TWI467973B - 射頻訊號多模態分配裝置 - Google Patents

Description

射頻訊號多模態分配裝置

本發明係有關於具有射頻訊號分配及切換功能之射頻前端電路結構，特別係有關於一種射頻訊號多模態分配裝置，尤其是指利用單一混合耦合器及切換開關元件所集合而成之射頻訊號多模態分配裝置，該分配器具有將射頻訊號一分多路或一對多路切換效果，可應用在印刷電路或積體電路設計上，達到訊號分配多種模態之效果者。

按，傳統已有使用混合耦合器電路方式實現射頻功率分配器的架構，如：一訊號輸入平均分配兩訊號輸出，兩者輸出訊號相位相差90度。以訊號一分二路分配為例，當要達到多模態分配輸出，至少要設置四組切換開關且連接關係如第1圖所示。一種習知射頻功率分配器架構100主要包含一直接連接有一負載線路150之正交耦合器110、一輸入端子121、一第一輸出端子122、一第二輸出端子123、複數個射頻切換開關141~144、一線性傳輸線131、一L形傳輸線132以及一開關間短傳輸線145。該開關間短傳輸線145係設於該正交耦合器110之輸入節點111與該輸入端子121之間，該輸入端子121係連接有第一射頻切換開關141，以選擇性切換在該開關間短傳輸線145與該L形傳輸線132之第三端135之間。第二射頻切換開關142係連接於該第一輸出端子 122，以選擇性切換在該正交耦合器110之第一輸出節點112與該第一傳輸線131之第二端134之間。第三射頻切換開關143係連接於該第二輸出端子123，以選擇性切換在該正交耦合器110之第二輸出節點113與該L形傳輸線132之第四端136之間。而串接之第四射頻切換開關144係連接於該開關間短傳輸線145，以選擇性切換在該正交耦合器110之輸入節點111與該第一傳輸線131之第一端133之間。當射頻訊號由該輸入端子121輸入並欲平均分配至該兩輸出端子122、123進行訊號輸出時，該第一射頻切換開關141係切換至連接該開關間短傳輸線145、該第二射頻切換開關142係切換至連接該正交耦合器110之第一輸出節點112、該第三射頻切換開關143係切換至連接該正交耦合器110之第二輸出節點113、該第四射頻切換開關144係切換至連接該正交耦合器110之輸入節點111，故此一開關連接結構之兩分流傳輸路徑皆須經過三組切換開關，即分流至該第一輸出端子122之訊號係通過第一射頻切換開關141、第四射頻切換開關144與第二射頻切換開關142，分流至該第二輸出端子123之訊號係通過第一射頻切換開關141、第四射頻切換開關144與第三射頻切換開關143，故容易造成訊號損失。此外，當訊號切換單獨輸出在某一路時，會經過較長的訊號傳輸線，將有功率衰減、電路體積較大等缺點。

有鑒於此，本發明之主要目的係在於提供一種射頻訊號多模態分配裝置，係利用正交耦合器與多組射頻切換開關之特定組合，來達到將射頻訊號一分多路或一對多路特性要求，同時兼具小面積、低損失等特色，可擴大電路的實用性，且與傳統多模態分配器相較下則可有改善訊號衰減之效。

本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。本發明揭示一種射頻訊號多模態分配裝置，包含一正交耦合器(quadrature coupler)、一輸入端子、一第一輸出端子、一第二輸出端子、一訊號隔離端子、兩平行向之一第一傳輸線與一第二傳輸線、以及四個射頻切換開關。該正交耦合器係具有一輸入節點、一第一輸出節點、一第二輸出節點以及一訊號隔離節點。該第一傳輸線與該第二傳輸線係分別位於該正交耦合器之兩側，其中該第一傳輸線之一第一端與第二端係分別朝向該輸入端子與該第一輸出端子，該第二傳輸線之一第三端與一第四端係分別朝向該訊號隔離端子與該第二輸出端子。該第一射頻切換開關係設置於該輸入端子並選擇性切換在該輸入節點與該第一傳輸線之第一端之間。該第二射頻切換開關係設置於該訊號隔離節點並選擇性切換在該訊號隔離端子與該第二傳輸線之第三端之間。該第三射頻切換開關係設置於該第一輸出端子並選擇性切換在該第一輸出節點與該第一傳輸線之第二端之間。該第四射頻切換開關係設置於該第二輸出端子並選 擇性切換在該第二輸出節點與該第二傳輸線之第四端之間。

