新型超宽频90集成耦合器.pdf

本发明公开了一种新型超宽频90°集成耦合器，包括相互耦合的主微带线和副微带线，所述主微带线的一端被配置为耦合器的输入端口，用于接收射频/微波输入信号，另一端被配置为直通输出端口，用于输出信号；所述副微带线的一端被配置为耦合器的耦合输出端口，另一端被配置为隔离端口，所述隔离端口与50欧负载相连；所述主微带线和副微带线呈螺旋状形成串联的多个螺旋形耦合单元，各相邻所述螺旋形耦合单元的耦合间距不同或微带线宽不同，且为从外部到内部逐渐变小。本发明可以实现更宽的耦合器工作带宽，输出端口之间拥有更好的信号隔离度，以及提供较小的插入损耗。

1.  一种新型超宽频90°集成耦合器，其特征在于，包括相互耦合的主微带线和副微带线，所述主微带线的一端被配置为耦合器的输入端口，用于接收射频/微波输入信号，另一端被配置为直通输出端口，用于输出信号；所述副微带线的一端被配置为耦合器的耦合输出端口，另一端被配置为隔离端口，所述隔离端口与50欧负载相连；所述主微带线和副微带线呈螺旋状形成串联的多个螺旋形耦合单元，各相邻所述螺旋形耦合单元的耦合间距不同或微带线宽不同，且为从外部到内部逐渐变小。

