TW201316606A - Ｍ通道耦合器 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種M通道耦合器，具有一第一端口、M個第二端口、M個傳輸線區塊、M個隔離電阻以及一相位移網路，其中M為大於1的整數。上述M個傳輸線區塊分別耦接該第一端口至上述M個第二端口。上述M個隔離電阻各具有一第一端與一第二端。上述M個隔離電阻的第一端分別耦接上述M個第二端口。該相位移網路具有M個輸入/輸出端分別耦接上述M個隔離電阻的第二端。該相位移網路於該相位移網路上述M個輸入/輸出端之中任意兩個輸入/輸出端之間供應一預設容限範圍內的一相位移。上述M通道耦合器，能夠使其功能方塊之連結線路得以簡化。

Description

M通道耦合器

本發明係有關於電信領域之功分器(power divider)以及功合成器(power combiner)，特別有關於一M通道耦合器(M-way coupler)。所述M通道耦合器具有一個輸入端口與M個輸出端口，或者具有M個輸入端口與一個輸出端口。

在相控陣列(phased array)中，輸送給多個天線的相應信號各自的相位會在一期望方向得到強化、以及在非期望方向受到抑制。相控陣列的組成單元是由功分器以及功合成器連結。功分器以及功合成器用於無線通訊技術領域，耦合一傳輸線上定量的電磁功率至另一連結端口，使之可應用於其他電路。此處以「M通道耦合器」通稱所述功分器以及功合成器。M代表一整數值。一個M通道耦合器可具有一個輸入端口以及M個輸出端口(例如，功分器)，或者，具有M個輸入端口以及一個輸出端口(例如，功合成器)。M通道耦合器的一項基礎特徵是：僅以一方向耦合能量。由輸出端口進入的能量不會被耦合使用。為了減少一相控陣列所需要的M通道耦合器數量，當前趨勢是提升M值。

然而，高M值可能導致所述M通道耦合器的多個耦合路徑採不同的電路設計，且可能複雜化該M通道耦合器至其他功能方塊的連結。本技術領域亟需一種具有對稱佈局的M通道耦合器(例如，所有耦合通道採相同電路設計)，且其M個輸入(輸出)端口需彼此寬鬆分布，使該M通道耦合器以及其他功能方塊之連結線路得以簡化。

有鑑於此，本發明提供一種M通道耦合器，以解決上述問題。

根據本發明一種實施方式所實現的一M通道耦合器包括一第一端口、M個第二端口、M個傳輸線區塊(transmission line sections)、M個隔離電阻以及一相位移網路。M為大於1的一整數值。用於實現一功分器時，該第一端口作為一輸入端口、且上述M個第二端口作輸出端口使用。反之，用於實現一功合成器時，上述M個第二端口作輸入端口使用、且該第一端口作輸出端口使用。該第一端口由上述M個傳輸線區塊對應耦接上述M個第二端口。上述M個隔離電阻各自具有一第一端以及一第二端。上述M個隔離電阻的上述第一端分別耦接上述M個第二端口。該相位移網路具有M個輸入/輸出端，分別耦接上述M個隔離電阻的上述第二端。該相位移網路於該相位移網路之上述M個輸入/輸出端之中任兩個輸入/輸出端之間提供一預設容限範圍以下的相位移。

在一種實施方式中，該相位移網路包括複數個相位移器(phase shifters)，各自耦接在該相位移網路的上述M個輸入/輸出端其中兩個輸入/輸出端之間。該等相位移器至少有一個是電感-電容網路(LC network)、或者為一傳輸線以及一電容的串接聯結。

本發明之M通道耦合器，能夠使其功能方塊之連結線路得以簡化。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖示，詳細說明如下。

以下敘述列舉本發明的多種實施方式。以下敘述介紹本發明的基本概念，且並非意圖限制本發明內容。實際發明範圍應依照申請專利範圍界定之。

第1圖所示係一四通道耦合器100，為所揭露之M通道耦合器的一種實施方式，其中M為大於1的一整數，在此實施例設定為4。所述四通道耦合器100包括一個第一端口P1、四個第二端口P21…P24、四個傳輸線區塊TLS1…TLS4、四個隔離電阻Z01…Z04以及一相位移網路102。用於實現一功分器時，該第一端口P1作一輸入端口使用、且上述四個第二端口P21…P24作輸出端口使用。反向使用時(實現一功合成器)，上述四個第二端口P21…P24作輸入端口使用，且該第一端口P1作輸出端口使用。特別聲明上述內容並不意圖限定所揭露之電路作功分器或功合成器使用，也不限定M為4。四通道耦合器100的內容詳述如下。

