專利名稱：用于射頻信號放大器的嵌入的傳輸線耦合器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及射頻(RF)信號耦合器，尤其涉及用于蜂窩電話中RF信號放大器嵌入的傳輸線耦合器。
在常規(guī)的蜂窩電話中，RF信號耦合器可以由幾種方法來實現(xiàn)，包括采用電容耦合器或傳輸線耦合器的方法?，F(xiàn)有的傳輸線耦合器通常設計成在所有通道上用50Ω的負載來終接。因此，在RF信號放大器的輸出端需要包括提供與50Ω負載相匹配的電路。這個輸出匹配電路通常包括一條或多條傳輸線、若干電容器、電阻器和/或電感，所有這些都要占有寶貴的電路板空間。此外，RF信號放大器和天線之間的總插入損耗包括由于輸出匹配電路和傳輸線耦合器產(chǎn)生的損耗。由于上述原因，需要嵌入的傳輸線耦合器，它與RF信號放大器的輸出匹配電路集成一體。


圖1是很好地應用本發(fā)明的RF發(fā)射機電路100的方框圖。
圖2是包括RF發(fā)射機電路100的蜂窩電話200的方框圖。
圖3是在圖1中的放大器103和功率檢測電路109的詳細電路圖。
圖4是在圖1中的發(fā)射機電路的電路板的一部分，顯示了傳輸線耦合器115。
圖5是在圖4中的電路板部分的頂層321的俯視圖，顯示了傳輸線耦合器中的傳輸線201和202的一種實施方式。
圖6是在圖4中的電路板部分的頂層321的俯視圖，顯示了傳輸線耦合器115中的傳輸線201和202的優(yōu)選實施方式。
圖7是在圖4中的電路板部分的頂層321的俯視圖，顯示了傳輸線耦合器115中的傳輸線201和202的另一種實施方式。
簡要地描述，本發(fā)明包括RF信號耦合器電路，它用于檢測由放大器產(chǎn)生的RF信號并產(chǎn)生一個RF檢測信號。放大器還包括一個連到傳輸線匹配電路的輸出端。RF信號耦合器電路包括一個基片，它具有頂表面和底表面以及一個預定的電介常數(shù)；直通通路傳輸線，它具有一個預定的形狀并放置在基片的頂表面上，該直通通路傳輸線與RF信號耦合，并包括在放大器的傳輸線匹配電路中；以及放置在基片底表面上的耦合通路傳輸線，其耦合端與第一復阻抗耦接，隔離端與第二復阻抗耦接，耦合通路傳輸線與直通通路傳輸線電磁耦合，用于在耦合端產(chǎn)生RF檢測信號，其幅度與RF信號的幅度有關；參見圖1，是一個說明性的專用RF接收機電路100的方框圖，它可以很好地應用本發(fā)明。RF接收機電路100是在圖2中的蜂窩電話200的一部分，蜂窩電話還包括接收機電路141、用戶接口電路151，它與麥克風152，揚音器153和按鍵面板154相連，所有這些電路都由微機111來控制并且它們可以是任何常規(guī)的蜂窩電話中的元件，如由位于1313 East Algonquin Road，Schaumburg，Illinois 60196的Motorola C&E部門發(fā)表并可由此得到的，題為“DYNATAC的蜂窩移動電話800MHZ接收機”的使用手冊68P81066E40號中所顯示和描述的蜂窩電話。在由本部門發(fā)表并可由此得到的，另一篇題為“DYNATAC 6800XL蜂窩移動電話用戶手冊”的用戶手冊68P81116E58號中，描述了這種通用電話的操作和特性。
在圖1中的RF接收機電路100包括級聯(lián)放大器101、102和103，它們由定向耦合器115和濾波器105耦接至天線107。RF發(fā)射機電路100與在圖2中的微機111和接收器141一起均可實現(xiàn)在多層印刷電路板上。定向耦合器115最好是如下所描述的傳輸線定向耦合器，且耦接至功率檢測電路109，此電路可產(chǎn)生功率檢測信號131。微機111響應功率檢測信號131來調(diào)整增益控制信號132的幅度以產(chǎn)生發(fā)射機輸出信號123所要求的功率電平。