DE102015100385A1

DE102015100385A1 - System und Verfahren für einen Richtkoppler

Info

Publication number: DE102015100385A1
Application number: DE102015100385.6A
Authority: DE
Inventors: Winfried Bakalski; Nikolay Ilkov; Daniel Kehrer; Werner Simbürger; Valentyn Solomko
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2035-01-14
Also published as: DE102015100385B4; CN104779429B; CN104779429A; KR101645119B1; US20150200437A1; KR20150084679A; US9608305B2

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Schaltung eine Stromerfassungsschaltung, umfassend einen Stromeingangsanschluss, der mit einem Eingangsport verbunden ist, einen Stromausgangsanschluss, der mit einem Übertragungsport verbunden ist, und einen Stromerfassungsausgangsanschluss, der eingerichtet ist, ein Stromerfassungssignal proportional zu einem Strom bereitzustellen, der zwischen dem Stromeingangsanschluss und dem Stromausgangsanschluss fließt. Die Schaltung umfasst ferner eine Spannungserfassungsschaltung, die einen Spannungseingangsanschluss, der mit dem Übertragungsport verbunden ist, und einen Spannungserfassungsausgangsanschluss umfasst, der eingerichtet ist, ein Spannungserfassungssignal bereitzustellen, das proportional zu einer Spannung im Übertragungsport ist. Eine Kombinationsschaltung umfasst einen ersten Eingang, der mit dem Stromerfassungsausgangsanschluss verbunden ist, einen zweiten Eingang, der mit dem Spannungserfassungsausgangsanschluss verbunden ist, und einen kombinierten Ausgangsknoten, der mit einem Ausgangsport verbunden ist.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine elektronische Vorrichtung und im Besonderen ein System und ein Verfahren für einen Richtkoppler.
Hintergrund
Richtkoppler sind elektronische Vorrichtungen, die Leistung, die in eine bestimmte Richtung übertragen wird, detektieren können, und werden in einer großen Vielfalt von Hochfrequenz(HF-)Schaltungen verwendet. Ein Richtkoppler kann zum Beispiel in einem Radarsystem verwendet werden, um eine reflektierte Welle zu detektieren, indem die einfallende Welle von der reflektierten Welle getrennt wird, oder in einer Schaltung, die eine Impedanzfehlanpassung zwischen Übertragungsleitungen misst. In funktionaler Hinsicht weist ein Richtkoppler einen Vorwärtsübertragungspfad und einen gekoppelten Übertragungspfad auf. Der Vorwärtsübertragungspfad weist im Allgemeinen einen geringen Verlust auf, während der gekoppelte Übertragungspfad einen Bruchteil der Übertragungsleistung koppelt, die sich in eine bestimmte Richtung ausbreitet. Es gibt viele verschiedene Arten von Kopplerarchitekturen, die elektromagnetische Koppler und magnetische Koppler umfassen. Jede dieser Kopplerarten kann je nach Betriebsfrequenz und Betriebsumfeld unter Verwendung verschiedener Topologien und Materialien umgesetzt werden.
Zum Beispiel kann ein Richtkoppler unter Verwendung von Streifenleitungsstrukturen umgesetzt werden, die auf einer gedruckten Schaltung (PCB) oder Transformatoren angeordnet sind. In einigen Streifenleitungsimplementierungen können verschiedene Schaltungselemente bis zu einer Viertelwellenlänge des bestimmten Signals, das gemessen wird, lang sein. Für Anwendungen, die bei Frequenzen zwischen 500 MHz und 3,8 GHz betrieben werden, was den Frequenzbereich abdeckt, bei denen viele Mobiltelefone arbeiten, wird die Konstruktion von Streifenleitungsrichtkopplern in einer integrierten Schaltung zur Herausforderung, da die Wellenlängen bei diesen Frequenzen viel länger sind als die Strukturgröße der integrierten Schaltung. Magnetbasierte Richtkoppler mit geringem Verlust in diesem Frequenzbereich zu bauen, ist aufgrund von Transformatorverlusten und -störungen ebenfalls eine Herausforderung.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, Richtkoppler sowie entsprechende Schaltungen und Verfahren bereitzustellen, welche insbesondere auch für den obigen Frequenzbereich verwendbar sein können.
Kurzzusammenfassung
Es werden eine Schaltung nach Anspruch 1, ein Richtkoppler nach Anspruch 17 sowie ein Verfahren nach Anspruch 24 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Schaltung eine Stromerfassungsschaltung, umfassend einen Stromeingangsanschluss, der mit einem Eingangsport verbunden ist, einen Stromausgangsanschluss, der mit einem Übertragungsport verbunden ist, und einen Stromerfassungsausgangsanschluss, der eingerichtet ist, ein Stromerfassungssignal proportional zu einem Strom bereitzustellen, der zwischen dem Stromeingangsanschluss und dem Stromausgangsanschluss fließt. Die Schaltung umfasst ferner eine Spannungserfassungsschaltung, die einen Spannungseingangsanschluss, die mit dem Übertragungsport verbunden ist, und einen Spannungserfassungsausgangsanschluss umfasst, die konfiguriert ist, ein Spannungserfassungssignal bereitzustellen, das proportional zu einer Spannung im Übertragungsport ist. Eine Kombinationsschaltung umfasst einen ersten Eingang, der mit dem Stromerfassungsausgangsanschluss verbunden ist, einen zweiten Eingang, der mit dem Spannungserfassungsausgangsanschluss verbunden ist, und einen kombinierten Ausgangsknoten, der mit einem Ausgangsport verbunden ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Für ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
1a–c eine Ausführungsform einer Richtkopplerschaltung und entsprechende Wellenformdiagramme zeigen;
2 eine weitere Ausführungsform einer Richtkopplerschaltung zeigt;
3 eine weitere Ausführungsform einer Kopplerschaltung zeigt;
4a–d eine Ausführungsform von abstimmbaren passiven Netzwerken zeigen;
5a–b eine Ausführungsform eines abstimmbaren Widerstands und eine Ausführungsform eines abstimmbaren Kondensators zeigen;
6 eine Ausführungsform einer Richtkopplersystems zeigt;
7 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zeigt; und
8a–d Ausführungsformen von Systemen zeigen, die Ausführungsformen von Richtkopplern verwenden.
Übereinstimmende Bezugsziffern und Symbole in verschiedenen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, sofern nichts anderes angegeben ist. Die Figuren sollen die relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen klar veranschaulichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Um bestimmte Ausführungsformen noch klarer zu veranschaulichen, kann ein Buchstabe, der Varianten derselben Struktur, desselben Materials oder derselben Prozessstufe anzeigen, auf eine Figurenzahl folgen.
Detaillierte Beschreibung von veranschaulichenden Ausführungsformen
Die Herstellung und Verwendung von gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden nachstehend ausführlich beschrieben. Es ist jedoch zu beachten, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte bereitstellt, die in einer großen Vielfalt von spezifischen Zusammenhängen ausgeführt werden können. Die spezifischen beschriebenen Ausführungsformen dienen nur der Veranschaulichung von spezifischen Arten, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und stellen keine Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung dar.
