JP2023529627A - ３ｄＢ直交ハイブリッドカプラ、高周波フロントエンドモジュール及び通信端末 - Google Patents

Abstract

３ｄＢ直交ハイブリッドカプラ、ＲＦフロントエンドモジュール及び通信端末を開示し、この３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、基板上に設けられ、直進金属コイルと結合金属コイルが、積層構造、コプレーナ構造、または積層構造とコプレーナ構造の組み合わせ形態を採用することによって、対応するＲＦ信号入力ポートと第１のＲＦ信号出力ポートが接続され、アイソレーションポートと第２のＲＦ信号出力ポートが接続されることができる。同時に、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの動作周波数とポートの特性インピーダンスの要求に基づいて、直進金属コイルと結合金属コイルの巻数と層数を調整して、カプラの挿入損失を低減させ、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラのポートの反射係数とポートの分離機能などのＲＦ性能を最適化する。これにより、チップ面積を効果的に節約し、ＲＦフロントエンドモジュールの設計コストを低減することができる。【選択図】図７

Description

本発明は、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラに関すると共に、この３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを備えるＲＦフロントエンドモジュール及び対応する通信端末に関する。

３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、ポート間のアイソレーションを高く維持しながら入力信号を均等に分割し、２つの出力信号の間に９０°の位相移動を発生させるか、ポート間のアイソレーションを高く維持しながら９０°の位相差を有する２つの入力信号を合成することができる一般的な４ポート装置である。

従来技術における３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、２本の交差した１／４波長の伝送路で構成されている。理想的には、ＲＦ信号入力ポートにＲＦ信号を入力すると、ＲＦ信号の半分（３ｄＢに相当）がＲＦ信号出力（位相は０°）ポートに直進し、ＲＦ信号の残りの半分がＲＦ信号出力（位相は９０°）ポートに結合されることである。３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの不整合ポートによって発生した反射エネルギーをアイソレーションポートに導いたり、ＲＦ信号入力ポートで相殺したりすることで、駆動装置（電力ユニット）の損傷を回避することができる。

４Ｇ／５Ｇなどのモバイル端末に使用されるＲＦフロントエンドモジュールでは、空間に制限がある。より優れたＲＦ性能を実現しようとする場合、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、チップを介して実装するのが一般的であるが、チップ上の受動部品のＱ値が低いため、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの挿入損失が高くなるなどの制約がある。また、一部のプロセスで製造されたチップは、単層または２層の厚さが異なる金属しか提供しないため、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラのポートにインピーダンス不整合、分離機能が悪いという課題が発生している。また、チップ上に３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを設計すると、大きなチップ面積を占め、さらにＲＦフロントエンドモジュールの設計コストが増加する。

本発明が解決しようとする主たる技術的課題は、基板上に実装された３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを提供することである。

本発明が解決しようとする他の技術的課題は、上記の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを備えるＲＦフロントエンドモジュール及び通信端末を提供することである。

上記目的を実現するために、本発明は以下の技術案を採用する。

本発明の実施形態の第１の態様により、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを提供する。前記３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、基板上に設けられ、ＲＦ信号入力ポート、第１のＲＦ信号出力ポート、第２のＲＦ信号出力ポート、アイソレーションポート、前記ＲＦ信号入力ポートと前記第１のＲＦ信号出力ポートとの間に接続された直進金属コイル、及び前記アイソレーションポートと前記第２のＲＦ信号出力ポートとの間に接続された結合金属コイルを備え、前記アイソレーションポートは、アイソレーション抵抗に接続して接地される。

前記ＲＦ信号入力ポートにＲＦ入力信号が入力される場合、前記直進金属コイルと前記結合金属コイルは、電磁結合と容量結合を介して、前記ＲＦ入力信号の半分が前記第１のＲＦ信号出力ポートに流れ、前記ＲＦ入力信号の残りの半分が前記第２のＲＦ信号出力ポートに結合されるようにし、２つのＲＦ出力信号は９０度の位相差がある。

好ましくは、前記直進金属コイルと前記結合金属コイルとが積層構造を採用する場合、前記直進金属コイルと前記結合金属コイルは、金属コイルの表面を介して容量結合される。

好ましくは、前記基板上において、前記直進金属コイルと前記結合金属コイルは交互に配置される。

好ましくは、前記直進金属コイルと前記結合金属コイルがコプレーナ構造である場合、前記直進金属コイルと前記結合金属コイルは、金属コイルのエッジを介して容量結合される。

好ましくは、前記基板上において、前記直進金属コイルの各層は、前記結合金属コイルと等間隔で交互に配置され、隣接する層間の前記直進金属コイルは、前記結合金属コイルと同じ位置にある。

好ましくは、前記直進金属コイルと前記結合金属コイルが、積層構造とコプレーナ構造の組み合わせ形態である場合、前記直進金属コイルと前記結合金属コイルは、金属コイルの表面と金属コイルエッジの組み合わせ形態を介して、容量結合される。

好ましくは、前記基板において、前記直進金属コイルの各層は、前記結合金属コイルと等間隔で交互に配置され、隣接する層間にある前記直進金属コイルと前記結合金属コイルは対向する位置にある。

好ましくは、各層間の前記直進金属コイルと前記結合金属コイルとの接続関係は、次のとおりである。第１層に位置する前記結合金属コイルの一端は、前記第１のＲＦ信号出力ポートに接続され、かつ第５貫通孔を介して、奇数層に位置する前記結合金属コイルの一端にそれぞれ接続され、第１層に位置する前記結合金属コイルの他端は、第６貫通孔を介して、偶数層に位置する前記結合金属コイルの一端及び奇数層に位置する前記結合金属コイルの他端にそれぞれ接続され、第２層に位置する前記結合金属コイルの他端は、第７貫通孔を介して、偶数層に位置する前記結合金属コイルの他端にそれぞれ接続され、最終層に位置する前記結合金属コイルの他端は、さらに前記アイソレーションポートに接続される。

