Title:
Differentieller Richtkoppler, Signalumwandlungssystem und Verfahren zur Umwandlung eines differentiellen Eingangssignals
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Es wird ein differentieller Richtkoppler angegeben, umfassend einen ersten Koppler mit einem ersten Transformator und einen zweiten Koppler mit einem zweiten Transformator. Ein Eingangsport und ein Isolationsport des ersten Kopplers können spiegelsymmetrisch zu einem Eingangsport und einem Isolationsport des zweiten Kopplers ausgebildet sein.





Inventors:
Issakov, Vadim (80469, München, DE)
Forstner, Johann Peter (85643, Steinhöring, DE)
Application Number:
DE102016111887A
Publication Date:
01/04/2018
Filing Date:
06/29/2016
Assignee:
Infineon Technologies AG, 85579 (DE)
International Classes:
H03H7/00
Domestic Patent References:
DE60037125T2N/A2008-09-11
Foreign References:
201301475352013-06-13
Other References:
OZIS, Dicle; PARAMESH, Jeyanandh; ALLSTOT, David J.: Integrated Quadrature Couplers and Their Application in Image-Reject Receivers. In: IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 44, 2009, No. 5, S. 1464-1476. – ISSN 0018-9200
Attorney, Agent or Firm:
Kraus & Weisert Patentanwälte PartGmbB, 80539, München, DE
Claims:
1. Differentieller Richtkoppler (19, 29, 59) umfassend
– einen ersten Koppler mit einem ersten Transformator (10) umfassend eine erste Eingangsspule (15) und eine erste Ausgangsspule (16),
– einen zweiten Koppler mit einem zweiten Transformator (20) umfassend eine zweite Eingangsspule (25) und eine zweite Ausgangsspule (26), wobei
– die erste Eingangsspule (15) und zweite Eingangsspule (25) jeweils einen Eingangsport (11, 21) aufweisen,
– der erste Transformator (10) den zweiten Transformator (20) in einer Aufsicht aus einer vertikalen Richtung auf den differentiellen Richtkoppler (19, 29, 59) zumindest teilweise überdeckt,
– die erste Eingangsspule (15) und die zweite Eingangsspule (25) bezüglich ihrer Eingangsports (11, 21) in der Aufsicht spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind.

2. Differentieller Richtkoppler (19, 29, 59) nach Anspruch 1, wobei
– die erste Eingangsspule (15) und die zweite Eingangsspule 25) jeweils einen Übertragungsport (12, 22) aufweisen und
– die erste Eingangsspule (15) und die zweite Eingangsspule (25) bezüglich ihrer Übertragungsports (11, 21) in der Aufsicht spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind.

3. Differentieller Richtkoppler (19, 29, 59) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei
– der Eingangsport (11) des ersten Kopplers den Übertragungsport (22) des zweiten Kopplers in der Aufsicht zumindest teilweise überdeckt und
– der Übertragungsport (12) des ersten Kopplers den Eingangsport (21) des zweiten Kopplers in der Aufsicht zumindest teilweise überdeckt.

4. Differentieller Richtkoppler (19, 29, 59) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Koppler und der zweite Koppler elektrisch isoliert voneinander sind und der differentielle Richtkoppler (19, 29, 59) mehrteilig ausgebildet ist.

5. Differentieller Richtkoppler (19, 29, 59) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Koppler und der zweite Koppler jeweils auf konzentrierten Elementen basieren und/oder jeweils einendige Transformator-basierte Richtkoppler sind.

6. Differentieller Richtkoppler (19, 29, 59) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Koppler und der zweite Koppler formgleich sind.

7. Differentieller Richtkoppler (19, 29, 59) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Transformator (10) und der zweite Transformator (20) in der Aufsicht im Rahmen der Herstellungstoleranzen deckungsgleich übereinander angeordnet sind.

8. Differentieller Richtkoppler (19, 29, 59) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Koppler und der zweite Koppler jeweils Quadratur-Hybrid-Richtkoppler sind und/oder der differentielle Richtkoppler (19, 29, 59) ein differentieller Quadratur-Hybrid-Richtkoppler ist.

