射频微波芯片设计4：耦合器芯片

本文共计三部分

（全文阅读大概需3分钟，如果您阅读了5分钟以上，这将是我写这篇耦合器设计入门文章的无上荣幸）

1.前言——讨论为啥要了解RF耦合器；

2.基本概念——认识什么是RF耦合器；

3.设计分析——实例浅析耦合器芯片的设计流程。

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。

（4）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。

（5）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。

（6）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。

（7）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？？？

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可能有些参考书也会有讲到集总参数的耦合器有高通型和低通型，其设计步骤主要是：（1）先根据设计指标中的耦合度算出k和Z0s与Z0p；（2）根据选用的电路类型，算出电感电容值。

（a）高通型                    （b）低通型

高通型电感电容值计算公式：

低通型电感电容值计算公式：

当然，这个时候读者朋友可以自行基于ADS去搭建仿真电路图，仿真后你会发现，这个类型的电路的耦合度带宽不是很好，耦合强度也上不去。

因此我们往往会采用另外一种思路，就是用集总元件的方式区拟合或者说去等效分布式电路。本文就采用分支线结构的等效电路来实现小型化的集总参数耦合器芯片设计。

由于篇幅原因，本文就不再对其求解公式进行详细展开了，不过直接丢公式出来大家又会云里雾里，因此这里给出上图中分支线耦合器等效电路以及元器件值求解的参考书籍《Lumped Elements for RF and Microwave Circuits》，在该书中第十二章有详细的讲解，大家下来可以自行查阅。

这里给出本次设计的简化的集总电路图以及元件值：

	L1	L2	C1	frequency
参数	0.625nH	0.842nH	0.853pF	9GHz

仿真设计

Step1:

启动软件，安装PDK

 双击桌面ADS标识，按照上一期博文《1.3万字详解射频微波芯片设计基础知识…》提到的PDK安装方法，安装好文末提供的PDK。（PDK下载地址在文末）

Step2:

搭建原理图如下图所示

此时仿真结果如下图所示：

Step3:

根据上述理想电路，搭建实际工艺的电路原理图。在上一篇博文《1.3万字详解射频微波芯片设计基础知识…》，我们分析了如何根据S参数提取电感电容值，本期博文就不再详细讲解了，根据上一期的博文中的方法，我们提取了实际工艺的电感，电容值，然后得到如下电路图：

此时带入PDK中的元件值得原理图仿真结果如下图所示：

Step4:

根据上述原理图仿真结果，搭建实际工艺的电路版图。同理，根据博文《1.3万字详解射频微波芯片设计基础知识…》中根据S参数提取电感，电容值得方法，我们搭建好仿真版图（具体的版图布局，ADS momentum设置，数据查看等等读者朋友可以下载本文提供的设计工程观看）：

版图仿真结果如下：

题外话：如果有条件的朋友们手上有配置较好的工作站或者服务器，也可以采用ADS自带的暴力优化的方式，用时间换空间，首先利用ADS的敏感度仿真功能提取到对电路性能敏感的元件值，然后设置好优化变量范围（不要违背常识和DRC规则，比如线长为正数，线间距不要过小等），接着选取适当的优化函数让电脑跑起来，然后等待电脑这个劳模开始计算…，最后适当调试完成设计。（当然该方法设计师还是慎用，因为在一切顺利的情况下确实可以研制出指标不错的电路，不过三五年后容易感到空虚，时常害怕被计算机或者成本更低的萌新替代。所以在时间允许的情况下，建议还是搞懂原理然后去设计吧，这段话共勉，加油，和我一样的打工人~）

——资料下载地址——

PDK名称：HW-IPD001

下载地址：http://www.hiwafer.com/gaas-process-products/56.html

ADS设计文件名称：coupler_for_RFASK_wrk

下载地址：https://pan.baidu.com/s/1tVH6IG_XQfFQID9RKu4BSw?pwd=mmic

提取码：mmic

后记：耦合器芯片的设计，还有需要细节需要注意，由于时间原因，仓促之间难免有纰漏，希望读者朋友们海涵，同时也希望大家可以积极交流讨论哈。