Die vorliegende Erfindung soll in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen in einem bestimmten Zusammenhang beschrieben werden, nämlich ein System und ein Verfahren für einen Richtkoppler, der in HF-Schaltungen verwendet werden kann, um einfallende oder reflektierende Leistung zu messen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch auf andere Systeme und Anwendungen angewandt werden, die andere Schaltungen umfassen, die Phasendetektoren umfassen, wie Phasenregelkreis-Schaltungen (PLL-Schaltungen) und Leistungsdetektoren. Darüber hinaus können Ausführungsformen Systeme betreffen, die HF-Messungen durchführen, einschließlich, aber nicht ausschließlich Vorrichtungen, die Impedanzfehlanpassungen messen und/oder abstimmen, Zeitbereichs-Reflektometer (TDR), Erfassungsvorrichtungen zur Verwendung mit abstimmbaren Antennenanpassschaltungen und abstimmbare Filter.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Impedanzmessvorrichtung ein Spannungserfassungsnetzwerk, das mit einem Stromerfassungsnetzwerk verbunden ist, das mit einem Übertragungspfad der Impedanzmessvorrichtung in Reihe geschaltet ist. Die Ausgänge des Spannungserfassungsnetzwerks und des Stromerfassungsnetzwerks sind an einem Ausgangsport kombiniert, um ein Signal zu erzeugen, das proportional zu einem einfallenden Signal ist, das sich in Richtung eines Eingangsports oder alternativ dazu in Richtung eines Übertragungsports der Impedanzmessvorrichtung ausbreitet. Die Richtwirkung der Impedanzmessvorrichtung kann durch Einstellen einer Phasen- und Amplitudenantwort der Spannungsmessvorrichtung abgestimmt werden und/oder durch Einstellen der relativen Amplituden der Ausgänge des Spannungserfassungsnetzwerks und des Stromerfassungsnetzwerks, die zum Ausbilden der Kombinationssignale verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann dieses Abstimmen unter Verwendung einer Steuerschaltung automatisch durchgeführt werden.
1a zeigt einen Richtkoppler 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen Eingangsport 108, einen Übertragungsport 110 und einen Ausgangsport 112 umfasst. Ein HF-Signal tritt über den Eingangsport 108 und den Übertragungsport 110 durch den Richtkoppler 100, und der Ausgangsport 112 koppelt einen Teil des HF-Signals entweder in eine Vorwärtsrichtung oder in eine Rückwärtsrichtung. Das HF-Signal ist als HF-Signalgenerator 116 dargestellt, es gilt jedoch zu berücksichtigen, dass das HF-Signal, das auf den Eingangsport 108 einfällt, von verschiedenen HF-Quellen, wie einem Verstärker, erzeugt oder zum Beispiel von einer Antenne empfangen werden kann. Alle Anschlüsse sind idealerweise mit einer Referenzimpedanz Z0 abgeschlossen, die in verschiedenen Ausführungsformen 50 Ω entspricht. Diese Abschlussimpedanzen sind als Z_S, verbunden mit dem Eingangsport 108, Z_L, verbunden mit dem Übertragungsport 110, und Z_C, verbunden mit dem Ausgangsport 112, gezeigt. Alternativ dazu können andere charakteristische Impedanzen für Z_S, Z_L und Z_C verwendet werden, die dieselben oder verschieden voneinander sein können.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Richtungskoppler 100 eine Stromerfassungsschaltung 102, die ein Signal V_i erzeugt, das in Bezug auf einen HF-Strom I_HF amplitudenskaliert und phasenverschoben ist. Der Richtkoppler 100 umfasst ferner eine Spannungserfassungsschaltung 104, die ein Signal V_v erzeugt, das in Bezug auf eine HF-Spannung V_HF amplitudenskaliert und phasenverschoben ist, und eine Kombinationsschaltung 106, die das Signal proportional zur Summe von V_i und V_v erzeugt. Die Signale V_i und V_v können zum Beispiel als Knotenspannungen, Spannungen an Ausgangsports oder als sonstige Signaltypen vorliegen.
1b und 1c umfassen Wellenformdiagramme, die das Verhältnis zwischen den Spannungen V_i und V_v unter angepassten Impedanzbedingungen und fehlangepassten Impedanzbedingungen in Bezug auf die Schaltung von 1a zeigen. 1b zeigt ein Wellenformdiagramm, das das Verhältnis zwischen HF-Eingangsspannung/HF-Strom und Ausgangsspannungen von den Erfassungs- und Kombinationsschaltungen einer Ausführungsform eines Kopplers unter angepassten Impedanzbedingungen zeigt. Wie gezeigt sind der Strom I_HF und die Spannung V_HF phasengleich bei relativen Amplituden, die dem folgenden Verhältnis entsprechen:
Folglich weisen die Spannungen V_i und V_v an den Eingängen der Kombinationsschaltung 106 gleiche Amplituden auf und sind um 180° phasenverschoben, sodass die Summe von V_i und V_v null und/oder eine Gleichspannung ist. In einigen Ausführungsformen kann der Ausgang der Stromerfassungsschaltung 102, die V_i erzeugt, als Strommessknoten bezeichnet werden, und der Ausgang der Spannungserfassungsschaltung 104, die V_v erzeugt, kann als Spannungsmessknoten bezeichnet werden.
1c zeigt ein Wellenformdiagramm, das das Verhältnis zwischen HF-Eingangsspannung/HF-Strom und Ausgangsspannungen von den Erfassungs- und Kombinationsschaltungen einer Ausführungsform eines Kopplers unter fehlangepassten Impedanzbedingungen zeigt. Wie gezeigt, sind der Strom I_HF und die Spannung V_HF bei relativer Amplitude phasenverschoben, wobei:
Unter dieser Maßgabe weisen die Spannungen V_i und V_v ungleiche Amplituden auf und sind nicht um 180° phasenverschoben. Daher weist die Summe von V_i und V_v eine Wechselstromkomponente auf. Es gilt zu berücksichtigen, dass die Summe von V_i und V_v unter der Maßgabe, dass V_i und V_v phasengleich sind, aber ungleiche Amplituden aufweisen, oder dass V_i und V_v phasenverschoben sind, aber gleiche Amplituden aufweisen, eine Wechselstromkomponente aufweisen kann. In alternativen Ausführungsformen können die Amplituden und Phasen von V_i und V_v so skaliert sein, dass eine Bedingung ungleicher Amplitude und/oder eine Phasenverschiebungsbedingung eine angepasste Impedanzbedingung darstellt.
Zurück zu 1a, kann die Wechselstromantwort der Spannungserfassungsschaltung 104 wie folgt beschrieben werden: V_v(jω) = C_v(jω)·V_RF, (1) wobei C_v(jω) den Kopplungsfaktor der Spannungserfassungsschaltung 104 darstellt; und die Wechselstromantwort der Stromerfassungsschaltung 102 kann wie folgt beschrieben werden: V_i(jω) = Z(jω)·C_i(jω)·I_RF, (2) wobei C_i(jω) den Kopplungsfaktor der Stromerfassungsschaltung 102 darstellt. Die Wechselstromantwort der Kombinationsschaltung 106 schließlich kann wie folgt beschrieben werden: V_comb(jω) = m_v(jω)·V_v + m_i(jω)·V_i, (3) wobei m_v(jω) die Signalverstärkung und Phasenverschiebung durch die Kombinationsschaltung 106 darstellt, wie sie V_v beeinflusst, und m_i(jω) die Signalverstärkung und Phasenverschiebung durch die Kombinationsschaltung 106 darstellt, wie sie V_i beeinflusst.
In einer Ausführungsform definiert Z(jω) die Impedanz, für die die höchste Isolierung erreicht wird. In einem idealen Koppler gilt Folgendes: C_v(jω) = ±C_i(jω), und (4) Z(jω) = Z₀, (5) wobei Z₀ eine Referenzimpedanz ist, z. B. in einigen Ausführungsformen 50 Ω.