如第1圖所示，上述四個傳輸線區塊TLS1…TLS4分別耦接該第一端口P1至上述四個第二端口P21…P24。上述四個隔離電阻Z01…Z04各自具有第一端(標號t11…t14)以及第二端(標號t21…t24)。上述四個隔離電阻Z01…Z04的第一端t11…t14分別耦接上述四個第二端口P21…P24。該相位移網路102具有四個輸入/輸出端a…d。上述四個輸入/輸出端a…d分別耦接上述四個隔離電阻Z01…Z04的第二端t21…t24。

在一種實施方式中，上述傳輸線區塊TLS1…TLS4各自由一傳輸線(transmission line)實現。傳輸線用於乘載無線通訊頻率的交流信號，所傳載的信號之頻率高至需考慮其傳輸波特性。傳輸線有多種型式，包括同軸纜線(coaxial cable)、微波傳輸線(microstrips)、帶狀線(striplines)、平衡線路(balanced lines)、雙絞線(twisted pair)…等。在另外一種實施方式中，所揭露的傳輸線區塊可由集總元件(lumped elements)實現。集總元件的種類包括電感、電容、電阻以及其他被動電路。傳輸線區塊TLS1…TLS4可由相同電路實現，例如，同樣長度的四條傳輸線、或由集總元件形成的四個同樣電路。特別聲明以上敘述並不意圖限定所揭露之傳輸線區塊TLS1…TLS4為相同電路。在某些實施方式中，上述四個傳輸線區塊TLS1…TLS4可能有些微不同。

上述隔離電阻Z01…Z04可具有同樣的電阻值，且用於隔離上述M個第二端口P21…P24，並使其阻抗匹配。

該相位移網路102用於在該相位移網路102的四個輸入/輸出端a…d之中任意兩個輸入/輸出端之間(例如，a與b之間，a與c之間，a與d之間，b與c之間，b與d之間，c與d之間)提供一預設容限範圍以內的相位移。特別聲明上述相位移網路102並非連結上述隔離電阻Z01…Z04之第二端t21…t24的單純電路接點。事實上，該相位移網路102可包括複數個電子元件，其中，該等電子元件之中至少有一者是耦接在該相位移網路102的四個輸入/輸出端a…d之中的兩個輸入/輸出端之間。在一種實施方式中，上述四個輸入/輸出端a…d實體上是由該相位移網路102的上述複數個電子元件間隔開。由於上述四個輸入/輸出端a…d彼此寬鬆間隔，因此，不需要另外安排引導線路，且該四通道耦合器100的不同耦合路徑可採用佈局設計相同的傳輸線區塊，且易於連結上述四個第二端口P21…P24至其他功能方塊。在一種實施方式中，相位移網路102的電路佈局對稱。在另一種實施方式中，上述四個輸入/輸出端a…d之中任意兩個輸入/輸出端的相位移、或者甚至阻抗為零。

在一種實施方式中，該相位移網路102包括複數個相位移器(phase shifters)。各個相位移器耦接在該相位移網路102的四個輸入/輸出端a…d其中兩個輸入/輸出端之間。電容、電感、傳輸線常用於建立所述之相位移器，其中電容用於產生相位領先，電感和傳輸線用於產生相位落後。所揭露之相位移器至少有一者是電感-電容網路、或者是傳輸線以及電容串聯形成的一結合電路。

第2A圖所示系所述之相位移網路102，包括四個相位移器PS1至PS4。上述四個相位移器PS1…PS4各自具有第一端(命名為n11至n14)以及第二端(命名為n21至n24)。上述四個相位移器PS1…PS4的第二端n21…n24連結在一起(由連結點202連結)，且上述四個相位移器PS1…PS4的第一端n11…n14分別耦接該相位移網路102的四個輸入/輸出端a…d。上述相位移器PS1…PS4各自可提供0度的相位移，或者，上述相位移器PS1…PS4各自可提供180度的相位移。如此一來，上述四個輸入/輸出端a…d之中任意兩個輸入/輸出端之間不存在相位移，且第1圖之四通道耦合器100的四個第二端口P21…P24之間的阻抗匹配以及隔離不受影響。特別聲明上述四個相位移器PS1…PS4的第二端n21…n24之間的連結點202是由一電性接點(electronic joint，參閱第2C圖的佈局實施例)實現。

第2B圖所示係第2A圖之相位移網路102的一種電路設計實施例。如圖所示，相位移器PS1…PS4各自包括串聯的一電容以及一電感。上述相位移器PS1…PS4採相同電路設計。

第2C圖所示係第1圖所示四通道耦合器100的一種佈局實施例，其中依照第2B圖電路設計實現相位移網路。如圖所示，相位移器PS1…PS4的電路佈局對稱X軸。相位移器PS1…PS4的佈局使得該四通道耦合器100的四個第二端口P21…P24彼此寬鬆分開。如此一來，無需浪費佈局導線，即可將相控陣列的多個通道耦接自/至所揭露之四通道耦合器的四個第二端口P21…P24，且不同耦接通道所使用的傳輸線區塊TLS提供相同的佈局設計。