增益控制信號132耦接至驅(qū)動器電路113(由在此僅作為參考的美國專利4,523,155號中所顯示和描述的方法來實現(xiàn))來調(diào)整驅(qū)動放大器的驅(qū)動電壓/電流以相應地調(diào)整其放大增益。在模擬蜂窩電話中，發(fā)射機輸出信號123可以設置為8個可能的功率電平中的一個以響應來自蜂窩基站(見美國專利4,523,155號)的控制信號。在數(shù)字蜂窩電話中，為了響應來自蜂窩基站(見在此僅作參考的美國專利5,192,223號)的控制信號，在一個指定的時隙中，發(fā)射機輸出信號123可設置為8個可能電平中的一個。模擬蜂窩電話和數(shù)字蜂窩電話都可以很好地應用本發(fā)明。
參見圖3，是一個說明性的在圖1中的末端放大器103和功率檢測電路109的詳細電路圖。放大器103最好是一個場效應晶體管(OKl的KGF1321SFET)，它由一個電容和傳輸線203耦接至被放大的TX信號122上并產(chǎn)生了發(fā)射機輸出信號123。放大器103的輸出匹配包括兩個低通器部分和二次和三次諧波的諧波匹配。此諧波匹配由傳輸線204和電容器243來實現(xiàn)。傳輸線205和電容器245提供一個低通濾波器部分，傳輸線201和電容器247提供另一個低通濾波器部分。傳輸線201也耦接至濾波器105，它依次地由兩個電容和一個電感耦接至天線107。
根據(jù)定向耦合器115的新穎特性，傳輸線201和202被嵌入在放大器103的輸出匹配中。由于耦合器115被嵌入在放大器103的輸出匹配中，那么需要仔細地選擇在耦合通路傳輸線202的耦合端口和隔離端口(此端連接到電感210)上的復阻抗，使得出現(xiàn)在耦合通路傳輸線202的耦合端口(此端連接到電感212)上的信號只包括在前向傳送的信號而不包括在反向傳送的信號。在常用的定向耦合器中，直通通路傳輸線和耦合通路傳輸線的所有端口的阻抗均設計為50ohm。當理想地以50ohm阻抗終接時，RF信號的一部分出現(xiàn)在耦合通路傳輸線的耦合端口上，而在耦合通路傳輸線的隔離端口上沒有信號出現(xiàn)。同樣，由于直通通路傳輸線的兩個端口都理想地以50ohm阻抗終接，因此不會出現(xiàn)RF信號的反射。然而，由于被嵌入耦接器115的直通通路傳輸線201不是理想地終接，而是耦接在電容器245和247之間，這樣將會出現(xiàn)發(fā)射機輸出信號123的一些反射。
在耦合器115中，發(fā)射機輸出信號123的所要求部分與耦合通路傳輸線202的耦合端口相耦合。發(fā)射機輸出信號123沿傳輸線201向下傳送并由電容器247反射回一部分。第一次被反射的發(fā)射機輸出信號123傳送回來并由電容器245反射回一部分。第二次被反射的發(fā)射機輸出信號123的非要求部分與耦合通路傳輸線的耦合端口相耦合。第一次被反射的發(fā)射機輸出信號123的一部分也與耦合通路傳輸線202的隔離端口相耦合并傳送回至耦合通路傳輸線202的耦合端口上。根據(jù)定向耦合器115的新穎特性，如果適當?shù)母綦x端口復阻抗終接在耦合通路傳輸線202的隔離端口上，那么傳送回至耦合端口上的第一次被反射的發(fā)射機輸出信號123的這部分將抵消第二次被反射的發(fā)射機輸出信號123的耦合部分。這個適當?shù)母綦x端口復阻抗包括一個實數(shù)部分和一個虛數(shù)部分，在優(yōu)選的實施方式中，它由電感210(15nH)和電阻222(39ohm)串聯(lián)地耦接至耦合通路傳輸線202的隔離端口上來實現(xiàn)。通過采用適當?shù)母綦x端口復阻抗來抵消反射信號中的非要求部分，耦合器115可以嵌入放大器103的輸出匹配中，從而節(jié)省了電路板的空間和許多元件。適當?shù)鸟詈隙丝趶妥杩惯€可增強所要求的抵消作用，此阻抗在優(yōu)選的實施方式中由電感212(5nH)和電感211(22nH)以及二極管阻抗206串聯(lián)地耦接至耦合通路傳輸線202的耦合端口上來實現(xiàn)。
