公开了一种耦合器，该耦合器包括在介电基片的相对侧上布置的第一和第二相互耦合的螺线。该基片可由一个或多个层形成，且线圈具有适于给定应用的圈数。形成螺线的导体在基片上彼此相对，每条螺线在基片的每一侧上包括一个或多个部分。该耦合器的每个导体可包括中间部，该中间部具有大于端部的宽度的宽度。延伸部可从每个相应的中间部中延伸出，两个延伸部以互不重叠的关系进行延伸。
第一螺线，所述第一螺线包括在所述第一表面上的第一螺线部分和在所述第二表面上的第二螺线部分，第一螺线部分通过第一互连部连接到第二螺线部分；和第二螺线，所述第二螺线包括在所述第一表面上的第三螺线部分和在所述第二表面上的第四螺线部分，第三螺线部分通过第二互连部连接到第四螺线部分；
所述第一和第二螺线是相互电感耦合的，每条螺线具有中间部和端部，在所述中间部中每条所述螺线的宽度不同于在所述端部中每条所述螺线的宽度。
2.根据权利要求1所述的耦合器，其中所述第一螺线包括在所述第一表面上的输入和输出端子，所述第二螺线包括在所述第二表面上的输入和输出端子。
3.根据权利要求1所述的耦合器，其中所述中间部中的所述螺线的宽度比所述端部中的所述螺线的宽度更宽。
4.根据权利要求1所述的耦合器，其中所述第一螺线包括在所述第一表面上的第五螺线部分，所述第五螺线部分通过所述第二螺线部分与所述第一螺线部分隔开。
5.根据权利要求1所述的耦合器，所述第一和第四螺线部分中的部分关于所述介电基片呈相对的关系，所述第二和第三螺线部分中的部分关于所述介电基片呈相对的关系。
6.根据权利要求1所述的耦合器，其中所述介电基片小于10密耳厚。
7.根据权利要求6所述的耦合器，其中所述介电基片小于6密耳厚。
8.根据权利要求6所述的耦合器，其中所述第一和第二螺线为设计频率长度的四分之N波长。
9.根据权利要求8所述的耦合器，其中所述设计频率在100MHz和10GHz之间。
10.根据权利要求8所述的耦合器，其中所述设计频率大于1GHz。
11.根据权利要求1所述的耦合器，进一步包括第一接地层，所述第一接地层大体上平行于所述第一螺线的第一螺线部分中的至少一部分，并且与所述第一螺线的第一螺线部分中的所述一部分隔开，以及第一空气层，所述第一空气层将所述第一螺线的第一螺线部分中的所述一部分与所述第一接地层隔开。
12.根据权利要求11所述的耦合器，进一步包括第二接地层，所述第二接地层大体上平行于所述第二螺线的第四螺线部分中的至少一部分，并且与所述第二螺线的第四螺线部分中的所述一部分隔开，以及第二空气层，所述第二空气层将所述第二螺线的第四螺线部分中的所述一部分与所述第二接地层隔开。
13.根据权利要求11所述的耦合器，其中所述第一接地层与所述第一螺线的第一螺线部分中的所述一部分隔开第一距离，所述耦合器进一步包括第二耦合器部分，所述第二耦合器部分包括第一导体，所述第一导体被安装在所述介电基片的第一表面上并且被连接到所述第一螺线，以及第二导体，所述第二导体被安装在所述介电基片的第二表面上并且被连接到所述第二螺线，所述第一接地层与所述第二耦合器部分间隔开第二距离，所述第二距离小于所述第一距离。
14.根据权利要求13所述的耦合器，进一步包括在所述第二耦合器部分与所述第一接地层之间进行延伸的第二介电基片。
15.根据权利要求13所述的耦合器，其中所述第二耦合器部分中的第一和第二导体大体上平行地延伸，在所述第二耦合器部分中所述第一和第二导体中的每一个包括中间部和端部，所述端部具有小于所述中间部的宽度。
16.根据权利要求15所述的耦合器，其中所述第二耦合器部分中的第一和第二导体中的每一个进一步包括自相应的中间部横向延伸出的延伸部，所述两个延伸部在相反的方向上进行延伸。
17.根据权利要求1所述的耦合器，进一步包括自所述第一和第二螺线中的每一个的中间部共面地横向延伸出的延伸部，所述延伸部以互不重叠的关系进行延伸。
