全差分耦合器及宽带正交生成器的制作方法

1.本实用新型属于通信技术领域，具体涉及一种全差分耦合器及宽带正交生成器。


背景技术：

2.正交生成器被广泛应用在现代雷达和通信系统中。正交耦合器是一种常用的无源正交生成电路。为了拓展工作带宽和减小正交误差，基于耦合器级联的宽带正交生成器常常被采用。
3.参图1所示为现有技术中正交耦合器的原理图，该耦合器主要由以下几个部分组成，包括一组互耦电感l、耦合电容cm、端口到地的寄生电容cg。其端口分别为输入端口in(input port)、直通端口thru(through port)、耦合端口cpl(coupled port)、及隔离端口iso(isolation port)，所有端口匹配。根据端口的阻抗而合理选择各个参数，使得两个输出端口thru和cpl分别输出0
°
和90
°
的正交信号。
4.参图2、图3所示分别为现有技术中全差分耦合器的原理图及版图示意图，包括两组互耦电感l、耦合电容cm、端口到地的寄生电容cg。端口包括第一输入端口in+及第二输入端口in-、第一直通端口thru+及第二直通端口thru-、第一耦合端口cpl+及第二耦合端口cpl-、第一隔离端口iso+及第二隔离端口iso-，第一输入端口in+及第二输入端口in-、和第一耦合端口cpl+及第二耦合端口cpl-位于全差分耦合器的一侧，第一直通端口thru+及第二直通端口thru-、和第一隔离端口iso+及第二隔离端口iso-位于全差分耦合器的另一侧。
5.参图4所示为现有技术中基于耦合器级联的正交生成器的版图示意图，其通过3个耦合器t1进行级联。通过正交误差抵消的机制，耦合器级联可以实现带宽拓展，减小正交信号误差。但由于直通端口thru和耦合端口cpl位于耦合器的两侧，导致正交生成器输出走线路径复杂，版图面积较大，并且布局难度较大。
6.因此，针对上述技术问题，有必要提供一种全差分耦合器及宽带正交生成器。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种全差分耦合器及宽带正交生成器，以优化全差分耦合器的端口排布方式。
8.为了实现上述目的，本实用新型一实施例提供的技术方案如下：
9.一种全差分耦合器，所述全差分耦合器包括输入端口、直通端口、耦合端口及隔离端口，所述输入端口和隔离端口位于全差分耦合器的一侧，所述直通端口和耦合端口位于全差分耦合器的另一侧。
10.一实施例中，所述全差分耦合器包括第一输入端口及第二输入端口、第一直通端口及第二直通端口、第一耦合端口及第二耦合端口、第一隔离端口及第二隔离端口，所述第一输入端口及第二输入端口、和第一隔离端口及第二隔离端口位于全差分耦合器的一侧，所述第一直通端口及第二直通端口、和第一耦合端口及第二耦合端口位于全差分耦合器的另一侧。
11.一实施例中，所述全差分耦合器中：
12.第一输入端口与第一节点之间设有第一电感，第一直通端口与第一节点之间设有第三电感；
13.第二隔离端口与第二节点之间设有第二电感，第二耦合端口与第二节点之间设有第四电感；
14.第二输入端口与第三节点之间设有第五电感，第二直通端口与第三节点之间设有第七电感；
15.第一隔离端口与第四节点之间设有第六电感，第一耦合端口与第四节点之间设有第八电感；
16.其中，第一电感至第八电感的电感值均相等，第一电感与第二电感、第三电感与第四电感、第五电感与第六电感、第七电感与第八电感分别为四组互耦电感，且耦合系数相等。
17.一实施例中，所述第一节点与第四节点之间、第二节点与与第三节点之间分别设有耦合电容cm。
18.一实施例中，所述第一输入端口、第二输入端口、第一直通端口、第二直通端口、第一耦合端口、第二耦合端口、第一隔离端口、第二隔离端口、第一节点、第二节点、第三节点、第四节点与基准电位之间分别形成有第一寄生电容cg；
19.所述第一输入端口与第二隔离端口之间、第一直通端口与第二耦合端口之间、第二输入端口与第一隔离端口之间、第二直通端口与第一耦合端口之间、第一节点与第二节点之间、第三节点与第四节点之间分别形成有第二寄生电容cf。
