接到接地端。

优选地，将电阻器R1和R2的每一个设置为约50Ω，其能提高相应的一个耦合信号的定向性。

图7a至7d是表示根据本发明的定向耦合器的特性的视图。

图7a表示DCS和GSM频带的各个插入损耗，图7b表示出现在DCS频带输出端口的DCS1800MHz和抽取功率值的耦合值，图7c表示带间隔离，以及图7d表示出现在GSM频带输出端口的GSM频带和所抽取的功率值的耦合值。

在下文中，将参考附图来详细地描述本发明的操作。

本发明的定向耦合器应用于双频带移动通信终端，诸如双频带移动电话，以及通过用于信号耦合的带状线以及用于相位补偿的叉指电容器实现，以便能改进定向性并最小化工艺误差，在下文中，将参考图5至7d来描述。

参考图5和6，首先，功率放大器111使为高频带信号的第一频带信号BS1的频率放大由施加到其上的偏压确定的放大系数，以及第二功率放大器121使为低频带信号的第二频带信号BS2的功率放大由施加到其上的偏压确定的放大系数。在这里，第一频带信号BS1可以是约1800MHz的GSM1800(DCS1800)信号或约1900MHz的GSM1900(PCS1900)信号，以及第二频带信号BS2可以是GSM900(GSM)信号或约900MHz的E-GSM信号。

然后，由定向耦合器140耦合来自第一功率放大器111的一部分输出信号和来自第二功率放大器121的一部分输出信号并提供到功率放大器控制器150。将参考图5，详细地描述定向耦合器150的操作。

参考图5，通过本发明的定向耦合器140的第一发射器件141，发射第一频带信号BS1。此时，由第一定向耦合器件143耦合来自第一发射器件141的一部分第一频带信号BS1同时将第一频带信号BS1输入到第一发射器件141的第一端口1并通过其第二端口2输出。

此后，将由第一定向耦合器件143耦合的信号提供到连接到耦合器件143的第一端子143A的第一滤波器FT1。

还通过连接在第一发射器件141和第一定向耦合器件143间的第一叉指电容器(inter-digital capacitor)145，改进由第一定向耦合器件143耦合的信号的定向性。

同时，通过本发明的定向耦合器140的第二发射器件142，发射第二频带信号BS2。此时，由第二定向耦合器件1444耦合来自第二发射器件142的第二频带信号BS2的一部分同时将第二频带信号BS2输入到第二发射器件142的第一端口并通过其第二端口5输出。

此后，将由第二定向耦合器件144耦合的信号提供到连接到耦合器件144的第一端子144A的第二滤波器FT2。

通过连接在第二发射器件142和第二定向耦合器件144间的第二叉指电容器146，还改进由第二定向耦合器件144耦合的信号的定向性。

特别地，用在传统的定向耦合器中的MIM(金属-绝缘体-金属)电容器的限制在于提供精确和小的电容，因为由于其特征，它具有大的工艺误差。相反，用在本发明的定向耦合器中的叉指电容器允许提供小的电容。例如，它可以在每个频率提供约0.03至0.04·的叉指电容并通过线间距离和线长度来调整它。

换句话说，对应用于要求小的耦合值的终端来说，带状线的长度限于小于约400·以及用于相位补偿的电容器用在本发明的定向耦合器中。使用这种用于相位补偿的电容器不仅能改进耦合器的定向性，而且还提供精确和小的电容。

例如，在要求约-33dB或-28dB的小的耦合值的终端中，存在由电容偏差而定的耦合值方面的大的变化。然而，在应用本发明的叉指电容器的情况下，可以提供约0.03至0.04pF·的小且精确的电容，从而使得将电容的工艺误差管理在3％的范围内成为可能。

叉指电容器145和146的每一个具有不是由薄膜绝缘层的介电常数，而是由线间距离和线长度而定的电容，因此，存在在半导体工艺方面存在小的电容偏差。

另一方面，过程工艺和寄生电容使得难以在集成无源器件工艺中提供0.1·或更小的电容。然而，使用半导体工艺允许定向耦合器的芯片大小变为1×1mm或更小，从而与低温陶瓷共烧(LTCC)衬底相比，显著地降低其高度。另外，由于批量生产及其成本削减，能提高定向耦合器的价格竞争性。