Wenn C_v(jω) = –C_i(jω) gilt, zeigt das Signal am Ausgangsport 112 das Ausmaß von elektromagnetischer Leistung an, das sich vom Übertragungsport 110 zum Eingangsport 108 ausbreitet; gleichzeitig ist der Ausgangsport 112 von der elektromagnetischen Leistung, die sich vom Eingangsport 108 zum Übertragungsport 110 ausbreitet, isoliert. Wenn hingegen C_v(jω) = +C_i(jω) gilt, zeigt das Signal am Ausgangsport 112 das Ausmaß von elektromagnetischer Leistung an, das sich vom Eingangsport 108 zum Übertragungsport 110 ausbreitet; und gleichzeitig ist der Ausgangsport 112 von der elektromagnetischen Leistung, die sich vom Übertragungsport 110 zum Eingangsport 108 ausbreitet, isoliert.
In einer Ausführungsform können die Stromerfassungsschaltung 102 und die Spannungserfassungsschaltung 104 unter Verwendung von linearen passiven Netzwerken umgesetzt werden. Darüber hinaus können die Stromerfassungsschaltung 102, die Spannungserfassungsschaltung 104 und die Kombinationsschaltung 106 abstimmbar sein, sodass C_v(jω), C_i(jω), m_v(jω) und m_i(jω), elektronisch anpassbar gemacht werden. Zum Beispiel können die Stromerfassungsschaltung 102, die Spannungserfassungsschaltung 104 und die Kombinationsschaltung 106 passive Netzwerke umfassen, die schaltbare Elemente umfassen, um eine anpassbare Wechselstrom-Transferfunktion bereitzustellen.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Umsetzung eines Richtkopplers 100, in der die Stromerfassungsschaltung 102 unter Verwendung eines magnetischen Transformators 120 umgesetzt wird, der eine Primärwicklung, dargestellt durch eine Induktivität Lp, die zwischen den Eingangsport 108 und den Übertragungsport 110 geschaltet ist, und eine Sekundärwicklung umfasst, dargestellt durch eine Induktivität Ls, die zwischen einen Referenzknoten und einen ersten Eingang einer Kombinationsschaltung geschaltet ist. Der Referenzknoten kann in einigen Ausführungsformen Masse sein, oder in anderen Ausführungsformen ein weiterer Referenzknoten. Eine Spannungserfassungsschaltung 104 umfasst ein RC-Netzwerk, das zwischen den Übertragungsport 110 und den zweiten Eingang der Kombinationsschaltung 106 geschaltet ist. Alternativ dazu kann die Spannungserfassungsschaltung 104 zwischen den Eingangsport 108 und den zweiten Eingang der Kombinationsschaltung 106 geschaltet sein. Der Betrieb des magnetischen Transformators 120 in Verbindung mit dem RC-Netzwerk der Spannungserfassungsschaltung 104 kann wie in der parallel anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 13/931.092 mit dem Titel „System and Method for a Transformer and a Phase-Shift Network”, eingereicht am 28. Juni 2013, die hier durch Verweis in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist, erfolgen. In manchen Ausführungsformen umfasst die Kombinationsschaltung 106 zwei Impedanzen, die die Signale von der Stromerfassungsschaltung 102 und der Spannungserfassungsschaltung 104 summieren und skalieren. Die zwei Impedanzen in der Kombinationsschaltung 106 können zum Beispiel als zwei Widerstände ausgeführt sein.
In der Ausführungsform gemäß 2 kann die Spannung V_v wie folgt ausgedrückt werden:
wobei R₁ der Widerstand und C₁ die Kapazität des RC-Netzwerks der Spannungserfassungsschaltung 104 ist. Wenn die Grenzfrequenz des RC-Netzwerks weit über dem Betriebsfrequenzbereich des Kopplers liegt, nämlich bei
kann die Gleichung (6) annähernd wie folgt lauten: V_v ≈ jωR₁C₁·V_RF. (8)
In Bezug auf die Gleichung (1) kann daher der Spannungskopplungsfaktor C_v(jω) der Spannungserfassungsschaltung 104 wie folgt ausgedrückt werden: C_v(jω) = jωR₁C₁. (9)
Verwendet man die Gleichung für einen idealen Transformator, der mit einer hohen Impedanz belastet ist (unter der Annahme, dass R2 viel höher ist als die Impedanz an der SekundärWicklung des magnetischen Transformators), kann die Spannung V_i wie folgt ausgedrückt werden:
wobei L_p und L_s der Selbstinduktionskoeffizient der Primär- und der Sekundärwicklung des Transformators im Stromerfassungsnetzwerk sind und k ein Kopplungsfaktor zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung ist. In einer Ausführungsform sind die verschiedenen Komponenten und Parameter k, L_P, L_S, R₁ und C₁ ausgewählt, um die folgende Bedingung zu erfüllen:
wobei Z₀ eine Referenzimpedanz ist.
Unter Verwendung der Gleichung (11) kann die Gleichung (10) wie folgt geändert werden: V_i = –jωZ₀·R₁C₁·I_RF. (12)
In Bezug auf Gleichung (2) kann daher der Stromkopplungsfaktor C_i(jω) der Stromerfassungsschaltung 102 wie folgt ausgedrückt werden: C_i(jω) = –jωR₁C₁. (13)
3 zeigt einen Richtkoppler 150 gemäß einer weiteren Ausführungsform, die der in 2 gezeigten Ausführungsform ähnlich ist, aber zusätzlich einen Richtschalter 156 aufweist, der zwischen den magnetischen Transformer 120 und die Kombinationsschaltung 106 geschaltet ist. Wie gezeigt, ist der Richtschalter 156 konfiguriert, die Polarität des Ausgangs der Stromerfassungsschaltung 152 umzukehren, indem der Ausgang der Stromerfassungsschaltung 152 selektiv zu jedem Ende der Sekundärwicklung des magnetischen Transformators 120 geschaltet wird, und der Referenzknoten selektiv zum anderen Ende der Sekundärwicklung des magnetischen Transformators 120 geschaltet wird. In einigen Ausführungsformen kann der Richtschalter 156 unter Verwendung von Schalttransistoren ausgeführt sein. Darüber hinaus umfasst die Spannungserfassungsschaltung 154 ein RC-Netzwerk, das zwischen den Übertragungsport 110 und den zweiten Eingang der Kombinationsschaltung geschaltet ist. Alternativ dazu kann die Spannungserfassungsschaltung 154 zwischen den Eingangsport 108 und den zweiten Eingang der Kombinationsschaltung 106 geschaltet sein. Das RC-Netzwerk umfasst einen Kondensator C1, einen abstimmbaren Widerstand R1 und einen abstimmbaren Kondensator C2, der verwendet wird, um eine abstimmbare Transfereigenschaft für die Spannungserfassungsschaltung 154 auszuführen. Der Kondensator C1 kann ebenfalls abstimmbar sein.
Die Spannungserfassungsschaltung des Richtkopplers 150 kann wie folgt beschrieben werden:
Wenn C₂ kleiner ist als C₁, kann die Gleichung (14) durch (8) angenähert werden. Wenn C2 >> C1, liegt eine Phasenverschiebung zwischen V_v und V_HF vor, wobei der Wert je nach der Kapazität des Kondensators C2 zwischen 0 und 90° liegen kann. Durch Einstellen der Kapazität des Kondensators C2 und des Widerstands des Widerstands R1 können der Betrag und die Phase der Transferfunktion des Spannungserfassungsnetzwerks abgestimmt werden. Darüber hinaus können die Größenordnung und die Phase der Transferfunktion der Spannungserfassungsschaltung abgestimmt werden, indem die Kapazität des Kondensators C1 eingestellt wird. Es gilt zu verstehen, dass die Topologie der Spannungserfassungsschaltung 154 nur ein Beispiel vieler verschiedener Ausführungsformen von Spannungserfassungsschaltungen ist. In alternativen Ausführungsformen können andere Netzwerke, die eine einstellbare Phasenverschiebung erzeugen, verwendet werden.
