[發明專利]一種基于變壓器的定向耦合器

有效

• 申請號: 201210114033.X
• 申請日: 2012-04-17
• 公開（公告）號: CN103378394A
• 公開（公告）日: 2013-10-30
• 發明（設計）人: 葉樂;廖毓;郭盈;廖懷林;黃如
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01P5/18
• 分類號: H01P5/18
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長江

技術領域

本發明屬于射頻/微波集成電路技術領域，涉及一種定向耦合器，特別涉及一種基于變壓器的定向耦合器。

背景技術

定向耦合器(Directional?Coupler)是一種應用廣泛的射頻/微波部件，并被廣泛的應用于上行鏈路與下行鏈路處于同一頻段的收發機系統中。定向耦合器應用于收發機系統的原理如圖1所示，“輸入端”(Input)連接發射機輸出端(TX)，“直通端”(Direct)接天線(Antenna)，“耦合端”(Coupled)接接收機輸入端(RX)，“隔離端”(Isolated)接匹配電阻(Res)。其中輸入端到直通端之間的損耗為“插入損耗”(Insertion?Loss)，輸入端到耦合端的損耗為“耦合度”(Coupling)，直通端到耦合端的損耗為“隔離度”(Isolation)，“隔離度”與“耦合度”之差為“方向性”(Directivity)。對于一個定向耦合器的4端口網絡(如圖1右邊所示)來說，S參數S12代表了發射機到天線的插入損耗，該值必須盡可能小，因為即使一個較小的插入損耗增加也會造成發射機功率效率的大大減小。S13代表了天線到接收機的耦合度。S23代表了發射機到接收機的隔離度，該值必須盡可能大，因為不滿足要求的隔離度會造成發射機泄漏一個很大的信號至接收機，造成接收機性能的降低以及設計難度的增加。定向耦合器對性能的要求是：插入損耗很小，耦合度不是很大，隔離度很大，即方向性強。

對于一個同頻收發系統，一般發射信號能量很強且很大一部分會耦合到接收機輸入端，而接收信號卻很弱，如果不使用定向耦合器，很強的輸出耦合信號會阻塞有用的接收信號，這樣會導致接收機無法正常工作，如圖2(a)所示；在使用定向耦合器之后，接收信號由于耦合度的關系被損失掉一部分，同時耦合到輸入端的發射信號被極大地衰減，從而可以保證同時同頻收發機的正常工作，如圖2(b)所示。

對于傳統的定向耦合器，采用陶瓷無源元件是最為廣泛使用的方法，但是其體積的限制以及較高的成本阻礙了其在高度集成及低功耗環境中的應用。文獻“A?passive?circulator?with?high?isolation?using?a?directional?coupler?for?RFID，in?IEEE?MTT-S?Int.Microw.Symp.Dig.Papers，pp.1177-1180，Jun.2006”公開了一種PCB上的平行耦合四分之一波長微帶線定向耦合器，具有較好的隔離度，但是其長度遠不能滿足集成的要求。文獻“A?CMOS?power?amplifier?with?integrated?passive-device?spiral-shaped?directional?coupler?for?mobile?UHF?RFID?reader，IEEE?Trans.Microw.Theory?and?Tech.，vol.59，no.11，pp.2888-2897，Nov.2011”公開了一種采用IPD(integrated?passive?device)工藝的螺旋形定向耦合器，但是其與CMOS收發機系統需要使用系統封裝技術進行封裝，這提高了系統的復雜度以及增加了成本。文獻“A?compact?highly?reconfigurable?CMOS?MMIC?directional?coupler，IEEE?Trans.Microw.Theory?Tech.，vol.56，no.2，pp.305-319，Feb.2008”公開了一種基于集總LC元件的有源CMOS定向耦合器，然而有源器件將會需要額外的功耗，集總元件也將占用大量的面積。

在現有技術中，還沒有可適用于各類應用環境以及工藝條件、隔離度以及插入損耗均較優、面積極小的定向耦合器，特別是基于變壓器概念并可用于CMOS工藝片上集成的無源定向耦合器。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于變壓器的定向耦合器，其理論模型可用于多種應用場合以及工藝環境，特別是可以采用CMOS工藝進行片上集成，大大降低了系統設計的復雜性，并可有效提高系統的性能。