本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術措施進一步實現。

在前述的射頻訊號多模態分配裝置中，該些第一、第二、第三與第四射頻切換開關係可為單刀雙擲結構。

在前述的射頻訊號多模態分配裝置中，該訊號隔離端子係可連接至一負載電路。

在前述的射頻訊號多模態分配裝置中，當由該第一輸出端子與該第二輸出端子平均輸出時，該第一射頻切換開關係切換連接至該輸入節點，該第二射頻切換開關係切換連接至該訊號隔離節點，該第三射頻切換開關係切換連接至該第一輸出節點，該第四射頻切換開關係切換連接至該第四輸出節點。

在前述的射頻訊號多模態分配裝置中，當由該第一輸出端子單獨輸出時，該第一射頻切換開關係切換連接至該第一傳輸線之第一端，並且該第三射頻切換開關係切換連接至該第一傳輸線之第二端。

在前述的射頻訊號多模態分配裝置中，當由該第二輸出端子單獨輸出時，該第一射頻切換開關係切換連接至該輸入節點，該第三射頻切換開關係切換連接至該第一傳輸線之第二端，該第二射頻切換開關則切換連接至該第二傳輸線之第三端，該第四射頻切換開關係切換連接至該第二傳輸線之第四端。

在前述的射頻訊號多模態分配裝置中，該正交耦合器係可為一3dB混合耦合器。

另，本發明符合上述之目的及功效之射頻訊號多模態分配裝置為係由以下更具體之技術所實現：主要由正交耦合器、複數個射頻開關兩者所組成；其中，正交耦合器可使用藍吉耦合器予以實現，可增加操作頻寬特性。射頻開關可使用砷化鎵和微電機系統的製程技術發展，可使提升單刀雙擲射頻切換開關性能。俾藉單一耦合器具有選擇性將信號分配一分二路特性，使切換開關通過耦合器達到信號分配之效果。或讓切換開關不經過混合耦合器，將訊號切換到其中一路輸出，即可得到射頻訊號可選擇是否切換一對兩路特性要求。

再者，本發明之射頻訊號多模態分配裝置可進一步呈多級串接設計，即利用單一混合耦合器具有信號分配一分二路特性或切換一對兩路，再設複數混合耦與切換開關器，俾在呈多級串接下，來達到將射頻訊號一分多路或一對多路之特色。

以下將配合所附圖示詳細說明本發明之較佳實施例，然應注意的是，該些圖示均為簡化之示意圖，僅以示意方法來方便說明本發明之基本架構或實施方法，非用代表本案唯一之組合關係與技術。

依據本發明之第一具體實施例，一種射頻訊號多模態分配裝置舉例說明於第2圖之示意圖、第3A至3C圖之 多模態之連接示意圖。該射頻訊號多模態分配裝置200係包含一正交耦合器210(quadrature coupler)、一輸入端子221、一第一輸出端子222、一第二輸出端子223、一訊號隔離端子224、兩平行向之一第一傳輸線231與一第二傳輸線232、以及四個射頻切換開關241~244。其中，該輸入端子221係為射頻訊號輸入埠，該第一輸出端子222與該第二輸出端子223係為射頻訊號輸出埠，而該訊號隔離端子224係可連接至一負載電路250，通常該負載電路250係連接有一電阻並接地導通。

該正交耦合器210係具有一輸入節點211、一第一輸出節點212、一第二輸出節點213以及一訊號隔離節點214，可位於該正交耦合器210之四個角隅。該正交耦合器210亦可稱之為九十度混合耦合器(90 degree hybrid couplers)。本發明並不限定該正交耦合器210之類型。在本實施例中，該正交耦合器210係可為一3dB混合耦合器，例如傳統的Lange Coupler之微帶線3dB耦合器；再如第2圖所示，該正交耦合器210內係設有在接地面上之複數個微帶線耦合線215、216、217，其中該微帶線耦合線215係為S形彎折之梳狀結構，其彎折處連接至該輸入節點211與該第二輸出節點213，該微帶線耦合線216係為L形彎折，其係連接該訊號隔離節點214並往該微帶線耦合線215之上方彎曲凹處延伸，該微帶線耦合線217亦為L形彎折，其係連接該第一輸出節點212並往該微帶線耦合線215之下方彎曲凹處延伸，並 利用打線形成(wire-bonding)之磅線218、219跨線式電性導接，其中該些磅線218係跨過該S形微帶線耦合線215而電性導接該兩L形微帶線耦合線216、217，該些磅線219係跨過該兩L形微帶線耦合線216、217而電性導接該S形微帶線耦合線215之端點至中心部位。或者，該正交耦合器210亦可為本國專利專利第I295515號之「使用微帶線-共平面波導連接面之高頻3dB耦合器」。以上雖為該正交耦合器210之較佳具體結構。然而非限定地，該正交耦合器210亦可為分支線耦合器(branchline coupler)、重疊耦合器(overlay coupler)、邊緣耦合器(edge coupler)或短槽混合耦合器(short-slot hybrid coupler)。

