具有射频扼流圈的有源环流器的制作方法

对相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2014年11月26日递交的序列号为14/554995的美国专利申请的优先权及相关权益，并在此将其全部引用作为参考。

关于联邦政府赞助的研究或开发的声明

本发明是根据美国政府的联系号码n00014-11-c-0025做出的，因此美国政府可享有本发明的某些权利。

本发明涉及有源环流器。

背景技术：

环流器是为公众熟知的现有技术。环流器是有源或无源的三端口或四端口的装置，其中输入任何端口的微波或射频信号在旋转中仅传递到下一个端口。

图1示出了现有技术的三端口有源环流器。端口号被标记并且可以看出旋转方向（在紧接的段落中提及）是逆时针的。在该现有技术的环流器中，漏极偏置电压（vdd）直接连接到三个漏极电阻rd。因此，漏极电流流过这三个漏极电阻，并且他们通过公共接地电阻rg接地到vss。在此配置中，存在通过各个电阻的显著压降导致产生直流功耗，并且直流功耗肯定不符合节能系统的需要。

通常，在有源环流器中，每一个漏极电阻rd的取值很高以便阻断射频（射频：rf）信号，出于同样的原因，所述公共接地电阻rg的取值也不小。否则，漏极电阻rd与公共接地电阻rg上的射频功率损耗会显著增加。除了直流和射频功率损耗，rd和公共接地电阻rg的直流压降也限制了通过每个fet晶的最大射频电压摆幅，由于这些电阻上的压降减小降低了加在每个fet晶体管上的直流电压。限制射频电压摆幅导致环流器的最大功率处理能力受到限制。在该现有技术的配置中，漏极偏置电压（vdd）被直接连接到漏极电阻，使得漏极电流通过漏极电阻rd与它通过公共接地电阻rg接地。因此，在电阻上存在导致直流功耗的显著压降，这不符合高能效系统的要求。

此外，在图1中有三个电阻rf（由电容cf旁路）形成射频反馈网络。这些射频反馈网络通常用于有源环流器中，以调整fet晶体管的跨导。通过这个电阻和电容网络，最好是没有直流电流，以便不产生直流功率损耗。电阻rf的阻值通常很高，所以非常小的射频功率从漏极反馈到栅极，同时也不产生显著射频功率损耗。该反馈电容cf是非常大的，用作射频旁路电容以阻断直流。它控制每个fet晶体管的射频跨导。有源环流器的运行对射频跨导非常敏感，并且取决于跨导、损耗和隔离变化。

因此，如果可以去掉图1中的现有技术的漏极电阻rd与公共接地电阻rg，则环流器可以（1）处理更高的功率并且（2）与此同时更节能。

环流器有许多用途。例如，一个三端口环流器的一个端口可以连接到天线，而接收器连接到环流器的一个第二端口以接收由天线收到的信号并且发射器可以连接到环流器的一个第三端口以向所述天线提供所述发射信号（接收器与发射信号由环流器隔离否则接收器可能被发射信号损坏）。

现有技术包括：（一）“有源环流器--利用晶体管实现的环流器“田中，n·希莫默拉，k·奥赫达克，电气与电子工程师学会会报，三月第53卷，第3期，260〜267页，1965年；（二）“一种0.18微米cmos工艺的1.5-9.6ghz单片式有源准环流器“shih-chiehshin,jhih-yuhuang,kunyoulin和hueiwang，ieee微波和无线组件的信件，卷18，第12期，2008年12月；（三）“有源环流器的砷化镓单片实现”，马克·a·史密斯，ieee1988年微波研讨会。

技术实现要素：

一方面，本发明涉及一种有源环流器，其中所述直流和射频通路被充分分离，以提供最大的射频电压摆动，而不经过电阻产生射频功率损耗和直流功率消耗。为有源器件（晶体管）施加偏置电压时会发生直流功率消耗，这种直流功率消耗不能完全避免，但交流ac信号需要在避开用来偏置有源器件（晶体管）的消耗直流功率的电阻的通路上传播。