第3圖所示係上述相位移網路102的一種實施方式，包括三個(M-1，此例M=4)相位移器302、304以及306。上述相位移器302、304以及306穿插設置在上述相位移網路102的四個輸入/輸出端a…d之間。在一種實施方式中，上述三個相位移器302、304以及306各自提供零度的相位移。

第4A圖所示係相位移網路102的一種實施方式，包括五個(大於M值，此例M為4)相位移器402、404、406、408以及410。如圖所示，四個輸入/輸出端a…d之中至少兩個輸入/輸出端是由兩個以上的相位移器連結。例如，輸入/輸出端「a」與「c」是由三個相位移器402、410與406連結，輸入/輸出端「a」與「d」是由三個相位移器402、410與408連結，輸入/輸出端「b」與「c」是由三個相位移器404、410與406連結，輸入/輸出端「b」與「d」是由三個相位移器404、410與408連結。在一種實施方式中，上述相位移器402、404、406、408與410提供0度相位移。在另外一種實施方式中，相位移器402、404、406與408提供180度相位移、且相位移器410提供0度相位移。

第4B圖所示係第4A圖相位移網路102的一電路設計實施例。相位移器402、404、406與408各自包括串聯的一電容以及一電感。相位移器410包括兩個電感以及一個電容，所述兩個電感相對該電容呈對稱佈局。

第4C圖所示係第1圖之四通道耦合器100的一種佈局實施例，其中依照第4B所示電路設計實現相位移網路。如圖所示，相位移器402、404、406以及408之電路佈局對稱x軸。相位移器402、404、406與408的佈局使得該四通道耦合器100的四個第二端口P21…P24寬鬆分隔。如此一來，無需浪費佈局導線，即可將多個相控陣列通道耦接自/至所揭露之四通道耦合器之四個第二端口P21…P24，且不同耦接通道所使用的傳輸線區塊TLS具有相同的佈局設計。

第5圖所示係相位移網路102的一種實施方式，包括兩條(M/2，此例M為4)短傳輸線502與504以及一條(M/4，此例M為4)長傳輸線506。短傳輸線502耦接於兩個輸入/輸出端「a」與「b」之間。短傳輸線504耦接於兩個輸入/輸出端「c」與「d」之間。長傳輸線506耦接上述兩條短傳輸線502與504。在一種實施方式中，長傳輸線506的第一端連結該短傳輸線502的中心點，且長傳輸線506的第二端連結該短傳輸線504的中心點。短傳輸線502以及504以及長傳輸線506形成一傳輸線樹狀結構(transmission line tree)，連結該相位移網路102的四個輸入/輸出端a…d。當M為2的次冪(2ⁿ，n為整數)，相位移網路的n個輸入/輸出端是由一傳輸線樹狀結構連結；該傳輸線樹狀結構包括第一長度的傳輸線M/2條、第二長度的傳輸線M/(2²)條、…、以及第n長度的傳輸線M/(2ⁿ)條。上述長度由短至長為第一、第二、…、以及第n長度。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．四通道耦合器

102．．．相位移網路

202．．．連結點

302…306．．．相位移器

402…410．．．相位移器

502、504．．．短傳輸線

506．．．長傳輸線

a…d．．．相位移網路102的四個輸入/輸出端

n11…n14．．．相位移器PS1…PS4的第一端

n21…n24．．．相位移器PS1…PS4的第二端

P1．．．第一端口

P21…P24．．．第二端口

PS1…PS4．．．相位移器

t11…t14．．．隔離電阻Z01…Z04的第一端

t21…t24．．．隔離電阻Z01…Z04的第二端

TLS．．．傳輸線區塊

TLS1…TLS4．．．傳輸線區塊

Z01…Z04．．．隔離電阻

第1圖所示係一四通道耦合器100，為所揭露之M通道耦合器的一種實施方式，M為大於1的整數且在此設定為4；

第2A圖所示係相位移網路102的一種實施方式，包括四個相位移器PS1至PS4；

第2B圖所示係第2A圖之相位移網路102的一種電路設計實施例；

第2C圖所示係第1圖之四通道耦合器100的一種實施方式，其中相位移網路是採用第2B圖所示之電路設計；

第3圖所示係相位移網路102的一種實施方式，包括三個(M-1，此處M設定為4)相位移器302、304與306；

第4A圖所示係該相位移網路102的一種實施例，包括五個(多於M，M此處設定為4)相位移器402、404、406、408與410；

第4B圖所示係第4A圖之相位移網路102的一種電路設計實施例；

第4C圖所示係第1圖之四通道耦合器100的一種佈局實施例，採用第4B圖所示之電路設計實現其中相位移網路；以及

第5圖所示係相位移網路102的一種實施方式，包括一傳輸線樹狀結構，其中包括兩條(M/2，此處M為4)短傳輸線502與504以及一條(M/4，此處M為4)長傳輸線506。