Der Richtschalter 156 in der Stromerfassungsschaltung 152 verändert die Polarität der Spannung V_i, wodurch die folgende Funktion ausgeführt wird:
Wie aus den Gleichungen (15) und (16) ersichtlich ist, wird der Ausgang der Stromerfassungsschaltung 152 durch den Auswahlschalter um 180° umgekehrt. Wenn
zeigt das Signal am Ausgangsport 112 das Ausmaß an elektromagnetischer Leistung an, das sich vom Übertragungsport 110 zum Eingangsport 108 ausbreitet; gleichzeitig ist der Ausgangsport 112 von der elektromagnetischen Leistung, die sich vom Eingangsport 108 zum Übertragungsport 110 ausbreitet, isoliert. Wenn
zeigt das Signal am Ausgangsport 112 das Ausmaß an elektromagnetischer Leistung an, das sich vom Eingangsport 108 zum Übertragungsport 110 ausbreitet; gleichzeitig ist der Ausgangsport 112 von der elektromagnetischen Leistung, die sich vom Übertragungsport 110 zum Eingangsport 108 ausbreitet, isoliert.
4a–d zeigen verschiedene Schaltungen, die verwendet werden können, um eine Kombinationsschaltung 106 auszuführen. 4a zeigt eine Kombinationsschaltung 106, die feste Widerstände R2 und R3 umfassen, die in Ausführungsformen verwendet werden können, in denen nur ein festgelegtes Verhältnis zwischen den Ausgängen der Stromerfassungsschaltung 102 und der Spannungserfassungsschaltung 104 erforderlich sind. 4b zeigt eine Kombinationsschaltung 160, in der der Widerstand R2 und/oder der Widerstand R3 abstimmbar ist. In 4c ist die Kombinationsschaltung 162 unter Verwendung von zwei abstimmbaren Kondensatoren C3 und C4 ausgeführt, und in 4d ist die Kombinationsschaltung 164 unter Verwendung von abstimmbaren Widerstände R2 und R3 ausgeführt, die jeweils mit den Kondensatoren C4 und C3 parallelgeschaltet sind. Durch unabhängiges Einstellen der Widerstände R2 und R3 sowie der Kondensatoren C4 und C3 können sowohl die Amplitude als auch die Phase von m_v(jω) und m_i(jω) eingestellt werden.
5a–b zeigen Beispiele von abstimmbaren passiven Elementen, die verwendet werden können, um abstimmbare Komponenten in Ausführungsformen von Spannungserfassungsschaltungen und Kombinationsschaltungen auszuführen. 5a zeigt eine Ausführungsform eines abstimmbaren Widerstands, der Widerstände R21, R22 und R23 umfasst, die in Serie geschaltet sind. NMOS-Transistoren M1, M2 und M3 werden verwendet, um jeweils die Widerstände R21, R22 und R23 kurzzuschließen. In einem Beispiel kann ein Widerstand der Summe von R21, R22 und R23 ausgewählt werden, indem die NMOS-Transistoren M1, M2 und M3 ausgeschaltet werden. In einem weiteren Beispiel kann ein Widerstand von ungefähr R23 ausgewählt werden, indem die Transistoren M2 und M3 eingeschaltet werden und der Transistor M1 ausgeschaltet wird. In alternativen Ausführungsformen können mehr oder weniger als drei Schalttransistoren verwendet werden, um mehr oder weniger als drei Widerstände auszuwählen. In anderen Ausführungsformen können Widerstände als kombinierte oder parallele Widerstände und/oder einer Kombination aus sowohl parallelen als auch seriellen Widerständen auswählbar sein. Darüber hinaus können die Schalttransistoren M1, M2 und M3 unter Verwendung anderer Arten von Transistoren als NMOS-Transistoren ausgeführt sein, z. B. PMOS-Transistoren, Bipolartransistoren und sonstige Arten von Transistoren.
5b zeigt eine Ausführungsform eines abstimmbaren Kondensators, der durch eine parallele Kombination von auswählbaren Kondensatoren C31, C32 und C33 ausgeführt ist, die durch NMOS-Transistoren M4, M5 und M6 ausgewählt werden. In alternativen Ausführungsformen können mehr oder weniger als drei Schalttransistoren verwendet werden, um mehr oder weniger als drei Kondensatoren auszuwählen. In anderen Ausführungsformen können Kondensatoren als kombinierte oder parallele Kondensatoren und/oder eine Kombination aus sowohl parallelen als auch seriellen Widerständen auswählbar sein. Darüber hinaus können die Schalttransistoren M4, M5 und M6 unter Verwendung anderer Arten von Transistoren als NMOS-Transistoren ausgeführt sein, z. B. PMOS-Transistoren, Bipolartransistoren und sonstige Arten von Transistoren.
6 zeigt eine Ausführungsform eines Richtkopplers 200, der ferner eine Steuerung 202 umfasst, die verwendet werden kann, um die Stromerfassungsschaltung 152, die Spannungserfassungsschaltung 104 und die Kombinationsschaltung 106 über eine digitale Schnittstelle 204 abzustimmen und/oder zu kalibrieren. Wie gezeigt, kann die Steuerung 202 verwendet werden, um Steuereinstellungen innerhalb der Kombinationsschaltung 106 und der Spannungserfassungsschaltung 104 zu steuern, indem z. B. passive Komponenten in diesen Blöcken wie oben beschrieben eingestellt werden. Die Steuerung 202 kann ferner mit der Stromerfassungsschaltung 152 verbunden sein, um den Richtschalter zu steuern. In einigen Ausführungsformen können alle Elemente im Richtkoppler 200 in einer oder mehr integrierten Schaltungen ausgeführt sein. Die Steuerung 202 kann unter Verwendung einer Mikrosteuereinheit, eines Mikroprozessors, einer Zustandsmaschine oder einer sonstigen festverdrahteten oder programmierbaren Logik ausgeführt sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Steuerung 202 eine eingebaute Selbsttestschaltung umfassen, die ein gewisses Ausmaß an Steuerung über die Text- und Kalibrierungssequenz hat. Die bestimmte Einstellung kann in einem Speicher 210 gespeichert werden, der unter Verwendung eines nichtflüchtigen Speichers wie eines EEPROM, Maskenprogrammierbaren ROM, programmierbaren Sicherungen oder sonstige Arten von Speichern ausgeführt sein kann. Während des Testens kann der Richtkoppler 200 unter der Steuerung der Testeinheit 212, die einen mit dem Übertragungsport 110 verbundenen Eingang aufweist, arbeiten. Die Testeinheit 212 kann den Zustand von Bauteilen wie z. B. des Richtschalters in der Stromerfassungsschaltung 152 sowie einstellbare passive Netzwerke in der Spannungserfassungsschaltung 104 und in der Kombinationsschaltung 106 steuern.
7 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Richtkoppler-Kalibrierungsverfahrens 300. In einer Ausführungsform sind der Eingangsport und der Übertragungsport mit bekannten Impedanzen in Schritt 302 abgeschlossen. In einigen Ausführungsformen ist der Ausgangsport auch mit einer bekannten Impedanz abgeschlossen.
