TWI573316B - 寬頻定向耦合器 - Google Patents

Description

寬頻定向耦合器

一種寬頻定向耦合器，可改善寬頻定向耦合器操作在高頻帶時的耦合量及饋入損失。

在射頻裝置中，定向耦合器是一種廣泛使用的元件，例如可在放大器與天線之間設置一定向耦合器。定向耦合器可用以監控及量測射頻訊號，例如量測傳輸及反射之射頻訊號的功率，並可依據量測的結果調整射頻訊號的輸出功率。

一般而言，定向耦合器通常會連接功率偵測器，功率偵測器可用以接收定向耦合器的耦合訊號，並推算出通過定向耦合器之射頻訊號的功率。然而習用的定向耦合器操作在不同頻段時，往往會有不同的耦合量(coupling factor)及饋入損失(insertion loss)，例如當定向耦合器操作在高頻段時，耦合量及饋入損失往往會隨之增加，進而導致定向耦合器不符合功率偵測器的規格(SPEC)。

本發明是一種寬頻定向耦合器，在高頻段及低頻段皆具有 穩定的耦合量及饋入損失，並可符合大多數功率偵測器的規格(SPEC)。

本發明是一種寬頻定向耦合器，主要包括一第一傳輸線、一第二傳輸線及至少一電感，其中第一傳輸線與第二傳輸線相鄰，使得第二傳輸線耦合第一傳輸線。此外第二傳輸線連接電感，可增加第二傳輸線在高頻時的阻抗，藉此改善寬頻定向耦合器操作在高頻帶時耦合量(coupling factor)及饋入損失(insertion loss)。

本發明是一種寬頻定向耦合器，主要包括一第一傳輸線、一第二傳輸線，其中第一傳輸線與第二傳輸線相鄰，使得第二傳輸線可耦合第一傳輸線。此外第二傳輸線連接至少一電阻，藉由終端電阻的設計可降低因天線的阻抗變化所造成的耦合漣波(coupling ripple)。

為了達到以上目的，本發明提供一種寬頻定向耦合器，包括：一第一傳輸線，包括一第一端點及一第二端點，並用以傳輸一射頻訊號；一第二傳輸線，與第一傳輸線相鄰，並包括一第三端點及一第四端點；及至少一電感，電感的兩端分別電性連接第三端點及第四端點，其中射頻訊號通過第一傳輸線時，第二傳輸線會與第一傳輸線所傳輸的射頻訊號耦合。

本發明寬頻定向耦合器一實施例中，包括一第一承載部及一第二承載部，其中第一承載部與第二承載部層疊設置，第一傳輸線設置在第一承載部上，而部分第二傳輸線則設置在第二承載部上。

本發明寬頻定向耦合器一實施例中，其中第一傳輸線包括一第一部分及一第二部分，第一部分連接第二部分，且第一部分為蛇形，而第二部分則為直線或曲線。

本發明寬頻定向耦合器一實施例中，其中第二傳輸線包括一第三部分及一第四部分，第三部分連接第四部分，且第三部分為蛇形，而第四部分為直線或曲線。

本發明寬頻定向耦合器一實施例中，其中第一傳輸線的第一部分及第二部分分別與第二傳輸線的第三部分及第四部分重疊。

本發明寬頻定向耦合器一實施例中，其中第一傳輸線的第一部分及第二部分分別與第二傳輸線的第三部分及第四部分的幾何形狀近似。

本發明寬頻定向耦合器一實施例中，其中電感為螺旋狀、多邊形螺旋狀、8字形螺旋狀或方形螺旋狀。

本發明寬頻定向耦合器一實施例中，其中電感包括一第五部分及一第六部分，且第五部分連接第六部分，第五部分設置在第二承載部上，而第六部分則設置在第一承載部上。

本發明寬頻定向耦合器一實施例中，其中第一傳輸線的第一部分及第二部分皆設置在第一承載部上，而第二傳輸線的第三部分及第四部分則設置在第二承載部上。

本發明寬頻定向耦合器一實施例中，其中第一傳輸線與第二傳輸線重疊。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