18.根据权利要求17所述的耦合器，进一步包括与所述基片相对的第一层，所述第一层具有低介电常数，并且邻近所述第一和第二螺线的至少一部分布置，以及导热的第二层，所述导热的第二层与所述基片相对，并且邻近每个延伸部布置。
19.根据权利要求18所述的耦合器，其中所述第一层是空气。
20.根据权利要求1所述的耦合器，进一步包括第二耦合器部分，所述第二耦合器部分包括第一导体，所述第一导体被安装在所述介电基片的第一表面上，并且被连接到所述第一螺线，以及第二导体，所述第二导体被安装在所述介电基片的第二表面上并且被连接到所述第二螺线。
21.根据权利要求20所述的耦合器，进一步包括在所述第二耦合器部分和第一接地层之间进行延伸的第二介电基片。
22.根据权利要求20所述的耦合器，其中所述第二耦合器部分中的第一和第二导体大体上平行地延伸，所述第一和第二导体中的每一个包括中间部和端部，每个所述端部具有小于所述中间部的宽度。
23.根据权利要求22所述的耦合器，其中所述第二耦合器部分中的第一和第二导体中的每一个进一步包括自相应的中间部横向延伸出的延伸部，所述两个延伸部在不同的方向上进行延伸。
第一导体，所述第一导体具有第一和第二端部，并且在所述第一和第二端部之间形成第一螺线；和第二导体，所述第二导体具有第三和第四端部，并且在所述第三和第四端部之间形成第二螺线；
所述第一和第二导体都分成两个部分，分别布置在第一和第二表面上，所述第一和第二螺线各自包括在所述第一和第二表面中相应的一个上的第一螺线部分，以及在所述第一和第二表面中相应的另一个上的第二螺线部分；以及所述第一和第二导体具有一定宽度，所述第二螺线部分中所述第一和第二导体的宽度与所述第一螺线部分中所述第一和第二导体的宽度不同。
25.根据权利要求24所述的耦合器，其中所述第一和第二端部在所述第一表面上，所述第三和第四端部在所述第二表面上。
26.根据权利要求24所述的耦合器，其中所述第一和第二螺线包括在相应的一个表面上的第三螺线部分，所述相应的第二螺线部分电连接在所述相应的第一和第三螺线部分之间。
27.根据权利要求26所述的耦合器，其中在所述第二螺线部分中的所述第一和第二导体的宽度宽于所述第一和第三螺线部分中的所述第一和第二导体的宽度。
28.根据权利要求26所述的耦合器，其中所述第一和第二导体中的每一个包括自关联的形成所述第二螺线部分的导体的一部分中横向延伸出的延伸部，所述延伸部以互不重叠的关系进行延伸。
29.根据权利要求24所述的耦合器，其中所述介电基片小于10密耳厚。
30.根据权利要求29所述的耦合器，其中所述介电基片小于6密耳厚。
31.根据权利要求29所述的耦合器，其中所述第一和第二螺线为设计频率长度的四分之N波长。
32.根据权利要求31所述的耦合器，其中所述设计频率在100MHz和10GHz之间。
33.根据权利要求32所述的耦合器，其中所述设计频率大于1GHz。
34.根据权利要求24所述的耦合器，进一步包括第一接地层，所述第一接地层大体上平行于所述第一螺线的第一螺线部分中的至少一部分，并且与所述第一螺线的第一螺线部分中的所述一部分隔开，以及空气层，所述空气层将所述第一螺线的第一螺线部分的所述一部分与所述第一接地层隔开。
第一导体，所述第一导体具有在所述第一表面上的第一部分并具有第一和第二端部；
第二导体，所述第二导体具有在所述第二表面上的第二部分并具有第三和第四端部；
所述第一和第二导体沿其长度间隔开并相互感应地耦合，以形成第一耦合部分，所述第一耦合部分中的每个导体包括中间部和端部，每一端部具有不同于所述中间部的宽度的宽度。
36.根据权利要求35所述的耦合器，其中所述第一耦合部分的第一和第二导体中的每一个进一步包括自相应的中间部共面地横向延伸出的延伸部，所述两个延伸部以互不重叠的关系进行延伸。
37.根据权利要求36所述的耦合器，其中所述两个延伸部在相反的方向上进行延伸。
38.根据权利要求36所述的耦合器，其中所述两个延伸部包括一个窄近侧部和一个宽远侧部。
