專利名稱：定向耦合器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于射頻電路中的定向耦合器。
背景技術：
定向耦合器是與射頻電磁場的傳輸路徑有關的裝置。它給出的測量
信號電平傳播到傳輸路徑特定方向的場強度成正比。理論上，傳播到 傳輸路徑的相反方向的場不影響測量信號的電平。定向耦合器具有至
少三個端口輸入、輸出和測量端口。進入輸入端口的信號能量幾乎 全部引導通過耦合器到達輸出端口 ，且該能量的一小部分傳輸給測量 端口 。定向耦合器在輸入和輸出端口之間的部分同時是無線電設備(其 延續(xù)到例如發(fā)送器的天線)的傳輸路徑的一部分。然后從測量端口接 收與朝天線傳播的實際場強度成正比的測量信號，該信號可以用于發(fā) 送器的調節(jié)目的。調節(jié)準確性部分取決于定向耦合器的質量，即以相 反方向傳播的場相對于待測量場的效應被多么書刀底地;肖除。
在該說明書和權利要求書中，"正向信號/場"指的是從定向耦合器 的輸入端口向輸出端口傳播的信號/場，"反向信號/場"指的是從定向耦 合器的輸出端口向輸入端口傳播的信號/場。
定向耦合器可以設計成若干種方式。它們大多數(shù)基于采用四分之一 波長的傳輸線。圖l示出了這種公知定向耦合器的示例。其中，待測量 信號的傳輸路徑包括傳輸導體120 (其位于電路板PCB的上表面上的導 電帶)和信號地線GND (由電路板的導電下表面構成)。傳輸導體120 的首端與局部信號地線一起構成定向耦合器的輸入端口P1。相應地，
傳輸導體的尾端與信號地線一起構成定向耦合器的輸出端口P2。此外， 在電路板PCB的上表面上有平行于傳輸導體的第二導電帶130,該帶的 長度是定向耦合器的操作頻率時波長X的四分之一。導電帶120和130之 間的距離是例如它們離地線的距離的十分之一。第二導電帶130遠離傳 輸導體延伸至第二導電帶130的末端。第一延續(xù)部分135終止于第三端 口或測量端口P3處。當定向耦合器使用時，如下電路已耦連到測量端 口上，該電路的阻抗Z等于由定向耦合器的導電帶與信號地線和介質一起構成的傳輸線的特征阻抗Zo。第二導電帶的第二延續(xù)部分136終止于 第四端口P4 (在此也稱為隔離端口 )。因而，該示例的定向耦合器具 有四個端口，大多數(shù)其它定向耦合器也是如此。
第二導電帶130用作傳感導體由于它與傳輸導體之間的電磁耦合， 供應給輸入端口的能量的一部分傳輸給傳感導體的電路，傳輸給端口 P3和P4的負栽阻抗。當正向場的頻率使得前述在圖l表示的入/4條件實現(xiàn) 時，傳遞給測量端口P3的能量處于其最大值，傳遞給隔離端口P4的能 量處于其最小值。后者能量在理想耦合器中為O,因為在耦合器中產生 的偶波形和奇波形基于傳感導體130在傳輸線的隔離端口端部處彼此 抵消。耦合器的方向性基于這樣一個事實。即，如果相等頻率反向場 在定向耦合器中存在，由于對稱結構使得幾乎沒有能量傳輸給測量端 口P3。方向性的質量表示為測量端口中的信號電平與隔離端口中的信 號電平的比例。當以相反方向傳播的場具有相等的頻率和強度時，這 與由測量端口中的正向場引起的信號電平與由測量端口中的反向場引 起的信號電平的比例是 一 回事。
