[发明专利]一种基于印刷电路板的集成定向耦合器

说明书

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，涉及一种定向耦合器，尤其涉及一种基于印刷电路板(PCB)的集成定向耦合器。

背景技术

定向耦合器(Directional Coupler)是一种应用广泛的射频器件，可用于信号隔离、信号分离等，以实现射频接收机和发射机同时工作在相同的频段。定向耦合器应用于收发机系统的原理如图1所示，“输入端”(Input)连接发射机输出端(TX)，“直通端”(Direct)接天线(Antenna)，“耦合端”(Coupled)接接收机输入端(RX)，“隔离端”(Isolated)接匹配电阻(Res)。其中输入端到直通端之间的损耗为“插入损耗”(Insertion Loss)，输入端到耦合端的损耗为“耦合度”(Coupling)，直通端到耦合端的损耗为“隔离度”(Isolation)，“隔离度”与“耦合度”之差为“方向性”(Directivity)。定向耦合器的性能要求是：插入损耗很小，耦合度不是很大，隔离度很大，即方向性强。对于一个收发同频系统，一般发射信号能量很强且很大一部分会耦合到接收机输入端，而接收信号却很弱，如果不使用定向耦合器，很强的输出耦合信号会淹没有用的接收信号，这样会导致接收机无法正常工作，如图2(a)所示；在使用定向耦合器之后，接收信号由于耦合度的关系被损失掉一些，同时耦合到输入端的发射信号被极大地衰减，从而可以保证同时同频收发机的正常工作，如图2(b)所示。

随着工艺的进步，定向耦合器不断向小型化发展。最初采用分离元器件制作(Oleksandr Gorbachov，“Directional coupler for RF power detection”，US Patent，Patent No.7576626B2，Aug.18，2009)，然而这样设计的定向耦合器仍然不能集成。之后也有采用CMOS标准工艺的全在片集成定向耦合器(Directional Coupler)，具有一定的实用性。采用基于印刷电路板(PCB)制作定向耦合器也是一种可行的方案，如W.K.Kim等(W.K.Kim，M.Q.Lee，J.H.Kim，H.S.Lim，J.W.Yu，B.J.Jang，and J.S.Park，“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.)采用PCB制作了基于传输线技术的定向耦合器。但是它有面积大的缺点，在与其它小型电路结合使用时会更加体现出它的劣势。目前，现有的技术还没有很好地解决基于PCB制备定向耦合器的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于印刷电路板的集成定向耦合器，具有可在PCB上集成、面积小、输入损耗小、耦合度好、隔离度好、调谐性强的特点。

定向耦合器可以等效为一种结构变异的无源变压器。对于普通无源变压器，四端口参数对称；对于定向耦合器，则利用其空间位置的非对称性达到四端口参数的差异性。本发明即是利用这种空间非对称性。具体来说，本发明采用如下技术方案：

一种基于印刷电路板的集成定向耦合器，其包括：

第一线圈，由第M层金属绕成，交叉部分由第M-1层金属连接；

第二线圈，与所述第一线圈耦合，由第N层金属绕成，交叉部分由第N+1层金属连接，其中N≥1，M≥N+2，N、M为正整数；

两个可调电容，其一连接所述输入端和所述直通端，另一个连接所述耦合端和所述隔离端；以及

两个跨接电容，其一连接所述直通端与所述耦合端，另一个连接所述输入端与所述隔离端。

进一步地，所述第一线圈的两端分别为输入端和直通端，所述第二线圈的两端分别为耦合端和隔离端；或者所述第二线圈的两端分别为输入端和直通端，所述第一线圈的两端分别为耦合端和隔离端。

进一步地，所述第一线圈和所述第二线圈之间有过覆盖，或者无过覆盖。

进一步地，所述第一线圈的金属线宽大于或者等于或者小于所述第二线圈的金属线间距。

进一步地，所述可调电容为片内电容或片外电容，所述跨接电容为片内电容、片外电容或耦合寄生电容。

进一步地，所述线圈的形状包括但不限于：圆形、椭圆形、多边形。

进一步地，所述线圈的绕线方式包括但不限于：同心多圈绕线、并行绕线、交叉绕线、中心螺旋绕线。

本发明的优点和积极效果如下：