第１層に位置する前記直進金属コイルの一端は、前記第１のＲＦ信号出力ポートに接続され、かつ第８貫通孔を介して、奇数層に位置する前記直進金属コイルの一端にそれぞれ接続され、第１層に位置する前記直進金属コイルの他端は、第９貫通孔を介して、偶数層に位置する前記直進金属コイルの一端及び奇数層に位置する前記直進金属コイルの他端にそれぞれ接続され、第２層に位置する前記直進金属コイルの他端は、前記ＲＦ信号入力ポートに接続され、かつ第１０貫通孔を介して、偶数層に位置する前記直進金属コイルの他端にそれぞれ接続される。

本発明の実施形態の第２の態様により、前記３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを備えるＲＦフロントエンドモジュールが提供される。

本発明の実施形態の第３の態様により、前記３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを備える通信端末が提供される。

本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、基板上に実装することができる。このため、直進金属コイルと結合金属コイルは、積層構造、コプレーナ構造、または積層構造とコプレーナ構造の組み合わせ形態を採用することによって、対応するＲＦ信号入力ポートと第１のＲＦ信号出力ポート、アイソレーションポート及び第２のＲＦ信号出力ポートが接続される。３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの動作周波数とポートの特性インピーダンスの要求に基づいて、直進金属コイルと結合金属コイルの巻数及び層数を調整して、カプラの挿入損失を低減させ、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラのポートの反射係数とポートの分離機能などのＲＦ性能を最適化する。本発明を用いることで、チップ面積を効果的に節約し、ＲＦフロントエンドモジュールの設計コストを低減することができる。

３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの構造を示す概略図である。 線カプラを結合した構造を示す概略図及び偶数モード容量の等価回路である。 線カプラを結合した構造を示す概略図及び奇数モード容量の等価回路である。 本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの積層構造を示す概略図である。 本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、単層の金属コイルのコプレーナ構造を示す概略図である。 本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、多層の金属コイルのコプレーナ構造を示す概略図である。 本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、２層の金属コイルを積層したコプレーナの混合構造を示す概略図である。 本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、多層の金属コイルを積層したコプレーナの混合構造を示す概略図である。 本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、３つのポートの反射係数に関するシミュレーション結果を示す概略図である。 本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、挿入損失に関するシミュレーション結果を示す概略図である。 本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、２つのＲＦ出力信号の電力差に関するシミュレーション結果を示す概略図である。 本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、２つのＲＦ出力信号の位相差に関するシミュレーション結果を示す概略図である。 本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、２つのＲＦ出力信号ポートの分離機能に関するシミュレーション結果を示す概略図である。

以下、本発明の技術内容について、添付図面と具体的な実施形態を参照してさらに詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態では、ＲＦフロントエンドモジュールの設計コストを効果的に削減するために、基板上に実装可能な３ｄＢクワドラチャーハイブリッドカプラを提供する。前記３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、ＲＦ信号入力ポート１、第１のＲＦ信号出力ポート２、第２のＲＦ信号出力ポート３、アイソレーションポート４、ＲＦ信号入力ポート１と第１のＲＦ信号出力ポート２との間に接続された直進金属コイル及びアイソレーションポート４と第２のＲＦ信号出力ポート３との間に接続された結合金属コイルを備え、アイソレーションポート４は、アイソレーション抵抗に接続して接地される。

ＲＦ信号入力ポート１にＲＦ入力信号が入力される場合、直進金属コイルと結合金属コイルは、電磁結合を介して容量結合され、ＲＦ入力信号の半分が第１のＲＦ信号出力ポート２に流れ、ＲＦ入力信号の残りの半分が第２のＲＦ信号出力ポート３に結合され、これら２つのＲＦ出力信号は９０度の位相差がある。

ここで、ＲＦ信号入力ポート１と第１のＲＦ信号出力ポート２との間に接続された直進金属コイルは、誘導コイルを形成し、アイソレーションポート４と第２のＲＦ信号出力ポート３との間に接続された結合金属コイルは、誘導コイルを形成し、直進金属コイルによって形成された誘導コイルは、結合金属コイルによって形成された誘導コイルと電磁的に結合する。また、直進金属コイルと結合金属コイルは、基板上に設けられ、直進金属コイルと結合金属コイルは積層構造、コプレーナ構造、または積層構造とコプレーナ構造の組み合わせ形態を採用することにより、金属コイルの表面、金属コイルのエッジ、または金属コイルの表面と金属コイルエッジの組み合わせ形態によって、直進金属コイルと結合金属コイルの容量結合を実現する。

具体的には、直進金属コイルと結合金属コイルとが積層構造を採用する場合、直進金属コイルと結合金属コイルは、金属コイルの表面を介して容量結合され、金属コイルの表面は直進金属コイルと結合金属コイルの相互の重なり面である。直進金属コイルと結合金属コイルがコプレーナ構造である場合、直進金属コイルと結合金属コイルは、金属コイルのエッジを介して容量結合される。金属コイルのエッジは、直進金属コイルのエッジとそれに隣接する結合金属コイルのエッジである。直進金属コイルと結合金属コイルが積層構造とコプレーナ構造の組み合わせ形態である場合、直進金属コイルと結合金属コイルは、金属コイルの表面と金属コイルエッジの組み合わせ形態を介して容量結合される。

