专利名称：直流隔离倒相器和环形混合耦合器及其方法
技术领域：
本发明涉及通信系统，并尤其涉及毫米波传输线和混合耦合器(hybridcoupler)。
背景技术：
高频电路例如射频(RF)或毫米波电路中使用的一种传统构件是环形混合(ring hybrid)或“环形波导”(rat-race)耦合器。环形混合或“环形波导”耦合器是在各种应用例如平衡放大和混合、差分时钟或本地振荡器信号发生、和功率合成中用作功率合成器或分配器的四端口器件。图1A中示出了具有微带(microstrip)传输线的传统的四端口环形混合耦合器110。
如图1A中所示，环形混合耦合器110的周长是6λ/4，其中λ是定义了环形混合耦合器110的操作的中心频率的波长。通常，环形混合耦合器110被设计成具有相等的例如3dB功率分配，从而需要环形混合耦合器110的阻抗是其端口的特性阻抗的两倍。当信号入射到端口3(例如3，∑)上时，信号功率在端口2(例如2，P)和4(例如4，N)之间平均分配，而没有功率从端口1(例如1，Δ)离开或反射回端口3。在此情况下，在端口2和4处的信号是同相的；因此端口3被称为共模、和或∑端口。当信号入射到端口1上时，其功率再次在端口2和4之间平均分配，而没有功率从端口1离开或反射回端口3。在此情况下，端口2和4处的信号现在是异相的；从而端口1被称为差分、差或Δ端口。
已提出许多减小环形混合耦合器的尺寸的技术。这些技术包括例如用λ/4耦合线段代替3λ/4线段或臂，用集总元件电路代替3λ/4线段，或使用慢波传输线来减小传播信号的波长。另一种用于减小环形混合耦合器的尺寸的技术包括在3λ/4臂内插入倒相器。图1B中示出这种技术的示例，其中环形混合耦合器120使用有限接地共面波导(FGCPW)160。
如图1B中所示，倒相器130用于交换传输线中的接地140a-d和信号150a-d迹线，从而提供180度相移。此结构将3λ/4臂的长度减小为λ/4。通过用相移Θ代表λ/4臂，可通过确认Θ不必为90度来进一步减小环形混合器件的所有臂的长度。这会产生具有减小的带宽的具有较小周长的环形混合器件。图1B中的任选的Θ匹配准则由等式(1)给出Z＝Zo[2(1-cot2Θ)]0.5(1)其中Z是臂或环阻抗，Zo是端口阻抗。
图2A更详细地示出了倒相器130。如图2A中所示，倒相器130包括接地迹线140a-d、输入信号迹线150a和倒相信号迹线150b。在操作中，倒相器130经由输入信号迹线150a接收输入信号，并经由倒相信号迹线150b提供与输入信号成180度相差的输出信号。
由于在环形混合耦合器中插入倒相器，所以减小了环形混合耦合器的尺寸。另外，可在需要180度相移的电路中插入倒相器，从而将直流(DC)接地强加在环形混合器件的信号线上。结果，在连接到倒相器的电路中需要DC隔离电容器，并且在具有基本倒相器的环形混合器件的情况下该环形混合器件的全部四个端口都DC接地，从而阻止了共模端口将DC信号馈入该环形混合耦合器。
尽管当使用在其输入和输出处使用“环形波导”作为平衡-不平衡转换器的共模偏置差分放大器时，通过环形混合耦合器的共模端口将DC信号馈入该环形混合耦合器是有利的，但是传统的倒相器结构由于需要使用隔离电容器和供给电阻而排除了这个优点。
发明内容
本发明通过提供直流(DC)隔离倒相器克服了已知技术中遇到的前述和其它问题，该DC隔离倒相器使用在其传输线的接地或信号迹线中插入DC隔离电容器。本发明还通过提供包括该DC隔离倒相器的环形混合耦合器克服了已知技术中遇到的前述和其它问题。
在本发明的一个实施例中，DC倒相器包括包括多个信号和接地迹线的传输线，其中该多个信号迹线和接地迹线互换；以及与该多个接地迹线串联设置的多个电容器，其中该多个电容器将该DC倒相器与连接到该传输线上的器件隔离开。