20.一实施例中，所述第一隔离端口与基准电位之间、第二隔离端口与基准电位之间分别设有隔离电阻r
iso
。
21.一实施例中，所述第一输入端口和第二输入端口分别接收第一差分信号和第二差分信号，所述第一直通端口、第二直通端口、第一耦合端口、第二耦合端口分别输出第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号、第四输出信号，且，第一输出信号与第三输出信号、第三输出信号与第二输出信号、第二输出信号与第四输出信号、第四输出信号与第一输出信号的相位差均为90
°
。
22.本实用新型一实施例提供的技术方案如下：
23.一种宽带正交生成器，所述宽带正交生成器包括一个第一全差分耦合器及两个第二全差分耦合器，所述第二全差分耦合器为上述的全差分耦合器，所述第一全差分耦合器包括输入端口、直通端口、耦合端口及隔离端口，且第一全差分耦合器中的输入端口和耦合端口位于第一全差分耦合器的一侧，直通端口和隔离端口位于第一全差分耦合器的另一侧。
24.一实施例中，所述第一全差分耦合器包括第一输入端口及第二输入端口、第一直通端口及第二直通端口、第一耦合端口及第二耦合端口、第一隔离端口及第二隔离端口，所述第一输入端口及第二输入端口、和第一耦合端口及第二耦合端口位于全差分耦合器的一侧，所述第一直通端口及第二直通端口、和第一隔离端口及第二隔离端口位于全差分耦合器的另一侧。
25.一实施例中，所述第一全差分耦合器的第一输入端口和第二输入端口分别接收第
一差分信号和第二差分信号；
26.第一全差分耦合器的第一直通端口及第二直通端口分别与第一个第二全差分耦合器的第一输入端口和第二输入端口相连，第一全差分耦合器的第一耦合端口及第二耦合端口分别与第二个第二全差分耦合器的第一输入端口和第二输入端口相连；
27.第一个第二全差分耦合器的第一耦合端口和第二耦合端口与第二个第二全差分耦合器的第一耦合端口和第二耦合端口分别相连，并输出第一正交信号i
±
；
28.第一个第二全差分耦合器的第一直通端口和第二直通端口与第二个第二全差分耦合器的第一直通端口和第二直通端口分别相连，并输出第二正交信号q
±
。
29.本实用新型具有以下有益效果：
30.本实用新型全差分耦合器优化了端口排布方式，输入端口和隔离端口位于一侧，直通端口和耦合端口位于另一侧，在版图实现中可以实现更小的面积和更小的走线损耗；
31.多个全差分耦合器级联构成的宽带正交生成器，显著减小了宽带正交生成器的版图面积及布局难度。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，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的附图。
33.图1为现有技术中正交耦合器的原理图；
34.图2为现有技术中全差分耦合器的原理图；
35.图3为现有技术中全差分耦合器的版图示意图；
36.图4为现有技术中基于耦合器级联的正交生成器的版图示意图；
37.图5为本实用新型第一实施例中全差分耦合器的原理图；
38.图6为本实用新型第一实施例中全差分耦合器的版图示意图；
39.图7为本实用新型第二实施例中基于全差分耦合器的宽带正交生成器的版图示意图。
具体实施方式
40.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
41.本实用新型公开了一种全差分耦合器，包括输入端口、直通端口、耦合端口及隔离端口，输入端口和隔离端口位于全差分耦合器的一侧，直通端口和耦合端口位于全差分耦合器的另一侧。
42.本实用新型还公开了一种宽带正交生成器，宽带正交生成器包括一个第一全差分耦合器及两个第二全差分耦合器，其中：
43.第一全差分耦合器包括输入端口、直通端口、耦合端口及隔离端口，且第一全差分耦合器中的输入端口和耦合端口位于第一全差分耦合器的一侧，直通端口和隔离端口位于第一全差分耦合器的另一侧；
44.第一全差分耦合器包括输入端口、直通端口、耦合端口及隔离端口，且第二全差分耦合器中的输入端口和隔离端口位于全差分耦合器的一侧，直通端口和耦合端口位于全差分耦合器的另一侧。
