专利名称：Improved spiral coupler的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的螺旋耦合器。
背景技术：
随着无线电通讯和卫星通讯系统的迅猛发展，对于具有更佳性能、更小尺寸和更 低成本的高度集成的射频(RF)和微波电路的需求日益提高。这些系统中的很多系统都在 它们的微波电路中使用耦合器，比如三分贝(3-dB)耦合器和其它定向耦合器。许多类型和 变型的耦合器已经被发展成用于处理微波频率信号的电路。Lange (兰格)的公布于1970年 6月2日的美国专利3，516，024是一种“相互跨接的条状线耦合器”。该耦合器在兰格发表 的 “Interdigitated Strip-Line Quadrature Hybrid (相互跨接的条状线正交混合器)”， MTTS Digest of Technical Papers,Dallas,Texas,May 5-7,1969,pp. 10-13 中也有描述， 该耦合器作为兰格耦合器已被公众所熟知。自对条状线导体的早期工作以来，已经开发出 许多变型。这些变型以不同方式描述于下述文献Waterman，Jr.等人的“GaAs Monolithic Lange and Wilkinson Couplers (砷化镓(GaAs)单片兰格和威尔金森耦合器)”和 Brehm 等人的 “Monolithic GaAs Lange Coupler at X_Band(X 波段的单片砷化镓兰格 耦合器)”，二者分别发表于IEEE Transactions on Electron Device (IEEE电子设备学 J艮)，Vol. ED-28, No. 2, February 1981，page 212—216，and page 217—218 ；Tajima 等人 白勺 ‘‘Monolithic Hybrid Quadrature Couplers (Braided Structures)(单片t昆合器IE交 耦合器(辫形结构))”，IEEE GaA IC Symposium, 1982, page 154 and 155 ;Kumar 等人 的 “Monolithic GaAs Interdigitated Couplers (单片砷化镓相互跨接耦合器)”，IEEE, 1983，page 359-362 ;Kemp 等人的 “Ultra-Wideband Quadrature Coupler (超宽波频正交 耦合器)”，IEEE Transactions，1983，pp. 197-199 ;Shibata 等人的 “Microstrip Spiral Directional Coupler (微带螺旋定向耦合器)，，，IEEE Transactions, 1981, pp. 680-689 ； Lentz 的公布于 1964 年 12 月 22 日的美国专利 3，162，717 "Compact Transmission line Consisting of Interleaved Conductor Strips and Shield Strips (包括插人白勺导体条 和屏蔽条的紧凑传输线)，，；Oh的公布于1967年7月18日的美国专利3，332，039 "Three Conductor Coplannar Serpentine-line Directional Coupler (三导体共面白勺婉虫ji线 定向耦合器)”;PreSSer等人的公布于1987年1月13日的美国专利4，636，754 “High performance Interdigitated Coupler with Additional Jumper Wire (具有客页夕卜的跳线 的、高性能的、相互跨接耦合器)”；和Podell等人的公布于1989年1月24日的美国专利 4, 800, 345"Spiral Hybrid Coupler (螺旋混合耦合器)”。所有这些上述引用的参考文献 的全部内容通过引用结合于本文。