TW201108502A - Directional coupler and wireless radios having the same - Google Patents

Description

201108502 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於對進行傳送電力控制之無線通信技術 而言是不可欠缺的定向耦合器及安裝有耦合器之無線通信 【先前技術】 例如，在進行傳送電力控制的無線通信機中之傳送系 統的高輪出放大器，爲了監視其輸出電力而設置定向耦合 器（coupler)。雖然此傳送側放大器的輸出和收發天線連 接，但跫天線的反射電力會因野鳥或自然障礙物而變動。 又，最近，亦無法忽視來自陣列天線或ΜΙΜΟ (Multiple Input Multiple Output :多輸入多輸出）天線等之鄰接天線之 電波能置的繞入。 因此，爲了減少如上述所示之來自天線之反射電力的 影響，在輸出電力監視器需要具有高隔離特性的定向耦合 器。又，在最近之對應高速通信化的無線通信機中，寬頻 帶特性成爲必需條件。 作爲該用以得到高隔離特性的定向耦合器，一般使用 同軸耦合電路或帶狀線電路。 第7圖係由帶狀線所構成之以往之定向耦合器1的示 意構成圖，第7(a)圖係該耦合器1的平面圖，第7(b)圖係 B — B線剖面圖。 在此，所謂帶狀線50、如第7 ( b )圖所示，意指一種傳 201108502 送路徑，其具有在表背雙面形成有導體箔52、52之板狀介 電質基板51的內部形成有線狀之導體箔53之截面構造， 而將同軸電纜之外部導體的兩側面剖開作爲2張導體箔， 該帶狀線相當於將內部導體拉伸成箔狀的形狀。 如第7(a)圖所示，此定向耦合器1包含有彼此隔著間 隔所配置之由該線狀之導體箔所構成的主線路2和副線路 3 ° 主線路2具有輸入放大器輸出的輸入埠P1、及和天線 側連接的輸出埠P2。又，副線路3具有耦合埠P3和隔離 埠P4，其中，從耦合埠P3取出監視用的輸出。 此外，在由帶狀線所構成之定向耦合器1，一般若將 放大器輸出信號的波長設爲λ，副線路3對主線路2的耦 合長度L被設定成λ /4。 在由第7圖所示之帶狀線所構成的定向耦合器1，能 以電場及磁場之行進方向成分是零的TEM(Transverse Electromagnetic Mode:橫向電磁波）模式傳輸信號，在此 TEM模式，可傳輸從DC至高頻之所有的頻率的信號。 又在TEM模式，因爲頻率分散不存在，所以具有不會 產生信號之波形失真的優點》 如此，雖然因爲帶狀線能以TEM模式傳送信號，所以 可構成寬頻帶而且具有高隔離特性的定向耦合器1，但是 相反地’因爲需要在表面、背面以及內部的三層形成導體 箔52、53的圖型，所以製程變得複雜。 201108502 因此，一般在將定向耦合器1組裝於高頻電路內的情 況，亦常用相當於將帶狀線作成一半之構造的微帶狀線（在 背面形成有導體箔之板狀介電質基板的表面形成有線狀之 導體箔的構造）。 可是，微帶狀線因爲形成於介電質基板上的導體接觸 介電質常數相異的空氣，變成導體接觸2種媒質，所以完 全的TEM模式不成立。 如此稍微偏離TEM模式的傳送模式被稱爲準TEM .模 .式，在該準TEM模式，因爲除了對應於TEM的模式以外， 存在高階的模式，所以在微帶狀線的情況，具有難實現寬 頻帶而且具有高隔離特性之定向耦合器的問題。 