直進金属コイルと結合金属コイルとは、対応する金属線で囲まれた１ターンまたは多ターンの金属コイルであってもよい。ここで、直進金属コイルと結合金属コイルは同じ形状であり、好ましくは、円形または方形の直進金属コイルと結合金属コイルである。本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの構造及び原理に対する理解を容易にするために、以下、方形の直進金属コイル及び結合金属コイルを例にして、直進金属コイルと結合金属コイルがそれぞれ積層構造、コプレーナ構造、または積層構造とコプレーナ構造の組み合わせ形態を採用した場合について詳細に説明する。

＜実施例１＞
本実施例によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、直進金属コイルと結合金属コイルとは積層構造を採用する。ここで、各層の直進金属コイルは同様の長さであり、各層の結合金属コイルは同様の長さである。直進金属コイルは、結合金属コイルと同じ層数とコイル巻数を有し、直進金属コイルは結合金属コイルと重なり、各層の隣接するターンの直進金属コイル及び隣接するターンの結合金属コイルの間隔は同じである。また、基板上において、上から下へ、直進金属コイルと結合金属コイルは交互に配置される。すなわち、基板上において、上から下へ、１層の直進金属コイルと１層の結合金属コイルは交互に配置されるか、または１層の結合金属コイルと１層の直進金属コイルは交互に配置されてもよい。各層の直進金属コイルは、第１貫通孔を介して連結され、各層の結合金属コイルは、第２貫通孔を介して連結される。本実施例によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、基板上に実装されることによって、チップ上に３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを設計すると、チップ面積が大きくなり、ＲＦフロントエンドモジュールの設計コストが高くなるという従来技術の課題を解決する。ここで、本発明の異なる実施例では、金属コイルの最後の層が基準地であり、基準地が位置する金属コイル層からの高さは最も遠いものから最も近いものの順であり、金属コイルの層の順序は上から下への順序で定義する。

実際の応用において、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの動作周波数帯域と出力ポートの特性インピーダンスの要求に基づいて、以下の式と組み合わせて、基板上に３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの初期レイアウトを設計する際に参照するデータを初期決定する。このデータは、直進金属コイルと結合金属コイルのコイル幅、グラウンドに対する高さ、層数、巻数及びコイル間の間隔である。基板上に３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの初期レイアウトを設計した後、そのレイアウトをシミュレーションソフトに入力して３Ｄ電磁学シミュレーションモデルを構築し、さらに、設計された３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの初期レイアウトで参照したデータが正確であるか否かを検証し、検証結果に基づいて、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラのレイアウト設計で参照するデータを調整する。また、新しい３ｄＢ直交ハイブリッドカプラのレイアウトを継続的に生成し、それをシミュレーションソフトに入力して検証用の３Ｄ電磁学シミュレーションモデルを構築し、検証結果から出力される、金属線の特性インピーダンス値と動作周波数帯域が、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの動作周波数帯域を可能な限り設計された周波数範囲内に移行させる値になるまで検証する。そして、第１のＲＦ信号出力ポート２と第２のＲＦ信号出力ポート３の特性インピーダンスを可能な限り一致させると共に、カプラの各ポートのインピーダンスと分離機能が設計指標を満たすようにする。以下、直進金属コイルと結合金属コイルとが積層構造を採用する場合、基板上に３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの初期レイアウトを設計する際に参照するデータを初期決定する方法について、詳細に説明する。

ＴＥＭ（横電磁モード）モデルを用いて、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを解析する。偶数モードと奇数モードの場合、電界は中心線に対して偶数対称であり、２本の帯状導体の間に電流が流れていない。このとき導出される等価回路を図２及び図３に示す。第１のＲＦ信号出力ポート２の電圧は式（１）で表される。

ここで、Ｖ０はＲＦ信号入力ポート１の電圧であり、ｊは虚数部であり、θは伝送線の位相であり、Ｃは３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの結合係数である。

第２のＲＦ信号出力ポート３の電圧は式（２）で表される。

ここで、Ｖ０はＲＦ信号入力ポート１の電圧であり、ｊは位相の虚数部であり、θは伝送線の位相であり、Ｃは３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの結合係数である。３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの結合係数は、式（３）で表される。

ここで、Ｚ０ｅは３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの偶数モードの特性インピーダンスであり、Ｚ０ｏは３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの奇数モードの特性インピーダンスである。Ｚ０ｅとＺ０ｏはそれぞれ式（４）と式（５）で表される。

式（４）において、ｄは直進金属コイルと結合金属コイルのグラウンドに対する高さであり、ｃは光速であり、εγは基板の誘電体層の誘電率であり、ε０は標準誘電率であり、Ｗは直進金属コイルと結合金属コイルのコイル幅である。

式（５）において、ｄは直進金属コイルと結合金属コイルのグラウンドに対する高さであり、Ｓはコイル間の間隔であり、ｃは光速であり、εγは基板の誘電体層の誘電率であり、ε０は標準誘電率でり、Ｗは直進金属コイルと結合金属コイルのコイル幅である。

３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの、２つのＲＦ信号出力ポートの電圧が同じであるため、位相差は９０°であり、この２つの条件に基づいて、以下の式（６）と式（７）を得ることができる。

式（６）において、mag(V２)は第１のＲＦ信号出力ポート２の電圧振幅であり、mag(V３)は第２のＲＦ信号出力ポート３の電圧振幅であり、mag(V０)はＲＦ信号入力ポート１の電圧振幅である。