傳輸線201提供給發(fā)射機輸出信號123一個直通通路。耦合通路傳輸線202與傳輸線201電磁耦合來產(chǎn)生一個RF檢測信號，此信號的幅度與發(fā)射機輸出信號123的振幅有關。從傳輸線202來的RF檢測信號由電感212和211耦接到二極管206并和電容231一起對此信號進行半波整流以產(chǎn)生一個直流電壓，此電壓與存貯在電容器231中的電壓成比例。
存貯在電容器231中的直流電壓經(jīng)電阻232～235和電容器236耦接后，提供功率測試信號131。電阻224和二極管207根據(jù)電壓V2產(chǎn)生一個偏壓，電壓V2經(jīng)電阻223和222以及電感210耦接至傳輸線202，用于通過電感212和211給二極管206加上偏置電壓。二極管207和206最好是具有相同電特性的熱載流子二極管，如Motorola的MMBD 770T1型二極管。二極管207對二極管206進行溫度補償，使得功率檢測信號131不隨溫度的變化而變化。
根據(jù)功率檢測電路109的新穎特性，由電感211(22nH)實現(xiàn)的阻抗耦接至二極管206，用于匹配固有的二極管電阻和電容(1.5pF)，從而通過兩個因素中的其中之一盡量地增強功率檢測電路109的靈敏度。雖然匹配阻抗是用電感211實現(xiàn)的，但其也可以由相應的電容電路來實現(xiàn)。匹配阻抗使傳送到二極管206的功率增至最大并優(yōu)化其在低功率電平下(如，在低于8個可能的功率電平中的一個預定的功率電平)的操作，在這種情況下靈敏度非常重要。由于功率檢測電路109比較靈敏，只需較低電平的信號檢測且具有20dB耦合量的耦合器115可代替在沒有電感211的檢測電路中所使用的15dB耦合量的耦合器。具有20dB耦合量的耦合器115可以使插入損耗降低約0.1dB，變換為節(jié)省漏電流約8mA，因此實際上延長了電池的通話時間。
參見圖4，示出的是在圖1中的發(fā)射機電路100的電路板的一部分，它顯示了傳輸線耦合器115。發(fā)射機電路100是在一個多層電路板上或具有三個基片層321、322、323的基片上來實現(xiàn)的，在優(yōu)選的實施方式中，它們由電介常數(shù)為4.66的FR—4玻璃纖維材料來構成。基片材料也可以是其它合適的材料，如氧化鋁、硬鋁和石英。層321包括前向通路傳輸線201，它由鍍在頂表面301上的導電材料構成，以及耦合通路傳輸線202，它由鍍在底表面302上的導電材料構成。其它電路鍍層(未標出)也可以包括在電路板321層的頂表面301和底表面302上的其它部分上。層322是一個中間層，它沒有任何電路鍍層。層323在頂表面303上有接地鍍層，它向傳輸線201和202提供一個接地層且在底表面304上有其它電路鍍層(未標出)。層321、322和323鍍上相應的電路并通過分層處理或其它合適的處理，把它們結合在一起形成電路板。
參見圖5，示出了在圖4中的電路板部分的頂層321的俯視圖，它顯示了傳輸線耦合器115中的傳輸線201和202的實施方式。根據(jù)傳輸線耦合器115的新穎特性，以蛇形線的方法形成傳輸線202，使得各部分341、342和部分343、344從圖5中的頂部看過去分別位于傳輸線201的兩側(cè)。
傳輸線耦合器115最好具有足夠的靈敏度以檢測到發(fā)射機輸出信號123處于低信號電平狀態(tài)以及相對較低的損耗狀態(tài)來避免不必要的發(fā)射機輸出信號123的衰減和來自電池的相應不必要的漏電流。通過使用傳輸線耦合器115，可在825mHz至925mHz頻帶內(nèi)實現(xiàn)20dB的電磁耦合且具有小于0.15dB的插入衰耗。