45.以下结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
46.参图5及图6所示，本实用新型第一实施例中的全差分耦合器包括输入端口in、直通端口thru、耦合端口cpl及隔离端口iso，输入端口in和隔离端口iso位于全差分耦合器的一侧，直通端口thru和耦合端口cpl位于全差分耦合器的另一侧。
47.具体地，全差分耦合器包括第一输入端口in+及第二输入端口in-、第一直通端口thru+及第二直通端口thru-、第一耦合端口cpl+及第二耦合端口cpl-、第一隔离端口iso+及第二隔离端口iso-，第一输入端口in+及第二输入端口in-、和第一隔离端口iso+及第二隔离端口iso-位于全差分耦合器的一侧，第一直通端口thru+及第二直通端口thru-、和第一耦合端口cpl+及第二耦合端口cpl-位于全差分耦合器的另一侧。
48.本实施例的全差分耦合器中：
49.第一输入端口in+与第一节点a之间设有第一电感，第一直通端口thru+与第一节点a之间设有第三电感；
50.第二隔离端口iso-与第二节点b之间设有第二电感，第二耦合端口cpl-与第二节点b之间设有第四电感；
51.第二输入端口in-与第三节点c之间设有第五电感，第二直通端口thru-与第三节点c之间设有第七电感；
52.第一隔离端口iso+与第四节点d之间设有第六电感，第一耦合端口cpl+与第四节点d之间设有第八电感；
53.其中，第一电感至第八电感的电感值均相等(为l/2)，第一电感与第二电感、第三电感与第四电感、第五电感与第六电感、第七电感与第八电感分别为四组互耦电感，且耦合系数相等，均为k。
54.第一节点a与第四节点d之间、第二节点b与与第三节点c之间分别设有耦合电容cm。
55.第一输入端口in+、第二输入端口in-、第一直通端口thru+、第二直通端口thru-、第一耦合端口cpl+、第二耦合端口cpl-、第一隔离端口iso+、第二隔离端口iso-、第一节点a、第二节点b、第三节点c、第四节点d与基准电位之间分别形成有第一寄生电容cg；
56.第一输入端口in+与第二隔离端口iso-之间、第一直通端口thru+与第二耦合端口cpl-之间、第二输入端口in-与第一隔离端口iso+之间、第二直通端口thru-与第一耦合端口cpl+之间、第一节点a与第二节点b之间、第三节点c与第四节点d之间分别形成有第二寄生电容cf。
57.第一隔离端口iso+与基准电位之间、第二隔离端口iso-与基准电位之间分别设有隔离电阻r
iso
。
58.本实施例中，第一输入端口in+和第二输入端口in-分别接收第一差分信号in+和
第二差分信号in-，第一直通端口thru+、第二直通端口thru-、第一耦合端口cpl+、第二耦合端口cpl-分别输出第一输出信号thru+、第二输出信号thru-、第三输出信号cpl+、第四输出信号cpl-，且，第一输出信号thru+与第三输出信号cpl+、第三输出信号cpl+与第二输出信号thru-、第二输出信号thru-与第四输出信号cpl-、第四输出信号cpl-与第一输出信号thru+的相位差均为90
°
。
59.具体地，本实施例中in+和in-为差分信号，第一输出信号thru+、第二输出信号thru-、第三输出信号cpl+、第四输出信号cpl-的相位分别为0
°
、180
°
、90
°
、270
°
。
60.相比于现有技术，本实施例中的cpl
±
端口和iso
±
端口进行了交换，并在中心节点处添加了耦合电容cm。电容cf、cg主要由变压器线圈(电感)的寄生电容实现。
61.在现有技术中，输出正交信号的端口(cpl和thru)位于耦合器两侧。而在本实施例的耦合器结构中，输出正交信号的端口(cpl和thru)位于耦合器的同一侧，因此在版图实现中可以实现更小的面积和更小的走线损耗，在该电路模型中，需要通过设计元件值，使得其奇模和偶模下的端口反射系数与现有技术中耦合器相同，以实现正交输出。
