CN1420577A

CN1420577A - 宽带微波传输带定向耦合器

Info

Publication number: CN1420577A
Application number: CN02152923.XA
Authority: CN
Inventors: J·格鲁内瓦德
Original assignee: Marconi Communications GmbH
Current assignee: Erisson
Priority date: 2001-10-13
Filing date: 2002-10-12
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2022-10-12
Also published as: US20030085773A1; ATE291280T1; US6998936B2; NO20024943D0; DE50105629D1; EP1303001A1; CN1254879C; EP1303001B1

Abstract

一种定向耦合器，其包括安装在基片上的通过第一条线(11)连接的两个第一端口(1，2)和通过第二条线(12)连接的两个第二端口(3，4)。线(11，12)延伸通过耦合区域，其中他们被不与线连接的导体区域(20”)分开。

Description

宽带微波传输带定向耦合器

技术领域

本发明涉及一种基于微波传输带技术的宽带定向耦合器。

背景技术

这种定向耦合器通常应用在高频和超高频上，一般把第一条线的一小部分已限定信号耦合到第二条线，这样可以把信号取出用于控制和监测的目的。

这种定向耦合器通常包含一个基片，其上有在可以互相影响电容性和磁性的耦合区域内延伸的两条线，在这两条线之间没有直接耦合。

在第一条线上，信号一般可以通过耦合器在相反的方向传播。

在许多应用中，能够仅仅选取在第一条线上的相反方向中的一个方向上传播的信号或者能够区分在相反方向传播的信号是非常重要的，以便可以借助于位于发射机功率级和天线之间的定向耦合器区分从功率级输出的信号和最后被天线反射反射的信号。为了这个目的，具有高方向性的定向耦合器是十分必要的，例如，如果输入信号在第一条线上在一个方向上通过定向耦合器，那么，第二条线上的感应信号应该主要在一个方向上传播。

定向性是通过利用电容耦合和磁耦合的结合来得到。如果第二条线上的一点被第一条线上的引导信号电容感应，那么等相位信号将从它向第二条线的两个方向上传播。如果在一点发生了磁耦合，信号将以180°的相位差向相反的方向传播出去。这种特性被用于定向耦合器中，是通过结合电容耦合和磁耦合来实现的，两者对第二条线上产生的喜好所起的作用程度相同，因此，对在第二条线上的第一方向上传播的信号的作用是相长干涉，对那些在相反方向传播的信号起到相消干涉作用。

这种结果不能仅仅通过在耦合区域设置互相平行的第一和第二条线获得，由于在这种状况下这种耦合主要以磁耦合为主。

因此，有必要找到一种用于定向耦合器不同线的几何结构，在磁耦合和电容耦合两者之中更倾向于后者。已知的一种解决方案如图1所示。在定向耦合器的输入/输出端口1、2、3、4之间，两条线包括两条耦合线5、6，这两条线按照预定的间隔距离彼此平行延伸，彼此之间磁性上的影响主要取决于它们之间的距离。在平行耦合线5、6的每一端有通过向其他耦合线延伸的导体部分7形成的强电容性耦合区域，并且提供局部的主要电容耦合。

在US-5767763A1中公开了一个类似的设计。在这里耦合线是由两个互相垂直的部分形成，它们的末端彼此面对，形成强电容耦合区域。

根据如图1所示的现有技术设计的耦合器，对线上波长分别为耦合线5、6的长度的4倍的频率可以得到高定向性。当偏离这个频率的时候，凸出的导体部分7的电容性贡献的相相位会改变。根据这种设计原理，只能在这一频率附近的一个窄频带获得令人满意的定向性。

为了获得一个更好的宽带定向耦合器，减小耦合区域的长度是我们所希望的。然而，根据现有的设计原理要达到这一要求是非常困难的，因为，如果耦合性是在第一和第二条线之间形成，则通常意味着在线和位于线对面的基片的一边的地平面之间存在寄生电容。这种寄生电容的存在干扰了耦合区域的性能。通常，这种干扰通过提供在λ/4距离处的成对的耦合电容来补偿，λ为对应于耦合器有效频带的中心频率的波长。因此，这一距离λ/4限定了耦合区域必须具有的最小值。如果耦合区域比这个值小，由于耦合电容的存在而产生的干扰将不得不依靠耦合区域外面的电感或者电容辅助结构来补偿。由于这种波长取决于与耦合区域的距离，补偿仅仅在一个限定的频带内是有效的。因此，通过现有技术的设计原理，定向耦合器具有令人满意的定向性的带宽只能在有限的很窄的范围内提高，并且定向耦合器的微型化几乎是不可能的。