式（７）において、phase(V３)は第２のＲＦ信号出力ポート３の電圧位相であり、phase(V２)は第１のＲＦ信号出力ポート２の電圧位相である。上記の２つの条件により、式（１）～式（７）と組み合わせて、基板上に３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの初期レイアウトを設計する際に参照するデータを決定することができる。上記の式は、次のコプレーナ構造にも適用される。

図４に示すように、本実施例によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラに対する理解を容易にするために、直進金属コイルと結合金属コイルとが２層の積層構造を採用することを例として、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの構造について詳細に説明する。この３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、基板の第１層金属コイルは直進金属コイル１１１であり、基板の第２層金属コイルは結合金属コイル１１２である。直進金属コイル１１１は、ＲＦ信号入力ポート１と第１のＲＦ信号出力ポート２との間に接続され、結合金属コイル１１２は、アイソレーションポート４と第２のＲＦ信号出力ポート３との間に接続され、アイソレーションポート４は、アイソレーション抵抗に接続して接地される。ここで、基板は、誘電体層と導電層で構成することができ、この基板は、従来の電力増幅器に用いられている基礎部品であり、マイクロ化されたプリント回路基板と類似しており、ここで詳細に説明する。ここで、本発明の異なる実施例において、金属コイルの最後の層は基準地であり、基準地が位置する金属コイル層から高さが最も高い金属コイル層を第１層直進金属コイルと定義し、金属コイルの層順は、基準地が位置する金属コイル層の高さから、遠い方から近い方の順に並べ替えられる。

理想的には、ＲＦ信号入力ポート１にＲＦ入力信号が入力される場合、直進金属コイル１１１で形成された誘導コイルと、結合金属コイル１１２で形成された誘導コイルとを電磁的に結合させ、直進金属コイル１１１と結合金属コイル１１２は、金属コイルの表面を介して容量結合されることによって、ＲＦ入力信号の半分が第１のＲＦ信号出力ポート２に流れ、ＲＦ入力信号の残りの半分が第２のＲＦ信号出力ポート３に結合され、２つのＲＦ出力信号は９０度の位相差がある。

＜実施例２＞
本実施例によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、直進金属コイルと結合金属コイルとはコプレーナ構造を採用する。ここで、各層の直進金属コイルは同程度の長さであり、各層の結合金属コイルは同程度の長さである。直進金属コイルは、結合金属コイルと同じ層数とコイル巻数を有し、各ターンの直進金属コイルと結合金属コイル間の間隔は同じである。また、基板上において、各層で同じ巻数の直進金属コイルと結合金属コイルは、等間隔で交互に配置されており、隣接する層間における直進金属コイルと結合金属コイルは同じ位置に配置される。すなわち、基板上において、同一層に位置する直進金属コイルと結合金属コイルに対して、１ターンの直進金属コイルと１ターンの結合金属コイルが交互に配置されるか、１ターンの結合金属コイルと１ターンの直進金属コイルが交互に配置されてもよい。各層の直進金属コイルは、第３貫通孔を介して並列に連結され、各層の結合金属コイルは第４貫通孔を介して並列に連結される。

本実施例によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、金属コイル層数が少ない、ボトム金属コイルとグラウンド表面の距離が近すぎる、または金属コイルの層厚の差が大きすぎるなど、一部基板特性よっては積層構造に適さない３ｄＢ直交ハイブリッドカプラに対して主に設計される。本実施例によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラも基板上に実装することで、チップ上に３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを設計するとチップ面積が大きくなり、ＲＦフロントエンドモジュールの設計コストが高くなるという従来の課題を解決する。

コプレーナ構造の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、直進金属コイルと結合金属コイルの厚さを１０μｍ～４０μｍの間にすると、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの動作周波数帯域が高周波数に偏るため、実際の応用では、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの動作周波数帯域及び出力ポートの特性インピーダンスの要求に基づいて、また、式（１）～（７）と組み合わせて、基板上に３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの初期レイアウトを設計する際に参照するデータを初期決定する。上記データは、直進金属コイルと結合金属コイルのコイル幅、グラウンドに対する高さ、層数、巻数及びコイル間の間隔である。基板上に３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの初期レイアウトを設計した後、そのレイアウトをシミュレーションソフトに入力して、３Ｄ電磁学シミュレーションモデルを構築する。さらに、設計された３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの初期レイアウで参照したデータが正確であるか否かを検証する。また、検証結果に基づいて、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラのレイアウ設計で参照するデータを調整する。また、新しい３ｄＢ直交ハイブリッドカプラのレイアウトを連続的に生成し、それをシミュレーションソフトに入力して検証用の３Ｄ電磁学シミュレーションモデルを構築し、検証結果から出力される、金属線の特性インピーダンス値と動作周波数帯域が、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの動作周波数帯域を可能な限り設計された周波数範囲内に移行させる値になるまで検証する。よって、第１のＲＦ信号出力ポート２と第２のＲＦ信号出力ポート３の特性インピーダンスを可能な限り一致させ、同時にカプラの各ポートのインピーダンスと分離機能が設計指標を満たすようにする。

図５及び図６に示すように、本実施例によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラに対する理解を容易にするために、直進金属コイルと結合金属コイルが、それぞれ１層と３層のコプレーナ構造を採用する場合を例として、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの構造について詳細に説明する。

図５に示すように、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、基板上に位置する直進金属コイル１４１と結合金属コイル１４２は交互に配置され、かつ直進金属コイル１４１と結合金属コイル１４２の巻数は、それぞれ１．５ターンである。直進金属コイル１４１は、ＲＦ信号入力ポート１と第１のＲＦ信号出力ポート２との間に接続され、結合金属コイル１４２は、アイソレーションポート４と第２のＲＦ信号出力ポート３の間に接続され、アイソレーションポート４は、アイソレーション抵抗に接続して接地される。

