射频微波芯片设计4：耦合器芯片

前言

对于耦合器这个名词，相信做射频微波的同学们都不陌生，这大概又一个学习微波网络的经典案例分析器件了吧。

当然可能有朋友又会说，耦合器有啥好学的啊，不就是几十年前的RF教科书器件嘛，学了有啥用呢？

笔者认为，在现代无线电子系统，虽然耦合器的设计理论成熟，实现方式灵活简洁，但是其在电子系统中的地位还是举足轻重的：

（1）在圆极化天线、MIMO天线阵列等天线设计中，耦合器往往充当一个信号分配，相位控制的部件，不仅仅可以把功率分配给所需的天线端口，还可以额外地给输出端口一个相位差；

（2）在功率放大器设计中，耦合器主要有两个用法：一是做Doherty主从支路的信号分配器；二是再做线性化时对输出功率进行耦合，反馈到前端进行非线性消除；

（3）在低噪声放大器设计中，耦合器主要是用来做放大器的平衡式结构，拓展LNA的带宽与输出线性度；

（4）在IQ混频器设计中，耦合器主要是用来做本振链路的功率分配与IQ相位分配；

（5）在移相器设计中，耦合器主要是用来做多路相位控制；

（6）在功率检测电路中，低耦合度的耦合器也是十分有用的。当然，耦合器在射频微波电路中的运用还有很多，本文就不再吹彩虹屁了，读者朋友们可以自行了解更多相关应用。

综上所述，笔者认为在现代无线电子系统中，一款低成本，高性能，小型化的耦合器将永远不过时。在笔者确定写这篇博文之后才发现其他RFASK的博主分享了很多耦合器相关的博文，如博客主赵强的《微波笔记·3dB短缝波导耦合器设计》、《微波笔记·带状线超宽带电桥设计》、《贝兹孔波导定向耦合器实现》、《微波笔记·Lange电桥的设计》都是不错的学习资源，大家可以自行前往学习哦。前面RFASK博主对耦合器的设计相关理论写得比较详细了，本文对设计理论就不再详细展开，本文主要起一个抛砖引玉的作用，重点讲解基于GaAs  IPD工艺进行耦合器芯片仿真实现演示，并在文末提供芯片设计所需要的PDK（官网也可公开下载）以及ADS的workspace工程文件下载链接，供读者朋友们交流学习。

基本概念

耦合器定义：顾名思义，耦合器就是用XXX去耦合XXX的器件，那么该器件必然会存在主从两路。我们之前讨论的滤波器大多为二端口无源互易网路，而耦合器则大多是一个四端口网络，其数学分析方

法多采用奇偶模来实现，当然也可以利用传输矩阵函数来分析。

耦合器的分类常常有如下方式：

（1）  按照耦合强度：强耦合耦合器（如0dB，3dB耦合器）；弱耦合耦合器（如10dB，20dB，40dB耦

合器）；

（2）按照实现的结构：分支线型，耦合线型，Lange耦合器，耦合孔型等等；

（3）按照实现材料：微带线耦合器，带状线耦合器，腔体耦合器，芯片级耦合器等等；

耦合器的主要衡量指标有：

常见的四端口定向耦合器示意图如上所示，信号从端口1输入，理论上在隔离端口4处的信号为零，因此输入信号被直接分配到直通端2和耦合端3，根据信号在定向耦合器中的传输特性，我们可以对定向耦合器的一些衡量指标表针如下：

（1）  工作频率

耦合器的工作频率主要是指带内耦合度，隔离度，反射系数达到要求的频率范围，比如驻波小于1.5的带宽等等。

（2）  插入损耗

主要是指直通端2与输入端1的信号功率比值。

（3）  耦合度

如上图定义的四端口网络，耦合器的耦合度主要是指输入端口到耦合端口信号的比值取对数，反应的是信号传输到耦合端的强弱的值，当然在S参数表达系统中常常回用S31来表示耦合度。

方向性

如您所见，方向性就是信号传输到耦合端到隔离端的比值，理论上信号不可以传输到隔离端，因此方向性理论上便会是无穷大，然而现实并如愿，隔离端的信号有时候往往来看还挺大，因此方向性是一个需要格外认真考虑的一个指标。

（4）  隔离度

隔离度就是指输入端到隔离端的信号大小，根据上面方向性和耦合度的公式，还可以得到I=C+D。

（5）  反射系数（电压驻波比）

和其他射频微波器件一样，耦合器对信号输入输出端口的回波特性会采用反射系数或者电压驻波比来衡量，一般而言无源器件的反射系数需要做到-15dB以下，电压驻波比需要做到1.5以下。

（6）  带内平坦度

对于宽带耦合器而言，在带内由于信号的传输相位不同，导致叠加的信号在各个端口表现出来的幅度有所差异，一般而言我们会要求带内波动小于设定的某个值。

耦合器芯片仿真实现

本文仿真主要是对定向耦合器芯片设计的一个入门介绍，主要给读者朋友们演示一种常见的耦合器芯片的设计基本流程，在实际工程中需要考虑的工艺角，温度等的波动分析，本文暂且不做深入的涉猎。

下面主要按照如下行文来展开：

（1）  基本原理

（2）  仿真设计

（3）  工程文件下载地址分享

基本原理

由上文提到耦合器的类型有很多种，对于芯片级的耦合器设计，在射频或者微波频段，由于面积的约束常常采用集总元件来实现，在毫米波太赫兹频段的耦合器设计，很多时候采用分布式的结构来完成。

对于分布式耦合器的设计，很多时候我们采用可以根据之前RFASK博主提到的分析方法区设计，而对于集总元件参数的耦合器芯片我们又该怎么做呢？？？

作者：RFIC_抛砖

完整文章来源：射频微波芯片设计4：耦合器芯片

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