該第一傳輸線231與該第二傳輸線232係分別位於該正交耦合器210之兩側，其中該第一傳輸線231之一第一端233與第二端234係分別朝向該輸入端子221與該第一輸出端子222，該第二傳輸線232之一第三端235與一第四端236係分別朝向該訊號隔離端子224與該第二輸出端子223。該第一傳輸線231與該第二傳輸線232係直線形態，通常該第一傳輸線231與該第二傳輸線232之兩者長度係可大致相同。

該第一射頻切換開關241係設置於該輸入端子221並選擇性切換在該輸入節點211與該第一傳輸線231之第一端233之間。該第二射頻切換開關242係設置於該訊號隔離節點214並選擇性切換在該訊號隔離端子224與該第二傳輸線232之第三端235之間。該第三射頻切 換開關243係設置於該第一輸出端子222並選擇性切換在該第一輸出節點212與該第一傳輸線231之第二端234之間。該第四射頻切換開關244係設置於該第二輸出端子223並選擇性切換在該第二輸出節點213與該第二傳輸線232之第四端236之間。在一具體結構中，該些第一、第二、第三與第四射頻切換開關241~244係可為單刀雙擲結構。

因此，本發明之射頻訊號多模態分配裝置200係利用該正交耦合器210與該些多組射頻切換開關241~244之方向性連接關係，可以達到射頻信號分成多路，獲得較大的涵蓋範圍，或者單獨在一個定向增益和方向上都具有強的天線輻射。

如第3A圖所示，當由該第一輸出端子222與該第二輸出端子223平均輸出時，該第一射頻切換開關241係切換連接至該輸入節點211，該第二射頻切換開關242係切換連接至該訊號隔離節點214，該第三射頻切換開關243係切換連接至該第一輸出節點212，該第四射頻切換開關244係切換連接至該第四輸出節點。在此狀態下，由該輸入端子221輸入的射頻訊號將平均分配到該第一輸出端子222與該第二輸出端子223，其特性表現可分別對照至第4圖之「分流輸出1」(splitter output_1)曲線與「分流輸出2」(splitter output_2)曲線。

如第3B圖所示，當由該第一輸出端子222單獨輸出時，該第一射頻切換開關241係切換連接至該第一傳輸 線231之第一端233，並且該第三射頻切換開關243係切換連接至該第一傳輸線231之第二端234。在此狀態下，該輸入端子221與該正交耦合器210為斷路，由該輸入端子221輸入的射頻訊號將全部注入至該第一輸出端子222而輸出，其特性表現可對照至第4圖之「插入損耗輸出1」(insertion loss_1)曲線，而該第二輸出端子223與該輸入端子221係為斷路，其特性表現可對照至第4圖之「隔離埠1至2」(isolation port 1 to 2)曲線。

如第3C圖所示，當由該第二輸出端子223單獨輸出時，該第一射頻切換開關241係切換連接至該輸入節點211，該第三射頻切換開關243係切換連接至該第一傳輸線231之第二端234，該第二射頻切換開關242則切換連接至該第二傳輸線232之第三端235，該第四射頻切換開關244係切換連接至該第二傳輸線232之第四端236。在此狀態下，由該輸入端子221至該第一輸出端子222與至該訊號隔離端子224皆為斷路，由該輸入端子221輸入的射頻訊號將全部注入至該第二輸出端子223而輸出，其特性表現可對照至第4圖之「插入損耗輸出2」(insertion loss_2)曲線。