理想的には、ＲＦ信号入力ポート１にＲＦ入力信号が入力されると、直進金属コイル１４１で形成された誘導コイルと、結合金属コイル１４２で形成された誘導コイルとを電磁的に結合させる。直進金属コイル１１１と結合金属コイル１１２は、金属コイルのエッジによって容量結合され、ＲＦ入力信号の半分が第１のＲＦ信号出力ポート２に流れ、ＲＦ入力信号の残りの半分が第２のＲＦ信号出力ポート３に結合され、２つのＲＦ出力信号は９０度の位相差がある。

図６に示すように、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、基板上に３層のコプレーナ構造を形成した直進金属コイル１５１と結合金属コイル１５２のうち、各層の直進金属コイル１５１と結合金属コイル１５２が交互に配置され、かつ直進金属コイル１５１と結合金属コイル１５２の巻数は、それぞれ３．７５ターンである。３層の直進金属コイルは、第３貫通孔を介して並列に連結されており、３層の結合金属コイルは、第４貫通孔を介して並列に連結される。３層の直進金属コイルと３層の結合金属コイルを用いて並列形態のコプレーナ構造を構成することによって、同一の信号を伝送することができる。ここで、直進金属コイル１５１は、ＲＦ信号入力ポート１と第１のＲＦ信号出力ポート２との間に接続され、結合金属コイル１５２は、アイソレーションポート４と第２のＲＦ信号出力ポート３との間に接続され、アイソレーションポート４は、アイソレーション抵抗に接続して接地される。

＜実施例３＞
本実施例によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、直進金属コイルと結合金属コイルは、積層構造とコプレーナ構造の組み合わせ形態を採用することによって、ＲＦ信号入力ポート１、第１のＲＦ信号出力ポート２及び第２のＲＦ信号出力ポート３の間のインピーダンス対称性をさらに最適化し、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの性能を向上させ、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを設計する際に必要なチップ面積を節約し、ＲＦフロントエンドモジュールの設計コストを削減する。

ここで、各層の直進金属コイルは同程度の長さであり、各層の結合金属コイルは同程度の長さである。直進金属コイルは、結合金属コイルと同じ層数とコイル巻数を有する。また、基板上において、同じ巻数を有する各層の直進金属コイルと結合金属コイルは、等間隔で交互に配置され、隣接する層間にある直進金属コイルと結合金属コイルは対向する位置にある。すなわち、基板上において、同一層に位置する直進金属コイルと結合金属コイルに対して、１ターンの直進金属コイルと１ターンの結合金属コイルを交互に配置することができる。このとき、隣接する層の直進金属コイルと結合金属コイルは、１ターンの結合金属コイルと１ターンの直進金属コイルが交互に配置されるようにしてもよい。あるいは、同一層の直進金属コイルと結合金属コイルは、１ターンの結合金属コイルと１ターンの直進金属コイルが交互に配置されてもよく、このとき、隣接する層の直進金属コイルと結合金属コイルは、１ターンの直進金属コイルと１ターンの結合金属コイルが交互に配置されてもよい。

具体的には、直進金属コイルと結合金属コイルの層数が４層以上である場合、各層間の直進金属コイルと結合金属コイルの接続関係は、以下のとおりである。第１層に位置する結合金属コイルの一端は、第１のＲＦ信号出力ポート２に接続され、かつ第５貫通孔を介して、奇数層に位置する結合金属コイルの一端にそれぞれ接続される。第１層に位置する結合金属コイルの他端は、第６貫通孔を介して、偶数層に位置する結合金属コイルの一端及び奇数層に位置する結合金属コイルの他端にそれぞれ接続される。第２層に位置する結合金属コイルの他端は、第７貫通孔を介して、偶数層に位置する結合金属コイルの他端にそれぞれ接続され、最後の層に位置する結合金属コイルの他端は、さらにアイソレーションポート４に接続される。第１層に位置する直進金属コイルの一端は、第１のＲＦ信号出力ポート３に接続され、かつ第８貫通孔を介して、奇数層に位置する直進金属コイルの一端にそれぞれ接続される。第１層に位置する直進金属コイルの他端は、第９貫通孔を介して、偶数層に位置する直進金属コイルの一端及び奇数層に位置する直進金属コイルの他端にそれぞれ接続される。第２層に位置する直進金属コイルの他端は、ＲＦ信号入力ポート１に接続され、かつ第１０貫通孔を介して、偶数層に位置する直進金属コイルの他端に接続される。ここで、本発明の異なる実施例において、金属コイルの最後の層は基準地であり、基準地が位置する金属コイル層から高さが最も高い金属コイル層を、第１層直進金属コイルと第１層の結合金属コイルとそれぞれ定義し、金属コイルの層順は、基準地が位置する金属コイル層の高さから、遠い方から近い方の順に並べ替えられる。

実際の応用において、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの動作周波数帯域及び出力ポートの特性インピーダンスの要求に基づいて、式（１）～式（７）と組み合わせて、基板上に３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの初期レイアウトを設計する際に参照するデータを初期決定する。上記のデータは、直進金属コイルと結合金属コイルのコイル幅、グラウンドに対する高さ、層数、巻数及びコイル間の間隔である。基板上に３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの初期レイアウトを設計した後、そのレイアウトをシミュレーションソフトに入力して、３Ｄ電磁学シミュレーションモデルを構築し、さらに設計した３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの初期レイアウトで参照したデータが正確であるか否かを検証する。また、検証結果に基づいて、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラのレイアウト設計で参照するデータを調整し、新しい３ｄＢ直交ハイブリッドカプラのレイアウトを連続的に生成して、それをシミュレーションソフトに入力して３Ｄ電磁学シミュレーションモデルを構築し、検証結果から出力される、金属線の特性インピーダンス値と動作周波数帯域が、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの動作周波数帯域を可能な限り設計された周波数範囲内に移行させる値になるまで検証する。そして、第１のＲＦ信号出力ポート２と第２のＲＦ信号出力ポート３の特性インピーダンスを可能な限り一致させ、同時にカプラの各ポートのインピーダンスと分離機能が設計指標を満たすようにする。