39.根据权利要求36所述的耦合器，其中所述第一和第二导体进一步包括邻近所述耦合部分的未耦合部分，所述第一和第二导体在未耦合部分中在相反的方向上进行延伸。
40.根据权利要求39所述的耦合器，其中所述第一和第二导体进一步包括第二耦合部分，将所述未耦合部分定位在所述第一和第二耦合部分之间。
双层耦合器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种耦合器，特别是包括布置在介电基片相对侧上相互电感耦合的第一和第二螺线的耦合器。
背景技术
[0002] 当一对导线被隔开但间距足够小以致于在一条导线中进行流动的能量在另一条导线中得到感应时，一对导线被耦合在一起。在导线之间进行流动的能量的量与该导体所处的电介质以及该导线之间的间距相关。虽然环绕导线的电磁场在理论上是无限的，但是常常基于耦合的相对量而将导线称作接近或紧密耦合、松散耦合或者去耦。 [0003] 耦合器是成形用以利用耦合线的电磁装置，且可以具有四个端口，其中一个端口与两条耦合线的每一端部相关联。主线具有直接或间接连接到输入端口的输入。另一端被连接到直接端口。另一条或辅助的线在耦合端口和隔离端口之间进行延伸。耦合器可反向，其中隔离端口成为输入端口，而输入端口成为隔离端口。相似地，耦合端口和直接端口具有相反的标识。
[0004] 定向耦合器是可以在所有端口同时阻抗匹配的四端口网络。功率可以从一个或另一个输入端口流到相应的一对输出端口，如果将输出端口适当地端接(terminated)，则该输入对的端口被隔离。假定混合器(hybrid)通常在两个输出之间平分其输出功率，而定向耦合器作为更一般的术语，可具有不相等的输出。通常，耦合器具有到该耦合输出的非常弱的耦合，这减少了从输入到主输出的插入损耗。对定向耦合器特性的一个量度是其方向性，其是所需的耦合输出与隔离的端口输出之比。
[0005] 相邻的平行传输线既电耦合又磁耦合。该耦合固有地与频率成正比，并且如果磁耦合和电耦合相等，则方向性会很强。更长的耦合区域 使线之间的耦合增强，直到逐渐增长的耦合的矢量和不再增加，并且该耦合会随着电长度以正弦方式增加而减少。在许多应用中，需要在宽带范围内具有恒定的耦合。对称的耦合器在耦合的输出端口之间存在固有的90度相位差，而不对称的耦合器具有趋于0度或180度的相位差。
[0006] 除非使用铁氧体或其它高磁导率材料，否则一般通过级联耦合器在更高频率获得更大的倍频程带宽。在均匀长度的耦合器中，当长度超过四分之一波长时耦合衰减(rolls off)，并且对于+/-0.3dB的耦合波纹(ripple)，只有倍频程带宽是实用的。如果将三个相等长度的耦合器连成一个长耦合器，两个外部部分相等地耦合并且比中心耦合更弱，则得到宽带设计。在低频添加所有三个耦合。在更高的频率结合三个部分，以便在中心频率给出减弱的耦合，其中每个耦合器是四分之一波长。可以将这种设计延伸到多个部分，以便得到非常大的带宽。
[0007] 级联耦合器的方法具有两个特征。一个是耦合器变得很长并且有损耗，这是因为其结合的长度在最低频带边沿是大于四分之一波长的。此外，中心部分的耦合变得非常紧密，特别对3dB多倍频程耦合器来说。X：1带宽的级联耦合器在其范围的高端大约是四分之X波长。可选地，建议使用集总的但是通常具有更高损耗的元件。
[0008] 具有在耦合区域端部突然端接的连续增加耦合的不对称耦合器与对称耦合器表现不同。代替在输出端口之间的恒定90度相位差，还可以实现接近0或180度的相位差。如果仅仅耦合的幅度是重要的，则耦合器可以比给定带宽的对称耦合器更短，可能是该长度的三分之二或四分之三。
[0009] 除了集总元件形式，还使用阶梯阻抗耦合器和变压器之间的类推模拟来设计这些耦合器。从而，将耦合器制成阶梯部分，每个部分具有中心设计频率的四分之一波长的长度，并且该耦合器可以是几个部分长的。将该耦合器部分结合成平滑变化的耦合器。该设计理论上提高了高频率截止，但是没有减小耦合器的长度。