傳輸線201的202間的電磁耦合量取決于許多因素，包括傳輸線202的寬度、層321的厚度以及各部分341、342、343和344平行地偏離于傳輸線201邊界的距離。在圖5中的各部分341、342、343和344的寬度小于傳輸線201的寬度且偏離于傳輸線201邊界大致相同的距離。各部分341和342合在一起的長度與部分343和344合在一起的長度基本相同。由部分341和342合在一起提供耦合量與部分343和344合在一起提供的耦合量基本相等。傳輸線201和202間的電磁耦合在輸線201和部分341、342、343和344間最大，而在傳輸線201與在其下的垂直部分間為最小。因此，層321的頂表面301和底表面302上的電路鍍層在對準位置的小的變化不會降低傳輸線201和202間的總體電磁耦合，這是因為當部分343、344的耦合量減少時，部分341、342的耦合量增加，反之亦然。傳輸線202的許多其它結構和形狀可能包括鋸齒形的、半圓形的和橢圓形的以及在如下所述的圖6和圖7中的結構。
參見圖6，說明了在圖4中的電路板部分的頂層321的俯視圖，它顯示了傳輸線耦合115中的傳輸線201和202的優(yōu)選實施方式。傳輸線201是U形的，傳輸線202包括部分641和642，它們與U形傳輸線201的兩條平行邊電磁耦合，以及部分643和644，它們與U形傳輸線201的中間邊耦合。各部分641、642、643和644與傳輸線201均間隔約0.004英寸。部分641和642的長度大致相同，部分643和644的長度大致相同。部分641、642、643和644合在一起的總長度約0.4英寸。由部分641提供的耦合量大致等于由部分642提供的耦合量，由部分643提供的耦合量大致等于由部分644提供的耦合量。部分641和644至少提供23dB的耦合量以及部分642和643至少提供23dB的耦合量，用來在825MHz至925MHz的頻帶內(nèi)產(chǎn)生至少20dB的電磁耦合且插入損耗小于0.15dB，在圖6中的此實施方式中，層321的頂表面301和底表面302上的電路鍍層在X和Y方向上的對準位置的稍微偏離不會造成傳輸線201和傳輸線202間的總體耦合量的降低。
參見圖7，說明在圖4中的電路板部分的頂層321的俯視圖，它顯示了傳輸線耦合器115中的傳輸線201和202的另一種實施方式。傳輸線202包括兩個平行的部分741和742，它們與傳輸線201電磁耦合。部分741和742的長度大致相同且由部分741提供的耦合量與由部分742提供的耦合量大致相等。
總之，專用傳輸線耦合器115包括前向通路傳輸線201和耦合通路傳輸線202，它們嵌入放大器103的輸出匹配電路。傳輸線201用作放大器103的輸出匹配的低通濾波器部分，也用作耦合器115的前向通路傳輸線，從而節(jié)約了電路板的空間和元件的數(shù)目，并減小了放大器103和天線107間總的插入損耗。
權利要求
1.射頻(RF)信號耦合電路用于檢測由一個信號源產(chǎn)生的RF信號并產(chǎn)生一個RF檢測信號，所述放大器的一個輸出端耦接至傳輸匹配電路，所述的RF信號耦合電路包括一個基片、它具有頂表面和底表面以及一個預定的介電常數(shù)；直通通路傳輸線，它具有一個預定的形狀并放置在基片的頂表面上，此傳輸線與RF信號耦合并包括在放大器的傳輸線匹配電路中；以及放置在基片底表面上的耦合通路傳輸線，其耦合端耦接至第一復阻抗，隔離端耦接至第二復阻抗，耦合通路傳輸線與直通通路傳輸線電磁耦合，用于在耦合端產(chǎn)生RF檢測信號，其幅度與RF信號的幅度有關。
2.如權利要求1的RF信號耦合電路，其中傳輸線匹配電路包括串聯(lián)到放大器輸出端的第一低通濾波器部分和第二低通濾波器部分，直通通路傳輸線包括在傳輸線匹配電路的第二低通濾波器部分中。