In einigen Fällen können diese Impedanzen alle abgeschlossen sein, um eine charakteristische Impedanz, z. B. Z₀ = 50 Ω, einzustellen. Alternativ dazu können andere Impedanzen verwendet werden. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen Impedanzen, die mit dem Eingangsport, dem Übertragungsport und/oder dem Ausgangsport verbunden sind, absichtlich fehlangepasst sein, um der Kalibrierungssequenz zu ermöglichen, nicht ideale Systemlasten, die aufgrund von parasitären Impedanzen auf der Platine auftreten können, zu kalibrieren.
Als nächstes wird in Schritt 304 ein HF-Signal auf den Eingangsport und/oder den Übertragungsport beaufschlagt. Dieses Signal kann z. B. unter Verwendung eines HF-Signalgenerators beaufschlagt werden. In Schritt 306 wird der Richtschalter, z. B. der in 3 gezeigte Richtschalter 156, auf eine erste Position eingestellt, sodass der Ausgang einer Ausführungsform einer Stromerfassungsschaltung ein Signal einer ersten Polarität bereitstellt. Als nächstes wird in Schritt 308 eine erste Leistung am Ausgangsport des Richtkopplers gemessen. Der Richtkoppler wird dann auf eine zweite Position eingestellt, um die Polarität des Ausgangs der Stromerfassungsschaltung 310 umzukehren, und dann wird in Schritt 312 eine zweite Leistung am Ausgangsport gemessen. Eine Richtwirkung wird dann in Schritt 314 berechnet, indem der Unterschied und/oder das Verhältnis zwischen der ersten Leistung und der zweiten Leistung berechnet wird.
Die berechnete Richtwirkung wird dann in Schritt 316 mit einer vorbestimmten Schwelle verglichen. In einigen Ausführungsformen kann diese vorbestimmte Schwelle z. B. zwischen ungefähr 20 dB und ungefähr 25 dB für Frequenzen zwischen ungefähr 500 MHz und ungefähr 3 GHz betragen. Alternativ dazu können je nach der bestimmten Anwendung und ihren Anforderungen andere Schwellen und Frequenzen außerhalb dieses Bereichs verwendet werden. Wenn die Richtwirkung geringer ist als die vorbestimmte Schwelle, wird die Einstellung der Spannungserfassungsschaltung und/oder der Kombinationsschaltung in Schritt 318 eingestellt, und die Schritte 306 und 316 werden wiederholt. Die Einstellung kann unter Verwendung eines Optimierungsalgorithmus wie z. B. einem LMS-(Least-Mean-Squares-)Algorithmus oder einem sonstigen Algorithmus nach Stand der Technik eingestellt werden. Wenn hingegen die gemessene und berechnete Richtwirkung unter der vorbestimmten Schwelle liegt, wird die Einstellung der Spannungserfassungsschaltung und/oder der Stromerfassungsschaltung in einem Speicher gespeichert, etwa in Schritt 320 einem nichtflüchtigen Speicher.
8a zeigt ein HF-System 400 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System 400 umfasst einen HF-Sender-Empfänger 402, der über eine Ausführungsform eines Richtkopplers 404 und ein abstimmbares angepasstes Netzwerk 406 mit einer Antenne 412 verbunden ist. Der Ausgangsport des Richtkopplers 404 ist mit einem Leistungsdetektor 408 verbunden, dessen Ausgang mit einer Steuerung 410 verbunden ist. In einer Ausführungsform stellt die Steuerung 410 das abstimmbare angepasste Netzwerk 406 gemäß der digitalisierten Ausgabe des Leistungsdetektors 408 ein. Wenn der Richtkoppler 404 eine Impedanzfehlanpassung zwischen dem HF-Sender-Empfänger 402 und dem Eingang zum abstimmbaren angepassten Netzwerk 406 detektiert, stellt die Steuerung 410 das abstimmbare angepasste Netzwerk 406 ein, bis die gemessene Impedanzfehlanpassung in einigen Ausführungsformen unter eine vorbestimmte Schwelle fällt. In manchen Ausführungsformen kann die Steuerung 410 z. B. unter Verwendung eines Prozessors, einer Mikrosteuereinheit oder einer speziellen Systemlogik ausgeführt sein. Das HF-System 400 kann z. B. im vorderen Ende eines Mobiltelefons, im Sender-Empfänger eines drahtlosen lokalen Netzes oder sonstigen Hochfrequenzsystemen ausgeführt sein. In einigen Ausführungsformen ist das abstimmbare angepasste Netzwerk 406 zwischen den HF-Sender-Empfänger 402 und den Richtkoppler 404 geschaltet, wie in 8b in Bezug auf System 420 gezeigt.
8c zeigt eine Ausführungsform eines Radarsystems 450 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System 450 umfasst einen Radar-Sender-Empfänger 452, der über eine Ausführungsform eines Richtkopplers 404 mit einer Antenne 412 verbunden ist. Der Ausgang des Richtkopplers 404 ist über den Leistungsdetektor 408 mit der Steuerung 410 verbunden. In einer Ausführungsform misst ein Richtkoppler 404 ein einfallendes Signal von der Antenne 412, das einen reflektierten Radarimpuls darstellen kann. Als das System 450 kann z. B. ein Radarsystem wie ein Automobilradar- oder Annäherungsradarsystem verwendet werden. Der Richtkoppler 404 kann z. B. unter Verwendung von hier offenbarten Ausführungsformen von Richtkopplern umgesetzt sein. Weitere beispielhafte Systeme, die eine Ausführungsform von Reflexionsmessschaltungen verwenden können, umfassen Leistungsüberwachung in PIFA(Planar Inverted F Antenna)-Antennen-Einspeisungspunktabstimmgeräten.
8d zeigt eine Ausführungsform eines Systems 460, die einen Antennenschalter 462 umfasst, der über eine Ausführungsform des Richtkopplers 404 mit der Antenne 412 verbunden ist. Der Antennenschalter 462 ist konfiguriert, einen Eingang von Eingängen S1 bis SN auszuwählen und mit dem Ausgangsknoten O1 zu verbinden. Der Ausgangsport des Richtkopplers 404 ist über den Leistungsdetektor 408 mit der Steuerung 410 verbunden. Das System 460 kann z. B. verwendet werden, um übertragene und reflektierte Leistung in Vorwärts- und Umkehrrichtung zu messen, indem eine Position des Polaritätsschalters im Richtkoppler 404 gewählt wird. Der Ausgang des Richtkopplers 404 kann ferner verwendet werden, um eine Hüllkurvenverfolgung und Antennenabstimmung durchzuführen.
Es gilt zu berücksichtigen, dass die in 8a–d gezeigten Ausführungen nur drei Beispiele der vielen Systeme sind, die unter Verwendung von Ausführungsformen von Richtkopplern ausgeführt sein können.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Schaltung eine Stromerfassungsschaltung mit einem Stromeingangsanschluss, der mit einem Eingangsport verbunden ist, einen Stromausgangsanschluss, der mit einem Übertragungsport verbunden ist, und einen Stromerfassungsausgangsanschluss, der konfiguriert ist, ein Stromerfassungssignal proportional zu einem Strom bereitzustellen, der zwischen dem Stromeingangsanschluss und dem Stromausgangsanschluss fließt. Die Schaltung umfasst ferner eine Spannungserfassungsschaltung, die einen Spannungseingangsanschluss, die mit dem Übertragungsport verbunden ist, und einen Spannungserfassungsausgangsanschluss, der konfiguriert ist, ein Spannungserfassungssignal bereitzustellen, das proportional zu einer Spannung im Übertragungsport ist. Eine Kombinationsschaltung umfasst einen ersten Eingang, der mit dem Stromerfassungsausgangsanschluss verbunden ist, einen zweiten Eingang, der mit dem Spannungserfassungsausgangsanschluss verbunden ist, und einen kombinierten Ausgangsknoten, der mit einem Ausgangsport verbunden ist. Die Schaltung ist konfiguriert, basierend auf einer Amplitudendifferenz und einer Phasendifferenz zwischen dem Spannungserfassungsausgangsanschluss und dem Stromerfassungsausgangsanschluss ein Ausmaß an elektromagnetischer Leistung anzuzeigen, das sich zwischen dem Eingangsport und dem Übertragungsport ausbreitet.