这些相互跨接条状线导体的不同形式提供了用于不同制造工艺的具有不同程度 的成功性的耦合。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种改进的螺旋耦合器。本发明的另一个目的是提供一种改进的螺旋耦合器，该改进的螺旋耦合器适用于 半导体和其它平面制造工艺。本发明的再一个目的是提供一种改进的螺旋耦合器，该改进的螺旋耦合器具有兰 格耦合器的简化性而且具有减小的尺寸和改进的性能。本发明的又一个目的是提供一种改进的螺旋耦合器，该改进的螺旋耦合器改进了 绝缘性和方向性。本发明的再一个目的是提供一种改进的螺旋耦合器，在该改进的螺旋耦合器中， 耦合器的所有端口位于螺旋通道的外部。本发明通过下述方式实现一种改进的螺旋耦合器可通过下述方式而获得 多个设置于平面螺旋通道中的平行的、共同延伸的传导条；和跨接连接(cross-over connection)，该跨接连接用于将所述传导条从螺旋通道的内部桥接到外部，以提供所有四 个位于螺旋通道外部的端口。然而，本发明主题在其它实施例中不需要实现所有这些目的，而且本发明的权利 要求应当不限于能够实现这些目的的结构或方法。本发明的特征在于一种改进的螺旋耦合器包括多个设置于平面螺旋通道中的 平行的、共同延伸的传导条，所述传导条包括第一传导条，所述第一传导条具有输入端口 和直接或贯通端口 ；和第二传导条，所述第二传导条具有耦合端口和绝缘端口 ；该耦合器 还包括第一跨接连接，所述第一跨接连接用于将所述传导条从所述螺旋通道的内部桥接到 外部，以提供所有四个从外部接近所述螺旋通道的端口。在一个优选实施例中，螺旋通道可以是对称的，并且第一跨接连接可以在对称的 轴线上。可以仅有两个传导条。改进的螺旋耦合器还可包括第二跨接连接，该第二跨接连 接用于相互交换螺旋通道中的第一传导条和第二传导条的相对位置。螺旋通道可以是对称 的，并且第二跨接连接可以在对称的轴线上。第二跨接连接可设置在螺旋通道的中点处。 每一个传导条可包括多个分立的平行元件，该分立的平行元件与其它传导条的分立的平行 元件相互跨接。在螺旋通道中可以有许多回路，每个回路具有第一跨接连接和第二跨接连 接。每个传导条中的多个分立的元件可以在跨接连接处一起被转换轨道从而呈现为用于桥 接的单一导体构件。可以有多个在沿着螺旋通道间隔开的每个条的元件之间互相连接的间 隔开的转换轨道部(shunt)。本发明的特征还在于一种改进的四端口螺旋定向耦合器包括设置于平面螺旋 通道中的平行的、共同延伸的第一传导条和第二传导条，所述第一传导条具有输入端口和 直接或贯通端口，所述第二传导条具有耦合端口和绝缘端口 ；和第一跨接连接，所述第一跨 接连接用于将所述传导条从所述螺旋通道的内部桥接到外部，以提供所有四个位于所述螺 旋通道外部的端口。在一个优选实例中，螺旋通道可以是对称的，并且第一跨接连接可以在对称的轴 线上。所述改进的四端口螺旋耦合器还可包括第二跨接连接，所述第二跨接连接用于相互 交换螺旋通道中的第一传导条和第二传导条的相对位置。第二跨接连接可以在对称的轴线 上。第二跨接连接可设置在螺旋通道的中点处。每一个传导条可包括多个分立的平行元件，该分立的平行元件与其它传导条的分立的平行元件相互跨接。
根据优选实施例和附图的下述描述，对于本领域的技术人员来说本发明具有其它 目的、特征和优点，附图中图1是位于基底上的现有技术的定向耦合器的示意性平面图；图2是与图1类似的现有技术的兰格型相互跨接的定向耦合器的视图；图3是现有技术的螺旋定向耦合器的示意性平面图；图4是位于基底上的根据本发明的螺旋耦合器的示意性平面图；图5是与图4类似的视图，其中每个传导条具有彼此相互跨接的分立的元件；图6是与图5类似的视图，其中螺旋通道包括两个回路；图7是与图6类似的视图，其中每个传导条中的元件在跨接处直接平行连接而没 有被一起转换轨道；图8是与图5类似的视图，其中螺旋通道包括四个回路；和图9是与图5类似的视图，其中螺旋通道包括一个两圈回路。