在另一个方面，本发明涉及一种多端口有源环流器，其包括：多个晶体管，多个第一射频扼流圈和多个第二射频扼流圈，其中，每个所述晶体管具有：（i）一个控制电极，其经由所述多个第一射频扼流圈中相关联之一的一个电容连接到所述多端口有源环流器的一个相关联的端口，每个所述第一射频扼流圈连接到相关联的所述多个晶体管中的一个晶体管的一个控制电极、所述相关联的晶体管的相关联的端口和一个第一电源连接；（ii）连接到一个共同端的第一载流电极；和（iii）一个第二载流电极，其通过一个反馈电路连接到相同晶体管的所述控制电极，并通过所述第二射频扼流圈中的一个电容连接到一个相邻晶体管的控制电极，每个第二射频扼流圈经由其电容耦接控制电极和相邻晶体管的第二载流电极，并且每个第二射频扼流圈连接到一个第二电源连接;并且所述公共端通过电路连接到一个第三电源连接。

另一方面，本发明提供了一种用于为有源环流器的有源器件提供偏置电压的装置，包括用于将一个直流偏置电路通路与一个射频信号路径隔离以便提供一个最大射频电压摆动，而不在所述直流偏置电路通路中提供任何电阻，从而抑制通过电阻的直流功耗。

另一个方面，本发明提供了一种用于为有源环流器的fet晶体管提供偏置的装置，包括用于将所述fet晶体管之间的一个直流偏置电路通路与一个射频信号路径隔离以便提供一个最大射频电压摆动，而不在所述直流偏置电路通路中提供任何电阻，从而抑制通过电阻的直流功耗。

并且在另一个方面，本发明提供了一种用于信号注入和为布置在一个多端口环流器的环内的多个晶体管提供偏置的装置，所述装置包括一个部件，所述部件经过耦合到所述环内的所述多个晶体管的各控制电极的一个独立电容注入所述信号且通过一个与所述环中的所述多个晶体管的各控制电极耦合的独立电感施加一个第一偏置电压或电流。

附图说明

图1示出了一个三端口现有技术的有源环流器；

图2示出了根据本发明的三端口有源环流器的示意图；

图3示出了类似于图2但具有以射频和直流信号线表示的用于射频能量传输的射频端口1和射频端口2的三个端口有源环流器的示意图；

图4示出了使用图1的电路拓扑的典型的现有技术的有源环流器的仿真结果；

图5示出了使用图2中的根据本发明的电路拓扑的有源环流器的仿真结果；

图6、7和8分别示出了利用图2和图3的三端口环流器实施例作为基础构造模块的四端口、五端口和n端口环流器的实施例；

图9是本发明公开的一个有源环流器的一个实施例的装配图；

图10是图9中的有源环流器的实施例的装配图的后视图。

具体实施方式

图2示出了一个新的有源环流器100的示意图。基本上有源环流器包括布置在一个环中的具有rc反馈和公共接地电阻的三个（或更多）晶体管（fet1，fet2以及fet3）。三个晶体管fet1、fet2以及fet3中的各栅极偏压（到vss），由（三个射频扼流圈11中的每一个内的）三个扼流电感111中的一个提供，而三个晶体管fet1，fet2以及fet3中的各漏极偏压（到vdd）由（三个射频扼流圈10中的每一个内的）三个扼流电感101中的一个提供。三个晶体管fet1，fet2以及fet3被描绘（根据所使用的符号）作为高电子迁移率晶体管（hemt）器件，但三个晶体管fet1，fet2以及fet3可被实现为其他类型的晶体管，包括双极型晶体管、cmos场效应晶体管、横向扩散金属氧化物半导体晶体管，仅举几例。因此，这里使用的关于晶体管fet1，fet2和fet3的术语“fet”并不排除使用其它类型的晶体管作为fet1，fet2和fet3。然而，如果fet型晶体管（hemt、ldmos、cmos等）被用作晶体管fet1，fet2以及fet3，那么（三个射频扼流圈11中的每一个中的）三个扼流电感111可以由具有高电阻的电阻代替，因为fet型设备并不在其栅极汲取偏置电流。如果以单片微波集成电路（mmic）实施新的有源环流器，三个电阻111将比常规电感器更容易实施。然而，如果用双极型晶体管代替fet以实施本发明，则以高阻值电阻取代3个扼流电感111将导致一些直流功率损耗。