2.  根据权利要求1所述新型超宽频90°集成耦合器，其特征在于，各所述螺旋形耦合单元的连接处并联电容到地。

3.  根据权利要求1所述新型超宽频90°集成耦合器，其特征在于，所述耦合器的输入端口、直通输出端口和耦合输出端口处并联电容到地。

4.  根据权利要求1所述新型超宽频90°集成耦合器，其特征在于，所述主微带线和副微带线之间跨接电容。

5.  根据权利要求1所述新型超宽频90°集成耦合器，其特征在于，所述主微带线和副微带线的等效电长度都是中心工作频率所对应的波长的1/4。

6.  根据权利要求1所述新型超宽频90°集成耦合器，其特征在于，每个所述螺旋形耦合单元内部的各段互耦的主微带线和副微带线的间距和线宽渐变不同。

7.  根据权利要求1所述新型超宽频90°集成耦合器，其特征在于，所述主微带线和副微带线的螺旋结构通过多层金属结构实现交叉以便与外部电路连接。

8.  根据权利要求1所述新型超宽频90°集成耦合器，其特征在于，所述主微带线和副微带线主体属于同层金属并利用边际耦合实现相互耦合。

9.  根据权利要求1所述新型超宽频90°集成耦合器，其特征在于，所述主微带线和副微带线主体分别位于不同层金属，同时利用边际耦合和不同层的上下耦合实现相互耦合。

10.  根据权利要求1所述新型超宽频90°集成耦合器，其特征在于，各相邻所述螺旋形耦合单元的耦合间距和微带线宽都不同。

新型超宽频90°集成耦合器
技术领域
本发明属于射频/微波电路设计领域，具体是一种新型超宽频90°集成耦合器。
背景技术
定向耦合器作为一种重要的微波元件在射频/微波电路以及集成电路中都有着广泛的应用。它的主要作用是将射频/微波信号按照所需的比例进行功率分配。通常来说，定向耦合器由两根传输线所组成，不同类型的传输线包括同轴线、矩形波带状线以及微带线等都是可以实现定向耦合器的。从耦合器的耦合结构机理来看的话，主要可以分为四种：平行耦合、分支耦合、小孔耦合以及匹配双T。随着无线通信技术的发展，对射频/微波电路的设计提出了更高的要求，通信系统的带宽日益增大，而通信系统的设备尺寸实现小型化，相应的也要求应用其中的微波器件实现小型化，螺旋型耦合器的引入正好解决了无线通信技术对于微波电路小型化的要求。但传统的螺旋型耦合器通常只能实现较窄带的信号耦合传输，有着较高的插入损耗等问题。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种新型超宽频90°集成耦合器，可以实现更宽的耦合器工作带宽，输出端口之间拥有更好的信号隔离度，以及提供较小的插入损耗。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种新型超宽频90°集成耦合器，包括相互耦合的主微带线和副微带线，所述主微带线的一端被配置为耦合器的输入端口，用于接收射频/微波输入信号，另一端被配置为直通输出端口（简称“直通端口”），用于输出信号；所述副微带线的一端被配置为耦合器的耦合输出端口（简称“耦合端口”），另一端被配置为隔离端口，所述隔离端口与50欧负载相连；所述主微带线和副微带线呈螺旋状形成串联的多个螺旋形耦合单元，各相邻所述螺旋形耦合单元的耦合间距不同或微带线宽不同，且为从外部到内部逐渐变小。
进一步的，各所述螺旋形耦合单元的连接处并联电容到地，调节所述耦合器的耦合量。
进一步的，所述耦合器的输入端口、直通输出端口和耦合输出端口处并联电容到地，优化输入输出端口匹配，调节所述耦合器的耦合量。
进一步的，所述主微带线和副微带线之间跨接电容，根据具体情况，优化电容值，调节所述耦合器的耦合量。
进一步的，所述主微带线和副微带线的等效电长度都是中心工作频率所对应的波长的1/4。根据具体情况，会有相应调整。
进一步的，每个所述螺旋形耦合单元内部的各段互耦的主微带线和副微带线的间距和线宽渐变不同。
进一步的，所述直通输出端口与耦合输出端口输出的射频/微波信号的频率与输入信号相同，实现3dB功率等分。
进一步的，所述直通输出端口与耦合输出端口输出的射频/微波信号在相位上相差90度，实现了单端信号与正交信号之间转化的结构。
进一步的，所述主微带线和副微带线的螺旋结构可通过多层金属结构实现交叉以便与外部电路连接，所述主微带线和副微带线主体可属于同层金属并利用边际耦合实现相互耦合，或者所述主微带线和副微带线主体分分别位于不同层金属，同时利用边际耦合和不同层的上下耦合实现相互耦合。
进一步的，各相邻所述螺旋形耦合单元的耦合间距和微带线宽都不同。
主微带线和副微带线的长度与宽度依据实际应用场景所需频率设定，实现本发明中被配置作为传输路径的新型超宽频90°集成耦合器。不同于常规的螺旋形耦合器，在本发明新型超宽频90°集成耦合器中，两条紧密耦合的微带线呈螺旋状形成串联的多个（小）螺旋形耦合单元，而各相邻小螺旋形耦合单元间的耦合间距和微带线宽都是不同的，从外部到内部逐渐变小，且每个螺旋形耦合单元内部的各段互耦的主微带线和副微带线的间距和线宽可以渐变不同，从而形成耦合系数的渐变以及寄生电容值的差异，还可根据具体情况，在所述螺旋形耦合器的主副微带线主体之间跨接电容，优化电容值，调节所述耦合器的耦合量，实现整个螺旋形耦合器各段的耦合系数可调。各小螺旋形耦合器的连接处并联电容到地，通过电磁仿真，优化各小螺旋形耦合单元的耦合间距以及电容容值，获得所需的超宽频螺旋形耦合器。
有益效果：多层金属叠加实现的螺旋形耦合器，结构紧凑，加工简单，功率容量大，插入损耗低，与传统的螺旋形耦合器相比，能够实现更宽的工作带宽，在带宽上有着突出的优势。本发明的新型超宽频90-度集成耦合器可以广泛应用于射频/微波/毫米波频段的无线通信系统当中。
附图说明
图1（a）为现有的平行微带线耦合器原理示意图，图1（b）为本发明的耦合器基本原理示意图；
图2为新型超宽频90°集成耦合器的等效原理示意图；
图3为新型超宽频90°集成耦合器的电路实现示意图；
图4为5-30GHz新型超宽频90°集成耦合器的立体结构示意图；
图5（a）为5-30GHz新型超宽频90°集成耦合器的输出信号插入损耗仿真结果图，图5（b）为5-30GHz新型超宽频90°集成耦合器的输出端口隔离度仿真结果图，图5（c）为5-30GHz新型超宽频90°集成耦合器的正交信号镜像抑制性能仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供一种新型超宽频90°集成耦合器，可以实现更宽的耦合器工作带宽，输出端口之间拥有更好的信号隔离度，以及提供较小的插入损耗。
从耦合器理论的角度来说，要实现超宽频的耦合带宽，以传统的平行微带线耦合器的例子来看，从输入输出端口到微带中心，两条微带线的间距不变，也就是说耦合系数一定的情况下，如图1（a）所示，实现的耦合器工作带宽往往是窄带的。通过调整微带线的间距，在靠近输入输出端口，也就是远离微带线中心的部分，间距调大，耦合系数减小；而接近微带线中心的部分，间距调小，耦合系数增大，实现紧密耦合，如图1（b）所示。通过改变平行耦合微带线耦合器传统结构，可以实现更宽的耦合带宽。
从以上结论得到启发，考虑通过多个螺旋形耦合单元来实现一种用于射频/微波/毫米波电路的新型超宽频90°集成耦合器，它由两条相互平行耦合的微带线构成，其中一端被配置为耦合器的输入端口的微带线称为主微带线（简称“主微带”）。另一条微带线称为副微带线（简称“副微带”）。主微带和副微带的等效电长度都是中心工作频率所对应的波长的1/4，通过多层金属结构实现，主、副微带分别位于不同层金属，从而实现多层金属上下耦合，边际耦合同时工作。本发明实现的新型超宽频90°集成耦合器包括一个被配置用来接收射频/微波信号的输入端口；两个被配置用来输出与输入信号相同频率信号的端口：耦合端口和直通端口；以及一个与50欧负载相连的隔离端口。不同于常规的螺旋形耦合器，在本发明的新型超宽频90°集成耦合器中，两条紧密耦合的微带线呈螺旋状形成串联的多个螺旋形耦合单元，如图2所示，各相邻螺旋形耦合单元的耦合间距和微带线宽都不同，为从外部到内部逐渐变小, 且每个螺旋形耦合单元内部的各段互耦的主微带线和副微带线的间距和线宽可以渐变不同，从而形成耦合系数的渐变以及寄生电容值的差异，还可根据具体情况，在所述螺旋形耦合器的主副微带线主体之间跨接电容，优化电容值，调节所述耦合器的耦合量，实现整个螺旋形耦合器各段的耦合系数可调。所述耦合器的输入输出端口处以及各螺旋形耦合单元的连接处并联电容到地，通过优化各螺旋形耦合单元的耦合间距，微带线线宽以及的电容容值，获得所需的超宽工作频带，直通端口与耦合端口输出的射频微波信号频率与输入信号相同，实现3dB功率等分。相位上，直通端口与耦合端口的输出信号相差90度，实现了单端信号与正交信号之间转化的结构。
本发明所述的新型超宽频90°集成耦合器，我们以一个由4个螺旋形耦合单元构成的超宽频90°集成耦合器为例，介绍它的具体实施方式。
如图2和图3所示，本发明的超宽频90°集成耦合器由两条相互耦合的微带线构成，其中一端被配置为耦合器的输入端口1的微带线称为主微带，它的另一端则作为直通端口4输出信号。另一条微带线称为副微带，它的两端分别配置为耦合器的耦合端口2以及隔离端口3，隔离端口3与50欧负载相连，从而实现良好的输入驻波，实现最大的能量传输。如图3中所示，主副微带路径重叠部分通过多层金属结构实现，主副微带分别位于不同层金属，同时实现微带线上下耦合以及边际耦合。从总体上来看，通过两条微带线的上下耦合以及边际耦合，实现图3中的新型超宽频90°集成耦合器。
常规的螺旋型耦合器，所包含各螺旋耦合单元中，微带线耦合间距不变，原理上与平行板耦合器类似，所构成的螺旋型耦合系数，在整个耦合路径上，耦合系数保持一个定值，如图2所示，对于传统结构的螺旋型耦合器，各螺旋形耦合单元5，6，7，8的等效结构，他们的耦合系数K1,K2,K3,K4会形成