具体实施例方式除去下面公开的优选的实施例之外，本发明能够具有其它实施例并且能够以不同 方式实施或实现。因此，应理解的是，本发明在其应用中时不限于由下面描述所提到的或 者附图所示出的部件的结构和布置的细节。如果本文仅描述了一个实施例，则本文的权利 要求书并不限于该实施例。此外，除非有清楚且令人信服的证据来表明某种例外、限制或放 弃，本文的权利要求书将不作限制性理解。本发明提出了一种方案，该方案不但减小定向耦合器的尺寸，特别是兰格耦合器 的尺寸，而且改善了绝缘性和方向性。提出的布局与标准的兰格耦合器中的布局类似，仅需 要一层用于条状线的金属和用于桥接跨接连接的另一层。所产生的耦合器的尺寸可以减小 到标准的四分之一波长耦合器的三分之一到六分之一。耦合器的两个条状导体部分彼此平 行地缠绕从而通过沿着对称的中心线彼此适当跨接而形成一个或多个完整的螺旋回路。在 本发明中，耦合的条状线的长度彼此相等，而且结构的对称性能够使输入端口、耦合端口、 直接或贯通端口、和绝缘端口之间相互响应。为了保持螺旋回路形式的结构对称性，耦合器的所有四个端口都对称地连接至螺 旋回路的外圆。另外，在内圆回路和外部的内圆回路之间的相互连接处，耦合器的从外部回 路进入内部回路的由两导体条构成的导体对与从内部回路连接至外部回路的导体条对彼 此跨接。这可通过标准微带技术在PCB板级别和半导体芯片(die)级别实现。该跨接沿着 耦合器的对称中心线定位。为了保持耦合的导体条的线长度相同，半导体条在螺旋回路的中点处在耦合器对 内彼此跨接。因此，每个导体条沿着回路的内侧行进一半路程并且沿着回路的外侧行进一 半路程。出于该目的，可采用用位于第二层的导体进行内部回路和外部回路之间的跨接。 有两个可替代的方式来实现该跨接使用如图4所示的两个导体条耦合器的实例中所示出 的用于每个导体条的跨接桥接，或者使用如图5所示的四个导体条耦合器实例中所示出的在将多个导体条一起转换轨道之后的跨接桥接。第一种类型的跨接引入了较小的寄生效应 (parasitics)并且具有较宽的波带宽度，而第二类型的跨接有助于减小跨接部分的尺寸。除了使导体条的线长度相等之外，在内圈和外圈之间的相邻导体条来自相同的导 体，并且电磁波沿着相同的方向传播。本发明的耦合器的偶数模式阻抗比具有相同的条宽 度和间隔的常规的展开式耦合器高，而奇数模式阻抗接近于常规的展开式耦合器。通过回 路之间的这些被适当控制的互相耦合，可在宽的波带宽度下不需要使用导体条之间小间隔 的情况下很容易得到比如三分贝的高耦合率。另外，可在所提出的螺旋耦合器中获得高的 绝缘性和方向性。除了沿着所提出的耦合器回路的对称中心回路的这两个跨接桥接之外， 跨接连接还可被添加到回路的拐角附近以减小相位分配，这也有助于增加耦合。为了覆盖 较低的频率或获得更小的电路尺寸，若干个耦合回路可串联成串以形成多回路耦合器，如 图6-8所示，其中两到四个回路已经被串联连接并且相邻回路之间的方位已经被设置成使 得它们的相互耦合有助于改善整体性能。另一种替代的方法是通过环绕相同中心引入更多 回路来使用多圈螺旋结构，如图9所示，其中在如图5所示的单一回路形式周围采用在对称 线处有适当跨接的第二回路。在图1中示出了现有技术的四端口定向耦合器10，该耦合器10包括两个导体条 12和14。导体条12具有输入端口 16和直接或贯通端口 18。导体条14具有耦合端口 20 和绝缘端口 22。导体条12和14的长度大致等于中心操作频率(例如，用于设计用于3GHz 应用的耦合器)的波长的1/4，如果电路使用高频半导体工艺制造，则该长度为大约1厘米 长。所述导体条的宽度和它们之间的间隙被设计成使耦合效率或传递效率最佳化。导体条 12和14的宽度51和它们之间的间隙g为大致一致的并且被选择成使传递效率最佳化。典 型的耦合效率在10%的范围，S卩，10-dB的耦合率。在图2中示出了现有技术装置的改进， 其中四端口定向耦合器IOa是兰格类型的，其中每个导体条12a和14a通过多个元件12aa 和12aaa、14aa和14aaa形成。这提供了更高的具有在50%的范围内的传递效率的耦合， 即，3-dB的耦合率。元件12aa、12aaa、14aa、14aaa的宽度与间隙一样是大致一致的，而且都 被选择成使传递效率最佳化。