In einer Ausführungsform umfasst die Schaltung ferner einen magnetischen Transformator, der eine erste, zwischen dem Stromeingangsanschluss und dem Stromausgangsanschluss geschaltete Wicklung und eine zweite, zwischen einen ersten Referenzknoten und den Stromerfassungsausgangsanschluss geschaltete Wicklung umfasst. Die Schaltung kann ferner einen Schalter umfassen, der zwischen den Stromerfassungsausgangsanschluss und die zweite Wicklung geschaltet ist. Der Schalter kann konfiguriert sein, eine Polarität auszuwählen, durch die der Stromerfassungsausgangsanschluss mit der zweiten Wicklung verbunden ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Spannungserfassungsschaltung ein einstellbares Netzwerk mit einer einstellbaren Phasen- und Amplitudenantwort. Das einstellbare Netzwerk kann einen Serienkondensator, der zwischen den Spannungseingangsanschluss und den Spannungserfassungsausgangsanschluss geschaltet ist, und einen Nebenschlusswiderstand, der zwischen den Spannungserfassungsausgangsanschluss und einen Referenzknoten geschaltet ist, sodass zumindest einer des Serienkondensators und des Nebenschlusswiderstands einstellbar ist. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das einstellbare Netzwerk einen Serienkondensator, der zwischen den Spannungseingangsanschluss und den Spannungserfassungsausgangsanschluss geschaltet ist, einen Nebenschlusswiderstand, der zwischen den Spannungserfassungsausgangsanschluss und einen Referenzknoten geschaltet ist, und einen Nebenschlusskondensator, der zwischen den Spannungserfassungsausgangsanschluss und einen Referenzknoten geschaltet ist, sodass zumindest einer des Serienkondensators, des Nebenschlusswiderstands und des Nebenschlusskondensators einstellbar ist.
Die Schaltung kann ferner eine Steuerung umfassen, die konfiguriert ist, das einstellbare Netzwerk zu kalibrieren, um eine im Wesentlichen 90-gradige Phasenverschiebung zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Schaltung eine Steuerung, die konfiguriert ist, das einstellbare Netzwerk zu kalibrieren, um eine Richtwirkung der Schaltung im Wesentlichen zu maximieren. In einer Ausführungsform umfasst die die Kombinationsschaltung ein weiteres einstellbares passives Netzwerk, und die Steuerung ist ferner konfiguriert, das weitere einstellbare passive Netzwerk zu kalibrieren, um die Richtwirkung der Schaltung im Wesentlichen zu maximieren.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Kombinationsschaltung eine erste Impedanz, die zwischen den Stromerfassungsausgangsanschluss und den kombinierten Ausgangsknoten geschaltet ist, und eine zweite Impedanz, die zwischen den Spannungserfassungsausgangsanschluss und den kombinierten Ausgangsknoten geschaltet ist. Die erste Impedanz kann unter Verwendung eines ersten Widerstands ausgeführt sein, und die zweite Impedanz kann unter Verwendung eines zweiten Widerstands ausgeführt sein. Alternativ dazu können die erste und die zweite Impedanz unter Verwendung eines ersten und eines zweiten Kondensators ausgeführt sein. In einigen Ausführungsformen kann die erste Impedanz eine erste einstellbare Impedanz und die zweite Impedanz eine zweite einstellbare Impedanz umfassen. Zum Beispiel kann die erste einstellbare Impedanz unter Verwendung eines ersten einstellbaren Widerstands und die zweite einstellbare Impedanz unter Verwendung eines zweiten einstellbaren Widerstands ausgeführt sein. In weiteren Ausführungsformen kann die erste einstellbare Impedanz unter Verwendung eines ersten einstellbaren Kondensators und die zweite einstellbare Impedanz unter Verwendung eines zweiten einstellbaren Kondensators ausgeführt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Richtkoppler einen magnetischen Transformator, der eine erste, zwischen einen Eingangsport und einen Übertragungsport geschaltete Wicklung und eine zweite, über einen auswählbaren Polaritätsschalter mit einem Stromerfassungsknoten und einem Referenzknoten verbundene Wicklung umfasst. Der Richtkoppler umfasst außerdem ein einstellbares passives Netzwerk, das zwischen den Übertragungsport und einen Spannungserfassungsknoten geschaltet ist, und eine Kombinationsschaltung, die einen ersten Eingang, der mit dem Stromerfassungsknoten verbunden ist, einen zweiten Eingang, der mit dem Spannungserfassungsknoten verbunden ist, und einen Ausgang, der mit einem Ausgangsport des Richtkopplers verbunden ist, umfasst.
In einer Ausführungsform ist der Eingangsport konfiguriert, mit einer HF-Signalquelle verbunden zu sein; der Übertragungsport ist konfiguriert, mit einer ersten HF-Last verbunden zu sein; und der Ausgangsport ist konfiguriert, mit einer zweiten HF-Last verbunden zu sein. Der Richtkoppler kann ferner eine Steuerung umfassen, die konfiguriert ist, eine Richtwirkung des Kopplers durch Einstellen des einstellbaren passiven Netzwerks zu kalibrieren. Diese Steuerung kann konfiguriert sein, die Richtwirkung folgendermaßen zu kalibrieren: a) Einstellen des auswählbaren Polaritätsschalters auf eine erste Position und Messen einer ersten Leistung am Ausgangsport; b) Einstellen des auswählbaren Polaritätsschalters auf eine zweite Position und Messen einer zweiten Leistung am Ausgangsport; c) Berechnen einer Differenz zwischen der ersten Leistung und der zweiten Leistung; und d) wenn die Differenz kleiner als eine vorbestimmte Schwelle ist, Einstellen des einstellbaren passiven Netzwerks. In manchen Ausführungsformen ist die Steuerung ferner konfiguriert, die Schritte a), b), c) und d) zu wiederholen, wenn die Differenz kleiner ist als die vorbestimmte Schwelle. Außerdem kann die Steuerung konfiguriert sein, eine Einstellung für das einstellbare passive Netzwerk zu speichern, wenn die Differenz größer als die vorbestimmte Schwelle ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Kombinationsschaltung eine einstellbare Kombinationsschaltung; und die Steuerung ist ferner konfiguriert, die einstellbare Kombinationsschaltung einzustellen, wenn die Differenz größer als die vorbestimmte Schwelle ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Kalibrieren eines Richtkopplers das Messen einer Richtwirkung des Richtkopplers, um eine erste Messung auszubilden; das Einstellen einer ersten Eigenschaft der Spannungserfassungsschaltung, um die Richtwirkung des Richtkopplers zu erhöhen, wenn die erste Messung unter einer vorbestimmten Schwelle liegt; und das Wiederholen der Messung und der Einstellung, bis die erste Messung über der vorbestimmten Schwelle liegt. Der Richtkoppler selbst umfasst eine Stromerfassungsschaltung, die zwischen einen Eingangsport und einen Übertragungsport geschaltet ist, eine Spannungserfassungsschaltung, die zwischen den Übertragungsport und einen Spannungserfassungsausgangsanschluss geschaltet ist, und eine Kombinationsschaltung, die Eingänge, die mit dem Spannungserfassungsausgangsanschluss der Spannungserfassungsschaltung und einem Stromerfassungsausgangsanschluss der Stromerfassungsschaltung verbunden sind, und einen Ausgang, der mit einem Ausgangsanschluss des Richtkopplers verbunden ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Einstellen der Eigenschaft der Spannungserfassungsschaltung, die das Einstellen eines passiven Netzwerks umfasst. In einigen Ausführungsformen umfasst die Kombinationsschaltung eine einstellbare Kombinationsschaltung, und das Verfahren umfasst ferner das Einstellen der einstellbaren Kombinationsschaltung, um die Richtwirkung des Richtkopplers zu erhöhen, wenn die erste Messung unter der vorbestimmten Schwelle liegt. Das Einstellen der einstellbaren Kombinationsschaltung kann Schaltelemente einer ersten abstimmbaren Impedanz, die zwischen den Stromerfassungsausgangsanschluss und den Ausgangsport geschaltet ist, und Schaltelemente einer zweiten abstimmbaren Impedanz, die zwischen den Spannungserfassungsausgangsanschluss und den Ausgangsport geschaltet ist, umfassen.