図７と図８に示すように、本実施例によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラに対する理解を容易にするために、直進金属コイルと結合金属コイルが、それぞれ２層及び４層の積層構造とコプレーナ構造の組み合わせ形態を採用する場合を例として、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの構造について詳細に説明する。

図７に示すように、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、直進金属コイルと結合金属コイルの巻数は、それぞれ１．７５ターンである。直進金属コイル１２１と直進金属コイル１２２は、ＲＦ信号入力ポート１と第１のＲＦ信号出力ポート２との間に接続され、結合金属コイル１２３と結合金属コイル１２４は、アイソレーションポート４と第２のＲＦ信号出力ポート３との間に接続され、貫通孔１２５が直進金属コイル１２１と直進金属コイル１２２との間に接続され、貫通孔１２６が結合金属コイル１２３と結合金属コイル１２４との間に接続される。直進金属コイル１２１と結合金属コイル１２３とがコプレーナ構造を形成し、直進金属コイル１２１と結合金属コイル１２４とが積層構造を形成し、直進金属コイル１２２と結合金属コイル１２３とが積層構造を形成し、直進金属コイル１２２と結合金属コイル１２４とがコプレーナ構造を形成する。

ＲＦ信号入力ポート１にＲＦ入力信号が入力されると、直進金属コイル１２１と直進金属コイル１２２で形成された誘導コイルは、結合金属コイル１２３と結合金属コイル１２４で形成された誘導コイルと電磁的に結合される。直進金属コイル１２１と結合金属コイル１２３は、金属コイルのエッジを介して容量結合され、直進金属コイル１２１と結合金属コイル１２４は、金属コイルの表面を介して容量結合される。直進金属コイル１２２と結合金属コイル１２３は、金属コイルの表面を介して容量結合され、直進金属コイル１２２と結合金属コイル１２４は、金属コイルのエッジを介して容量結合される。よって、ＲＦ入力信号の半分が第１のＲＦ信号出力ポート２に流れ、ＲＦ入力信号の残りの半分が第２のＲＦ信号出力ポート３に結合され、２つのＲＦ出力信号は９０度の位相差がある。

図８に示すように、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、同じ巻数を有する各層の直進金属コイルと結合金属コイルは等間隔で交互に配置され、隣接する層間にある直進金属コイルと結合金属コイルは対向する位置にある。

ここで、上記４層の積層構造とコプレーナ構造の組み合わせ形態を有する３ｄＢ直交ハイブリッドカプラについて、その各部の接続関係は、以下のとおりである。第１層に位置する結合金属コイル１３１の一端は、第２のＲＦ信号出力ポート３に接続され、かつ第５貫通孔を介して、第３層に位置する結合金属コイル１３３の一端に接続される。第１層に位置する結合金属コイル１３１の他端は、第６貫通孔を介して、第２層に位置する結合金属コイル１３２、第４層に位置する結合金属コイル１３４の一端及び第３層に位置する結合金属コイル１３３の他端にそれぞれ接続される。第２層に位置する結合金属コイル１３２の他端は、第７貫通孔を介して、第４層に位置する結合金属コイル１３４の他端に接続され、第４層に位置する結合金属コイル１３４の他端は、さらにアイソレーションポート４に接続される。第１層に位置する直進金属コイルの一端は、第１のＲＦ信号出力ポート２に接続され、かつ第８貫通孔を介して、第３層に位置する直進金属コイルの一端に接続される。第１層に位置する直進金属コイルの他端は、第９貫通孔を介して、第２層に位置する直進金属コイルの一端、第２層に位置する直進金属コイルの他端にそれぞれ接続される。第２層に位置する直進金属コイルの他端は、ＲＦ信号入力ポート１に接続され、かつ第１０貫通孔を介して、偶数層に位置する直進金属コイルの他端にそれぞれ接続される。

以下、上記の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの性能特性について、さらに説明する。上述の式（１）～式（５）から、次の３つの結論が得られる。１）積層構造における層の間隔が大きいほど、誘電率が小さくなり、グラウンド表面から金属層の距離が小さいほど、結合係数が小さくなる。２）金属層の厚さが厚いほど、インダクタンス値が小さくなり、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを実現するために必要な面積が大きくなる。３）直進金属コイルと結合金属コイルの寄生パラメータが異なることによって、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの直交ポートの出力電圧振幅、位相及びインピーダンスの不整合を招き、ひいては全体的な性能を悪化させる。

また、基板材料のパラメータとチップ材料のパラメータは大きく異なる。３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを実現しようとする場合、３つの困難を克服する必要がある。第１に、結合係数が小さすぎること、第２に、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの面積が大きすぎること、第３に、直進金属コイルと結合金属コイルの寄生パラメータが異なることによって、直交ポートの出力電圧振幅、位相及びインピーダンスに不整合を招くこと、が挙げられる。このため、図７及び図８にて示される実施例において、積層構造とコプレーナ構造の組み合わせ形態を採用する。