在图3所示的另一种现有技术的方法中，四部分定向耦合器30被构造成平面螺 旋，其中两个导体条32和34在一个螺旋中向内延伸，该螺旋始于输入端口 36和耦合端口 35并且终止于直接或贯通端口 40和绝缘端口 38。该设计的一个缺点在于在该情况下中， 端口中的两个(直接或贯通端40和绝缘端口 38)在它们不易于被接近的螺旋的内部结束。 图3的螺旋耦合器的另一个缺点在于为了平衡耦合和使贯穿导体条32和34长度的耦合 相等，间隙的宽度发生改变，例如，在一个位置具有宽度gl而在另一个位置处具有宽度g2。在图4中，根据本发明的一种改进的四端口对称螺旋定向耦合器50可以设置在基 底上，比如，合适的PCB板、半导体基底或其它平面制造材料52。螺旋耦合器50包括多个传 导条，例如，第一传导条54和第二传导条56。第一传导条54在一端部处具有输入端口 58 而且在另一端部处具有直接或贯通端口 60。第二传导条56在一端部处具有耦合端口 62而 且在另一端部处具有绝缘端口 64。螺旋耦合器50呈具有对称的中心线68的单一对称回路 66的形式。第一跨接连接70设置在对称的中心线68处并且使用转换轨道部72和74来将 传导条54和56从由76表示的螺旋通道的外部引导到内部，从而允许输入端口 58和耦合 端口 62以及直接端口 60和绝缘端口 64位于螺旋通道76的外部。也可使用例如转换轨道
6部82来利用第二跨接连接80，但是在这种情况下，跨接连接用于交换第一导体条54和第二 导体条56的相对位置。因此，在图4中的回路的顶部从右到左观察，第一传导条54位于顶 部或右边而第二传导条56位于底部或左边。在跨接连接80处的交换之后，第一传导条54 位于左边或底部，而第二传导条56位于右边或顶部。这样做使螺旋中的条的长度相等并且 进一步平衡了耦合器50的耦合效果。当跨接连接70优选位于对称的中心线68上时，第二 跨接连接80优选位于对称的中心线68上并且还位于第一传导条54和第二传导条56的中 点处。如图4所示的本发明的方法可应用于图5的相互跨接构造中，其中耦合器50a包 括导体条54a和导体条56a，导体条54a具有多个导体元件，例如导体元件54aa和54aaa，而 导体条56a具有多个元件，例如导体元件56aa和56aaa。现在在跨接连接70a中，元件56aa 和56aaa的端部在转换轨道部82和84处连接在一起而且还在转换轨道部86和88处连接 在一起，并且通过跨接转换轨道部90和92相互连接。同样地，导体元件54aa和54aaa使 它们的端部在转换轨道部94、96、98和100处连接在一起并且通过跨接导体102和104相 互连接。类似地，但是更简化地，在第二跨接连接80a处，元件56aa和56aaa通过跨接转换 轨道部106和108连接，而导体元件54aa和54aaa通过转换轨道部110和112跨接连接。 仍如图5所示，多个辅助转换轨道部114出现在耦合器50a的整个回路66a中，最普遍的是 出现在拐角区域，以进一步平衡耦合和提高传递效率。尽管迄今本发明已经显示为具有如图4和5中所示的单一回路，但这不是对本发 明的必需限制。如图6所示，可以有两个回路66a、66b，每一个回路具有第一跨接连接70a、 70b和第二跨接连接80a、80b。图7示出了用于图6的第一跨接连接70a、70b的一种替代 构造。在图7中，跨接连接70’ a和70，b在进入跨接连接之前不使用预期的转换轨道部。 而是，四个单独的跨接转换轨道部116、118、120和122用于元件54aa和54aaa，四个跨接转 换轨道部124、126、128和130用于导体元件56aa和56aaa，并且类似的跨接导体用于第二 跨接连接70’b。根据本发明的耦合器可根据需要而被扩展，例如，在图8中，示出了耦合器 50”，a,该耦合器50”，a在螺旋中包括四个回路66a、66b、66c和66d，每个回路具有其自己 的第一跨接连接70a、70b、70c和70d，和第二跨接连接80a、80b、80c和80d。再者，根据本 发明的耦合器可围绕相同回路中心扩展，例如，在图9中，示出了耦合器50b，该耦合器50b 包括围绕用于图5中的回路60b的额外的回路60a ；第一跨接连接70a和70b ；和第二跨 接连接80a和80b。