Das Verfahren kann ferner das Abschließen des Eingangsports mit einer ersten Impedanz und das Abschließen des Übertragungsports mit einer zweiten Impedanz umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Messen der Richtwirkung das Einstellen eines Richtschalters auf eine erste Position, sodass der Richtschalter konfiguriert ist, eine Polarität des Stromerfassungsausgangsanschlusses der Stromerfassungsschaltung auszuwählen. Das Messen der Richtwirkung kann ferner Folgendes umfassen: Beaufschlagen eines ersten HF-Signals am Eingangsport; Messen einer ersten Leistung am Ausgangsport, wenn der Richtschalter sich in der ersten Position befindet; Einstellen des Richtschalters auf eine zweite Position; Messen einer zweiten Leistung am Ausgangsport, wenn der Richtschalter sich in der zweiten Position befindet; und Berechnen einer Differenz zwischen der ersten Leistung und der zweiten Leistung, um die gemessene Richtwirkung auszubilden.
Das Einstellen der Eigenschaft der Spannungserfassungsschaltung kann das Anwenden von Einstellungen für abstimmbare Elemente auf die Spannungserfassungsschaltung umfassen. In einigen Verfahren umfasst das Verfahren ferner das Speichern der Einstellung für die abstimmbaren Elemente in einem nichtflüchtigen Speicher, nachdem die erste Messung die vorbestimmte Schwelle überstiegen hat.
Vorteile einiger Ausführungsformen von Richtkopplern umfassen die Fähigkeit, die Leistung eines HF-Signals sowohl in die Vorwärts- als auch in die Umkehrrichtung zu überwachen, indem nur ein einziger verbundener Ausgangsport verwendet wird. Ein weiterer Vorteil umfasst die Fähigkeit, die Richtwirkung eines Richtkopplers zu kalibrieren, um Bauteil- und Prozessabweichungen sowie Variationen und nicht idealen Zuständen aufgrund von parasitären Impedanzen auf der Platine zu kompensieren. Somit können Ausführungsformen der Richtkoppler unter Verwendung von Standard-Halbleiterprozessen und/oder kostengünstigen Bauteilen eine hohe Richtwirkung erreichen.
Obwohl diese Erfindung in Bezug auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Beschreibung nicht als einschränkend zu betrachten. Verschiedene Veränderungen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung werden für Fachleute anhand der Beschreibung ersichtlich sein.

Claims

Schaltung, umfassend: eine Stromerfassungsschaltung, umfassend einen Stromeingangsanschluss, der mit einem Eingangsport verbunden ist, einen Stromausgangsanschluss, der mit einem Übertragungsport verbunden ist, und einen Stromerfassungsausgangsanschluss, der eingerichtet ist, ein Stromerfassungssignal proportional zu einem Strom bereitzustellen, der zwischen dem Stromeingangsanschluss und dem Stromausgangsanschluss fließt; eine Spannungserfassungsschaltung, die einen Spannungseingangsanschluss, der mit dem Übertragungsport verbunden ist, und einen Spannungserfassungsausgangsanschluss umfasst, der eingerichtet ist, ein Spannungserfassungssignal bereitzustellen, das proportional zu einer Spannung am Übertragungsport ist; und eine Kombinationsschaltung, die einen ersten Eingang, der mit dem Stromerfassungsausgangsanschluss verbunden ist, einen zweiten Eingang, der mit dem Spannungserfassungsausgangsanschluss verbunden ist, und einen kombinierten Ausgangsknoten, der mit einem Ausgangsport verbunden ist, aufweist, wobei die Schaltung, insbesondere die Kombinationsschaltung, eingerichtet ist, basierend auf einer Amplitudendifferenz und einer Phasendifferenz zwischen dem Spannungserfassungsausgangsanschluss und dem Stromerfassungsausgangsanschluss ein Maß an elektromagnetischer Leistung anzuzeigen, die sich zwischen dem Eingangsport und dem Übertragungsport fortpflanzt.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromerfassungsschaltung einen magnetischen Transformator, der eine erste, zwischen den Stromeingangsanschluss und den Stromausgangsanschluss geschaltete Wicklung und eine zweite, zwischen einen ersten Referenzknoten und den Stromerfassungsausgangsanschluss geschaltete Wicklung umfasst.
Schaltung nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Schalter, der zwischen den Stromerfassungsausgangsanschluss und die zweite Wicklung geschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei der Schalter eingerichtet ist, eine Polarität auszuwählen, gemäß der der Stromerfassungsausgangsanschluss mit der zweiten Wicklung verbunden ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Spannungserfassungsschaltung ein einstellbares Netzwerk mit einer einstellbaren Phasen- und Amplitudenantwort umfasst.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei das einstellbare Netzwerk Folgendes umfasst: einen Serienkondensator, der zwischen den Spannungseingangsanschluss und den Spannungserfassungsausgangsanschluss geschaltet ist; und einen Nebenschlusswiderstand, der zwischen den Spannungserfassungsausgangsanschluss und einen Referenzknoten geschaltet ist, wobei der Serienkondensator und/oder der Nebenschlusswiderstand einstellbar ist.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei das einstellbare Netzwerk Folgendes umfasst: einen Serienkondensator, der zwischen den Spannungseingangsanschluss und den Spannungserfassungsausgangsanschluss geschaltet ist; einen Nebenschlusswiderstand, der zwischen den Spannungserfassungsausgangsanschluss und einen Referenzknoten geschaltet ist; und einen Nebenschlusskondensator, der zwischen den Spannungserfassungsausgangsanschluss und einen Referenzknoten geschaltet ist, wobei der Serienkondensator, der Nebenschlusswiderstand und/oder der Nebenschlusskondensator einstellbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 5–7, ferner umfassend eine Steuerung, die eingerichtet ist, das einstellbare Netzwerk zu kalibrieren, um eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 90 Grad zu erzeugen.
Schaltung nach einem der Ansprüche 5–8, ferner umfassend eine Steuerung, die eingerichtet ist, das einstellbare Netzwerk zu kalibrieren, um eine Richtwirkung der Schaltung im Wesentlichen zu maximieren.