另一方面，叉指电容器145和146由于其特性没有工艺误差。因此，使用这些叉指电容器145和146能改进定向耦合器的定向性并最小化其工艺误差，如用下表1的粗略值表示。

定向耦合器	耦合值		定向性(dB)	隔离(dB)	备注
						GSM	DCS
	传统(图3)	-33(±3)						-28(±3)	-1	-30	不良定向性严重的工艺误差
本发明(图5)			-33(±0.5)	-28(±0.5)	-25	-40	最小化工艺误差

在上表1中，传统的耦合值为图4b中的粗略值“m2”以及图4d中的粗略值“m5”，以及本发明耦合值为图7b中的粗略值“m2”以及图7d中的“m5”。传统的定向性是图4b中的“m2-m3”的平均值，以及本发明的定向性是图7b中的“m2-m3”的平均值。传统的带间隔离是图4c中的粗略值“m1”，以及本发明的带间隔离是图7c中的粗略值“m1”。

接着，连接到第一定向耦合器件143的第一端子143A的第一滤波器FT1高通滤波来自耦合器件143的耦合信号。同时，连接到第二定向耦合器件144的第一端子144A的第二滤波器FT2低通滤波来自耦合器件144的耦合信号。

优选地，必须将第一滤波器FT1设置成通过GSM1800(DCS1800)或GSM1900(PCS1900)的频带，例如，约1700MHz或更高的高频带，以及必须将第二滤波器FT2设置成通过GSM900(GSM)或E-GSM的频带，例如，约1000MHz或更低的低频带。

因此，第一滤波器FT1和第二滤波器FT2分别向功率放大器控制器150提供第一频带信号BS1和第二频带信号BS2而在其间没有干扰。

功率放大器控制器150通过将由定向耦合器140耦合的信号的电平与预定参考值进行比较以及根据其间的差值，将偏压调整到第一功率放大器111或第二功率放大器121，控制第一功率放大器111或第二功率放大器121的放大系数。

在下文中，将参考图7a至7d，描述本发明的上述定向耦合器140的特性。

图7a至7d是表示根据本发明的定向耦合器140的特性的视图。

在图7a中，S(2，1)和S(5，4)分别是DCS和GSM频带的插入损耗。在图7b中，S(3，1)是DCS1800MHz的耦合值，以及S(3，2)是出现在DCS频带输出端口的抽取功率值。在这里，S(3，1)和S(3，2)间的差值表示定向性。在图7c中，S(1，4)是带间隔离。在图7d中，S(3，4)是GSM频带的耦合值，以及S(3，5)是出现在GSM频带输出端口的所抽取的功率值。在这里，S(3，4)和S(3，5)间的差值表示定向性。

如图7b和7d所示，为S(3，2)和S(3，1)间的差值以及S(3，4)和S(3，5)间的差值的定向性显示为约-30db的高值。因此，使用叉指电容器能显著地改进定向性以及带间隔离。

接着，功率放大器控制器150将由定向耦合器140耦合的信号的电平与预定参考值比较以及根据其间的差值，调整第一功率放大器111或第二功率放大器121的偏压，以便控制第一功率放大器111或第二功率放大器121的放大系数。

根据如上所述的本发明的定向耦合器，能确保第一频带信号和第二频带信号间的足够的隔离并还能改进定向性。

另一方面，在用IPD工艺制造本发明的定向耦合器的情况下，具有将大小和高度降低到用LTCC工艺制造的30至50％的效果。另外，假定耦合器采用Si衬底，将适合于未来的CMOS工艺。

此外，由于叉指电容器的特性，将叉指电容器应用于本发明的定向耦合器能显著地改进耦合器的定向性以及显著地降低其工艺误差，以致提高耦合器的产量。

从上述描述可以看出，本发明提供应用于双频带移动通信终端，诸如双频带移动电话，并通过用于信号耦合的带状线和用于相位补偿的叉指电容器来实现的定向耦合器。根据本发明，能提高定向耦合器的定向性，最小化工艺误差以及微型化以便很容易以单芯片形式实现。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员将意识到在不背离由附加权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加和取代是可能的。