该传输线是有限接地共面波导(FGCPW)、共面波导、共面带状线(stripline)、微带线和槽线(slotline)其中之一。传输线能够进行毫米波传输和微波传输其中之一。该多个电容器是金属-绝缘体-金属(MIM)电容器、垂直平行板电容器、边缘(fringe)电容器、多晶硅电容器和金属氧化物半导体(MOS)电容器其中之一。
连接到该传输线上的器件是放大器、混频器、压控振荡器(VCO)、滤波器、分频器、倍频器、限制器和混合耦合器其中之一。所述多个信号迹线包括输入信号迹线和倒相信号迹线。经由该输入信号迹线输入的信号移相180度，并且经由倒相信号迹线输出。
在本发明的另一实施例内，环形混合耦合器包括第一、第二、第三和第四传输线臂；连接到该第一臂的第一端口，连接到该第二臂的第二端口，连接到该第三臂的第三端口和连接到该第四臂的第四端口；以及插入该第一、第二、第三和第四臂其中之一内的DC倒相器，其中该DC倒相器包括包括多个信号迹线和接地迹线的传输线，其中该多个信号迹线和接地迹线互换；以及与该多个接地迹线串联设置的多个电容器，其中该多个电容器将该DC倒相器与连接到该传输线上的器件隔离开。
所述第一、第二、第三和第四传输线臂的长度相等，其中该第一、第二、第三和第四传输线的长度为50μm到10mm。该第一、第二、第三和第四传输线臂其中之一的阻抗由下式确定Z＝Zo[2(1-cot2θ)]0.5其中Z是该第一、第二、第三和第四传输线臂其中之一的阻抗，而Zo是所述第一、第二、第三和第四端口其中之一的阻抗。
所述DC倒相器通过所述信号迹线和接地迹线之间的互换，执行180度的移相。所述第一、第二、第三和第四端口其中之一是共模端口。所述DC倒相器被插入不与所述共模端口相邻的所述第一、第二、第三和第四臂其中之一中。该DC倒相器恢复该共模端口的DC操作，同时使其余端口维持在应用于该共模端口的共模电势上。
所述DC倒相器的传输线是FGCPW、共面波导、共面带状线、微带线和槽线其中之一。该DC倒相器的传输线能够进行毫米波传输和微波传输其中之一。该DC倒相器的电容器是金属-绝缘体-金属(MIM)电容器、垂直平行板电容器、边缘电容器、多晶硅电容器和金属氧化物半导体(MOS)电容器其中之一。
所述连接到DC倒相器的器件是放大器、混频器、压控振荡器(VCO)、滤波器、分频器、倍频器、限制器和混合耦合器之一。所述DC倒相器的多个信号迹线包括输入信号迹线和倒相信号迹线。经由所述输入信号迹线输入的信号移相180度，并且经由所述倒相信号迹线输出。
在本发明的另一实施例中，一种用于隔离DC倒相器的方法，该方法包括交换DC倒相器的传输线上的多个信号迹线和接地迹线；以及通过与该多个接地迹线串联地插入多个电容器来将DC倒相器与连接到该传输线上的器件隔离开。经由该多个信号迹线的输入信号迹线输入的信号移相180度，并且经由该多个信号迹线的倒相信号迹线输出。该方法还包括将DC倒相器插入环形混合耦合器的一个臂，并恢复该环形混合耦合器的共模端口的DC操作，同时使该环形混合耦合器的其余端口维持在应用于该共模端口的共模电势上。
前述特征是代表性实施例的特征并且用来帮助理解本发明。应理解，它们不能被认为是对由权利要求限定的本发明的限制，或是对权利要求的等价物的限制。因此，本特征概述不能被认为对于确定等价物是决定性的。从下面的说明、附图和权利要求中可清楚地看到本发明的另外的特征。
图1A示出传统的具有微带传输线的环形混合或“环形波导”耦合器；
图1B示出传统的具有有限接地共面波导(FGCPW)的尺寸减小的环形混合或“环形波导”耦合器；图2A示出传统的倒相器；图2B示出根据本发明的示例性实施例的包括FGCPW的直流(DC)隔离倒相器；图3是图2B的DC隔离倒相器的布局；图4A是用于FGCPW、倒相FGCPW和图2B的DC隔离倒相器的一组布局；图4B示出图4B的FGCPW、倒相FGCPW和DC隔离倒相器的模拟插入损耗；图5是示出使用和不使用倒相器的传输线的模拟性能的表格；图6是根据本发明的另一示例性实施例的包括图2B的DC隔离倒相器的环形混合器件的布局；图7示出图6的环形混合器件的模拟耦合响应；图8A示出图6的环形混合器件的共模输出的模拟相位差；图8B示出图6的环形混合器件的差分输出的模拟相位差；图9示出图6的环形混合器件的所有端口的模拟回波损耗；图10示出图6的环形混合器件的模拟隔离；以及图11是示出具有和不具有交流(AC)耦合电容器的图6的环形混合器件的比较的表格。