積層構造とコプレーナ構造の組み合わせ形態は、任意の交互に配置ではなく、次の３つの原則に従う必要があることに留意する。第１に、結合係数を最大化すること、第２に、カプラの面積を減少すること、第３に、直進金属コイルと結合金属コイル間の寄生容量を均一化し、直進金属コイルと結合金属コイルからグラウンド表面への寄生容量が可能な限り等しくなるようにすることが、挙げられる。

このため、本願の発明者らは、いくつかの最適化を経て、図７及び図８に示される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの構造を提案する。ここで、直進金属コイルは、上下層の容量結合のほか、基板の金属層が厚いという特徴を利用して、側壁の結合により結合度を高めている。同時に、巻数比を制御し、直進金属コイルと結合金属コイルの磁界を同じ方向にすることで、結合係数をさらに高める。

また、本発明の実施例では、カプラの面積を小さくするために、基板材料の金属層やコイル形状を可能な限り多く利用しているが、グラウンド表面に近い金属層ほど大きな寄生容量と磁界リークをもたらすため、性能と面積を両立するように、設計において、周波数と基板の積層構造に基づいて、それぞれ最適化する必要がある。各層の金属コイルをずらすことにより、直進金属コイルと結合金属コイルとの相互の寄生容量を可能な限り均一化する。多層の金属を交差結合することにより、直進金属コイルと結合金属コイルからグラウンドまでの容量が等しくなり、直交ポートの出力電圧振幅、位相及びインピーダンスが整合される。

本発明の一実施例において、基板材料の金属層の厚さは約１４μｍ～２１μｍであり、積層構造の層間隔は約２５μｍ～６０μｍであり、誘電体層材料の誘電率は約３であり、金属層はグラウンド表面より約４０μｍ～６０μｍ離れている。実験により、図７及び図８に示された３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの構造は、基板材料で小型化を実現し、最適な性能を得ることができ、その収束性と製品性能がチップレベル設計より明らかに優れていることが証明された。

本発明では、図８に示された３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの構造を利用して、６層金属の基板上にｎ７７周波数帯域（３．３ＧＨｚ～４．２ＧＨｚ）の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを設計し、図９～図１３は、この３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの電磁シミュレーションによる性能指標を示している。

図９は、本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの３ポート（ＲＦ信号入力ポート１、第１のＲＦ信号出力ポート２及び第２のＲＦ信号出力ポート３）の反射係数に対するシミュレーション結果であり、ポートのインピーダンスは５００ｈｍであり、３ポートの反射係数はいずれも－２０ｄＢｃ以下である。上記指標の数値が小さいほど、ポートのインピーダンス整合が良好であることを意味し、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、ＲＦフロントエンドモジュールの性能を向上させる。また、本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの反射係数は－２０ｄＢｃ以下であり、システムの設計指標を満たす。

図１０は、本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの挿入損失に関するシミュレーション結果である。チップの内部に設計して実現された従来の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの挿入損失は、一般的に－０．５ｄＢｃである。本発明では、基板の金属層を用いて設計するため、金属線幅を大きくし、金属層を厚くし、金属層を多くしたことで、動作周波数帯域全体で、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの挿入損失は－０．２ｄＢｃより大きく、チップの内部に設計して実現された３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの設計値より０．３ｄＢｃ大きい。本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの反射係数は－１５ｄＢｃより小さく、システムの設計指標を満たす。

図１１は、本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの第１のＲＦ信号出力ポート２及び第２のＲＦ信号出力ポート３の出力電力差に関するシミュレーション結果を示す図であり、２つのＲＦ出力信号の電力差が小さいほど、２つのＲＦ出力信号の対称性が良くなる。本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、２つのＲＦ信号の出力電力差の絶対値が０．４ｄＢｃ未満であり、システムの設計指標を満たす。

図１２は、本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおける、第１のＲＦ信号出力ポート２及び第２のＲＦ信号出力ポート３のＲＦ出力信号の位相差に関するシミュレーション結果を示している。２つのＲＦ出力信号の位相差が９０度に近いほど、ＲＦフロントエンドモジュールの直交特性が良くなる。本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、２つのＲＦ出力信号の位相差は９０度に非常に近く、システムの設計指標を満たす。

図１３は、本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの第１のＲＦ信号出力ポート２及び第２のＲＦ信号出力ポート３の分離機能に関するシミュレーション結果を示している。２つのＲＦ出力ポートの分離機能が小さいほど、２つのＲＦ出力ポートの放射エネルギーがＲＦフロントエンドモジュールの性能に与える影響が小さくなる。本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラにおいて、２つのＲＦ出力ポートの分離機能は－２０ｄＢｃより小さく、システムの設計指標を満たす。

図９～図１３のシミュレーション指標から分かるように、本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、挿入損失の指標をより良く最適化することができると共に、ポートのインピーダンスの反射係数、ポートの分離機能、ＲＦ出力信号の電力差及び位相差などの指標の上で、システムの設計指標を全て満たすことによって、回路の性能を最適化し、チップの面積を節約し、ＲＦフロントエンドモジュールのコストを削減する目的を達成した。

本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、ＲＦフロントエンド受信リンク、ＲＦフロントエンド送信リンク、平衡電力増幅器の構造などの他の従来の通常デバイスを含む様々なＲＦフロントエンドモジュールに適用することができるが、ここでは詳細に説明しない。

また、本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、ＲＦ集積回路の重要な構成要素として、通信端末に使用することもできる。ここで言及される通信端末とは、モバイル環境において使用可能で、ＧＳＭ、ＥＤＧＥ、ＴＤ＿ＳＣＤＭＡ、ＴＤＤ＿ＬＴＥ、ＦＤＤ＿ＬＴＥ、５Ｇなどの各種通信方式をサポートするコンピュータ装置を指し、携帯電話、ノートパソコン、タブレットＰＣ、車載コンピュータなどが挙げられる。また、本発明によって提供される技術的解決策は、通信基地局などの他のＲＦ集積回路用途にも適用可能である。