发明内容
[0010] 公开了一种耦合器，所述耦合器包括在介电基片相对侧上布置的第 一和第二相互耦合的螺线。该基片可以由一个或多个层形成并且线圈可具有适于给定应用的圈数。形成螺线的导体在基片上彼此相对，每条螺线在该基片的每一侧上包括一个或多个部分。 [0011] 本发明提出了一种耦合器，包括：
[0012] 具有第一和第二表面的介电基片；和
[0013] 至少一个第一耦合器部分，所述第一耦合器部分包括：
[0014] 第一螺线，所述第一螺线包括在所述第一表面上的第一螺线部分和在所述第二表面上的第二螺线部分，第一螺线部分通过第一互连部连接到第二螺线部分；和 [0015] 第二螺线，所述第二螺线包括在所述第一表面上的第三螺线部分和在所述第二表面上的第四螺线部分，第三螺线部分通过第二互连部连接到第四螺线部分； [0016] 所述第一和第二螺线是相互电感耦合的，每条螺线具有中间部和端部，在所述中间部中每条所述螺线的宽度不同于在所述端部中每条所述螺线的宽度
[0017] 在一个实施例中，所述耦合器的第一和第二螺线为设计频率长度的四分之N波长。
[0018] 还公开了一种耦合器，包括在基片的相对侧上形成的第一和第二导体，其形成耦合部分。耦合部分可包括中间部分，该中间部分具有大于端部宽度的宽度。第一和第二导体中的每一个可进一步包括从相应的中间部分横向延伸出的延伸部。两个延伸部以互不重叠的关系进行延伸。
[0019] 具体来说，本发明还提出了一种螺线混合型耦合器，包括：
[0020] 具有相对的第一和第二表面的介电基片；和
[0021] 第一导体，所述第一导体具有第一和第二端部，并且在所述第一和第二端部之间形成第一螺线；和
[0022] 第二导体，所述第二导体具有第三和第四端部，并且在所述第三和第四端部之间形成第二螺线；
[0023] 所述第一和第二导体都分成两个部分，分别布置在第一和第二表面上，所述第一和第二螺线各自包括在所述第一和第二表面中相应的一个 上的第一螺线部分，以及在所述第一和第二表面中相应的另一个上的第二螺线部分；以及
[0024] 所述第一和第二导体具有一定宽度，所述第二螺线部分中所述第一和第二导体的宽度与所述第一螺线部分中所述第一和第二导体的宽度不同。
[0025] 在一个实施例中，所述耦合器的第一和第二螺线为设计频率长度的四分之N波长。
[0026] 本发明还提出了一种耦合器，包括：
[0027] 具有相对的第一和第二表面的介电基片；和
[0028] 在所述第一表面上的第一导体，所述第一导体具有第一和第二端部；和 [0029] 在所述第二表面上的第二导体，所述第二导体具有第三和第四端部； [0030] 所述第一和第二导体沿其长度间隔开并相互感应地耦合，以形成第一耦合部分，所述第一耦合部分中的每个导体包括中间部和端部，每一端部具有不同于所述中间部的宽度的宽度。
附图说明
[0031] 图1是基于螺线的耦合器的简图。
[0032] 图2是在基片上形成的耦合器的平面图。
[0033] 图3是结合图2所示耦合器的耦合器的平面图。
[0034] 图4是沿图3中线4-4进行截取的剖视图。
[0035] 图5是沿图4中线5-5截取得到的耦合器的第一导电层的平面图。 [0036] 图6是沿图4中线6-6截取得到的耦合器的第二导电层的平面图。 [0037] 图7是对应于图3所示耦合器模拟成耦合器频率的函数的选定操作参数的曲线图。
具体实施方式
[0038] 可基于传播的奇模和偶模对两条耦合线进行分析。对一对相同的线来说，偶模具有相等的应用于线输入的电压，而奇模具有相等的异相电 压。可以将这种模型延伸到不相等的线，以及多条耦合线。对于50-ohm系统中的高度方向性而言，例如，奇模和偶模的特征2