圖2示出了根據圖1的定向耦合器的方向性和頻帶寬度的示例。該圖 示出了作為頻率函數(shù)的兩個傳輸系數(shù)的曲線。曲線201示出了與輸入信 號電平成比例的測量端口中的信號電平的變化，曲線202示出了與輸入 信號電平成比例的隔離端口中的信號電平的變化。分貝表示的系數(shù)差 異表示了方向性的值。從這些曲線可以看出，方向性在大約20dB時處 于其最高值，該值僅在相對寬度僅為對應于四分之一波長的頻率 2.08GHz兩側上百分之幾的頻率范圍中有效。方向性在1.92-2.25GHz的 范圍中超過值15dB，其相對寬度為約16%。曲線201也表示，在定向耦 合器的搡作范圍中，測量端口中的信號電平比傳播通過耦合器的信號 電平低大約25dB。這意味著測量信號引起傳播通過的信號的0.014dB衰
減。 -?！猑 、、〃、，、，、"、
長的頻率時使用，第三和第四端口的情況相反傳遞給測量端口P3的 能量處于其最小值，傳遞給隔離端口P4的能量處于其最大值。同樣， 如果定向耦合器在與對應于四分之一波長的頻率相比較低的頻率時使 用，方向性非常低。
根據圖l的定向耦合器的典型方向性的前述值20dB仍是不令人滿意的。該相對普通的值由在隔離端口側的彼此不完全抵消的偶和奇波 形引起，因為除了傳播給介電介質以外，奇波形也更大程度在空氣中 傳播，在此情況下其速度更大。如果傳輸導體和傳感導體布置在介電 板內，且在這些導體上下方均有地線層，那么可獲得方向性更好的結
構。 一種改進見于專利公布US6，549，089,其中在傳輸和傳感導體二者 與地線之間適當?shù)卦黾与姼?。這可以用比四分之一波長更短的線圏或 短路傳輸線支路。也可以用分立電容器進行調諧。調諧是相對困難的， 且增加了定向耦合器的制造成本。此外，與基本結構相比其損耗增加。 圖3a和3b示出了見于公布US6，822，532的定向耦合器，其中傳輸路 徑基本上是空氣絕緣的。傳輸導體320是相對薄的介電基底301的上表 面上的導電帶，信號地線(即地線層GND)是位于離基底一定距離處 的剛性金屬板。在本說明書和權利要求書中，這種傳輸線稱為"懸置帶 線(suspended stripline )"。圖3a示出了從該結構中部獲取的截面?？?以看出，該結構對稱地具有兩個懸置的帶線在傳輸導體320處基底301 的下表面上有用作定向耦合器的傳感導體的帶導體330,在基底下面具 有與上面類似的地線層。地線層還構成用于結構的側壁，從而形成導 電和封閉的殼體。在圖3b中，有由基底和導電帶構成的電路板的俯視
一端，傳輸導體轉向該:的J側，^地線層一起構成:向耦合器的輸 入端口P1。靠近該板的另一端，傳輸導體轉向該板的相對長側，與信 號地線一起構成定向耦合器的輸出端口P2。輸入和輸出端口的距離是 四分之一波長。在基底的上表面上，也有兩個地線帶311， 312，從而 使得傳輸導體在它們之間通過，這些帶從其外邊緣連接到信號地線。 在輸入端口P1側上的端部處，傳輸導體320和第二地線帶312彼此靠近 一定距離。此外，傳輸導體具有朝向第一地線帶311的突起321。相應 地，在輸出端口P2側上的端部處，傳輸導體320和第一地線帶311彼此 靠近一定距離，且傳輸導體具有朝向第二地線帶312的突起322。借助 于這種形狀，傳輸導體和信號地線之間的電容在傳輸導體的兩端均增 加，從而偶和奇波形的速度差降低。關于傳感導體330，在基底301的 下表面上有類似的布置。傳感導體的端部與信號地線構成定向耦合器 的測量端口 P3和隔離端口 P4。
上述結構的成本顯著比電路板結構的定向耦合器的成本更高。使用入/4長的線的所有定向耦合器的缺陷在于它們僅在相對窄的頻率范圍內 令人滿意地工作。此外，在許多應用中，它們需要不便利的大空間。