现有技术设计原理的另一个缺点是耦合线5、6形成的系统可以在定向耦合器的运行频率进行谐振。耦合线上的电流的谐振增强导致相对于没有谐振的线路部分来说辐射增强，因此在一方面来说导致了损耗，并且导致通过在基片对侧的喷镀金属的反射形成的场对定向耦合器中的电流的强感应，并且到达耦合区域的时候有一个相位延迟。到目前为止，防止和减小辐射的技术还很缺乏，人们试图通过利用尽可能薄的基片来减小干扰的影响并且仅仅在耦合区域的电流和反射的场之间感应出一个适度的相位延迟。这种薄基片的机械灵敏度影响使用这种基片制造的耦合器的强度和产量。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种应用新的设计原理的定向耦合器，它利用很小的基片空间并且可提供非常高的带宽。

本发明的另一个目的是提供一个能够减小辐射的定向耦合器。

这些目的是通过分别具有权利要求1和权利要求2特征的定向耦合器来实现的。

根据权利要求1，在定向耦合器中位于耦合区域中的线之间的分离的导体区域，简单的说，具有两个电容串联电路的功能，第一个电容是通过第一条线和面对它的分离的导体区域的边缘形成的，第二个电容是通过第二条线和面对它的分离的导体区域的边缘形成的。用这种设计方法可以通过改变导体区域的形状，在较宽范围内改变第一和第二条线之间的耦合电容，而不会在相似的程度上改变寄生电容。也就是说，如果确定第一和第二条线的几何结构从而他们的电磁耦合已经确定了，则可以通过适当选择分离的导体区域的形状在较宽的范围内改变第一和第二条线之间的有效耦合电容，而无需因此修改这些线的形状和布置。这大大简化了优化定向耦合器导体几何结构的工作。

更可取的是，定向耦合器的两条线在耦合区域外面在互相垂直的方向上延伸。这样，线之间的相互的电磁影响基本上排除在耦合区域的外面。

最好是每一条线由在耦合区域中彼此相交形成一定角度的两条直线部分形成，其中，这样限定的两个角具有一共同的二等分线。根据本发明，在定向耦合器中取消了图1所示的输入和输出线之间的平行耦合线。这样耦合区域的大小，以及，定向耦合器在输入频率上的行为的依赖性被最小化。

定向耦合器的线性部分最好是带状，并且末端边缘是与带的边界垂直。它允许每条线的两个部分在它们末端的拐角处彼此交叉排列。通过适当选择这一相交部分的宽度，可以获得第一和第二条线的弱感应的特性。这种特性是为了补偿关于线的反射特性的分离导体区域的电容影响的最理想特性。

分离导体区域最好具有正方形的轮廓，特别是具有面对条形导体部分的末端的边。

众所周知，已知的定向耦合器相对于第一对称轴对称，并且通过在第一对称轴的反射将两条线中的每一条线变回到本身，以便获得定向耦合器的某种特性，这种耦合器是对称的，并且不依赖于第一和第二条线上的信号的传播方向。根据本发明，导电区域最好由分别面对第一和第二条线的两部分形成，并且这两部分是通过田状(land-type)导体部分连接的。这种田状导体部分可以确保分离导体区域的存在仅仅影响第一和第二条线之间的电容耦合而并不影响电感耦合。它最好沿着对称轴延伸。

分别面对第一和第二条线的部分最好是L形状的，特别是具有一条支路面对直导体部分的末端边缘。

附图说明

本发明的更进一步的特点和优点会从后面给出的结合附图的事实例的说明中明确的表现出来。

图1，已经论述过，是现有技术的定向耦合器的顶视图；

图2至图4是根据本发明的第一到第三个实施例的定向耦合器的顶视图；

图5是如图4所示的定向耦合器一条线的反射的史密斯图表；

图6说明了在具有不同频率的激励信号的第一条输入线的激发下，图4所示的定向耦合器的第二条输出线和第二条输入线的信号强度；并且

图7是图4所示的定向耦合器的有效耦合和干扰耦合的史密斯图表。

具体实施方式

图2通过根据本发明的定向耦合器的第一个实施例的顶视图说明了本发明的基本原理。定向耦合器是由基片10构成，例如氧化铝的基片，在其底部(在图中没有示出)具有金属化，在其上部，是用微波传输带技术形成的两条线11、12，在这些线之间，导体区域20并不与线11、12中的任何一条连接。第一和第二条线11、12的在分离的导体区域20的两侧延伸的、互相平行的部分分别指第一和第二耦合线15、16；它们与导体区域20一起形成定向耦合器的耦合区域。

线11、12和分离导体区域20是通过局部沉积金属或者从连续金属化中在局部拆除金属的同一个处理步骤中形成，因此具有相同的成分和厚度。

直线型导体部分13-1、13-2、13-3、13-4分别从线11、12的点1、2、3、4延伸到耦合线15、16的末端。

点1至4顺序指第一输入端、第一输出端、第二输出端和第二输入端，以这一顺序，输入和输出端口之间的区别只是术语的不同并不包含技术上的区别。这种命名涉及到第一条线上的信号的传播方向的任意选择：如果这一信号由第一输入端口1进入耦合器并且由第一输出端口2输出，则外耦合信号部分将出现在第二输出端口3；不希望最后的信号部分出现在第二输入端口4。