Schaltung nach Anspruch 9, wobei die Kombinationsschaltung ein weiteres einstellbares passives Netzwerk umfasst; und die Steuerung ferner eingerichtet ist, das weitere einstellbare passive Netzwerk zu kalibrieren, um die Richtwirkung der Schaltung im Wesentlichen zu maximieren.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1–10, wobei die Kombinationsschaltung Folgendes umfasst: eine erste Impedanz, die zwischen den Stromerfassungsausgangsanschluss und den kombinierten Ausgangsknoten geschaltet ist; und eine zweite Impedanz, die zwischen den Spannungserfassungsausgangsanschluss und den kombinierten Ausgangsknoten geschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 11, wobei die erste Impedanz ein erster Widerstand ist, und wobei die zweite Impedanz ein zweiter Widerstand ist.
Schaltung nach Anspruch 11, wobei die erste Impedanz ein erster Kondensator ist, und wobei die zweite Impedanz ein zweiter Kondensator ist.
Schaltung nach Anspruch 11, wobei die erste Impedanz eine erste einstellbare Impedanz umfasst; und wobei die zweite Impedanz eine zweite einstellbare Impedanz umfasst.
Schaltung nach Anspruch 14, wobei die erste einstellbare Impedanz ein erster einstellbarer Widerstand ist; und wobei die zweite einstellbare Impedanz ein zweiter einstellbarer Widerstand ist.
Schaltung nach Anspruch 14, wobei die erste einstellbare Impedanz ein erster einstellbarer Kondensator ist; und wobei die zweite einstellbare Impedanz ein zweiter einstellbarer Kondensator ist.
Richtkoppler, umfassend: einen magnetischen Transformator, der eine erste, zwischen einen Eingangsport und einen Übertragungsport geschaltete Wicklung und eine zweite, über einen auswählbaren Polaritätsschalter mit einem Stromerfassungsknoten und einem Referenzknoten verbundene Wicklung; ein einstellbares passives Netzwerk, das zwischen den Übertragungsport und einen Spannungserfassungsknoten geschaltet ist; und eine Kombinationsschaltung, die einen ersten Eingang, der mit dem Stromerfassungsknoten verbunden ist, einen zweiten Eingang, der mit dem Spannungserfassungsknoten verbunden ist, und einen Ausgang, der mit einem Ausgangsport des Richtkopplers verbunden ist, umfasst.
Richtkoppler nach Anspruch 17, wobei der Eingangsport eingerichtet ist, mit einer HF-Signalquelle verbunden zu werden; der Übertragungsport eingerichtet ist, mit einer ersten HF-Last verbunden zu werden; und der Ausgangsport eingerichtet ist, mit einer zweiten HF-Last verbunden zu werden.
Richtkoppler nach Anspruch 17 oder 18, ferner umfassend eine Steuerung, die eingerichtet ist, eine Richtwirkung des Kopplers durch Einstellen des einstellbaren passiven Netzwerks zu kalibrieren.
Richtkoppler nach Anspruch 19, wobei die Steuerung eingerichtet ist, die Richtwirkung durch Folgendes zu kalibrieren: a) Einstellen des auswählbaren Polaritätsschalters auf eine erste Position und Messen einer ersten Leistung am Ausgangsport; b) Einstellen des auswählbaren Polaritätsschalters auf eine zweite Position und Messen einer zweiten Leistung am Ausgangsport; c) Berechnen einer Differenz zwischen der ersten Leistung und der zweiten Leistung; und d) wenn die Differenz kleiner als eine vorbestimmte Schwelle ist, Einstellen des einstellbaren passiven Netzwerks.
Richtkoppler nach Anspruch 20, wobei die Steuerung ferner eingerichtet ist, eine Einstellung für das einstellbare passive Netzwerk zu speichern, wenn die Differenz größer als die vorbestimmte Schwelle ist.
Richtkoppler nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Steuerung ferner eingerichtet ist, die Schritte a), b), c) und d) zu wiederholen, wenn die Differenz kleiner ist als die vorbestimmte Schwelle.
Richtkoppler nach einem der Ansprüche 20–22, wobei die Kombinationsschaltung eine einstellbare Kombinationsschaltung umfasst; und die Steuerung ferner eingerichtet ist, die einstellbare Kombinationsschaltung einzustellen, wenn die Differenz größer als die vorbestimmte Schwelle ist.
Verfahren zum Kalibrieren eines Richtkopplers, umfassend eine Stromerfassungsschaltung, die zwischen einen Eingangsport und einen Übertragungsport geschaltet ist, eine Spannungserfassungsschaltung, die zwischen den Übertragungsport und einen Spannungserfassungsausgangsanschluss geschaltet ist, und eine Kombinationsschaltung, die Eingänge, die mit dem Spannungserfassungsausgangsanschluss der Spannungserfassungsschaltung und einem Stromerfassungsausgangsanschluss der Stromerfassungsschaltung verbunden sind, und einen Ausgang, der mit einem Ausgangsport des Richtkopplers verbunden ist, aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Messen einer Richtwirkung des Richtkopplers, um eine erste Messung zu bilden; Einstellen einer Eigenschaft der Spannungserfassungsschaltung, um die Richtwirkung des Richtkopplers zu erhöhen, wenn die erste Messung unter einer vorbestimmten Schwelle liegt; und Wiederholen des Messens und des Einstellens, bis die erste Messung über der vorbestimmten Schwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Einstellen der Eigenschaft der Spannungserfassungsschaltung ein Einstellen eines passiven Netzwerks umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Kombinationsschaltung eine einstellbare Kombinationsschaltung umfasst; und wobei das Verfahren ferner ein Einstellen der einstellbaren Kombinationsschaltung umfasst, um die Richtwirkung des Richtkopplers zu erhöhen, wenn die erste Messung unter der vorbestimmten Schwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Einstellen der einstellbaren Kombinationsschaltung ein Schalten von Elementen einer ersten abstimmbaren Impedanz, die zwischen den Stromerfassungsausgangsanschluss und den Ausgangsport geschaltet ist, und ein Schalten von Elementen einer zweiten abstimmbaren Impedanz, die zwischen den Spannungserfassungsausgangsanschluss und den Ausgangsport geschaltet ist, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24–27, ferner umfassend: Abschließen des Eingangsports mit einer ersten Impedanz; und Abschließen des Übertragungsports mit einer zweiten Impedanz.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Messen der Richtwirkung Folgendes umfasst: Einstellen eines Richtschalters auf eine erste Position, wobei der Richtschalter eingerichtet ist, eine Polarität des Stromerfassungsausgangsanschlusses der Stromerfassungsschaltung auszuwählen; Beaufschlagen eines ersten HF-Signals am Eingangsport; Messen einer ersten Leistung am Ausgangsport, wenn der Richtschalter sich in der ersten Position befindet; Einstellen des Richtschalters auf eine zweite Position; Messen einer zweiten Leistung am Ausgangsport, wenn der Richtschalter sich in der zweiten Position befindet; und Berechnen einer Differenz zwischen der ersten Leistung und der zweiten Leistung, um die gemessene Richtwirkung zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24–29, wobei das Einstellen der Eigenschaft der Spannungserfassungsschaltung das Anwenden von Einstellungen für abstimmbare Elemente auf die Spannungserfassungsschaltung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, ferner umfassend das Speichern der Einstellung für die abstimmbaren Elemente in einem nichtflüchtigen Speicher, nachdem die erste Messung über der vorbestimmten Schwelle liegt.