因此，作爲解決此問題的先前技術，已知作成：在由 微帶狀線所構成的定向耦合器，將電容元件連接於副線路 的耦合埠和接地之間，並將電感元件和電阻元件串聯於副 線路的終端側和接地之間，再爲了改善在使用頻帶內的隔 離特性而設定此等元件的値（特開2007 — 1 94870號公報）》 可楚，在此先前技術，因爲是將元件和副線路之各埠 連接的電路構成，所以具有定向耦合器大型化之缺點，同 時因爲道些元件的特性値有變動，所以具有難得到適當之 隔離特性的問題。 本發明係鑑於這種情況而開發者，其目的在於提供一 種由微帶狀線所構成之定向耦合器及裝載此耦合器之無線 通信機，而該定向耦合器之電路構成簡單並可小型化，而 201108502 且寬頻帶並具有高隔離特性。 【發明內容】 本發明係一種定向耦合器，其由微帶狀線所構成’而 該微帶狀線包含具有輸入埠和輸出埠的主線路、及具有耦 合埠和隔離埠的副線路，該定向耦合器的特徵爲：該副線 路由寬度比該主線路更細的高阻抗線路所構成；該高阻抗 線路具有平行該主線路地延伸的第1耦合線路和第2耦合 線路，該第1耦合線路和該主線路間的距離比該第2耦合 線路和該主線路間的距離更小。 若依據本發明，因爲構成副線路的高阻抗線路具有該 第1耦合線路和第2耦合線路，所以由較接近的第1耦合 線路對主線路的電場耦合構成支配性的部分，並由較遠離 的第2耦合線路對主線路的磁場耦合構成支配性的部分， 藉此，可使在副線路所產生之磁場電流和電場電流的感應 平衡。 因此，即使是準TEM模式之微帶狀線的情況，亦和TEM 模式的情況一樣，可構成寬頻帶且具有高隔離特性的定向 耦合器。 在本發明，最好構成副線路的高阻抗線路具有中間正 交線路，其在對該主線路正交的方向延伸並將該第1耦合 線路和該第2耦合線路的端部之間相連接》 在此情況，因爲第1及第2耦合線路的端部彼此以在 對主線路正交之方向延伸的中間正交線路連接，所以可使 201108502 副線路對主線路的耦合長度（主線路方向之長度）變短，而 可使定向耦合器小型化。 又，在本發明，最好構成副線路的該高阻抗線路具備 有阻抗調整部，其具有比該第2耦合線路和該主線路之間 的距離更大之長度，而該隔離埠設置於此阻抗調整部的端 部。 在此情況，因爲可藉由調整該阻抗調整部之長度而調 整副線路的阻抗，所以可吸收高阻抗線路之寬度尺寸等的 變動所伴隨之阻抗的不匹配。 本發明的定向耦合器可適合用於具有進行傳送電力控 制之傳送系統的無線通信機。在此情況，在該傳送系統裝 載本發明.的定向耦合器，用以監視構成該傳送系統之高輸 出放大器的傳送輸出》 【實施方式】 以下，根據圖式說明本發明之實施形態》 [定向親合器] 第I圖係本發明之一實施形態之定向耦合器1的示意 圖’第[(a)圖係該耦合器1的平面圖，第1(b)圖係A— A 線剖面圖。 本實施形態的定向耦合器1由以微帶狀線20構成之分 布常數電路所構成，而該分布常數電路組裝有後述之無線 通信機30的高輸出放大器33。 如第1(b)圖所示，微帶狀線20係在導體箔23形成於 201108502 « 背面之板狀之介電質基板21的表面形成線狀之導體箔22 者，而背面側的導體箔23成爲接地。 如第1 ( a )圖所示，本實施形態的定向耦合器1具備： 主線路2，係具有輸入埠P1和輸出埠P2 ;及副線路3，係 具有耦合埠P3和隔離埠P4。 雖然主線路2及副線路3都由形成既定寬之帶狀的該 導體箔22所構成，但是副線路3由線寬比主線路2更窄之 高阻抗線路4所構成。 此高阻抗線路4的線路寬w2和主線路2之線路寬wl 相比下被設定成實質上很窄的尺寸，例如被設定成主線路 2之線路寬wl的約25%。 構成副線路3的高阻抗線路4具有相對主線路2而言 在較接近之位置平行地延伸的第1耦合線路5 A、5 B、及相 對主線路2而言在較遠離之位置平行地延伸的第2耦合線 路6。