從公布FI 20040450可知一種定向耦合器，其中沒有使用四分之一 波長的線，而是使用位于待測量信號場中的相對小的探頭。探頭包括 電阻器和某種導體表面。圖4示出了在電路板上構造的這種定向耦合器 的示例。電路板PCB在該示例中為多層板。在其中間層有直的第一導電 帶420 (它是傳輸路徑的傳輸導體)和平行于第一導電帶420的地線帶 411 (屬于信號地線)。在其另一側上平行于傳輸導體還可以通過第二 地線帶。除了地線帶之外，信號地線包括電路板PCB的導電下表面，即 地線層。在電路板的上表面上的傳輸路徑上有位于傳輸導體420和地線 帶411上方的片狀電阻器432。電阻器的第一端連接到帶狀第一測量導 體441,第二端連接到帶狀第二測量導體442。由測量導體構成的測量 線引向定向耦合器的測量端口P3。電阻器432用作測量線的端接電阻器 和對傳輸路徑上傳播的電磁場強度進行傳感的探頭的 一 部分。探頭的 其它實質性部分包括傳感導體431，傳感導體431是在電阻器的定向耦 合器的輸入端口 Pl側上緊跟在電阻器之后的第 一測量導體的延伸部 分。對于圖3的結構，以大的頻率范圍獲得了良好的方向性。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于用新穎的和有益的方式實現(xiàn)定向耦合器^艮據本 發(fā)明的定向耦合器特征在于獨立權利要求l中所述的內容。本發(fā)明的一 些有益實施例在其它權利要求中描述。
本發(fā)明的基本思想如下定向耦合器的結構包括位于用作地線層的 金屬板上的介電基底。傳輸路徑是懸置帶線，以致在處于基底表面上 的傳輸導體下面，在地線層上有凹部。傳感導體是位于基底表面上或 位于其層上的非常小尺寸的導電帶。它從首端連接到測量端口并從尾 端經由端接電阻器連接到小的地線帶。地線帶在定向耦合器的輸出端 口側緊跟在傳感導體之后。利用這種非對稱結構，盡管傳感導體的尺 寸很小，但可獲得某種方向性。此外，在傳感導體下面，在地線層上 有凹部，該凹部接合在傳輸導體下面的凹部。通過適當?shù)卦O置傳感導 體下面凹部的尺寸，使得在由它和地線層構成的線路中發(fā)生的偶和奇 波形的速度相同，因而可以改善方向性。本發(fā)明的益處在于具有良好方向性的定向耦合器可以實施為非常 小的尺寸。這意味著顯著節(jié)省了定向耦合器的導電帶所處的電路板的 空間。本發(fā)明的又一益處在于根據本發(fā)明的定向耦合器的損耗相對低， 因為是用懸置帶線作為傳輸路徑。與此相關，從成本上來說可以負擔 得起的常規(guī)電路板材料可以用作基底。由此還得到一個益處，從制造 成本和電力特性上來說可以采用電路板，該板除了定向耦合器之外也 可以具有射頻電路的其它部分。本發(fā)明的附加益處在于根據本發(fā)明的 定向耦合器不需要在制造中調諧，由此顯著地節(jié)省了成本和增加了可 靠性。
現(xiàn)在將詳細描述本發(fā)明。這些描述將參考如下附圖 圖1示出了根據現(xiàn)有技術的定向耦合器的示例， 圖2示出了根據現(xiàn)有技術的定向耦合器的特性的示例， 圖3a， b示出了根據現(xiàn)有技術的定向耦合器的第二示例， 圖4示出了根據現(xiàn)有技術的定向耦合器的第三示例， 圖5a-c示出了根據本發(fā)明的定向耦合器的示例， 圖6示出了根據本發(fā)明的定向耦合器的第二示例， 圖7示出了根據本發(fā)明的定向耦合器的第三示例， 圖8示出了在根據本發(fā)明的定向耦合器中的傳感導體的形狀的更多 示例，和