阻抗的乘积如Zoe*Zoo等于Zo 或2500ohms。Zo，Zoe和Zoo分别是耦合器、偶模和奇模的特征阻抗。此外，两种模式的传播速度越相等，耦合器的方向性越好。 [0039] 耦合线上下的电介质可以减小偶模阻抗，而对奇模具有极小的影响。空气作为介电常数为1的电介质，与其它具有更高介电常数的电介质相比，可以减少偶模阻抗减小的量。然而，用于制造耦合器的细导体可能需要受到支撑。
[0040] 由于两个原因，螺线可能还会增加偶模阻抗。一个原因是可以在多个导体部分之间分享对地电容。此外，相邻导体之间的磁耦合提高了它们的有效电感。螺线线还小于直线，且更容易支撑而不会严重影响偶模阻抗。然而，在螺线上下方使用空气作为电介质同时将该螺线支撑在介电常数大于1的材料上可能会产生速度差异，这是由于奇模主要通过耦合线之间的电介质进行传播，因此与在空气中的传播相比会减慢，而偶模主要通过空气进行传播。
[0041] 传播奇模作为平衡传输线。为了使偶模和奇模速度相等，需要以等于由奇模的电介质加载而引入的速度降低的量来减慢偶模。这可以通过形成偶模的稍微集总的延迟线来实现。在螺线部分的中心加上对地电容产生L-C-L低通滤波器。这可以通过在螺线的中间或中部加宽导体而实现。螺线两半之间的耦合将该低通结构改成近似全通的“T”部分。当螺线的电长度足够大，如大于设计中心频率的八分之一时，可以不将该螺线视为用作集总元件。结果是，它可以是近似全通的。可以使近似全通的偶模的延迟和平衡电介质加载的奇模的延迟在十进制带宽上大致相等。
[0042] 由于降低了设计中心频率，所以有可能在螺线中使用更多圈，以便使其更加集总和全通，并且在最高的频率下具有更好的行为。物理上按比例缩小还可以允许在高频条件下使用更多圈，但是可能难于实现迹线(traces)，通路(vias)以及介电层的设计。 [0043] 图1示出了基于这些理念的耦合器10，该耦合器具有形成第一螺线 14的第一导体12和形成第二螺线18的第二导体16。虽然可以实现许多螺线结构，但是在所示的实施例中，将相互感应耦合的螺线14和18布置在第一和第二层面20和22上，在两个层面之间具有介电层24。螺线14可包括层面20上的第一或端部14a，层面22上的第二或中间部14b，以及层面20上的第三或端部14c。相似地，螺线18可包括层面22上的第一或端部18a，层面20上的第二或中间部18b，以及层面22上的第三或端部18c。相应地，导体12可具有端部12a和12b，可以将螺线14视为中间导体部分12c；导体16可具有端部16a和16b，并且可以将螺线18视为中间导体部分16c。还可以将端部12a和12b以及16a和16b视为关联螺线的相应输入和输出端子。
[0044] 螺线14进一步包括将层面20上的部分14a与层面22上的部分14b互连在一起的互连部26；将层面22上的部分14b与层面20上的部分14c互连在一起的互连部28；将层面22上的部分18a与层面20上的18b互连在一起的互连部30；以及将层面20上的部分18b与层面22上的部分18c互连在一起的互连部32。耦合器中的耦合层面受到与介电层24的厚度相对应的层面20和22之间的间距D1以及环绕该螺线的电介质，包括层24的有效介电常数的影响。螺线上下方以及螺线之间的这些介电层可以由适当的材料或者材料和层的组合构成，包括空气和各种固体电介质。
[0045] 大体上互相平行进行延伸并且沿其边缘耦合的耦合器部分或导体，例如共面耦合器部分14a和18b，可以被称为具有边缘耦合。类似地，大体上互相平行且相对进行延伸并且沿其表面耦合的耦合器部分或导体，例如相对的耦合器部分14a和18a，也可以被称为层间耦合。
[0046] 图2中示出了与耦合器10相似并且实现了上述特征的特定耦合器40的平面图。耦合器40包括形成第一螺线44的第一导体42，以及形成第二螺线48的第二导体46。在本实施例中，将螺线44和48布置在两个层面之间的介电基片54的第一和第二表面50和
52上。位于隐藏面52上的导体与可见面50上的导体相同，并且正好位于该可见面上的导体之下(重叠)，除了那些以虚线表示的导体。螺线44可包括在表面50上的第一或端部