具体实施例方式
图2B示出根据本发明的示例性实施例的包括有限接地共面波导(FGCPW)传输线250的直流(DC)隔离倒相器210。如图2B中所示，DC隔离倒相器210包括一些接地迹线220a-d，这些接地迹线与输入信号迹线230a和倒相信号迹线230b互换。DC隔离倒相器210还包括串联插入接地迹线220a-d中的一些电容器240a-d。DC隔离倒相器210可使用共面波导、共面带状线、微带线和槽线传输线代替FGCPW传输线250，这些都能够进行毫米波和微波传输。
图3是DC隔离倒相器210的布局。尽管图2的DC隔离倒相器210包括四个电容器240a-d，但是为了说明目的在图3中仅示出两个电容器240a、240d。如图3所示，使用具有例如1fF/μm2的电容密度的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器。但是，根据本发明还可使用具有相似密度的其它类型的电容器例如垂直平行板电容器、边缘电容器、多晶硅电容器和金属氧化物半导体(MOS)电容器。用于本发明的电容器被选择为使得它们易于装配在DC隔离倒相器210的传输线250结构中，同时它们的电容足够大从而不会损害DC隔离倒相器210的射频(RF)操作。
图3中还示出，DC隔离倒相器210内还包括两个通路(via)260a、260d，以将在底层金属中实现的电容器240a、240d连接到在顶层金属中实现的传输线250。通路260a、260d用于从FGCPW 250的顶层向下移动到电容器240a、240d的顶板，并且然后从电容器240a、240d的底板返回FGCPW 250的顶层。在此结构中，DC隔离倒相器210能够经由输入信号迹线230a接收信号输入，并经由倒相信号迹线230b提供输出信号，该输出信号与输入信号成180度相差。另外，DC隔离倒相器210用作DC上的隔离电容器，将它与它可能连接到的器件隔离开。这种器件可以是例如放大器、混频器、压控振荡器(VCO)、滤波器、分频器、倍频器、限制器和混合耦合器。
通过在FGCPW传输线(a)、倒相器130的FGCPW传输线160(b)和DC隔离倒相器210的FGCPW传输线250(c)上使用基于2.5维矩量法的模拟器，在DC隔离倒相器210上执行模拟。图4A中示出这些器件，并且图4B中示出它们的对应的模拟插入损耗例如模拟S21s。图4A的器件均通过具有46欧姆的特性阻抗的FGCPW传输线实现，并且这些器件的模拟性能在图5中以表格的形式示出。
如图5中所示，传统的210μm传输线(a)具有-0.18dB的损耗和-31度的相移。具有传统倒相器130的传输线160(b)具有-0.2dB的损耗和175(即(-31)-144＝175)度的相移。具有DC隔离倒相器210的传输线250(c)具有-0.29dB的损耗，同时保持基本与传统倒相器130(b)相同的相移(即(-31)-144.8＝175.8)。这说明DC隔离倒相器210在宽频率范围上与传统的倒相器130工作得一样好。
图6是根据本发明的另一示例性实施例的包括DC隔离倒相器210的环形混合器件610的布局。如图6中所示，环形混合器件610包括四个臂620a-d、四个端口630-1-4和在臂620d上的DC隔离倒相器210。在此结构中，端口630-1是差分(即Δ)端口，端口630-2是正(即P)端口，端口630-3是共模(即∑)端口，以及端口630-4是负(即N)端口。每个臂620a-d的长度是380μm。这对应于在60GHz时的大约λ/6，其中在60GHz时λ是600μm。