圖9示出了根據本發(fā)明的定向耦合器的特性的示例。
具體實施例方式
圖l-4已經結合現(xiàn)有技術進行了描述。
圖5a-c示出了根據本發(fā)明的定向耦合器的示例。在從上方觀察耦合 器的圖5a中，在從輸入端口側觀察的圖5b中，在作為透視圖的圖5c中， 根據圖5a和5b的定向耦合器僅有地線層。定向耦合器500包括相對大塊 的地線層510和在它頂上的介電基底501。在該示例中，定向耦合器的 傳輸導體520和傳感導體530是位于基底的上表面上的導電帶。在基底 的上表面上也有地線帶515。在該示例中，基底的下表面用與地線層接 觸的導體大量地涂上涂層，因而其為信號地線GND的一部分。至少對基底的緊固點形成這種涂層以改進接地性是明智的。此外，除了前述 地線帶之外，在基底的上表面上可以有一些信號地線?；缀退膶?br>
體及與它相連的部件構成了電路板PCB。在地線層上，在傳輸導體520 下面有對應其全長的槽狀凹部505。由此，傳輸路徑基本上是空氣絕緣 的，且其類型為懸置帶線。通過適當?shù)剡x擇凹部的深度，可根據期望 設定傳輸路徑的阻抗。
傳感導體530非常小。其電長度為例如僅波長X的1/80。這樣的長度 僅為某些定向耦合器所用長度X/8的十分之一。在該示例中，傳感導體 緊跟在傳輸導體之后，它們之間的距離例如為波長的1/400。傳感導體 從其首端連接到測量端口P3，測量導體541相對于傳輸導體垂直，該測 量導體具有與傳感導體相同的導電帶。從測量端口觀察，在傳感導體
的首端處有均勾加寬的部分531,以改進整個測量結構的阻抗匹配。傳 感導體530的尾端連接到端接電阻器550的一端。"尾端"意味著傳感導體 上最靠近輸出端口那一側。當考慮傳感導體的加寬首端時，傳感導體 產生沿其中心線的大約卯度的彎頭，尾端平行于所述傳輸路徑。電阻 器550的第二端繼而連接到所述地線帶515。在該示例中，地線帶的尺 寸具有與傳感導體的尺寸相同的量級。在該示例中，它已經用整個電
路板PCB的緊固螺釘SCW牢固地連接到地線層，此外，從地線帶到基 底下表面的導電涂層有通路。地線帶515在定向耦合器的輸出端口P2側 上緊鄰傳感導體定位。借助于這種關于傳輸路徑法線非對稱的結構， 盡管傳感導體的尺寸很小，但仍可獲得某種方向性。
同樣，在傳感導體530下面有位于地線層510上的凹部。在該示例中， 該凹部506在傳輸導體下面接合凹部505。通過適當?shù)豬殳置傳感導體下 面凹部的尺寸，在由它和地線層構成的線路中發(fā)生的偶和奇波形的速 度相同，因而可以改善方向性。例如，在以頻率范圍0.9GHz工作的定 向耦合器中的凹部506的最佳深度為5mm的量級。
圖6示出了根據本發(fā)明的定向耦合器的第二示例。關于其基本結構， 定向耦合器600類似于上述定向耦合器500。區(qū)別在于傳輸導體620此時 以空氣絕緣的懸置帶線處于基底601的下表面上，基底上表面上的傳感 導體630此時部分處于傳輸導體上面。這種位置改變了傳輸導體和傳感 導體之間的耦合，從而改變定向耦合器的特性。傳感導體當然可以全 部位于傳輸導體的上方。圖7示出了根據本發(fā)明的定向耦合器的第三示例。關于其基本結構， 定向耦合器700類似于圖5a-c和6所示的定向耦合器。區(qū)別在于定向耦合 器此時還包括位于電路板上方的金屬蓋771。蓋從其邊緣抵靠地線層 710或電路板的上表面上的地線而彎曲。這種蓋用作對外部干擾》茲場的 屏蔽，另一方面也自然會影響屬于定向耦合器的傳輸線的阻抗。此外， 它影響由它和地線層構成的線路中發(fā)生的偶和奇波形的速度。借助于 位于傳感導體下面的凹部可使這些速度相等，如上所述同理，所述蓋 可以在傳感導體處包括適當?shù)卦O計的導電突起771。
