CN112133993A - 一种内嵌式多模耦合器、射频模块和通讯设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种内嵌式多模耦合器、射频模块和通讯设备，该内嵌式多模耦合器包括基板，基板包括层叠的第一层和第二层，第一层上设有输入端口、直通端口和主线导体，第二层上设有耦合端口、隔离端口和副线导体，输入端口与直通端口分别连接主线导体的两端，耦合端口和隔离端口分别连接副线导体的两端，其中，副线导体包括凸型结构，凸型结构的顶部的长度延伸方向与主线导体的长度延伸方向一致，俯视角度下该顶部与主线导体重叠。本申请的内嵌式多模耦合器具有高方向性，宽频响，尺寸小，并在多频通带内低插损且频响平坦度好等特点。

Description

一种内嵌式多模耦合器、射频模块和通讯设备

技术领域

本申请涉及耦合器技术领域，尤其涉及一种内嵌式多模耦合器、射频模块和通讯设备。

背景技术

随着WIFI技术和无线通信宽带化技术的不断发展，采用新的调制方式(如QAM、QPSK)来提高频谱利用率，对功放放大器的线性性能要求很高，射频闭环系统作为线性化技术环路系统，尤其是耦合器作为闭环反馈的重要器件，需要更高性能要求。然而，对于目前的耦合器技术，往往存在方向性、宽频响和频响带内平坦度问题，而有时为了解决上述问题，又需要增加设计成本等。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种内嵌式多模耦合器、射频模块和通讯设备。

本申请的一实施例提供一种内嵌式多模耦合器，包括基板，所述基板包括层叠的第一层和第二层，所述第一层上设有输入端口、直通端口和主线导体，所述第二层上设有耦合端口、隔离端口和副线导体，所述输入端口与所述直通端口分别连接所述主线导体的两端，所述耦合端口和所述隔离端口分别连接所述副线导体的两端，其中，所述副线导体包括凸型结构，所述凸型结构的顶部的长度延伸方向与所述主线导体的长度延伸方向一致，所述顶部与所述主线导体在俯视角度下重叠。

在一种实施例中，所述主线导体与所述副线导体的长度相等且取值为工作频段中心频点的四分之一波长。

在一种实施例中，内嵌式多模耦合器还包括：所述主线导体与所述副线导体的长度取值为多个可用工作频段中的最低工作频段中心频点的四分之一波长。

在一种实施例中，内嵌式多模耦合器还包括：俯视角度下，所述凸型结构的顶部到所述主线导体两端的距离相等。

在一种实施例中，输入端口和直通端口分别用于连接与主线导体的特征阻抗匹配的负载。

在一种实施例中，内嵌式多模耦合器还包括：位于所述第一层的耦合电容，所述输入端口和所述直通端口分别连接对应的所述耦合电容，各所述耦合电容用于连接外接对象。

在一种实施例中，耦合端口和隔离端口分别通过对应的盲孔用于连接50欧姆匹配的负载。

在一种实施例中，内嵌式多模耦合器还包括：位于所述第一层的匹配微带线，所述耦合端口和所述隔离端口分别通过对应的盲孔连接至对应的所述匹配微带线，各所述匹配微带线用于连接外接对象。进一步地，该匹配微带线采用特征阻抗为50欧姆的微带传输线。

在一种实施例中，所述主线导体为微带线，所述副线导体为带状线。

在一种实施例中，所述基板还包括与所述第二层层叠的第三层，所述第三层设有微带线对应的参考地端。

本申请另一实施例提供一种射频模块，包括上述的内嵌式多模耦合器。

本申请又一实施例提供一种通讯设备，包括上述的射频模块。

本申请的实施例具有如下优点：

本申请的内嵌式多模耦合器通过将副线导体与主线导体微带线进行平行重叠，且副线导体采用旋转耦合主线导体设计，该内嵌式多模耦合器不仅在多频通带内插入损耗低且频响平坦度好，具有较好的频响选择性，还具有方向性好，宽频响和尺寸小等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例的内嵌式多模耦合器的一种结构示意图；