10‧‧‧寬頻定向耦合器

11‧‧‧第一傳輸線

111‧‧‧第一端點

113‧‧‧第二端點

13‧‧‧第二傳輸線

131‧‧‧第三端點

133‧‧‧第四端點

15‧‧‧電感

17‧‧‧功率偵測器

19‧‧‧電阻

20‧‧‧寬頻定向耦合器

21‧‧‧第一傳輸線

211‧‧‧第一端點

213‧‧‧第二端點

215‧‧‧第一部分

217‧‧‧第二部分

22‧‧‧第一承載部

23‧‧‧第二傳輸線

231‧‧‧第三端點

233‧‧‧第四端點

235‧‧‧第三部分

237‧‧‧第四部分

24‧‧‧第二承載部

25‧‧‧電感

251‧‧‧第五部分

253‧‧‧第六部分

第1圖：為本發明所述寬頻定向耦合器第一實施例的電路示意圖。

第2圖：為本發明所述寬頻定向耦合器第二實施例的剖面示意圖。

第3圖：為本發明所述寬頻定向耦合器第二實施例的第一層結構的俯視圖。

第4圖：為本發明所述寬頻定向耦合器第二實施例的第二層結構的俯視圖。

第1圖，為本發明所述寬頻定向耦合器第一實施例的電路示意圖。如圖所示，本發明所述之寬頻定向耦合器10主要包括一第一傳輸線11、一第二傳輸線13及至少一電感15，其中第一傳輸線11與第二傳輸線13相鄰，而電感15則電性連接第二傳輸線13。

在本發明一實施例中，第一傳輸線11可被定義為主線(main line)，並可用以傳輸射頻訊號，例如第一傳輸線11包括一第一端點111及一第二端點113，並可將射頻訊號由第一端點111輸入，並由第二端點113輸出。

第二傳輸線13與第一傳輸線11相鄰，其中第二傳輸線13可被定義為耦合線(coupling line)。當射頻訊號通過第一傳輸線11時，第一傳輸線11的鄰近區域將會產生電磁場。第二傳輸線13會與第一傳輸線11傳輸的射頻訊號產生耦合，並吸收部分第一傳輸線11的能量，進而在第二傳輸線13上產生耦合訊號。透過量測第二傳輸線13上的耦合訊號，將可進一步推算出第一傳輸線11所傳輸之射頻訊號的特性，例如射頻訊 號的功率。

在本發明一實施例中，第二傳輸線13可連接功率偵測器(power detector)17，例如功率偵測器17可連接第二傳輸線13的第三端點131。功率偵測器17可用以量測第二傳輸線13上的耦合訊號的功率，進而推算出第一傳輸線11上所傳輸之射頻訊號的功率。此外更可進一步依據功率偵測器17的量測結果，調整第一傳輸線11傳輸之射頻訊號的功率。當然功率偵測器17主要用以偵測第一傳輸線11之射頻訊號的功率，並非本發明寬頻定向耦合器10的必要構件或限制。

然而在實際應用時，寬頻定向耦合器10必須符合功率偵測器17的規格(SPEC)，例如需符合功率偵測器17所規範的耦合量(coupling factor)、饋入損失(insertion loss)、隔離度(isolation)及回波損失(return loss)，以利於功率偵測器17偵測射頻訊號。以耦合量為例，若功率偵測器17規範的耦合量介於-26至-21dB，則寬頻定向耦合器10之第二傳輸線13與第一傳輸線11之射頻訊號的耦合量便需要介於-26至-21dB之間。

然而寬頻定向耦合器10之第二傳輸線13與第一傳輸線11之射頻訊號的耦合量，通常與第一傳輸線11傳送的射頻訊號的頻率相關，例如當第一傳輸線11傳送的射頻訊號的頻率較高時，寬頻定向耦合器10的耦合量亦會隨之增加。如此一來可能會造成寬頻定向耦合器10的耦合量超出功率偵測器17的規格，使得功率偵測器17無法正確的量測通過第一傳輸線11之射頻訊號的功率，或者是功率放大器17無法負荷寬頻定向耦合器10的耦合量。為此本發明揭露了一種寬頻定向耦合器10，在各個頻帶的耦合量及饋入損失皆能符合功率偵測器17的規格。

如上述的內容，當第一傳輸線11傳輸頻率較高的射頻訊號時，第二傳輸線13與第一傳輸線11之射頻訊號的耦合量亦會隨之增加。如此一來，不僅會造成寬頻定向耦合器10的耦合量超出功率偵測器17的規格，亦會導致寬頻定向耦合器10的饋入損失(insertion loss)增加，例如當第一傳輸線11傳輸的射頻訊號的頻率較高時，第二傳輸線13與第一傳輸線11之射頻訊號的耦合量將會增加，換言之，第二傳輸線13將會吸收較多第一傳輸線11內之射頻訊號的能量，並造成第一傳輸線11之射頻訊號的能量損失超過功率偵測器17的規格。

在本發明實施例中，要在第二傳輸線13上設置至少一電感15，其中電感15可串接在第二傳輸線13上，例如第二傳輸線13可包括一第三端點131及一第四端點133，而電感15的一端電性連接第三端點131，電感15的另一端則電性連接第四端點133。