44a，表面52上的第二或中间部44b，以及表面50上的第三或端部44c。 相似地，螺线48可包括表面52上的第一或端部48a，表面50上的第二或中间部48b，以及表面52上的第三或端部48c。相应地，导体42可具有端部42a和42b，可以将螺线44视为中间导体部分42c；
导体46可具有端部46a和46b，可以将螺线48视为中间导体部分46c。还可以将端部42a和42b以及46a和46b视为每条关联螺线的相应输入和输出端子。
[0047] 螺线44进一步包括将表面50上的部分44a与表面52上的部分44b互连的通路(via)56；将表面52上的部分44b与表面50上的部分44c互连的通路58；将表面52上的部分48a与表面50上的部分48b互连的通路60；以及将表面50上的部分48b与表面52上的部分48c互连的通路62。
[0048] 螺线的中间部44b和48b具有宽度D2，端部44a、44c，48a和48c具有宽度D3。可以看到，宽度D3标称是宽度D2的大约一半。与沿该螺线端部的电容相比，螺线的中间导体尺寸的增加提供了增大的电容。如上所述，这使得该耦合器更像L-C-L低通滤波器。此外，可以看到，每条螺线具有大约7/4圈。如上所述，在单圈螺线上增加的圈使该螺线能够更像集总元件并从而更像全通滤波器一样工作。
[0049] 这样，耦合器40可形成50-ohm的紧密耦合器。可以通过3、5、7或9个部分构造对称宽带耦合器，螺线耦合器部分形成中心部分。该中心部分耦合可以首先确定延伸耦合器的带宽。在图3-6中示出了这种耦合器70的例子。图3是将图2所示耦合器结合作为中心耦合器部分72的耦合器70的平面图。将耦合器40的附图标记用于部分72中相同的部件。图4是沿图3中线4-4的剖视图，图中示出了耦合器的附加层的例子。图5是沿图4中的线5-5进行观察的、图3所示耦合器的第一导电层74的平面图。图6是沿附图4中的线6-6进行观察的、图3所示耦合器的第二导电层76，在导电层和两个导电层之间的基片之间的过渡位置的平面图。
[0050] 首先参见附图3，耦合器70是混合型正交耦合器，并且除了中心部分72外还具有四个耦合器部分。所述四个附加的耦合器部分包括外部耦合器部分78和80，以及中间耦合器部分82和84。将外部部分78耦合到第一和第二端口86和88。将外部部分80耦合到第三和第四端口90和92。在特定的应用中，端口86和88可以是输入和耦合端口，且端口90和92是直 接和隔离端口。取决于其使用以及与耦合器的连接，这些端口的名称可以从侧到侧(side-to-side)或从端到端(end-to-end)是相反的。也就是说，端口86和88可以分别是耦合和输入端口，或者端口90和92或端口92和90可分别是输入和耦合端口。还可以改变导电层，以便改变输出端口的位置。例如，通过交换(flipping)端口90和92的金属化，可选地包括一个或多个相邻的耦合器部分，使得耦合和直接端口88和90位于耦合器的相同侧上。
[0051] 如图4所示，耦合器70可包括第一、中心电介质基片94。基片94可以是单个层或者是具有相同或不同介电常数的多个层的组合。在一个实施例中，中心电介质小于10密耳TM厚，并且由聚四氟乙烯树脂材料形成，如参考商标TEFLON 。可选地，已经实现电介质可以小于6密耳厚，具有大约5密耳，如4.5密耳的厚度。已经实现了在从大约200MHz到大约
2GHz频率范围内的电路操作。也可以使用其它频率，如在100MHz和10GHz之间，或者大于
1GHz的频率，这取决于制造公差。
[0052] 将第一导电层74定位在中心基片94的上表面上，将第二导电层76定位在中心基片的下表面上。可选地，该导电层是自支撑的，或者可以将支撑介电层定位在层74之上以及层76之下。