如果定向耦合器单独形成在基片10上面，那么端口1至4实际上是在这个基片上的线11、12的末端；如果它是与其他器件一起集成于基片上，那么它们可以是定向耦合器和另一个元件之间的导体的任意点。

为了防止部分13-1与部分13-2和13-3的电磁耦合，导体部分13-1垂直于部分13-2和13-3并且平行于部分13-4。线11、12是通过相对于第一对称线18的反射被映射为其自身。

第二条线12是第一条线11相对于垂直于第一对称轴线18延伸的第二对称轴线19的镜象。

导体区域20延伸在耦合线15、16的面对的、平行的边缘之间，并且与它们都不相连接。它与第一和第二条线电容耦合，电容耦合的强度本质上是由导体区域20和耦合线15、16之间的间隙21的宽度决定的。在给定的第一和第二耦合线15、16的几何结构，也就是说给定的电磁耦合的情况下，这一设计允许通过改变间隙21的宽度来修改电容耦合而无需改变第一和第二线11至16的形状和位置，因此，不用对作用于这些线的寄生容性作实质性改变。

为了防止在分离的导体区域20的纵向方向或者沿着它的第二对称轴线19的方向感应的电流促进在耦合线15、16之间的电磁耦合，根据没有在附图中示出的进一步的实施例，将导体区域20划分成沿着纵向排列的许多分开的区域是有益的。

在图2的设计中，电容耦合是沿着平行的耦合线15、16的整个长度均匀分布的，并且与电磁耦合一样强。用这种布置，为了获得有效的电容耦合，其中耦合线的不同部分的分布彼此之间不被抵消，需要尽可能的减小耦合线的长度。因此，耦合线15、16的长度无论如何都要比λ1/4短，λ1是两个波长λ1、λ2中比较短的一个，λ1、λ2对应于耦合器的有效频带的上限频率和下限频率。

一方面，耦合区域短并且电磁的耦合和电容耦合强度相同，这防止在耦合器的有效频带范围内形成耦合区域谐振。因此，在耦合区域没有谐振增强，从而辐射是很小的。因此定向耦合器的辐射场的基片反面的金属化的反射场对定向耦合器性能的影响很小。因此，在馈送进入线11或者12中的一条的耦合区域的信号和在耦合区域的这些反射场之间的较大的相移相对于上面说明的传统的设计原理来说是可以接受的。

这允许把本发明的定向耦合器应用于制作简单产量高的、更厚、更坚固的基片上，或者在给定的基片厚度的情况下，以相对高的频率运行定向耦合器。

图3示出具有上述实施例以及进一步实施例优点的进一步的实施例。这里耦合线的长度减小到0。第一条线的直线部分13-1和13-2和第二条线的直线部分13-3、13-4第一对称轴线18上以直角相交。部分13-1至13-4是具有平行纵向边缘和垂直于纵向边缘的末端边缘14的条带形式，并且它们在末端的拐角部分相交，如第一条线11中的虚线框22所示。分离导体区域20’是正方形的，其边缘与末端边缘14平行。

因为在这个实施例中，耦合区域的长度已最小化，因此在本实施例中，不希望通过将导体区域20'沿着对称轴线19再分成几个部分来进一步减小电磁耦合，相反，我们希望这种细分增强在此的电磁耦合。

在图4的顶视图中显示了更进一步的改进。这里，由边框基本上是正方形并且由三部分23”、24”、25”形成的导体区域20”代替正方形导体区域20’。部分23”、24”基本上每一个都是L形状的，具有面对直线导体部分13-1、13-2、13-3、13-4的相同长度的分支。部分25”是沿着第一对称轴线18连接L型部分23”、24”的中心的细长带。由在面对L形部分23”中的第一条线11上传播的信号感应的电荷，沿着田带25”沿着对称轴线18传播到第二个L形部分24”，从而与第二条线12发生容性耦合。与对称轴线18上的、在导体区域20”上的任何电流，借助于导体区域20”对应于第一和第二条线11、12之间的电磁耦合，被它的形状抑制。

为了设计用于指定频带的、具有如图4所示几何形状的定向耦合器，可优化下述参数值：

基片材料和厚度

这些参数主要涉及应用耦合器时的最大运行频率。通常，最好选用薄的基片厚度以减小辐射。在运行频率接近30GHz时，使用厚度为381μm的氧化铝基片是适当的。频率超过30GHz以上，厚度最好为254μm。