即，第1耦合線路5A、5B和第2耦合線路6都平行 主線路地延伸，第1耦合線路5A、5B和主線路2間的距 離比第2耦合線路6和主線路2間的距離更小。 在本實施形態的定向耦合器1，較接近主線路2的第1 耦合線路5 A、5 Β被左右配置一對且比第2耦合線路6更 短，而較遠離主線路2的第2耦合線路6配置於左右一對 的第1耦合線路5 A、5 B之間。 又’高阻抗線路4具有中間正交線路7 A、7 B，其在對 主線路2正交的方向延伸，並將第1耦合線路5A、5B和第 201108502 . 2耦合線路6的端部彼此相連接。 此外，高阻抗線路4具有端部正交線路8，並在此端 部正交線路8的端部連接該耦合埠P3，而該端部正交線路 8從左側之第1耦合線路5A的左端部向對主線路2正交的 方向延伸。 又，構成副線路3的高阻抗線路4具備有阻抗調整部 9，其從右側之第1耦合線路5 B的右端部向對主線路2正 交的方向延伸，並具有比第2耦合線路6和主線路2之間 的距離更大之長度。在此阻抗調整部9的端部連接該隔離 埠P4，並在此隔離埠P4和接地之間連接電阻1 0。 由以上得知，在本實施形態，構成副線路3的高阻抗 線路4從耦合埠P3側向隔離埠P4依序具有端部正交線路 8 '第1耦合線路5 A、中間正交線路7 A、第2耦合線路6、 中間正交線路7 B、第1耦合線路5 B以及阻抗調整部9。 此外’若將放大器輸出信號的波長設爲λ ，則副線路 3之高阻抗線路4對主線路2的耦合長度L(第1耦合線路 5Α、5Β和第2耦合線路6的總長度）被設定成Λ /8以下。 若依據該構成的定向耦合器1，因爲構成副線路3的 高阻抗線路4具有與主線路2較接近的第1耦合線路5Α、 5Β、及與主線路2較遠離的第2耦合線路6，所以可由較 接近的第1耦合線路5Α、5Β對主線路2的電場耦合構成支 配性的部分’並由較遠離的第2耦合線路6對主線路2的 磁場耦合構成支配性的部分，藉此’可使在副線路3所產 -10- 201108502 生之磁場電流和電場電流的感應平衡。 因此’儘管是由準TEM模式之微帶狀線20所構成的 定向耦合器1，和TEM模式的情況一樣，可構成寬頻帶且 具有高隔離特性的定向耦合器1。 又’因爲作成以第1耦合線路5A、5B和第2耦合線路 6取得在副線路3所產生之電磁場的平衡，以改善隔離特 性’所以如上述之先前技術（特開2007 - 1 94870號公報）所 示’不必設置電容元件或電感元件，亦具有可防止定向耦 合器1之大型化的優點》 進而’若依據該構成的定向耦合器1，因爲構成副線 路3的高阻抗線路4具有中間正交線路7 A、7 B，其在對主 線路2正交的方向延伸，並將第1耦合線路5A、5B和第2 耦合線路6的端部之間相連接，所以可使副線路3的耦合 長度L變短，而可使定向耦合器1小型化。 又，若依據該構成的定向耦合器1，因爲設置具有長 度比第耦合線路6和主線路2間的距離更大的阻抗調整 部9 ’並將隔離埠Ρ4設置於此調整部9的端部，所以藉由 調整阻抗調整部9之長度而可調整副線路3的阻抗，並可 吸收高阻抗線路4之寬度尺寸等的變動所伴隨之阻抗的不 匹配。 此外’這次所揭示的實施形態是本發明的舉例說明， 不是用以限制的。本發明之範圍不是該實施形態，而是由 申請專利範圍所表示，並包含申請專利範圍和與其構成同 -11 - 201108502 等的意義及在範圍內之所有的變更。 例如，在該實施形態，雖然第1耦合線路5 A、5 B爲2 個、第2锅合線路6爲1個，但是只要交互地配置這些元 件即可’可任意地設定這些元件之配置數的組合。 [無線通信機] 第2圖係使用該定向耦合器1之無線通信機3〇的功能 方塊圖。 