应理解，环形混合器件610的臂长可根据希望的操作频率而改变。对于集成设计，这些长度可在50μm到10mm的范围内，从而使得工作频率在从400GHz到2GHz的范围内。还应理解，DC隔离倒相器210可被放置在四个臂620a-d中的任何一个上；但是，当DC隔离倒相器210被放置在与臂620d不同的臂上时，端口630-1-4的标识(例如Δ、P、N、和∑)将改变。
图7示出从端口到Δ到P和N和∑到P和N的环形混合器件610的模拟耦合响应(即S21、S41、S23和S43)。如图7中所示，观察到大约为-3.8dB的耦合值。理想的环形混合器件将具有用于相等功率分配的-3dB的耦合值。因此，该模拟示出由沿FGCPW的损耗导致的额外0.8dB的插入损耗。尽管此损耗在具有铝金属化的基于硅的技术中是典型的，但是其它技术例如砷化镓或磷化铟由于使用不同的材料或几何形状而可实现较低的插入损耗。
图8A和8B分别示出当被共模(S)和差模(D)输入信号驱动时P和N端口的P和N输出信号的模拟相位响应。具体地，图8A示出当环形混合器件610被共模输入信号驱动时P和N输出信号同相，而图8B示出当环形混合器件610被差模输入信号驱动时P和N输出信号成180度相差。这些观察证实了环形混合器件610的正确操作。
图9示出当使用50欧姆的基准阻抗时环形混合器件610的端口630-1-4的模拟回波损耗。如图9中所示，端口630-1-4在50欧姆处很好地匹配。图10示出环形混合器件610的模拟隔离。如图10中所示，模拟隔离示出环形混合器件610的隔离高于30dB。
图11以表格的形式示出来自图7、9和10的模拟。如图11中所示，通过将DC隔离电容器240a-d插在倒相器210内，可使对环形混合器件610的RF性能的影响极小甚至没有影响。另外，倒相器210用于在接地220a-d和端口630-1-4之间提供DC隔离。因此，通过使用DC隔离倒相器210，环形混合耦合器的尺寸可大大减小。此外，由于DC隔离倒相器210恢复了环形混合器件610上的共模端口的DC操作，所以环形混合器件610的端口630-1-4可保持应用于端口∑的共模电势。
应理解，上述说明仅代表示例性实施例。为了读者的方便，上述说明集中于可能的实施例的代表性示例，即说明本发明的原理的示例。该说明未试图详尽地列举所有可能的变型。对于本发明的特定部分可能没有给出其他可选择实施例，或者对于一部分可能存在没有描述的其他可选择实施例，这一事实不应被认为是对那些可选择实施例的否认。可实现其它应用和实施例而不会背离本发明的精神和范围。
因此，本发明并不局限于具体说明的实施例，因为可生成上文内容以及包含对上文内容的非发明性替代物的实施的许多排列和组合，但是本发明将根据下文的权利要求被限定。可理解，许多未说明的实施例位于下面的权利要求的字面范围内，而其它未说明的实施例是等价的。
权利要求
1.一种直流倒相器，包括包括多个信号迹线和接地迹线的传输线，其中该多个信号迹线和接地迹线互换；以及与该多个接地迹线串联设置的多个电容器，其中该多个电容器将该直流倒相器与连接到该传输线上的器件隔离开。
2.根据权利要求1的直流倒相器，其中，所述传输线是有限接地共面波导、共面波导、共面带状线、微带线和槽线之一。
3.根据权利要求1的直流倒相器，其中，所述传输线能够进行毫米波传输和微波传输其中之一。
4.根据权利要求1的直流倒相器，其中，所述多个电容器是金属-绝缘体-金属电容器、垂直平行板电容器、边缘电容器、多晶硅电容器和金属氧化物半导体电容器其中之一。
5.根据权利要求1的直流倒相器，其中，所述器件是放大器、混频器、压控振荡器、滤波器、分频器、倍频器、限制器和混合耦合器之一。
6.根据权利要求1的直流倒相器，其中，所述多个信号迹线包括输入信号迹线和倒相信号迹线。
7.根据权利要求6的直流倒相器，其中，经由所述输入信号迹线输入的信号移相180度，并且经由所述倒相信号迹线输出。