3.用于放大一個射頻(RF)信號并產(chǎn)生一個預定功率電平的發(fā)射機輸出信號的發(fā)射電路，所述的發(fā)射電路包括一個信號源，用于產(chǎn)生RF信號；一個放大器，它與信息信號和一個增益控制信號耦接，由可變增益控制放大信息信號來產(chǎn)生發(fā)射機輸出信號，可變增益與增益控制信號的幅度有關；一個耦接至放大器的傳輸線耦合器，用于產(chǎn)生一個RF檢測信號，此信號的幅度與發(fā)射機輸出信號的振幅有關，所述的傳輸線耦合器進一步包括一個基片，它具有頂表面和頂表面以及一個預定的介電常數(shù)；直通通路傳輸線，它具有一個預定的形狀并放置在基片的頂表面上，此傳輸線耦接至發(fā)射機輸出信號，并包括在放大器的傳輸線匹配電路中；以及放置在基片底表面的耦合通路傳輸線，其耦合端耦接至第一復阻抗，隔離端耦接至第二復阻抗，耦合通路傳輸線與直通通路傳輸線電磁耦合，用于在耦合端產(chǎn)生RF檢測信號，其幅度與RF信號的幅度有關；以及耦接至RF檢測信號的控制電路，用于調(diào)節(jié)增益控制信號的幅度以保持發(fā)射機輸出信號在預定的功率電平上。
4.如權利要求3的發(fā)射電路，其中控制電路還包括通過一電感耦合到RF檢測信號的二極管檢測器，用于對RF控制信號進行整流，以產(chǎn)生檢測器信號，所述耦接至檢測器信號的控制電路用于調(diào)節(jié)增益控制信號的幅度，以使發(fā)射和輸出信號保持在預定的功率電平。
5.如權利要求3的發(fā)射電路，其中傳輸線匹配電路包括串聯(lián)到放大器輸出端的第一低通濾波器部分和第二低通濾波器部分，直通通路傳輸線包括在傳輸線匹配電路的第二低通濾波器部分中。
6.在蜂窩電話中，發(fā)射電路用于放大射頻(RF)信號并產(chǎn)生一個預定功率電平的發(fā)射機輸出信號的發(fā)射電路，所述的發(fā)射電路包括一個信號源，用于產(chǎn)生RF信號；一個放大器，它與信息信號和一個增益控制信號耦接，由可變增益控制放大信息信號來產(chǎn)生發(fā)射機輸出信號，可變增益與增益控制信號的幅度有關；一個耦接至放大器的傳輸線耦合器，用于產(chǎn)生一個RF檢測信號，此信號的幅度與發(fā)射機輸出信號的振幅有關，所述的傳輸線耦合器進一步包括一個基片，它具有頂表面和頂表面以及一個預定的介電常數(shù)；直通通路傳輸線，它具有一個預定的形狀并放置在基片的頂表面上，此傳輸線耦接至發(fā)射機輸出信號，并包括在放大器的傳輸線匹配電路中；以及放置在基片底表面的耦合通路傳輸線，其耦合端耦接至第一復阻抗，隔離端耦接至第二復阻抗，耦合通路傳輸線與直通通路傳輸線電磁耦合，用于在耦合端產(chǎn)生RF檢測信號，其幅度與RF信號的幅度有關；以及耦接至RF檢測信號的控制電路，用于調(diào)節(jié)增益控制信號的幅度以保持發(fā)射機輸出信號在預定的功率電平上；以及耦接到傳輸線耦合器上的天線，用于輻射發(fā)射機輸出信號。
7.如權利要求6的發(fā)射電路，其中控制電路還包括通過一電感耦合到RF檢測信號的二極管檢測器，用于對RF控制信號進行整流，以產(chǎn)生檢測器信號，所述耦接至檢測器信號的控制電路用于調(diào)節(jié)增益控制信號的幅度，以使發(fā)射和輸出信號保持在預定的功率電平。
8.如權利要求6的發(fā)射電路，其中傳輸線匹配電路包括串聯(lián)到放大器輸出端的第一低通濾波器部分和第二低通濾波器部分，直通通路傳輸線包括在傳輸線匹配電路的第二低通濾波器部分中。
全文摘要
一個偏置傳輸線耦合器(115)用于由一個RF信號放大器(103)產(chǎn)生一個發(fā)射機輸出信號(123)，它包括一個直通通路傳輸線(201)和一個耦合通路傳輸線(202)，傳輸線(202)是由多個部分以螺旋線形狀組成的且與傳輸線201電磁耦合，它們分別放置在直通通路傳輸線(201)的兩側(cè)，用來增強耦合靈敏度和消除因傳輸線鍍層偏離對準位置而引起的耦合量的降低。
文檔編號H01P5/18GK1116470SQ94190895
公開日1996年2月7日 申請日期1994年10月6日 優(yōu)先權日1993年11月9日
發(fā)明者阿明·克洛姆斯多夫, 托馬斯·D·納格德 申請人:摩托羅拉公司