62.参图7所示，本实用新型第二实施例中的宽带正交生成器包括一个第一全差分耦合器t1及两个第二全差分耦合器t2，第二全差分耦合器t2为第一实施例中的全差分耦合器，第一全差分耦合器t1为现有技术中的全差分耦合器，第一全差分耦合器t1包括输入端口、直通端口、耦合端口及隔离端口，且第一全差分耦合器中的输入端口和耦合端口位于第一全差分耦合器的一侧，直通端口和隔离端口位于第一全差分耦合器的另一侧。
63.具体地，参图2、图3所示，第一全差分耦合器t1包括第一输入端口in+及第二输入端口in-、第一直通端口thru+及第二直通端口thru-、第一耦合端口cpl+及第二耦合端口cpl-、第一隔离端口iso+及第二隔离端口iso-，第一输入端口in+及第二输入端口in-、和第一耦合端口cpl+及第二耦合端口cpl-位于全差分耦合器的一侧，第一直通端口thru+及第二直通端口thru-、和第一隔离端口iso+及第二隔离端口iso-位于全差分耦合器的另一侧。
64.第一隔离端口iso+及第二隔离端口iso-与基准电位之间分别设有隔离电阻r
iso
；
65.第一全差分耦合器中，第一输入端口in+与第一直通端口thru+之间及第一耦合端口cpl+与第一隔离端口iso+之间设有一组互耦电感(每个电感的电感值为l，耦合系数为k)，第二输入端口in-与第二直通端口thru-之间及第二耦合端口cpl-与第二隔离端口iso-之间设有一组互耦电感(每个电感的电感值为l，耦合系数为k)；
66.第一输入端口in+与第一耦合端口cpl+之间、第一直通端口thru+与第一隔离端口iso+之间、第二输入端口in-与第二耦合端口cpl-之间、第二直通端口thru-与第二隔离端口iso-之间分别设有耦合电容cm；
67.第一输入端口in+、第二输入端口in-、第一直通端口thru+、第二直通端口thru-、第一耦合端口cpl+、第二耦合端口cpl-、第一隔离端口iso+、第二隔离端口iso-与基准电位之间分别形成有寄生电容cg。
68.本实施例中第一全差分耦合器的第一输入端口in+和第二输入端口in-分别接收第一差分信号in+和第二差分信号in-，第一直通端口thru+、第二直通端口thru-、第一耦合端口cpl+、第二耦合端口cpl-分别输出第一输出信号thru+、第二输出信号thru-、第三输出信号cpl+、第四输出信号cpl-，第一输出信号thru+、第二输出信号thru-、第三输出信号cpl+、第四输出信号cpl-的相位分别为0
°
、180
°
、90
°
、270
°
。
69.本实施例中将一个第一全差分耦合器t1及两个第二全差分耦合器t2，具体实现如下：
70.第一全差分耦合器t1的第一输入端口和第二输入端口分别接收第一差分信号和第二差分信号；
71.第一全差分耦合器t1的第一直通端口及第二直通端口分别与第一个第二全差分耦合器t2的第一输入端口和第二输入端口相连，第一全差分耦合器t1的第一耦合端口及第二耦合端口分别与第二个第二全差分耦合器t2的第一输入端口和第二输入端口相连；
72.第一个第二全差分耦合器t2的第一耦合端口和第二耦合端口与第二个第二全差分耦合器t2的第一耦合端口和第二耦合端口分别相连，并输出第一正交信号i
±
；
73.第一个第二全差分耦合器t2的第一直通端口和第二直通端口与第二个第二全差分耦合器t2的第一直通端口和第二直通端口分别相连，并输出第二正交信号q
±
。
74.可见，本实施例中将一个第一全差分耦合器t1及两个第二全差分耦合器t2进行级联，可以优化布线策略，显著减小版图面积及布局难度。
75.由以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下优点：
76.本实用新型全差分耦合器优化了端口排布方式，输入端口和隔离端口位于一侧，直通端口和耦合端口位于另一侧，在版图实现中可以实现更小的面积和更小的走线损耗；
77.多个全差分耦合器级联构成的宽带正交生成器，显著减小了宽带正交生成器的版图面积及布局难度。
78.对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
79.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。