[0053] 将第二介电层96定位在导电层74之上，将第三介电层98定位在导电层76之下，如图所示。层96包括固体介电基片100和定位在第一和第二螺线44和48之上的一部分空气层102。与基片100成直线的空气层102由通过电介质延伸的开口104限定。第三介电层98大体上与介电层96相同，包括具有空气层110开口108的固体介电基片106。介电基片100和106可以是任何适当的介电材料。在高功率的应用中，在所述螺线的窄迹线中的加热是重要的。可以将氧化铝或其它导热材料用于介电基片100和106，以便在电容中间部分处支撑螺线，并且当加上电容时作为热分流器进行工作。
[0054] 可以通过相应的导电基片112和114在第二和第三介电层的每一侧上提供电路接地或参考电位。基片112和114分别接触介电基片100和106。导电基片112和114分别包括凹入区域或腔116和118，空气层102和 110延伸到所述凹入区域或腔中。结果是，从每个导电层74和76到相应的导电基片112和114的距离D4分别小于空气层102和110的距离D5，所述导电基片可起到接地层的作用。在耦合器70的一种实施方式中，距离D4为62密耳或1/16英寸，而距离D5是125密耳或1/8英寸。
[0055] 特别如图5和6所示，延伸部或接头(tabs)120和122从耦合器部分78和80的相应的中间螺线部分44b和48b中延伸出来。接头120和122从螺线的不同位置处延伸出来，以便它们彼此不重叠。结果是，它们不会影响到螺线之间的耦合，并且增大了对地电容。利用螺线的电感，形成了偶模的全通网络。
[0056] 外部耦合器部分78和80互为镜像。因此，仅描述耦合器部分78，可以理解，该描述同样适用于耦合器部分80。耦合器部分78包括紧密耦合的部分124和未耦合的部分126。本人在2003年6月25日提交的未决美国专利申请No.10/607189中描述了这种一般的设计，在此结合该申请作为参考。未耦合部分126包括在相反方向上进行延伸的分别作为导电层74和76的一部分的延迟线128和130。耦合部分124包括重叠导线132和134，所述导线分别在端口86和延迟线128之间以及在端口88和延迟线130之间耦合。线132包括较窄的端部132a和132b，以及较宽的中间部132c。线134包括类似的端部134a和134b，以及中间部134c。
[0057] 在端部132a和134a以及关联的端口86和88之间的耦合线的发散区域中，具有层间耦合的平行线如耦合线132和134的耦合器具有行间(inter-line)电容。由于所述线发散，磁耦合被发散角的余弦和间距减小，同时该电容仅由于增加的间距而减小。因此，线间(line-to-line)电容在耦合区域的末端相对较高。
[0058] 可以通过减小该区域中中心电介质的介电常数进行补偿，例如在耦合区域的端部钻孔穿过该中心电介质。然而，这仅具有有限的效力。对短耦合器来说，可以将这种过度“端部效应(end-effect)”电容视为耦合器自身的一部分，造成低奇模阻抗，并且有效地提高有效介电常数，由此减慢奇模传播。
[0059] 在所示实施例中，通过接头136和138在耦合区域的中心提供附加的 对地电容，所述接头从相应的中间耦合线部分132c和134c的中间在相反的方向上进行延伸。该电容降低偶模阻抗，并且减慢偶模波的传播。如果偶模和奇模速度平衡，则耦合器可以具有较高的方向性。耦合线端部132a、132b、134a和134宽度的减少将偶模阻抗提高到适当的值。这还增大了奇模阻抗，因此当将在耦合器中心加载的电容用于速度平衡时需要进行一些优化以得到从耦合到未耦合过渡的正确形状。
[0060] 接头136包括宽端136a和窄颈136b，相应地，接头138包括宽端138a和窄颈138b。该窄颈使所述接头对环绕耦合部分的磁场具有较小的影响。这样，到耦合器中心的电容连接的形状像一个气球或旗子，将耦合区域中心的细旗杆(窄颈)附接到中心电路板一侧上的一个导体，并且耦合到该电路板另一侧上的另一个导体，正好与第一个旗子相对。