环流器100的三个射频信号中的各射频信号施加于三个端口（射频端口1，代替端口2，射频端口3）并且分别通过每个射频扼流圈11中的一个旁路电容11c引入。在单片微波集成电路（mmic）的实施例中，可以以高阻值电阻来代替每个到vss的扼流电感111（如上面提到的，特别尤其是在使用fet型晶体管作为晶体管fet1，fet2以及fet3的情况下），并且每个旁路电容11c可以由高容值电容实施（考虑到在端口1、端口2或端口3中的射频信号的频率下电感/电阻的阻抗应远大于电容的阻抗，其电容值优选足够大使得信号传输的损耗尽可能的小）。可选地，扼流电感111可由短接的λ/4（四分之一波长）的传输短截线或有源负载替代。类似地，扼流电感101可由短接的λ/4（四分之一波长）的传输短截线或者阻抗变换器替代。

射频扼流圈10、11分别被描绘为简单的lc扼流圈。可替换为更复杂的扼流圈设计（以及甚至更简单的扼流圈设计），前提是（ⅰ）就射频扼流圈11而言，偏置电压（在本实施例中为vss）具有到其所施加偏置电压的特定晶体管（fet1、fet2或fet3）的栅极的一个直流通路，或（ii）对于射频扼流圈10，偏置电压（在本实施例中为vdd）具有到其所施加偏置电压的特定晶体管的漏极（fet1，fet2或fet3）的直流通路。三个射频扼流圈11中只有一个其内部的电容11c和电感器（或电阻）111被这样标记以便于说明，可以理解的是，应当认为其他两个扼流圈11的内部电容和电感器由相同的方式标记，并且如上所述该内部电感器可以由电阻、短截线或阻抗转换器来实现。同样，三个射频扼流圈10中仅有一个其内部电容10c和电感101被这样标记以便于说明，应该理解的是应当认为其他两个扼流圈10的内部电容和电感器均以相同的方式标记并且该电感器可以由一个短截线或阻抗转换器实现。

当射频信号施加于一个端口和栅极（在使用非fet晶体管的情况下或为控制电极）直接耦合到相同的栅极的扼流圈输出端的晶体管，射频信号被发送到下一个栅极并且在其中的输出与环流器领域的通常做法相同。现在同时参考图2和图3。在图2中施加于例如射频端口1的一个射频信号将出现在射频端口2，但同时与射频端口3隔离（所以在这些图中旋转方向是逆时针方向）。从射频端口1到射频端口2的射频信号路径由箭头a12表示。类似地，从射频端口2至射频端口3的射频信号路径由箭头a23表示，并且从射频端口3至射频端口1的射频信号路径由箭头a31表示。图3中通过额外的也标记为a12的粗箭体更完整的标示了从射频端口1到射频端口2的射频信号路径。

在这些路径中的射频信号路径通过标记12表示。标记12仅仅表示这些路径优选或完全或部分地成为微带，所以在射频信号路径a12中的连接扼流圈11的输出端（其也连接到fet1的栅极）和fet2的漏极的所描绘的导体优选实现为微带，特别是如果所公开的有源环流器实施为mmic，其中这些导体通过一个形成为mmic的一部分的绝缘层（未示出）与一个底层接地层（未示出）分隔开。

晶体管fet1、fet2以及fet3的源极分别通过导体连接到中央连接点20，每个导体优选通过微带13实现，参考如前文所讨论的微带12。中央连接点20优选经由并联的电阻21和电感器22耦合到直流地。