图2示出了本申请实施例的内嵌式多模耦合器的一种等效电路图；

图3示出了本申请实施例的内嵌式多模耦合器用于定向耦合器的一种应用示意图；

图4示出了本申请实施例的内嵌式多模耦合器的多层层叠结构示意图；

图5a-图5i示出了本申请实施例的内嵌式多模耦合器的S参数仿真图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参照图1，本实施例提出一种多模耦合器，其采用内嵌式结构设计，可应用于射频通信系统及产品等，通过该耦合器可以改善反馈信号在通带内较大的波动，使得输出的射频信号的线性化最大化，从而提高整机系统的质量等。下面对该内嵌式多模耦合器进行详细说明。

本实施例中，该内嵌式多模耦合器是一个四端口网络，该四端口网络将位于基板的不同层。示范性地，如图1所示，该多模耦合器包括基板，该基板包括层叠的第一层和第二层，其中，第一层上设有输入端口P1、直通端口P2和主线导体，第二层上设有耦合端口P3、隔离端口P4和副线导体。在第一层上，输入端口P1与直通端口P2分别连接主线导体的两端。在第二层上，耦合端口P3和隔离端口P4分别连接副线导体的两端。

与传统的平行耦合设计不同，该耦合器通过将副线导体与主线导体设置在不同层，通常主线导体所在的层为顶层，而该副线导体位于顶层下方的第二层，相对于该顶层而言，该副线导体属于内嵌式结构，故称为内嵌式多模耦合器。当需要使用耦合端口P3及隔离端口P4时，可通过采用盲孔将第二层的两个端口引到基板顶层，或者也可以采用埋孔方式引到下方的其他层中等。

本实施例中，副线导体将采用弯折结构与主线导体形成一种新的重叠平行耦合结构。示范性地，如图1所示，副线导体包括凸型结构，凸型结构的顶部的长度延伸方向与主线导体的长度延伸方向一致，顶部与主线导体在俯视角度下重叠。其中，主线导体采用微带线，副线导体采用带状线。通常地，主线导体采用直线形微带线结构，其长度延伸方向即为输入端口P1与直通端口P2的连线方向，而该凸型结构的顶部的长度延伸方向则与输入端口P1与直通端口P2的连线方向相同，即满足主线导体与副线导体的凸型结构的顶部平行。进一步地，第二段导体的左上角和右上角以及第三段导体的转折处均采用了切角结构设计。

在一种实施方式中，该副线导体包括凸型结构，如图1所示，凸型结构包括依次连接的第一段导体、第二段导体和第三段导体，其中，第二段导体位于第一段导体与第三段导体之间，第一段导体与第三段导体沿第二段导体的中心线呈镜像对称，第一段导体的另一端设有耦合端口P3，第三导体的另一端设有隔离端口P4。应当明白的是，关于第二段导体的划分，不仅限于为凸型结构的顶部的中间线段区域，在一些其他实施方式中，还可以包括与该中间线段成90度的两条垂直线段的部分区域等，此时同样具有镜像对称特性。

可以理解，通过将副线导体与主线导体微带线进行平行重叠设计，增加两者之间的耦合电容，即加大耦合两端的电容，能够补偿微带线的偶模式及奇模式的相位速度的差异，使奇模和偶模的相位速度变得相同，达到增大方向性目的，还可解决多频频响的平坦度问题。而副线导体通过采用弯折设计与主线导体形成旋转耦合结构，不仅可以使输出端的幅频特性在带内保持平坦，得到好的频响选择性，而且与主线导体形成角度，副线导体采用旋转结构，之间的连接处存在不连续，使得耦合端口P3所反射的信号与输入端口P1发射泄漏到隔离端口P4的信号的幅度相同、相位相反，可消除端口功率，从而提高了方向性和频响也得到很大的改善。

进一步地，该内嵌式多模耦合器还包括：在俯视角度下，凸型结构的顶部到主线导体两端的距离相等，即该凸型结构与主线导体的中心重叠且对称分布在其中心两端，这样可进一步提高耦合系数等。

本实施例中，主线导体与副线导体的长度相等且取值为工作频段中心频点的四分之一波长。示范性地，若该内嵌式多模耦合器用作定向耦合器，例如，其工作频段为2412～2482MHz，则该主线导体与副线导体的长度可取值为2412～2482MHz的中心频点对应的四分之一波长。可以理解，所谓的多模是指该耦合器能够适用于设计的工作频段中的多个工作频率。

进一步地，若该耦合器适用于多个工作频段，则主线导体与副线导体的长度取值为多个可用工作频段中的最低工作频段中心频点的四分之一波长。例如，若设计频率为2412～2482MHz和5180～5850MHz，则该耦合器的长度取值将为2412～2482MHz频段的中心频点的四分之一波长。