100．．．四通道耦合器

102．．．相位移網路

a…d．．．相位移網路102的四個輸入/輸出端

P1．．．第一端口

P21…P24．．．第二端口

t11…t14．．．隔離電阻Z01…Z04的第一端

t21…t24．．．隔離電阻Z01…Z04的第二端

TLS1…TLS4．．．傳輸線區塊

Z01…Z04．．．隔離電阻

Claims (19)

1. 一種M通道耦合器，包括：一第一端口以及M個第二端口；M個傳輸線區塊，分別耦接該第一端口至上述M個第二端口；M個隔離電阻，各自包括一第一端以及一第二端，且上述M個隔離電阻的上述第一端分別耦接上述M個第二端口；以及一相位移網路，具有M個輸入/輸出端，上述M個輸入/輸出端分別耦接上述M個隔離電阻的上述第二端，其中，該相位移網路於上述M個輸入/輸出端中任兩個輸入/輸出端之間供應一預設容限範圍內的相位移，且M為大於1的整數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之M通道耦合器，其中上述M個輸入/輸出端其中一輸入/輸出端至另一輸入/輸出端的相位移為零。
3. 如申請專利範圍第1項所述之M通道耦合器，其中該相位移網路的電路佈局為對稱。
4. 如申請專利範圍第1項所述之M通道耦合器，其中上述M個輸入/輸出端之中一個輸入/輸出端至其餘任一輸入/輸出端的阻抗皆為零。
5. 如申請專利範圍第1項所述之M通道耦合器，其中上述M個輸入/輸出端實體上彼此分散佈置。
6. 如申請專利範圍第1項所述之M通道耦合器，其中該相位移網路包括複數個電子元件，該等電子元件其中至少一者耦接於上述M個輸入/輸出端其中兩個輸入/輸出端之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之M通道耦合器，其中該相位移網路包括複數個相位移器，每一相位移器耦接於上述M個輸入/輸出端之中的兩個輸入/輸出端之間，且該等相位移器中至少一個為一電感-電容網路、或者為串聯的一傳輸線與一電感的一結合電路。
8. 如申請專利範圍第7項所述之M通道耦合器，其中該傳輸線用於承載無線通訊頻率的交流信號。
9. 如申請專利範圍第7項所述之M通道耦合器，其中該等相位移器的總量為M，且每一相位移器具有一第一端以及一第二端，且上述M個相位移器的第二端連結在一起，且上述M個相位移器的第一端分別耦接上述M個輸入/輸出端。
10. 如申請專利範圍第7項所述之M通道耦合器，其中該等相位移器的總數為(M-1)，上述(M-1)個相位移器穿插設置於上述M個輸入/輸出端之間。
11. 如申請專利範圍第7項所述之M通道耦合器，其中該等相位移器各自供應0度或者180度的相位移。
12. 如申請專利範圍第7項所述之M通道耦合器，其中該等相位移器的總量多於M，且上述M個輸入/輸出端之中至少兩個輸入/輸出端是由多於兩個的上述相位移器連結。
13. 如申請專利範圍第7項所述之M通道耦合器，其中該等相位移器採用相同電路。
14. 如申請專利範圍第1項所述之M通道耦合器，其中該相位移網路包括M/2條短傳輸線以及M/4長傳輸線，且上述M個輸入/輸出端之中每兩個輸入/輸出端是由上述M/2條短長輸線之一耦接，且上述M/2條短傳輸線之中每兩條短傳輸線是由上述M/4條長傳輸線之一耦接。
15. 如申請專利範圍第14項所述之M通道耦合器，其中上述短傳輸線以及長傳輸線用於乘載無線通訊頻率的交流信號。
16. 如申請專利範圍第1項所述之M通道耦合器，其中該相位移網路包括一傳輸線樹狀結構，該傳輸線樹狀結構連結該相位移網路上述M個輸入/輸出端。
17. 如申請專利範圍第16項所述之M通道耦合器，其中該傳輸線樹狀結包括第一長度的傳輸線M/2條、第二長度的傳輸線M/(2²)條、…、以及第n長度的傳輸線M/(2ⁿ)條，其中n為大於1的整數。
18. 如申請專利範圍第16項所述之M通道耦合器，其中該傳輸線樹狀結構包括複數條傳輸線，且上述傳輸線各自用於乘載無線通訊頻率的交流信號。
19. 如申請專利範圍第1項所述之M通道耦合器，其中該等傳輸線區塊由相同電路實現。