这样一个等量关系。那么，根据传统耦合器理论我们可以知道，这样的结构是很难实现宽带的耦合。
不同于常规的螺旋形耦合器，在本发明所述的新型超宽频90°集成耦合器中，两条紧密耦合的微带线呈螺旋状形成串联的多个螺旋形耦合单元（如说明书附图3中标号5，6，7，8所示），各相邻所述螺旋形耦合单元的耦合间距和微带线宽都不同，为从外部到内部逐渐变小，且每个螺旋形耦合单元内部的各段互耦的主微带线和副微带线的间距和线宽可以渐变不同，从而形成耦合系数的渐变以及寄生电容值的差异，实现整个螺旋形耦合器各段的耦合系数渐变可调，形成如图3所示的结构。从耦合器等效原理来看，外围的两个螺旋形耦合单元的间距较大，耦合系数较小，而中心两个螺旋形耦合单元的间距较小，实现紧密耦合，耦合系数较大。从图2来看，各螺旋形耦合单元5，6，7，8的耦合系数将实现如下的等量关系：

从耦合器原理上来分析，如图2所示的耦合器结构，实现了耦合系数由外部到内部的渐变，从而实现耦合器的超宽带耦合。
与此同时，所述耦合器的输入输出端口处，以及各螺旋形耦合单元的连接处，都可以并联电容到地，在所述螺旋形耦合器的主副微带线主体之间同样可以跨接电容，通过电磁仿真，优化各螺旋形耦合单元的耦合间距以及电容容值，获得所需的超宽工作频带，直通端口与耦合端口输出的射频/微波信号频率与输入信号相同，实现3dB功率等分。相位上，直通端口与耦合端口的输出信号相差90度，实现了单端信号与正交信号之间转化的结构。
根据本发明所述的新型超宽频90°集成耦合器原理，我们通过电磁仿真，采用理想元件设计实现了一个8-30GHz的新型超宽频90°集成耦合器，其结构如图4所示。
图5中，给出了我们通过电磁仿真软件实现的新型超宽频90°集成耦合器，在我们所需工作带宽8-30GHz内的性能。我们可以看到，如图5（a）所示，直通输出端口4以及耦合输出端口2的信号插入损耗都在3dB左右，符合我们理论预测的性能。如图5（b）所示，在直通输出端口4以及耦合输出端口2之前，信号隔离度达到了30dB以上这样一个出色的隔离性能。如图5（c）所示，对于IQ正交信号，我们设计的新型超宽频90°集成耦合器的镜像抑制能力，在整个工作带宽8-30GHz内都达到了25dBc以上。