一般而言，當第一傳輸線11傳輸的射頻訊號的頻率較高時，第二傳輸線13的耦合訊號的頻率亦會隨之增加。隨著第二傳輸線13的耦合訊號的頻率增加，位於第二傳輸線13上的電感15的阻抗亦會增加，使得第二傳輸線13上的耦合訊號減少，藉此將可降低寬頻定向耦合器10操作在高頻帶時的耦合量。此外，藉由降低寬頻定向耦合器10在高頻下的耦合量，亦可有效降低寬頻定向耦合器10在高頻帶時的饋入損失(insertion loss)。

透過上述的內容可得知，本發明主要透過在第二傳輸線13上設置至少一電感15，使得寬頻定向耦合器10在較寬頻帶的耦合量及饋入損失皆能符合功率偵測器17的規格。當然在實際應用時，可改變電感 15的電感值，以調整寬頻定向耦合器10的耦合量及饋入損失，其中電感15的電感值並不為本發明的限制。

在本發明一實施例中，第二傳輸線13亦可連接至少一電阻19，例如第二傳輸線13的第三端點131連接功率偵測器17，而第二傳輸線13的第四端點133則連接電阻19。當然電阻19並非本發明所述之寬頻定向耦合器10的必要構件，亦非本發明的限制。

如習用技術所述寬頻定向耦合器10通常會應用在射頻裝置上，其中的第一傳輸線11會電性連接一天線。在本發明一實施例中，可透過IC的製程將寬頻定向耦合器10整合在單一晶片內，例如射頻晶片(RF chip)或整合被動元件(IPD)，並用以偵測射頻晶片的功率。然而天線的阻抗有可能會因為使用者的接觸而產生變化，例如寬頻定向耦合器10及天線可設置在可攜式電子裝置內，此時天線的阻抗會因為使用者拿取可攜式電子裝置的位置而有所變化。

換言之，連接寬頻定向耦合器10的天線的阻抗可能會在一個區間內變化，並對寬頻定向耦合器10的耦合量造成影響，例如可能會使得寬頻定向耦合器10的耦合漣波(coupling ripple)增加。為此在本發明實施例中，進一步使得電阻19連接第二傳輸線13，藉由阻抗匹配的設計以降低因天線的阻抗變化所造成的耦合漣波。在實際應用時電阻19可整合在寬頻定向耦合器10內部，並將電阻19及寬頻定向耦合器10整合成單一個晶片。在不同實施例中，電阻19亦可設置在寬頻定向耦合器10外部，例如可將電阻19設置在電路板上，並電性連接定向耦合器10之第二傳輸線13。

在本發明一實施例中，當射頻訊號通過第一傳輸線11時，第一傳輸線11與第二傳輸線13之間可能產生互容及/或互感。此時可透過改變第一傳殊線11及/或第二傳輸線13的形狀，來調整第一傳輸線11及第二傳輸線13之間互感及/或互容的比例，藉此可進一步改善因天線阻抗改變所造成的耦合漣波。此外第一傳輸線11及第二傳輸線13更可被設計成指式電容(finger capacitor)或堆疊電容(stack capacitor)，以調整第一傳輸線11及第二傳輸線13之間互感及/或互容的比例，並改善寬頻定向耦合器10的耦合量。

第2圖為本發明所述寬頻定向耦合器第二實施例的剖面示意圖，第3圖為本發明所述寬頻定向耦合器第二實施例的第一層結構的俯視圖，第4圖為本發明所述寬頻定向耦合器第二實施例的第二層結構的俯視圖。

本發明所述之寬頻定向耦合器20包括一第一傳輸線21、一第二傳輸線23、至少一電感25、一第一承載部22及一第二承載部24，其中第一承載部22與第二承載部24層疊設置。第一傳輸線21設置在第一承載部22上，而部分第二傳輸線23則設置在第二承載部24上，使得第一傳輸線21與部分第二傳輸線23相鄰或重疊，藉此第二傳輸線23可耦合第一傳輸線21。

在本發明一實施例中，第一傳輸線21包括一第一部分215及第二部分217，其中第一部分215連接第二部分217，且第一部分215及第二部分217設置在第一承載部22上。第一部分215可為蛇形或S形，而第二部分217則為直線或曲線。第二傳輸線23包括一第三部分235及一第 四部分237，其中第三部分235連接第四部分237，且第三部分235及第四部分237設置在第二承載部24上。第三部分235可為蛇形或S形，而第四部分237則為直線或曲線。由於第一傳輸線21的第一部分215及第二傳輸線23的第三部分235為蛇形或S形，因此可減少寬頻定向耦合器20的尺寸。

第一傳輸線21的第一部分215及第二部分217分別與第二傳輸線23的第三部分235及第四部分237的幾何形狀及大小近似，其中第一傳輸線21的第一部分215及第二部分217分別與第二傳輸線23的第三部分235及第四部分237重疊，使得第二傳輸線23可與第一傳輸線21耦合。