尽管本发明的具体特征在一些附图中示出而并没有在其它附图中示出，但这仅仅 为了方便表述，每个特征可以与根据本发明的任一或全部的其它特征相结合。本文使用的 用语“包含”、“包括”、“具有”和“带有”将作广泛和全面的解释，并不限于任何实质上的相 互连接。而且，本申请主题中公开的任何实施例并不看作是唯一的可能的实施例。另外，在本专利的专利申请的审查过程中作出的任何修改不是对提交的申请文件 中所提到的任一权利要求元素的放弃保护不能合理地期望本领域技术人员撰写出在文字 上包含所有可能的等效物的权利要求，许多等效物在修改时是无法预见的并且会超出要被 放弃内容(假如有任何要放弃的内容)的公平解释，修改中潜在的基本原理可以只是与许 多等效物稍微有关联，和/或存在并不期望申请人说明对任何被修改的权利要求元素的某 些非本质性替代的许多其它理由。
对本领域技术人员来说应理解的是，其它实施例在下面的权利要求书的范围内。
权利要求
一种改进的螺旋耦合器，包括多个设置于平面螺旋通道中的平行的、共同延伸的传导条，所述传导条包括第一传导条和第二传导条，所述第一传导条具有输入端口和直接或贯通端口，所述第二传导条具有耦合端口和绝缘端口；和第一跨接连接，所述第一跨接连接用于将所述传导条从所述螺旋通道的内部桥接到外部，以提供所有四个从外部接近所述螺旋通道的所述端口。
2.根据权利要求1所述的改进的螺旋耦合器，其中所述螺旋通道是对称的，并且所述 第一跨接连接位于对称的轴线上。
3.根据权利要求1所述的改进的螺旋耦合器，其中仅有两个所述传导条。
4.根据权利要求1所述的改进的螺旋耦合器，还包括第二跨接连接，所述第二跨接连 接用于相互交换螺旋通道中的所述第一传导条和第二传导条的相对位置。
5.根据权利要求4所述的改进的螺旋耦合器，其中所述螺旋通道是对称的，并且所述 第二跨接连接位于对称的轴线上。
6.根据权利要求4所述的改进的螺旋耦合器，其中所述第二跨接连接设置在所述螺旋 通道的中点处。
7.根据权利要求1所述的改进的螺旋耦合器，其中每个传导条包括多个分立的平行元 件，所述分立的平行元件与其它传导条的那些分立的平行元件相互跨接。
8.根据权利要求1所述的改进的螺旋耦合器，其中在所述螺旋通道中有许多回路，每 个回路具有第一跨接连接和第二跨接连接。
9.根据权利要求7所述的改进的螺旋耦合器，其中每个传导条中的多个分立的平行元 件在所述跨接连接处被一起转换轨道，以呈现为用于桥接的单一传导构件。
10.根据权利要求7所述的改进的螺旋耦合器，其中有多个间隔开的转换轨道部，所述 多个间隔开的转换轨道部在沿着所述螺旋通道间隔开的每个传导条的元件之间互相连接。
11.一种改进的四端口螺旋定向耦合器，包括设置于平面螺旋通道中的平行的、共同延伸的第一传导条和第二传导条，所述第一传 导条具有输入端口和直接或贯通端口，所述第二传导条具有耦合端口和绝缘端口 ；和第一跨接连接，所述第一跨接连接用于将所述传导条从所述螺旋通道的内部桥接到外 部，以提供所有四个位于所述螺旋通道外部的所述端口。
12.根据权利要求11所述的改进的四端口螺旋定向耦合器，其中所述螺旋通道是对称 的，并且所述第一跨接连接位于对称的轴线上。
13.根据权利要求12所述的改进的四端口螺旋定向耦合器，还包括第二跨接连接，所 述第二跨接连接用于相互交换螺旋通道中的所述第一传导条和第二传导条的相对位置。
14.根据权利要求13所述的改进的四端口螺旋定向耦合器，其中所述第二跨接连接位 于对称的轴线上。
15.根据权利要求11所述的改进的四端口螺旋定向耦合器，其中所述第二跨接连接设 置在所述螺旋通道的中点处。
16.根据权利要求11所述的改进的四端口螺旋定向耦合器，其中每个传导条包括多个 分立的平行元件，所述分立的平行元件与其它传导条的那些分立的平行元件相互跨接。
全文摘要
文档编号H01P5/18GK101953019SQ20098010626
公开日2011年1月19日 申请日期2009年1月8日 优先权日2008年1月29日
发明者Jiang Xin 申请人:Hittite Microwave Corp