圖8示出了根據本發(fā)明的定向耦合器中的傳感導體的形狀的更多示 例。子圖(a)示出了傳感導體83a、地線帶GND以及連接在它們之間 的端接電阻器850。用灰色箭頭標示的待測量信號傳輸方向使得地線帶 相對于傳感導體位于定向耦合器的輸出端口側上。傳感導體形狀類似 于圖5a,區(qū)別在于它還包括平行于傳輸路徑的突起835,作為其尾端的 延續(xù)部分。利用這種突起，可以改變傳輸和傳感導體之間的耦合，因 而對定向耦合器進行調諧。在子圖(b)中，傳感導體83b中有與子圖 (a)所示的傳感導體中類似的調諧突起836。區(qū)別在于，傳感導體83b 沿其中心線大致垂直于傳輸路徑，除了突起836之外。因而，用前述標 準來判斷，該傳感導體不具有平行于傳輸路徑的部分。在子圖(c)中， 傳感導體83c繼而沿其中心線彎曲平行于傳輸路徑，包括加寬部分。
圖9示出了根據本發(fā)明的定向耦合器的特性的示例。曲線卯1示出了 與輸入信號電平成比例的測量端口中的信號電平的變化，曲線902示出 了與相同電平的反向信號電平成比例的測量端口中的信號電平的變 化。這些曲線是從根據圖5a-c的定向耦合器中測量的，這種定向耦合器 可用于工作于GSM卯O系統(tǒng)中的裝置。曲線901對應于圖2的曲線201， 曲線902對應于圖2的曲線202。于是，以分貝表示的系數(shù)差異代表了方 向性的值。這些曲線表示，方向性在頻率范圍0.89-1.04GHz內為至少 25dB，相對值為16%。在圖2中，這種頻帶寬度僅獲得大約15dB的方向 性。因而，與圖2所示的現(xiàn)有技術相比，盡管定向耦合器更小，但改進 卻非常顯著。
在該說明書和專利權利要求書中，修飾詞"下"和"上"以及"下方，，、 "上方"和"俯視圖"指的是定向耦合器的位置，其中電路板處于水平位 置，且地線層處于最下方。定向耦合器的使用位置固然可以為任何一種位置。
上文描述了根據本發(fā)明的定向耦合器的結構。其實施細節(jié)可以不同 于所述內容。例如，基底可以是多層的，從而使得由傳輸導體、傳感 導體和地線帶構成的多個導電帶中的至少 一個可位于基底內部。在獨 立權利要求l設定的界限內，本發(fā)明的構思可實施為不同的方式。
權利要求
1. 一種定向耦合器(500；600；700)，包括位于用作地線層的金屬板(510；610；710)頂上的介電基底(501；601；701)、輸入端口(P1)、輸出端口(P2)和位于它們之間的傳輸路徑，該路徑是懸置帶線，使得在基底表面上的傳輸導體(520；620；720)下面的地線層上有凹部(505；605)，還包括傳感導體(530；630；730)，所述傳感導體(530；630；730)是基底表面上的導電帶，所述傳感導體的首端連接到定向耦合器的測量端口(P3)，尾端連接到端接電阻器(550；850)，其特征在于，所述傳感導體(530；630；730)明顯比八波小，所述定向耦合器還包括連接到所述地線層(510；610；710)以獲得方向性的地線帶(515)，該地線帶在輸出端口(P2)側緊鄰傳感導體定位，所述端接電阻器的一端已經連接到所述地線帶，在傳感導體下面的地線層上有凹部(506)以改善方向性。
2. 根據權利要求l所述的定向耦合器，其特征在于，所述傳感導體 (530; 730 )在基底(501; 701 )的上表面上緊鄰傳輸導體(520; 720)。