請再參閱第4圖所示，其係為該射頻訊號多模態分配裝置200之模擬結果曲線特性圖，由該曲線圖中可清楚看出各種模擬曲線，「分流輸出1」曲線與「分流輸出2」曲線顯示X軸頻率(frequency)在大於25GHz且小於30GHz頻帶間在訊號一入平均分配二輸出下的插入損失 約介於3.5~4dB，可對照至Y軸插入損耗與隔離(insertion loss & isolation)之數值；「插入損耗輸出1」曲線與「插入損耗輸出2」曲線顯示同一大於25GHz且小於30GHz頻帶間，在訊號一入切換二端各別輸出下的插入損失約0.5~1dB。依此圖能驗證本發明之射頻訊號多模態分配裝置具有平均分配射頻訊號和能使射頻訊號各別切換輸出埠之功能。該射頻訊號多模態分配裝置在各種操作模態下，隔離度能維持在大於20dB以上，顯示裝置特性良好。

因此，該射頻訊號多模態分配裝置200係具有「射頻訊號一進二出分配與切換」之功能。如第5圖所示，當三個或以上的射頻訊號多模態分配裝置200串級在一起，第5圖中上方射頻訊號多模態分配裝置200之第一輸出端子222與第二輸出端子223分別串接至第5圖中下方兩個射頻訊號多模態分配裝置200之輸入端子221，即可構成第5圖中下方兩個第一輸出端子222與兩個第二輸出端子223，作為四個射頻訊號輸出埠，並可各自連接到第6圖之四個天線，例如第5圖中左側第二輸出端子223可連接至第6圖中第一天線，第5圖中左側第一輸出端子222可連接至第6圖中第二天線，第5圖中右側第一輸出端子222可連接至第6圖中第三天線，第5圖中右側第二輸出端子223可連接至第6圖中第四天線。利用各組射頻切換開關的控制，可選擇同時平均輸出在這四組天線，或者單獨在其中一組天線做輸 出，當全部功率在其中單一組天線輸出時，具有對某一方向性較強的輻射場型效果。

因而，多組射頻訊號多模態分配裝置200係可串級並連接為智慧型天線。因無線通訊系統應對無線接取(Radio Access)能力的要求，此一智慧型天線連接技術能作為提升頻譜資源效率、系統容量和通訊品質的有效途徑，符合希望達到最佳的頻譜運用效率之要求。此一智慧型天線技術除了可運用於現有通訊系統中，更可廣泛納入不同無線通訊系統規範中，令智慧型天線結合天線陣列、波束成形等技術則具有下列優點：

1、提高天線增益，降低訊號傳輸所需功率。

2、擴大系統的覆蓋區域，減少基地台部署個數。

3、減少用戶間干擾，提高系統容量。

4、有效控制波束，提高頻譜使用效率。

5、提供空間分集，降低多路徑衰落影響。

6、提昇鏈結品質，達到高速傳輸目的。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本項技術者，在不脫離本發明之技術範圍內，所作的任何簡單修改、等效性變化與修飾，均仍屬於本發明的技術範圍內。