在第2圖，本實施形態的無線通信機3 〇例如是可用於 WiMAX(W〇r 1 dwide Interoperability for Microwave Access : 微波存取全世界互用性）的基地台裝置或移動終端機裝置 者，並珀傳送系統36和接收系統43所構成，而傳送系統 36包含向上變頻器31、衰減器32、高輸出放大器33、本 實施形態的定向耦合器1、檢波器34以及控制部35，而接 收系統43包含低雜訊放大器37、定向耦合器38、衰減器 39、向下變頻器40、檢波器41以及控制部42。 在該傳送系統36及接收系統43，經由混合電路44連 接收發天線45。因此，傳送信號由向上變頻器31進行頻 率變換’然後，以衰減器32調整傳送位準後，由高輸出放 大器3 3放大，再經由混合電路44從收發天線4 5向外部傳 送。 另一方面，由收發天線4 5所接收的接收信號，經由混 合電路44輸入接收系統43。此接收信號由低雜訊放大器 37放大器後’以衰減器39調整接收位準後，由向下變頻器 -12- 201108502 40進行頻率變換。 在此無線通信機30的傳送系統36,經由本實施形態的 定向耦合器1而由檢波器34所檢測出的檢波信號被輸入傳 送側的控制部3 5。此控制部3 5根據所輸入之檢波信號，對 衰減器32調整位準和對高輸出放大器33控制放大率。 又，在無線通信機30的接收系統43，經由定向耦合器 38而由檢波器41所檢測出的檢波信號被輸入接收側的控 制部42。此控制部42根據所輸入之檢波信號，對衰減器 39調整垃準。 [定向耦合器的組裝例] 第3圖係表示本實施形態之定向耦合器1之具體組裝 例的平面圖。 在此組裝例的定向耦合器1，主線路2及副線路3等的 各尺寸設定成如以下所示。 (1) 基板條件 板厚：0.8 m m 相對介電質常數：3.5 (2) 主線路 主線路寬：1.6 m m (3) 副線路 副線路寬：0.4 m m 第1耦合線路之長度：1.6mm 第2親合線路之長度：5.4mm 201108502 阻抗調整部之長度’· 1 2.0 m m 第4圖係表不第3圖所不之組裝例之定向稱合器1之 位準特性的圖形。 如第4圖所示’若依據本實施例的定向耦合器1，得 知：在所要的寬頻帶（2040~2240MHz)，在耦合特性和隔離 特性之間有約20dB之很高的位準差。 如此’若依據本發明的定向耦合器1，可得到寬頻帶 特性且：20dB以上的高定向特性。 [變形例] 第5圖係本發明之變形例之定向耦合器1的平面圖。 如第5圖所示，本變形例之定向耦合器1的特徵爲： 在副線路3的阻抗調整部9連接消除用電容器11，其用以 消除寄生電感成分。以下，說明此特徵點。 即’在本變形例之定向耦合器1，亦可藉由微調和阻 抗調整部9連接之電阻1 〇的位置，而調整副線路3的阻抗。 可是’在此情況，在阻抗調整部9，有在從電阻1 〇的 連接點至隔離埠P4之間需要冗長線9A的情況，此冗長線 9A將作用爲寄生電感，可能使隔離特性變差。 因此’在本變形例，作成藉由在阻抗調整部9追加地 連接用以消除由冗長線9A所產生之寄生電感成分的電容 器1 1，而解決冗長線9 A所伴隨的該問題。 此外’作爲該消除用電容器1 1，靜電電容可使用例如 爲0.5pF〜0.75pF之範圍者，在此情況，對定向耦合器1的 -14- 201108502 主特性幾乎無影響。 [其他的變形例] 第6圖係本發明之其他的變形例之定向耦合器1的平 面圖。 如第6圖所示，此變形例之定向耦合器1的特徵爲： 除了設將順向ί§號稱合的第1親合電路13以外，將使此 第1耦合電路13反轉成對主線路2成爲點對稱之位置關係 的第2親合電路14設置於介電質基板21，藉此，可作成就 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio :電壓駐波比）而言亦可 耦合的定向耦合器1。以下，說明此特徵點。 在第6圖所示的變形例，第1耦合電路丨3將流向主線 路2的順向信號（天線輸入）耦合。而，第2耦合電路14因 爲除了以點對稱反轉以外，和第1耦合電路13之構造相 同，所以將和流向主線路2之順向信號爲逆向的信號（反射 電力）耦合。