可以理解，当耦合器的长度为工作信号的四分之一波长时，直通端口P2和耦合端口P3之间相位相差接近90度，从而提高了输入端口P1和隔离端口P4之间的隔离度。此外，信号耦合到耦合端口P3的功率将最大化，此时的耦合器不仅具有较小尺寸，还具有较低的传输损耗。

示范性地，输入端口P1和直通端口P2将分别用于连接与主线导体的特征阻抗匹配的负载。例如，可直接连接特征阻抗为50欧姆的负载等。当然，在一些其他实施例中，该内嵌式多模耦合器还包括：位于第一层的耦合电容，输入端口P1和直通端口P2分别连接对应的耦合电容，进而利用各耦合电容来连接其他元件等外接对象。图2示出了一种内嵌式多模耦合器的等效电路。其中，电感L1是主线导体微带线的等效电感，电感L2是副线导体微带线的等效电感，电容C4和电容C3分别是主线导体和副线导体的等效耦合电容，电容C1和电容C2分别是主线导体和参考地的等效寄生电容，电容C5和电容C6分别是副线导体和参考地的等效寄生电容。而TL1、TL2、TL3和TL4分别表示用于与耦合器的各端口连接的特征阻抗50欧姆微带线。

进一步地，耦合端口P3和隔离端口P4可用于连接一些补偿用元件。示范性地，该内嵌式多模耦合器的耦合端口P3和隔离端口P4分别通过对应的盲孔用于连接阻抗匹配的负载。例如，可直接连接阻抗为50欧姆的负载等。其中，盲孔所产生的寄生电容可用于补偿旋转耦合微带时产生的寄生电抗，从而改善端口的回波损耗。

或者，在一些其他实施例中，该内嵌式多模耦合器还包括：位于第一层的匹配微带线，耦合端口P3和隔离端口P4分别通过对应的盲孔连接至对应的匹配微带线，各匹配微带线用于连接外接对象。例如，该匹配微带线可采用特征阻抗为50欧姆的微带线等。例如，图3示出了一种定向耦合器的应用示意图。其中，主线导体与副线导体各自的两端可分别连接特征阻抗为50欧姆的等效负载Z0。

可以理解，耦合端口P3和隔离端口P4预留元件补偿，一方面可用于调整隔离端口P4的反射系数，以改变隔离端口P4的反射信号的幅度和相位，进而与输入端口P1的信号实现相位相反，达到功率相消作用。另一方面，利用谐振电路阻抗的模值与耦合器频率的斜率关系，通过选择合适的电路拓扑结构实现在偏离谐振频率点时阻抗的模单调下降，使定向耦合器输出端的幅频特性在带内保持平坦和带宽拓展，进一步达到微带线的一致性和稳定性。

在实际运用中，该内嵌式多模耦合器通常设计为多层结构。例如，若该内嵌式多模耦合器为三层结构，示范性地，该基板还可包括与第二层层叠的第三层，例如，第三层上设有微带线对应的参考地等。又比如，若该内嵌式多模耦合器为四层结构，例如，该基板还可以包括与第三层层叠的第四层，示范性地，该第四层上可设有电源地等。在一种实施方式中，如图4所示，第一层D1为主线导体层，第二层D2为副线导体层，第三层D3为微带线参考地层，第四层D4为电源地层。可以理解，上述的微带线参考地层和电源地层仅为一种示例，对于三层及三层以上的耦合器，第三层及以上层数的结构设计可根据实际需求来设定。