100‧‧‧射頻功率分配器架構

110‧‧‧正交耦合器

111‧‧‧輸入節點

112‧‧‧第一輸出節點

113‧‧‧第二輸出節點

121‧‧‧輸入端子

122‧‧‧第一輸出端子

123‧‧‧第二輸出端子

131‧‧‧線性傳輸線

132‧‧‧L形傳輸線

133‧‧‧第一端

134‧‧‧第二端

135‧‧‧第三端

136‧‧‧第四端

141‧‧‧第一射頻切換開關

142‧‧‧第二射頻切換開關

143‧‧‧第三射頻切換開關

144‧‧‧第四射頻切換開關

145‧‧‧開關間短傳輸線

150‧‧‧負載電路

200‧‧‧射頻訊號多模態分配裝置

210‧‧‧正交耦合器

211‧‧‧輸入節點

212‧‧‧第一輸出節點

213‧‧‧第二輸出節點

214‧‧‧訊號隔離節點

215、216、217‧‧‧微帶線耦合線

218、219‧‧‧磅線

221‧‧‧輸入端子

222‧‧‧第一輸出端子

223‧‧‧第二輸出端子

224‧‧‧訊號隔離端子

231‧‧‧第一傳輸線

232‧‧‧第二傳輸線

233‧‧‧第一端

234‧‧‧第二端

235‧‧‧第三端

236‧‧‧第四端

241‧‧‧第一射頻切換開關

242‧‧‧第二射頻切換開關

243‧‧‧第三射頻切換開關

244‧‧‧第四射頻切換開關

250‧‧‧負載電路

261‧‧‧第一天線

262‧‧‧第二天線

263‧‧‧第三天線

264‧‧‧第四天線

第1圖：傳統使用混合耦合器電路方式實現射頻訊號多 模態分配裝置的架構示意圖。

第2圖：依據本發明之一具體實施例的一種射頻訊號多模態分配裝置之示意圖。

第3A至3C圖：依據本發明之一具體實施例的該射頻訊號多模態分配裝置在分流狀態、第一單獨輸出狀態及第二單獨輸出狀態之連接示意圖。

第4圖：依據本發明之一具體實施例，該射頻訊號多模態分配裝置模擬結果曲線特性圖。

第5圖：依據本發明之一具體實施例，串級複數個射頻訊號多模態分配裝置之示意圖。

第6圖：依據本發明之一具體實施例，串級多組射頻訊號多模態分配裝置應用在陣列天線之示意圖。

200‧‧‧射頻訊號多模態分配裝置

210‧‧‧正交耦合器

211‧‧‧輸入節點

212‧‧‧第一輸出節點

213‧‧‧第二輸出節點

214‧‧‧訊號隔離節點

215、216、217‧‧‧微帶線耦合線

218、219‧‧‧磅線

221‧‧‧輸入端子

222‧‧‧第一輸出端子

223‧‧‧第二輸出端子

224‧‧‧訊號隔離端子

231‧‧‧第一傳輸線

232‧‧‧第二傳輸線

233‧‧‧第一端

234‧‧‧第二端

235‧‧‧第三端

236‧‧‧第四端

241‧‧‧第一射頻切換開關

242‧‧‧第二射頻切換開關

243‧‧‧第三射頻切換開關

244‧‧‧第四射頻切換開關

250‧‧‧負載電路

Claims (7)

1. 一種射頻訊號多模態分配裝置，包含：一正交耦合器，係具有一輸入節點、一第一輸出節點、一第二輸出節點以及一訊號隔離節點；一輸入端子、一第一輸出端子、一第二輸出端子與一訊號隔離端子；兩平行向之一第一傳輸線與一第二傳輸線，係分別位於該正交耦合器之兩側，其中該第一傳輸線之一第一端與第二端係分別朝向該輸入端子與該第一輸出端子，該第二傳輸線之一第三端與一第四端係分別朝向該訊號隔離端子與該第二輸出端子；一第一射頻切換開關，係設置於該輸入端子並選擇性切換在該輸入節點與該第一傳輸線之第一端之間；一第二射頻切換開關，係設置於該訊號隔離節點並選擇性切換在該訊號隔離端子與該第二傳輸線之第三端之間；一第三射頻切換開關，係設置於該第一輸出端子並選擇性切換在該第一輸出節點與該第一傳輸線之第二端之間；以及一第四射頻切換開關，係設置於該第二輸出端子並選擇性切換在該第二輸出節點與該第二傳輸線之第四端之間。
2. 根據申請專利範圍第1項之射頻訊號多模態分配裝置，其中該些第一、第二、第三與第四射頻切換開關係為單刀雙擲結構。
3. 根據申請專利範圍第1項之射頻訊號多模態分配裝置，其中該訊號隔離端子係連接至一負載電路。
4. 根據申請專利範圍第1項之射頻訊號多模態分配裝置，其中當由該第一輸出端子與該第二輸出端子平均輸出時，該第一射頻切換開關係切換連接至該輸入節點，該第二射頻切換開關係切換連接至該訊號隔離節點，該第三射頻切換開關係切換連接至該第一輸出節點，該第四射頻切換開關係切換連接至該第四輸出節點。
5. 根據申請專利範圍第1項之射頻訊號多模態分配裝置，其中當由該第一輸出端子單獨輸出時，該第一射頻切換開關係切換連接至該第一傳輸線之第一端，並且該第三射頻切換開關係切換連接至該第一傳輸線之第二端。
6. 根據申請專利範圍第1項之射頻訊號多模態分配裝置，其中當由該第二輸出端子單獨輸出時，該第一射頻切換開關係切換連接至該輸入節點，該第三射頻切換開關係切換連接至該第一傳輸線之第二端，該第二射頻切換開關則切換連接至該第二傳輸線之第三端，該第四射頻切換開關係切換連接至該第二傳輸線之第四端。
7. 根據申請專利範圍第1項之射頻訊號多模態分配裝置，其中該正交耦合器係為一3dB混合耦合器。