8.一种环形混合耦合器，包括第一、第二、第三和第四传输线臂；连接到该第一臂的第一端口，连接到该第二臂的第二端口，连接到该第三臂的第三端口和连接到该第四臂的第四端口；以及插在该第一、第二、第三和第四臂其中之一内的直流倒相器，其中该直流倒相器包括包括多个信号迹线和接地迹线的传输线，其中该多个信号迹线和接地迹线互换；以及与该多个接地迹线串联设置的多个电容器，其中该多个电容器将该直流倒相器与连接到该传输线上的器件隔离开。
9.根据权利要求8的环形混合耦合器，其中，所述第一、第二、第三和第四传输线臂的长度相等，其中该第一、第二、第三和第四传输线的长度为50μm到10mm。
10.根据权利要求8的环形混合耦合器，其中，所述第一、第二、第三和第四传输线臂其中之一的阻抗由下式确定Z＝Zo[2(1-cot2Θ)]0.5其中Z是该第一、第二、第三和第四传输线臂其中之一的阻抗，而Zo是所述第一、第二、第三和第四端口其中之一的阻抗。
11.根据权利要求8的环形混合耦合器，其中，所述直流倒相器通过所述信号迹线和接地迹线之间的互换，执行180度的移相。
12.根据权利要求8的环形混合耦合器，其中，所述第一、第二、第三和第四端口其中之一是共模端口。
13.根据权利要求12的环形混合耦合器，其中，所述直流隔离倒相器被插入不与所述共模端口相邻的所述第一、第二、第三和第四臂其中之一中。
14.根据权利要求12的环形混合耦合器，其中，所述直流隔离倒相器恢复所述共模端口的直流操作，同时使其余端口维持在应用于该共模端口的共模电势上。
15.根据权利要求8的环形混合耦合器，其中，所述直流倒相器的传输线是有限接地共面波导、共面波导、共面带状线、微带线和槽线其中之一。
16.根据权利要求8的环形混合耦合器，其中，所述直流倒相器的传输线能够进行毫米波传输和微波传输其中之一。
17.根据权利要求8的环形混合耦合器，其中，所述直流倒相器的电容器是金属-绝缘体-金属电容器、垂直平行板电容器、边缘电容器、多晶硅电容器和金属氧化物半导体电容器其中之一。
18.根据权利要求8的环形混合耦合器，其中，所述连接到直流倒相器的器件是放大器、混频器、压控振荡器、滤波器、分频器、倍频器、限制器和混合耦合器之一。
19.根据权利要求8的环形混合耦合器，其中，所述直流倒相器的多个信号迹线包括输入信号迹线和倒相信号迹线。
20.根据权利要求19的环形混合耦合器，其中，经由所述输入信号迹线输入的信号移相180度，并且经由所述倒相信号迹线输出。
21.一种用于隔离直流倒相器的方法，包括交换该直流倒相器的传输线上的信号迹线和接地迹线；以及通过与该多个接地迹线串联地插入多个电容器来将该直流倒相器与连接到该传输线上的器件隔离开。
22.根据权利要求21的方法，其中，经由所述多个信号迹线的输入信号迹线输入的信号移相180度，并且经由该多个信号迹线的倒相信号迹线输出。
23.根据权利要求21的方法，还包括将直流倒相器插入环形混合耦合器的一个臂。
24.根据权利要求23的方法，还包括恢复所述环形混合耦合器的共模端口的直流操作，同时使该环形混合耦合器的其余端口维持在应用于该共模端口的共模电势上。
全文摘要
提供了一种直流(DC)隔离倒相器和包括该DC隔离倒相器的环形混合耦合器。包括该DC隔离倒相器的该环形混合耦合器包括第一、第二、第三和第四传输线臂；连接到该第一臂的第一端口，连接到该第二臂的第二端口，连接到该第三臂的第三端口以及连接到该第四臂的第四端口；以及插入该第一、第二、第三和第四臂其中之一内的DC倒相器，其中该DC倒相器包括多个信号迹线和接地迹线的传输线，其中该多个信号迹线和接地迹线互换；以及与该所述接地迹线串联设置的多个电容器，其中该多个电容器将该DC倒相器与连接到该传输线上的器件隔离开。
文档编号H01P5/16GK1835278SQ200610057470
公开日2006年9月20日 申请日期2006年3月15日 优先权日2005年3月16日
发明者B·A·弗洛伊德, T·兹维克, M·K·奇瑞拉 申请人:国际商业机器公司