电阻18和电容16提供了一个与图1的电阻rf和电容cf类似的反馈路径，并且其正常取值使其不产生任何直流损耗或显著射频损失。在一些实施例中以并联形式而不是如图2所示的串联形式安排电阻18和电容16可能是有益的。然而，所描绘的串联形式被认为有优势，能够将漏极偏置电压（图2的实施例中的vdd）与栅极偏置电压（图2的实施例中的vss）隔离。

漏极电流由vdd通过射频扼流圈10的扼流电感器提供，并通过公共点20上的公共接地扼流电感器22接地。在射频扼流圈10、11中的这些扼流电感可以完全抑制漏极和源极的射频信号，并有效地无直流损耗地传输直流电流。此外，100％的vd的更好地施加于每个fet晶体管的漏极和源极之间的节点，因此，可以最大化射频电压摆动并且也可以最大化相应的射频传输功率。

虽然未在图2中示出，但是三个阻值较小的电阻（通常各自小于5欧姆）可以添加于fet的源极和公共结点（在标号13）之间。这是出于环流器的稳定性的考虑，并且通过这些电阻的相应的直流和射频功率损失是可以忽略的。

为了展示本发明超过现有技术的优越性，图4和5中提供了仿真结果的比较。图4示出了典型的现有技术的具有图1中的拓扑结构有源环流器的仿真结果，并且图5示出了图2和图3中的新环流器。两个仿真都采用相同的n沟道耗尽型ganhemt作为晶体管并且采用优化设计以最大化功率处理能力，同时尽可能地维持良好的隔离和插入损耗。如图4所示，插入损耗从在约0dbm的输入驱动功率开始下降并且隔离从15dbm的输入驱动功率开始变得比20db更糟糕。但是，在图5中示出了本发明公开的新的有源环流器的仿真结果，其保持了良好的插入损耗和隔离，在高达30dbm的输入驱动功率下分别不到4db和20db。由于上面提到的优点，本发明公开的新的有源环流器具有高得多的最大功率处理能力。基于这些仿真，据信本发明公开的环流器时对现有技术的一个显著改进。

图2和3示出的三端口环流器100可用作构建块构造如图6所示的四端口环流器200，或如图7所示的五端口环流器300，或实际上如图8所示的n端口环流器400。

图9示出了本发明公开的新的有源环流器的一个可能的实施方式或实施例的装配图。图10是图9中的有源环流器的实施例的后视组装图。在本实施例中，图2和3中的新环流器的电路优选设置在氧化铝基片50上，该氧化铝基片50依次优选地设置在金属外壳52中。射频端口1到射频端口3分别连接到设置在壳体52的三个独立的sma连接器。在本实施例中各分立元件和rf扼流圈10、11实现为离散集总组件。基本上，该氧化铝基板50可容纳混合配置，这意味着本实施例并不需要一个单一的mmic，而是优选采用半导体电路（用于三个晶体管fet1、fet2以及fet3）和分立器件和集总组件的组合。分立器件和集总元件安装在氧化铝基板50并且氧化铝基板50优选采用容纳所有图2和图3示出的射频微带12、14以及直流电源布线线路的集总元件的焊盘的设计样式。三个晶体管（fet1、fet2以及fet3）优选具有形成载于基板50上的上述半导体电路的ganhemt核心。所述rc反馈元件16、18被示出并优选采用0402型表面贴装的电阻和电容来实现。rf扼流圈10、11可采用mini-cirsuit公司的低损耗扼流圈来实现（优选采用宽频带偏压扼流圈，型号例如为tcbt-14+）并且公共地扼流电感器22可以利用一个coilcraft公司的锥形电感器实现。如图9和10所示，因为在本实施例的有源环流器的中心可能没有足够的空间安装共同点地电感器22和电阻21，每个fet晶体管的源极可通过同轴导体22接入背侧的接地层（从而使图2的公共点部分地由本实施例中的同轴导体实现）。通过这种方式，公共接地扼流电感器22和电阻21可以安装在本实施方式中的壳体52的背侧。