旗子不耦合是很重要的；因此它们连接到耦合线的相对边，而不是彼此的顶部。 [0061] 中间耦合器部分82和84也是互为镜像，因此通过描述耦合器部分84，可以理解部分82具有相同的特征。耦合器部分78包括紧密耦合部分140和未耦合部分142。特别如图5和6所示，紧密耦合部分140包括导电层74中的耦合线144，以及导电层76中的耦合线146。每个中间耦合器部分中的耦合线具有一对伸长的孔，一个较大的孔和一个较小的孔。特别地，耦合线144包括与未耦合部分142相邻的较大的孔148，以及位于耦合线另一端的较小的孔150。耦合线146具有通常与孔148对准的较小的孔152，以及通常与孔150对准的较大的孔154。此外，每条耦合线的宽度在孔之间的中间区域减小。这些孔减少由奇模中的耦合线产生的电容，而电感保持基本相同。类似于耦合器部分78，这倾向于使耦合部分中的奇模和偶模速度平衡。
[0062] 第一和第二导电层74和76进一步具有从其中延伸出来的多个接头，如导电层74上的接头156和158，以及导电层76上的接头160和162。这些不同的接头提供对耦合器的调节，以便提供所需的奇模和偶模阻抗，以及大体上相等的奇模和偶模传播速度。 [0063] 图7示出了对于具有5密耳厚的介电基片94以及125密耳厚的空气 层102和110的耦合器70，在0.2GHz到2.0GHz的频率范围内的各种操作参数。将定义为刻度A、B和C的三个垂直轴刻度应用于不同的曲线。曲线170表示直接端口上的增益，曲线172表示耦合端口上的增益。将刻度B应用于这两条曲线。可以看到，该曲线在平均大约-3分贝周围具有大约+/-0.5分贝的波纹。作为正交耦合器，对所有频率而言，在直接和耦合端口之间理想地存在90度相位差。应用刻度A的曲线174示出与90度的差值在大约1.64GHz下逐渐达到大约2.8度的最大值。最后，在该图底部仅曲线176的一部分是可见的。将刻度C应用于曲线176，该曲线表示输入和隔离端口之间的隔离。可以看到，其在绝大多数频率范围内小于-30分贝，在整个频率范围内在-25dB之下。
[0064] 在耦合器的设计中可以具有许多变化量，所述耦合器包括一个或多个不同的所述特征。特别地，对3分贝正交耦合器来说，可以用具有对应于外部耦合器部分78和80设计的耦合器部分替换中间耦合器部分82和84。这种设计替换可以使这些耦合器部分具有略减小的长度和增加的宽度，并且具有可比较的操作特征。也可以在耦合器70中使用其它的耦合器部分，如常规的紧密和松散耦合部分，每个具有约设计频率的四分之一波长长度。可以在特定的应用中使用其它的变化量，并且可以通过对称或不对称耦合器，以及混合或定向耦合器的形式。
[0065] 因此，虽然已经对在下面权利要求中限定的发明进行了特别图示，并且参照前述的实施方式进行描述，但是本领域的技术人员可以理解，在不偏离所述权利要求的精神和范围的情况下，可以进行多种改变。可以通过对当前权利要求的修改或者在本申请或相关申请中陈述新的权利要求来要求其它的组合以及特征、功能、元件和/或特性的子组合。这种修改的或新的权利要求，不论它们指的是不同的组合或相同的组合，无论相对于原始的权利要求范围不同、更宽、更窄或相等，都应当认为是包含在本公开内容的主题之内。前述实施方式是说明性的，单个特征或元件不是对所有可能的组合都必要的，该组合可以在本申请或后续申请中要求。权利要求叙述“一个”或“第一”元件或其等效方式，这种权利要求应当理解成包括一个或多个这种元件，既不要求也不排除 存在两个或多个这种元件。此外，相同元件的基数指示如第一、第二或第三是用于区别元件，而不是表示这种元件的所需或限定数量，也不是表示这种元件的特定位置或顺序。
[0066] 工业实用性
[0067] 在本公开内容中所描述的射频耦合器、耦合器元件和组件可应用于远程通信、计算机、信号处理和其它利用耦合器的工业。