3. 根據權利要求l所述的定向耦合器，其特征在于，所述傳感導體 (630)位于所述基底(601)的上表面上，所述傳輸導體(620)以空氣絕緣的懸置帶線位于所述基底的下表面上，所述傳感導體(630)此 時至少部分地位于所述傳輸導體上方。
4. 根據權利要求l所述的定向耦合器，其特征在于，還包括金屬蓋 (770),所述金屬蓋(770 )在所述基底上方且與信號地線(GND)電流連接。
5. 根據權利要求4所述的定向耦合器，其特征在于，所述蓋包括導 電突起(771)，所述導電突起(771)朝所述傳感導體(730)被引導， 使得由傳感導體和地線層構成的線路中發(fā)生的偶和奇波形的速度相等。
6. 根據權利要求l所述的定向耦合器，其特征在于，傳感導體(530 ) 下面的地線層(510)上的凹部(506)與傳輸導體(520)下面的地線 層上的凹部(505 ) 4妄合。
7. 根據權利要求l所述的定向耦合器，其特征在于，從測量端口 (P3)觀察，在傳感導體(530; 83a; 83b; 83c)的首端處有均勻加寬的部分(531)，以改進正向信號的整個測量裝置的阻抗匹配。
8. 根據權利要求7所述的定向耦合器，其特征在于，所述傳感導體 (530; 83a)沿其中心線彎曲大約90度，且尾端平行于傳輸路徑。
9. 根據權利要求7所述的定向耦合器，其特征在于，所述傳感導體 (83c)沿其中心線整個平行于傳輸路徑。
10. 根據權利要求7所述的定向耦合器，其特征在于，設置有平行 于傳輸路徑的突起(835; 836)作為傳感導體(83a; 83b)的尾端延 續(xù)部分，以調諧定向耦合器。
11. 根據權利要求10所述的定向耦合器，其特征在于，除了所述突 起(836 )之外，所述傳感導體(83b)沿其中心線基本上垂直于傳輸 路徑。
12. 根據權利要求l所述的定向耦合器，其特征在于，所述基底(501 ) 的下表面已經用導體大部分地進行了涂層，所述導體與地線層(510) 接觸，因而是信號地線(GND)的一部分。
13. 根據權利要求l所述的定向耦合器，其特征在于，所述基底是 多層的，且由傳輸導體、傳感導體和地線帶構成的導電帶中的至少一 個導電帶位于所述基底內部。
全文摘要
一種定向耦合器(500)，包括位于用作地線層的金屬板(510)上的介電基底(501)。傳輸路徑是懸置帶線，從而使得在處于基底表面上的傳輸導體(520)下面的地線層上有凹部。傳感導體(530)是位于基底表面上的尺寸非常小的導電帶。它從首端連接到測量端口(P3)并從尾端經由端接電阻器(550)連接到小的地線帶(515)。地線帶在定向耦合器的輸出端口(P2)側緊鄰傳感導體。利用這種非對稱結構，盡管傳感導體的尺寸小，但可獲得某種方向性。此外，在傳感導體(530)下面的地線層上有凹部(506)，該凹部與傳輸導體(520)下面的凹部接合。通過適當?shù)卦O置傳感導體下面凹部的尺寸，使得在由它和地線層構成的線路中發(fā)生的偶和奇波形的速度相同，因而可以改善方向性。定向耦合器在電路板上是非常節(jié)省空間的?？梢允褂闷胀娐钒宀牧献鳛榛祝宕?，該板除了具有定向耦合器之外還可具有射頻電路的其它部分。該定向耦合器不需要在制造中調諧。
文檔編號H01P5/18GK101443951SQ200780017251
公開日2009年5月27日 申請日期2007年4月23日 優(yōu)先權日2006年5月12日
發(fā)明者E·尼拉南 申請人:電力波科姆特克公司