本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラは、基板上に実装することができる。このため、直進金属コイルと結合金属コイルは、積層構造、コプレーナ構造、または積層構造とコプレーナ構造の組み合わせ形態を採用することによって、対応するＲＦ信号入力ポートと第１のＲＦ信号出力ポート、アイソレーションポートと第２のＲＦ信号出力ポートが接続される。３ｄＢ直交ハイブリッドカプラの動作周波数とポートの特性インピーダンスの要求に基づいて、直進金属コイルと結合金属コイルの巻数と層数を調整して、カプラの挿入損失を低減し、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラのポートの反射係数、ポートの分離機能などのＲＦ性能を最適化する。本発明により、チップの面積を効果的に節約し、ＲＦフロントエンドモジュールの設計コストを削減することができる。

以上、本発明によって提供される３ｄＢ直交ハイブリッドカプラ、ＲＦフロントエンドモジュール及び通信端末について詳細に説明した。当業者にとって、本発明の実質的な内容から逸脱することなく、本発明に対して行われた如何なる明らかな変更は、何れも本発明の特許権の保護範囲に属する。

Claims (10)

1. ３ｄＢ直交ハイブリッドカプラであって、
   基板上に設けられ、ＲＦ信号入力ポート、第１のＲＦ信号出力ポート、第２のＲＦ信号出力ポート、アイソレーションポート、前記ＲＦ信号入力ポートと前記第１のＲＦ信号出力ポートとの間に接続された直進金属コイル及び前記アイソレーションポートと前記第２のＲＦ信号出力ポートとの間に接続された結合金属コイルを備え、前記アイソレーションポートは、アイソレーション抵抗に接続して接地され、
   前記ＲＦ信号入力ポートにＲＦ入力信号が入力される場合、前記直進金属コイルと前記結合金属コイルは、電磁結合と容量結合を介して、前記ＲＦ入力信号の半分が前記第１のＲＦ信号出力ポートに流れ、前記ＲＦ入力信号の残りの半分が前記第２のＲＦ信号出力ポートに結合されるようにし、２つのＲＦ出力信号は９０度の位相差があることを特徴とする、３ｄＢ直交ハイブリッドカプラ。
2. 前記直進金属コイルと前記結合金属コイルとが積層構造を採用する場合、前記直進金属コイルと前記結合金属コイルとは、金属コイル表面を介して容量結合されることを特徴とする、請求項１に記載の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラ。
3. 前記基板上において、前記直進金属コイルと前記結合金属コイルが交互に配置されることを特徴とする、請求項２に記載の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラ。
4. 前記直進金属コイルと前記結合金属コイルがコプレーナ構造である場合、前記直進金属コイルと前記結合金属コイルは、金属コイルのエッジを介して容量結合されることを特徴とする、請求項１に記載の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラ。
5. 前記基板上において、前記直進金属コイルの各層は、前記結合金属コイルと等間隔で交互に配置され、隣接する層間の前記直進金属コイルは、前記結合金属コイルと同じ位置にあることを特徴とする、請求項４に記載の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラ。
6. 前記直進金属コイルと前記結合金属コイルが、積層構造とコプレーナ構造の組み合わせ形態である場合、前記直進金属コイルと前記結合金属コイルは、金属コイル表面と金属コイルエッジの組み合わせ形態によって、容量結合されることを特徴とする、請求項１に記載の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラ。
7. 前記基板において、前記直進金属コイルの各層は、前記結合金属コイルと等間隔で交互に配置され、隣接する層間にある前記直進金属コイルと前記結合金属コイルは対向する位置にあることを特徴とする、請求項６に記載の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラ。
8. 各層間の前記直進金属コイルと前記結合金属コイルとの接続関係は、
   第１層に位置する前記結合金属コイルの一端は、前記第１のＲＦ信号出力ポートに接続され、かつ第５貫通孔を介して、奇数層に位置する前記結合金属コイルの一端にそれぞれ接続され、第１層に位置する前記結合金属コイルの他端は、第６貫通孔を介して、偶数層に位置する前記結合金属コイルの一端及び奇数層に位置する前記結合金属コイルの他端にそれぞれ接続され、第２層に位置する前記結合金属コイルの他端は、第７貫通孔を介して、偶数層に位置する前記結合金属コイルの他端にそれぞれ接続され、最終層に位置する前記結合金属コイルの他端は、さらに前記アイソレーションポートに接続され、
   第１層に位置する前記直進金属コイルの一端は、前記第１のＲＦ信号出力ポートに接続され、かつ第８貫通孔を介して、奇数層に位置する前記直進金属コイルの一端にそれぞれ接続され、第１層に位置する前記直進金属コイルの他端は、第９貫通孔を介して、偶数層に位置する前記直進金属コイルの一端及び奇数層に位置する前記直進金属コイルの他端にそれぞれ接続され、第２層に位置する前記直進金属コイルの他端は、前記ＲＦ信号入力ポートに接続され、かつ第１０貫通孔を介して、偶数層に位置する前記直進金属コイルの他端にそれぞれ接続されることを特徴とする、請求項７に記載の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラ。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを備えることを特徴とする、ＲＦフロントエンドモジュール。
10. 請求項１～８のいずれか１項に記載の３ｄＢ直交ハイブリッドカプラを備えることを特徴とする、通信端末。
    
    

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