以上是对本发明的实施例的描述。这些前述对实施例的描述出于说明和描述的目的。并不旨在详尽或将本发明限制到于其所公开的精确形式或方法。本领域技术人员可以根据上述教导做出许多修改和变化。该详细描述不应作为对本发明的范围的限制，本发明的范围取决于所附的权利要求。

所有元件、部件和本文中所描述的步骤优选地包括在内。应当理解的是，任何这些元件、部件和步骤可以由其它元件、部件和步骤替代或对本领域技术人员显而易见的一起删除。

概括地说，本文至少公开了：一个多端口有源环流器，其中的每个晶体管具有：（i）一个栅极，其经由多个第一射频扼流圈中的一个相关联的射频扼流圈的一个电容连接到所述多端口有源环流器的一个相关联的端口，每个所述第一射频扼流圈连接到所述多个晶体管中的一个相关联的晶体管的一个栅极、所述相关联的晶体管的相关联的端口以及连接到一个第一电源连接；（ii）连接到一个共同端的源极；和（iii）一个漏极，其通过一个反馈电路连接到相同晶体管的所述栅极，并通过第二射频扼流圈中的一个电容连接到一个相邻晶体管的栅极，每个所述第二射频扼流圈经由其电容耦接相邻晶体管的栅极和漏极，并且每个第二射频扼流圈连接到另一个偏置电源连接。

本文还包括以下概念：

概念1.一种多端口有源环流器，具有多个fet晶体管、多个第一射频扼流圈和多个第二射频扼流圈，其中，每个fet晶体管具有（i）一个栅极，其经由所述多个第一射频扼流圈中的一个相关联的射频扼流圈中的一个电容连接到所述多端口有源环流器的一个相关联的端口，每个所述第一射频扼流圈连接到所述多个晶体管中的一个相关联的晶体管的一个栅极、所述相关联的晶体管的相关联的端口以及连接到一个电源偏压连接；（ii）一个源极，其连接到一个公共点；以及（ⅲ）一个漏极，其通过一个反馈电路连接到同一晶体管的所述栅极，并通过所述第二射频扼流圈中的一个射频扼流圈的一个电容连接到一个相邻晶体管的栅极，每个所述第二射频扼流圈经由其中的电容耦合相邻晶体管的栅极和漏极，并且每个所述第二射频扼流圈连接到另一个电源偏压连接；并且，所述公共点经由电路装置连接到第三个电源偏压连接。

概念2.一种多端口有源环流器，包括：多个排列成环的晶体管，环中的每一个晶体管具有一个经由多个第一射频扼流圈中的一个连接到所述多端口有源环流器的一个端口的第一电极，每个所述第一射频扼流圈具有一个为其连接的该第一电极提供一个偏置电压或电流的装置；环中的每一个晶体管具有一个第二电极，该第二电极在一个公共点与其他多个所述晶体管的第二电极耦合；并且环中的每一个晶体管具有一个第三电极，该第三电极经由多个反馈电路中的一个耦合到其第一电极，并且经由多个第二射频扼流圈中的一个扼流圈耦接到所述环中的一个相邻晶体管的第一电极，每个所述第二射频扼流圈包括用于为所述第三电极提供一个偏置电压或电流的装置，通过所述第一和第二扼流圈施加的这些偏置电压或电流经由所述公共点与地电连接。

概念3.根据概念2所述的多端口有源环流器，所述多个晶体管中的每个晶体管是fet晶体管，并且其中每个所述第一电极是所述fet晶体管中的一个晶体管的栅极电极，每个所述第二电极是所述fet晶体管中的一个晶体管的源极电极，并且每个所述第三电极是所述fet晶体管中的一个晶体管的漏极电极。