线的宽度

线11至14的宽度基本上与系统的线的阻抗相关。对于线11至14中每一条的阻抗是50Ω时，线的宽度最好为340μm。

交叉区域22的宽度b

这一参数影响线的反射特性。b越小，反射特性表现的越显著。两条线11、12，如果不考虑导体区域20和分别与其对应的其他线12、11，具有较弱的感应特性是非常理想的，如图5的第一条输入线的史密斯图所示。在第一条线的输入部分的反射S(1，1)在考虑的频率19至27GHz范围内基本上是常数。在整个耦合器中，反射S(1，1)的微弱的感应特性基本上通过导体区域20的电容的作用来得到补偿，因此整体上可以获得最小的反射。

第一和第二条线之间的最小距离

在第一和第二条线11、12的末端边缘22的面对的拐角之间的距离c显然对这些线之间的耦合强度有影响。最好用计算机模拟仅仅由第一和第二条线11、12组成，不包含分离的导体部分20的定向耦合器，在第一和第二条线之间产生的耦合比理想的耦合小大约5dB。为了得到具有相同强度的电磁和电感耦合，当插入分离的导体部分20”时，总的耦合可以增加大约5dB。

电容耦合的微调可以通过优化L形部分的支路的宽度e和在L形部分23”、24”与线的末端边缘22之间的间隙的宽度d获得。

下面是一组各种几何参数的有利例子：

a＝340μm

b＝31μm

c＝116μm

d＝30μm

e＝30μm。

图6和7示出，对不同的信号频率，具有上面给出的a至e的参数值的定向耦合器的从第一输入端口1传输到第二输出端口3的有效信号的强度S(1，3)和存在于第二输入端口4的干扰信号的S(1，4)。在两个信号S(1，3)和S(1，4)之间的电平差大于20dB的良好的定向性在19至20GHz的整个检测频率范围内可以认识得到。如图7的史密斯图所示，作为频率的函数的在第二输出端口3的信号的相移是很小的。

总而言之，本发明获得具有宽的带宽和良好的定向性的、结构紧凑的定向耦合器。然而，在传统的定向耦合器中，为了在高的运行频率获得满意的定向性，必须使用极薄的基片，根据本发明能够使用比较厚的基片，从而使耦合器更耐用，并提高了生产率和降低了成本。

Claims

1.一种定向耦合器，其具有基片以及安装在所述的基片上的通过第一条线(11)连接的两个第一端口(1，2)和通过第二条线(12)连接的两个第二端口(3，4)，所述线(11，12)延伸通过耦合区域，其特征在于，在耦合区域中，线(11，12)被分离的导体区域(20，20’，20”)分开。

2.一种定向耦合器，其具有基片以及安装在所述的基片上的通过第一条线(11)连接的两个第一端口(1，2)和通过第二条线(12)连接的两个第二端口(3，4)，所述线(11，12)延伸通过耦合区域，用于将具有在频带[λ1，λ2]范围内的波长的信号从两条线(11，12)的其中一条定各耦合到另外一条(12，11)，其特征在于，耦合区域比所述的频带的最短的波长λ1的四分之一要短，并且在耦合区域的任何位置，电磁和电容耦合具有相等的强度。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于，所述线(11，12)在耦合区域外沿互相垂直的方向上延伸。

4.根据权利要求1、2或者3所述的定向耦合器，其特征在于，每条线(11，12)包括两个直线部分(13-1、13-2；13-3、13-4)，这两部分在耦合区域内以一定角度相交，等分线(18)与两条线(11，12)所成的角度是相同的。

5.根据权利要求4所述的定向耦合器，其特征在于，部分(13-1、13-2、13-3、13-4)是具有垂直于带的边界的末端边缘(14)的带状，每条线(11，12)的两部分(13-1、13-2；13-3、13-4)相交于它们的末端边缘(14)的拐角处。

6.根据前面任意一项权利要求所述的定向耦合器，其特征在于，导体区域(20’，20”)具有正方形的轮廓。

7.根据前面任意一项权利要求所述的定向耦合器，其特征在于，导体区域(20”)由分别面对第一和第二条线的两部分(23”、24”)形成并且通过田状导体部分(25”)连接。

8.根据权利要求7所述的定向耦合器，其特征在于，它具有一个第一对称轴(18)，其中在第一对称轴(18)的镜面反射将每条线(11，12)变换成其本身，并且田状导体部分(25”)沿着对称轴延伸。

9.根据权利要求7或者权利要求8所述的定向耦合器，其特征在于，部分(23”、24”)是L形的。

10.根据前面任意一项权利要求所述的定向耦合器，其特征在于，线(11，12)在耦合区域显示弱感应特性。

11.根据前面任意一项权利要求所述的定向耦合器，其特征在于，分离导体区域(20，20’，20”)在第一和第二条线之间提供大约5dB的电容耦合。