因此，可使用從第1耦合電路13的耦合埠所得之電力 和從第2耦合電路14的耦合埠所得之反射電力，算出VSWR 値。 若依據本變形例的定向耦合器1，因爲將具有高隔離 特性的耦合電路13、14配置於相同的介電質基板21上， 所以可構成小型且便宜，而且具有大的動態範圍之VSWR 監視器。 此外，VSWR(電壓駐波比）意指在高頻信號通過電器內 -15- 201108502 時，信號的一部分在電路上反射的程度，VSWR値爲「1」 時是完金無反射之理想的狀態，反射愈大數値愈大，表示 信號損失等大。 因此，在使用高頻信號之通信機器的情況，要求VSWR 値儘量.低，在天線等VSWR値爲1.5以下（反射電力爲4% 以下）爲一個大致標準。 工業上的應用領域 本發明提供一種定向耦合器，其是利用於控制傳送用 之高輸出放大器的輸出，並以安定的傳送輸出進行通信的 無線通信技術者，且適合監視該高輸出放大器的輸出電 力。 【圖式簡單說明】 第].(a)圖係表示本發明之定向耦合器之示意構成的平 面圖，第1 ( b )圖係其A — A線剖面圖。 第2圖係使用本發明之定向耦合器之無線通信機的功 能方塊圖。 第3圖係表示本發明之定向耦合器之組裝例的圖。 第4圖係表不第3圖之定向耦合器之位準特性的圖形。 第5圖係本發明之變形例之定向耦合器的平面圖。 第6圖係本發明之其他的變形例之定向耦合器的平面 圖。 第7 (a)圖係表示以往之定向耦合器之示意構成的平面 圖，第7 ( b )圖係其B — B線剖面圖。 -16- 201108502 【主要元件符號說明】 1 定 向 耦 合 器 2 主 線 路 3 副 線 路 4 高 阻 抗 線 路 5 A、 5B 第 1 耦 合 線 路 6 第 2 耦 合 線 路 7 A、 7B 中 間 正 交 線 路 8 端 部 正 交 線 路 9 阻 抗 三田 m 整 部 10 電 阻 20 微 帶 狀 線 2 1 介 電 質 基 板 22、 23 導 體 箔 30 線 通 信 機 3 高 輸 出 放 大 器 PI 輸 入 埠 P2 輸 出 埠 P3 耦 合 埠 P4 隔 離 埠 -17

Claims (1)

1. .201108502 七、申請專利範圍： ι_ —種定向耦合器，其係由微帶狀線所構成，並包含具有 輸入埠和輸出埠的主線路、及具有耦合埠和隔離埠的副 線路，該定向耦合器的特徵爲： 該副線路由寬度比該主線路更細的高阻抗線路所構成； 該高阻抗線路具有平行該主線路地延伸的第1耦合線 路和第2耦合線路，該第1耦合線路和該主線路間的距 離比該第2耦合線路和該主線路間的距離更小。 2. 如申請專利範圍第1項之定向耦合器，其中該高阻抗線 路具有中間正交線路，其在對該主線路正交的方向延伸 並將該第1耦合線路和該第2耦合線路的端部彼此相連 接。 3. 如申誚專利範圍第1或2項之定向耦合器，其中該高阻 抗線路具備有阻抗調整部，其具有比該第2耦合線路和 該主線路之間的距離更大之長度，而該隔離埠設置於此 •阻抗調整部的端部。 4. —種無線通信機，其具有進行傳送電力控制的傳送系 統，該無線通信機之特徵爲： 該傳送系統具備用以監視構成該傳送系統之高輸出放 大器的傳送輸出之如申請專利範圍第1至3項中任一項 之定向耦合器。 -18-