以一具有四层结构的内嵌式多模耦合器为例，该耦合器设计的两个工作频段为2412～2482MHz和5180～5850MHz，其中，基板采用的是常用的FR-4材质等级的覆铜箔环氧玻纤布层压板，其相对介电常数εr＝4.5，介质损耗为0.022。通过在该基板上形成上述的内嵌式多模耦合器，最终该耦合器的实物尺寸仅为1.2x0.5mm，与传统的耦合器尺寸相比，其尺寸减小近20％。图5a-图5i示出了一种耦合器的多个S参数的仿真测试曲线，其中，横轴均表示调谐耦合器的信号频率，各曲线的纵轴表示不同的幅度或相位，曲线上的各m点为频率测试点。其中，S11(对应于图5a中的S(1,1))、S22(对应于图5b中的S(2,2))、S33(对应于图5c中的S(3,3))和S44(对应于图5d中的S(4,4))则分别表示内嵌式多模耦合器的端口P1、P2、P3和P4阻抗匹配性能的参数；S21(对应于图5e中的S(2,1))表示内嵌式多模耦合器的插入损耗；S31(对应于图5f中的S(3,1))表示内嵌式多模耦合器的耦合度；S41(对应于图5g中的S(4,1))表示内嵌式多模耦合器的隔离度；图5h中的D表示内嵌式多模耦合器的定向度；图5i中的ratio表示内嵌式多模耦合器的直通端口与耦合端口之间的相位差。由图5a至图5i所示的仿真测试曲线可知，该耦合器具有较高的方向性和较好的频响选择性，其输出端的幅频特性在带内保持平坦和宽频响，传输损耗较小等。

本实施例提出的内嵌式多模耦合器通过将副线导体与主线导体微带线进行平行重叠设计，以增加两者之间的耦合电容，可以有效地解决耦合器的方向性和多频频响平坦度问题，还可以获得较宽的耦合系数，以解决传统的平行耦合方式下为使耦合系数强而工艺难的缺点；并且副线导体采用旋转耦合主线导体微带线设计，即与主线导体形成一个角度，可使输出端的幅频特性在带内保持平坦，得到较宽的频响选择性，从而改善反馈回来信号的通带内的频响幅度，大大提高了射频系统的线性和系统通信质量等。

本申请还提出一种射频模块，示范性地，该射频模块包括上述实施例1中的内嵌式多模耦合器等。在无线通信产品中，该内嵌式多模耦合器具备宽频响、低插损、多频选择性好、在通带内平坦度好，隔离度高和方向性好等特点，此外，由于采用内嵌式弯折结构设计，整个耦合器的体积小，降低了成本等。

本申请还提出一种通讯设备，例如，无线电话机、手机等。示范性地，该通讯设备包括上述的射频模块，其中，该射频模块包括内嵌式多模耦合器。通过使用上述的内嵌式多模耦合器结构，可以解决传统平行耦合器的问题，在射频闭环系统应用获得信号线性化最大化，从而提高整机系统信号质量等。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种内嵌式多模耦合器，其特征在于，包括基板，所述基板包括层叠的第一层和第二层，所述第一层上设有输入端口、直通端口和主线导体，所述第二层上设有耦合端口、隔离端口和副线导体，所述输入端口与所述直通端口分别连接所述主线导体的两端，所述耦合端口和所述隔离端口分别连接所述副线导体的两端，其中，所述副线导体包括凸型结构，所述凸型结构的顶部的长度延伸方向与所述主线导体的长度延伸方向一致，所述顶部与所述主线导体在俯视角度下重叠。

2.根据权利要求1所述的内嵌式多模耦合器，其特征在于，所述主线导体与所述副线导体的长度相等且取值为工作频段中心频点的四分之一波长。

3.根据权利要求2所述的内嵌式多模耦合器，其特征在于，还包括：所述主线导体与所述副线导体的长度取值为多个可用工作频段中的最低工作频段中心频点的四分之一波长。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的内嵌式多模耦合器，其特征在于，还包括：俯视角度下，所述凸型结构的顶部到所述主线导体的两端距离相等。

5.根据权利要求1所述的内嵌式多模耦合器，其特征在于，还包括：位于所述第一层的耦合电容，所述输入端口和所述直通端口分别连接对应的所述耦合电容，各所述耦合电容用于连接外接对象。

6.根据权利要求1或5所述的内嵌式多模耦合器，其特征在于，还包括：位于所述第一层的匹配微带线，所述耦合端口和所述隔离端口分别通过对应的盲孔连接至对应的所述匹配微带线，各所述匹配微带线用于连接外接对象。

7.根据权利要求1所述的内嵌式多模耦合器，其特征在于，所述主线导体为微带线，所述副线导体为带状线。

8.根据权利要求7所述的内嵌式多模耦合器，其特征在于，所述基板还包括与所述第二层层叠的第三层，所述第三层设有微带线对应的参考地端。

9.一种射频模块，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的内嵌式多模耦合器。

10.一种通讯设备，其特征在于，包括权利要求9所述的射频模块。

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