Claims (7)

1.一种定向耦合器，包括：

第一发射器件，用于发射第一频带信号；

第一定向耦合器件，包括第一端子和第二端子并与所述第一发射器件分开预定距离，所述第一定向耦合器件耦合来自所述第一发射器件的所述第一频带信号的一部分并在其所述第一端子处生成耦合信号，所述第一定向耦合器件的第二端子连接到接地端；

第一叉指电容器，具有连接到所述第一发射器件的一端以及连接到所述第一定向耦合器件的另一端；

第二发射器件，用于发射第二频带信号；

第二定向耦合器件，包括第一端子和第二端子并与所述第二发射器件分开预定距离，所述第二定向耦合器件耦合来自所述第二发射器件的所述第二频带信号的一部分以及在其所述第一端子处生成耦合信号，所述第二定向耦合器件的所述第二端子连接到所述接地端；以及

第二叉指电容器，具有连接到所述第二发射器件的一端以及连接到所述第二定向耦合器件的另一端。

2.如权利要求1所述的定向耦合器，进一步包括：

第一滤波器，连接到所述第一定向耦合器件的所述第一端子，用于高通滤波来自所述第一定向耦合器件的耦合信号；以及

第二滤波器，连接到所述第二定向耦合器件的所述第一端子，用于低通滤波来自所述第二定向耦合器件的耦合信号。

3.如权利要求2所述的定向耦合器，其中，所述第一定向耦合器件的所述第二端子通过电阻器连接到所述接地端。

4.如权利要求2所述的定向耦合器，其中，所述第二定向耦合器件的所述第二端子通过电阻器连接到所述接地端。

5.一种用于双频带移动通信终端的双频带发射机，包括：

第一功率放大器，用于使第一频带信号的功率放大由施加到其上的偏压而定的放大系数，所述第一频带信号是高频带信号；

第二功率放大器，用于使第二频带信号的功率放大由施加到其上的偏压而定的放大系数，所述第二频带信号是低频带信号；

定向耦合器，用于分别耦合由所述第一功率放大器功率放大的所述第一频带信号的一部分以及由所述第二功率放大器功率放大的所述第二频带信号的一部分，所述定向耦合器包括：

第一发射器件，用于发射由所述第一功率放大器功率放大的所述第一频带信号；

第一定向耦合器件，包括第一端子和第二端子并与所述第一发射器件分开预定距离，所述第一定向耦合器件耦合来自所述第一发射器件的所述第一频带信号的一部分并在其所述第一端子处生成耦合信号，所述第一定向耦合器件的第二端子连接到接地端；

第一叉指电容器，具有连接到所述第一发射器件的一端以及连接到所述第一定向耦合器件的另一端；

第二发射器件，用于发射由所述第二功率放大器功率放大的所述第二频带信号；

第二定向耦合器件，包括第一端子和第二端子并与所述第二发射器件分开预定距离，所述第二定向耦合器件耦合来自所述第二发射器件的所述第二频带信号的一部分以及在其所述第一端子处生成耦合信号，所述第二定向耦合器件的所述第二端子连接到所述接地端；以及

第二叉指电容器，具有连接到所述第二发射器件的一端以及连接到所述第二定向耦合器件的另一端；

第一滤波器，连接到所述第一定向耦合器件的所述第一端子，用于高通滤波来自所述第一定向耦合器件的耦合信号；以及

第二滤波器，连接到所述第二定向耦合器件的所述第一端子，用于低通滤波来自所述第二定向耦合器件的耦合信号；

功率放大器控制器，用于将由所述定向耦合器耦合的信号的电平与预定参考值进行比较以及根据其间的差值，调整所述第一功率放大器或第二功率放大器的所述偏压以便控制所述第一功率放大器或第二功率放大器的所述放大系数。

6.如权利要求5所述的双频带发射机，其中，所述第一定向耦合器件的所述第二端子通过电阻器连接到所述接地端。

7.如权利要求6所述的双频带发射机，其中，所述第二定向耦合器的所述第二端子通过电阻器连接到所述接地端。

Images