概念4.根据概念2或3所述的多端口有源环流器，每个所述第一射频扼流圈中的为所述第一电极提供偏置电压或电流的元件包括一个电感器。

概念5.根据概念2至4所述的多端口有源环流器，每个所述第二射频扼流圈中的为所述第三电极提供偏置电压或电流的元件包括一个电感器。

概念6.根据概念2至5所述的多端口有源环流，每个所述第一射频扼流圈中的为所述第一电极提供偏置电压或电流的元件包括一个电阻。

概念7.根据概念2至6所述的多端口有源环流器，每个所述第二射频扼流圈中的为所述第三电极提供偏置电压或电流的装置包括一个电阻。

概念8.根据概念2至7所述的多端口有源环流器，每个所述反馈电路包括串联的一个电容和一个电阻。

概念9.一种用于为有源环流器的有源器件提供偏置的装置，包括将一个直流偏置电路路径与一个射频信号路径充分隔离以便提供最大射频电压摆动的部件，该部件不在所述直流偏置电路路径中提供任何电阻，从而避免在电阻产生直流功耗。

概念10.一种用于为有源环流器的fet晶体管提供偏置的装置，包括将所述fet晶体管上的一个直流偏置电路路径与一个射频信号路径充分隔离以提供最大的经过所述fet晶体管的漏极和源极的射频电压摆动的部件，该部件不在所述fet晶体管之间的所述射频信号路径中提供任何电阻，从而避免电阻功率消耗。

概念11.一种用于信号注入和为布置在一个多端口环流器的环内的多个晶体管提供偏置的装置，所述装置包括部件，所述部件经过耦合到所述环内的所述多个晶体管的各控制电极的一个独立电容注入所述信号且通过一个与所述环中的所述多个晶体管的各控制电极耦合的独立电感施加一个第一偏置电压或电流。

概念12.根据概念11所述的装置，所述晶体管是fet晶体管，并且其中所述控制电极是所述fet晶体管的栅极。

概念13.根据概念12所述的装置，所述fet晶体管是耗尽型高电子迁移率晶体管。

概念14.根据概念12或13所述的装置，还包括将所述环中的每个晶体管的栅极经由另一个独立电容以及用于经由另一个与所述环中的每个所述晶体管的漏极耦接的独立电感器提供一个第二偏置电压或电流的部件与所述环中的所述晶体管中的另一个晶体管的漏极耦接的部件。

概念15.根据概念14所述的装置，还包括经由一个包括串联耦合的一个电阻和一个电容的一个反馈电路连接所述环中的每个晶体管的栅极的部件。

概念16.一种多端口有源环流器，包括：a/与多个第一射频扼流圈和第二射频扼流圈布置于一个环中的多个晶体管，其中，每个所述晶体管具有：（i）一个控制电极，其经由所述多个第一射频扼流圈中的一个相关联的扼流圈的一个电容连接到所述多端口有源环流器的一个相关联的端口，每个所述第一射频扼流圈连接到所述多个晶体管中的一个相关联的晶体管的一个控制电极、所述相关联的晶体管的相关联的端口以及一个第一电源连接；（ii）连接到一个共同点的一个第一载流电极；以及（ⅲ）一个第二载流电极，其通过一个反馈电路连接到相同晶体管的所述控制电极，并通过所述第二射频扼流圈中的一个电容连接到一个相邻晶体管的控制电极，每个第二射频扼流圈经由其电容耦接控制电极和相邻晶体管的第二载流电极，并且每个第二射频扼流圈连接到一个第二电源连接;并且所述公共端通过电路连接到一个第三电源连接；b.所述公共点连接到一个第三电源连接。

概念17.根据概念16所述的多端口有源环流器，每个所述晶体管是一个高电子迁移率晶体管。

概念18.根据概念16所述的多端口有源环流器，所述多端口有源环流器用作构造模块以构造具有比权利要求1的多端口有源环流器更多端口数的多端口有源环流器。