電感25可為螺旋狀、多邊形螺旋狀、8字形螺旋狀或方形螺旋狀，透過在第二傳輸線23上設置電感25，將可降低寬頻定向耦合器20操作在高頻狀況下的耦合量，同時亦可降低寬頻定向耦合器10在高頻下的饋入損失。

在本發明一實施例中，電感25包括第五部分251及第六部分253。第六部分253設置在第一承載部22上，如第3圖所示，而第五部分251則設置第二承載部24上，如第4圖所示，其中第五部分251及第六部分253皆為螺旋狀或方形螺旋狀。設置在第一承載部22的第六部分253與設置在第二承載部24的第五部分251相連接，例如經由第3圖及第4圖的a點相連接，使得電感25之第五部分251及第六部分253層疊，並形成多層的電感25，以進一步減少寬頻定向耦合器20的尺寸。當然在實際應用時，電感25亦可為單層的構造，亦可 為兩層以上的構造。

在本發明實施例中，第一傳輸線21包括第一端點211及一第二端點213，而射頻訊號可由第一端點211傳送至第二端點213。例如第一傳輸線21的第二端點213可連接天線，在發射射頻訊號的過程中，射頻訊號可依序經由第一端點211、第一傳輸線21及第二端點213傳送至天線，在接收射頻訊號的過程中，則由天線將接收的射頻訊號依序經由第二端點213及第一傳輸線21傳送至第一端點211。

第二傳輸線23包括第三端點231及第四端點233，其中第三端點231可連接第1圖所述之功率偵測器17，而第四端點233則可連接至少一電阻19。透過電阻19與第二傳輸線23的連接，將可降低因天線的阻抗變化所造成的耦合漣波，其中電阻19可整合在寬頻定向耦合器20內部，亦可設置在寬頻定向耦合器20外部，並電性連接定向耦合器20的第二傳輸線13。

雖然本發明之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及數量當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧寬頻定向耦合器

11‧‧‧第一傳輸線

111‧‧‧第一端點

113‧‧‧第二端點

13‧‧‧第二傳輸線

131‧‧‧第三端點

133‧‧‧第四端點

15‧‧‧電感

17‧‧‧功率偵測器

19‧‧‧電阻

Claims (9)

1. 一種寬頻定向耦合器，包括：一第一傳輸線，包括一第一端點及一第二端點，並用以傳輸一射頻訊號；一第二傳輸線，與該第一傳輸線相鄰，並包括一第三端點及一第四端點；一第一承載部及一第二承載部，其中該第一承載部與該第二承載部層疊設置，該第一傳輸線設置在該第一承載部上，而部分該第二傳輸線則設置在該第二承載部上；及至少一電感，該電感電性連接該第二傳輸線，其中部分的該電感設置在該第一承載部，而部分的該電感則設置在該第二承載部上，其中該射頻訊號通過該第一傳輸線時，該第二傳輸線會與該第一傳輸線所傳輸的該射頻訊號耦合，並產生一耦合訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述的寬頻定向耦合器，其中該第一傳輸線包括一第一部分及一第二部分，該第一部分連接該第二部分，且該第一部分為蛇形，而該第二部分則為直線或曲線。
3. 如申請專利範圍第2項所述的寬頻定向耦合器，其中該第二傳輸線包括一第三部分及一第四部分，該第三部分連接該第四部分，且該第三部分為蛇形，而該第四部分為直線或曲線。
4. 如申請專利範圍第3項所述的寬頻定向耦合器，其中該第一傳輸線的第一部分及第二部分分別與該第二傳輸線的第三部分及第四部分重疊。
5. 如申請專利範圍第4項所述的寬頻定向耦合器，其中該第一傳輸線的第一部分及第二部分分別與該第二傳輸線的第三部分及第四部分的幾何形狀近似。
6. 如申請專利範圍第3項所述的寬頻定向耦合器，其中該電感為螺旋狀、多邊形螺旋狀、8字形螺旋狀或方形螺旋狀。
7. 如申請專利範圍第6項所述的寬頻定向耦合器，其中該電感包括一第 五部分及一第六部分，且該第五部分連接該第六部分，該第五部分設置在該第二承載部上，而該第六部分則設置在第一承載部上。
8. 如申請專利範圍第3項所述的寬頻定向耦合器，其中該第一傳輸線的第一部分及第二部分皆設置在第一承載部上，而該第二傳輸線的第三部分及第四部分則設置在第二承載部上。
9. 如申請專利範圍第1項所述的寬頻定向耦合器，其中該第一傳輸線與該第二傳輸線重疊。