9. Differentieller Richtkoppler (19, 29, 59) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei
– die erste Ausgangsspule (16) und die zweite Ausgangsspule (26) ferner jeweils einen Isolationsport (13, 23) und einen Ausgangsport (14, 24) aufweisen und
– die erste Ausgangsspule (16) und die zweite Ausgangsspule (26) bezüglich ihrer jeweiligen Isolationsports (13, 23) und ihrer jeweiligen Ausgangsports (14, 24) in der Aufsicht spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind.

10. Differentieller Richtkoppler (19, 29, 59) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei
– der erste Transformator (10) und der zweite Transformator (20) in der Aufsicht eine Chipfläche überdecken und
– die Chipfläche höchstens 120 % der von dem ersten Transformator (10) oder dem zweiten Transformator (20) überdeckten Fläche beträgt.

11. Signalumwandlungssystem, umfassend
– einen Sender (50), der dazu eingerichtet ist, ein differentielles Eingangssignal, aufweisend ein Basissignal (Sin) und ein zum Basissignal gegenphasiges Referenzsignal (Sin,ref), zu erzeugen,
– einen differentiellen Richtkoppler(19, 29, 59), umfassend einen ersten Koppler mit einem ersten Transformator (10) und einen zweiten Koppler mit einem zweiten Transformator (20), wobei
– das Basissignal (Sin) an einen Eingangsport (11) des ersten Kopplers gekoppelt ist,
– das Referenzsignal (Sin,ref) an einen Eingangsport (21) des zweiten Kopplers gekoppelt ist,
– der differentielle Richtkoppler (19, 29, 59) dazu eingerichtet ist, das differentielle Eingangssignal (Sin, Sin,ref) zumindest teilweise in zumindest ein differentielles Ausgangssignal (Sout1, Sout1,ref, Sout2, Sout2,ref) mit einer Phasenverschiebung (ϕ) zum differentiellen Eingangssignal (Sin, Sin,ref) umzuwandeln,
– ein Basissignalstrom (I1) des Basissignals (Sin) durch den ersten Transformator (10) ein erstes Magnetfeld (H1) erzeugt und ein Referenzsignalstrom (I2) des Referenzsignals (Sin,ref) durch den zweiten Transformator (20) ein zweites Magnetfeld (H2) erzeugt und
– die Eingangsports (11, 21) des ersten und zweiten Kopplers derart relativ zueinander angeordnet sind, dass sich das erste Magnetfeld (H1) und das zweite Magnetfeld (H2) konstruktiv überlagern.

12. Signalumwandlungssystem nach Anspruch 11, wobei
– der erste Transformator (10) eine erste Eingangsspule (15) und eine erste Ausgangsspule (16) umfasst,
– der zweite Transformator (20) eine zweite Eingangsspule (25) und eine zweite Ausgangsspule (26) umfasst,
– die erste Eingangsspule (15) und die erste Ausgangsspule (16) und/oder die zweite Eingangsspule (25) und die zweite Ausgangsspule (26) zur Umwandlung des differentiellen Eingangssignals (Sin, Sin,ref) in das zumindest eine differentielle Ausgangssignal (Sout1, Sout1,ref, Sout2, Sout2,ref) magnetisch und/oder kapazitiv gekoppelt sind.

13. Signalumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Phasenverschiebung (ϕ) des zumindest einen differentiellen Ausgangssignals (Sout1, Sout1,ref, Sout2, Sout2,ref) mittels einer ersten Breite (b1) zumindest einer Leiterbahn des ersten Transformators (10) und/oder mittels einer zweiten Breite (b2) zumindest einer Leiterbahn des zweiten Transformators (20) einstellbar ist.

14. Signalumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei
– der differentielle Richtkoppler (19, 29, 59) dazu eingerichtet ist, das differentielle Eingangssignal (Sin, Sin,ref) in ein erstes differentielles Ausgangssignal (Sout1, Sout1,ref) mit einer ersten Phasenverschiebung zum differentiellen Eingangssignal (Sin, Sin,ref) und ein zweites differentielles Ausgangssignal (Sout2, Sout2,ref) mit einer zweiten Phasenverschiebung zum differentiellen Eingangssignal (Sin, Sin,ref) umzuwandeln und
– die erste Phasenverschiebung 0° ist und die zweite Phasenverschiebung 90° ist.

15. Signalumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei
– der differentielle Richtkoppler (19, 29, 59) dazu eingerichtet ist, das differentielle Eingangssignal (Sin, Sin,ref) in ein erstes differentielles Ausgangssignal (Sout1, Sout1,ref) mit einer ersten Phasenverschiebung zum differentiellen Eingangssignal (Sin, Sin,ref) und ein zweites differentielles Ausgangssignal (Sout2, Sout2,ref) mit einer zweiten Phasenverschiebung zum differentiellen Eingangssignal (Sin, Sin,ref) umzuwandeln und
– die Leistung des ersten Ausgangssignals (Sout1, Sout1,ref) im Rahmen der Herstellungstoleranzen der Leistung des zweiten Ausgangssignals (Sout2, Sout2,ref) entspricht.

16. Signalumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei
– der erste Transformator (10) eine erste Eingangsspule (15) aufweist,
– der zweite Transformator (20) eine zweite Eingangsspule (25) aufweist und
– eine Wicklungsrichtung der ersten Eingangsspule (15) gegenläufig zu einer Wicklungsrichtung der zweiten Eingangsspule (25) verläuft.

17. Signalumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei
– der erste Transformator (10) und der zweite Transformator (20) in der Aufsicht eine Chipfläche überdecken und
– die Chipfläche höchstens 20 % der Wellenlänge des differentiellen Eingangssignals (Sin, Sin,ref) beträgt.

18. Verfahren zur Umwandlung eines differentiellen Eingangssignals (Sin, Sin,ref), aufweisend die folgenden Schritte:
– Bereitstellen eines Senders (50),
– Bereitstellen eines differentiellen Richtkopplers (19, 29, 59) mit
• einem ersten Koppler mit einer ersten Eingangsspule (15) und einer ersten Ausgangsspule (16) und
• einem zweiten Koppler mit einer zweiten Eingangsspule (25) und einer zweiten Ausgangsspule (26);
– Erzeugen des differentiellen Eingangssignals (Sin, Sin,ref) mit dem Sender (50), wobei das differentielle Eingangssignal (Sin, Sin,ref) ein Basissignal (Sin) und ein zum Basissignal gegenphasiges Referenzsignal (Sin,ref) umfasst;
– Koppeln des Basissignals (Sin) mit einem Eingangsport (11) des ersten Kopplers und Koppeln des Referenzsignals (Sin,ref) mit einem Eingangsport (21) des zweiten Kopplers derart, dass ein Basissignalstrom (I1) des Basissignals (Sin) innerhalb der ersten Eingangsspule (15) und ein Referenzsignalstrom (I2) des Referenzsignals (Sin,ref) innerhalb der zweiten Eingangsspule (25) in dieselbe Richtung fließen;
– Umwandeln des differentiellen Eingangssignals (Sin, Sin,ref) in zumindest ein differentielles Ausgangssignal (Sout1, Sout1,ref, Sout2, Sout2,ref) mit dem differentiellen Richtkoppler (19, 29, 59).

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Umwandeln des zumindest einen differentiellen Ausgangssignals (Sout1, Sout1,ref, Sout2, Sout2,ref) die folgenden Schritte beinhaltet:
– magnetisches und/oder kapazitives Koppeln der ersten Eingangsspule (15) mit der ersten Ausgangsspule (16);
– magnetisches und/oder kapazitives Koppeln der zweiten Eingangsspule (25) mit der zweiten Ausgangsspule (26).

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei das Umwandeln des differentiellen Ausgangssignals (Sout1, Sout1,ref, Sout2, Sout2,ref) die folgenden Schritte beinhaltet:
– Umwandeln des Basissignals (Sin) in ein erstes phasenverschobenes Basissignal (Sout1) und ein zweites phasenverschobenes Basissignal (Sout2) mit dem ersten Koppler;
– Umwandeln des Referenzsignals (Sin,ref) in ein erstes phasenverschobenes Referenzsignal (Sout1,ref) und ein zweites phasenverschobenes Referenzsignal (Sout2,ref) mit dem zweiten Koppler;
– Kombinieren des ersten phasenverschobenen Basissignals (Sout1) und des ersten phasenverschobenen Referenzsignals (Sout1,ref) zu einem ersten differentiellen Ausgangssignal (Sout1, Sout1,ref);
– Kombinieren des zweiten phasenverschobenen Basissignals (Sout2) und des zweiten phasenverschobenen Referenzsignals (Sout2,ref) zu einem zweiten differentiellen Ausgangssignal (Sout2, Sout2,ref).

21. Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend:
Durchführen eines Modulationsverfahrens mit dem ersten differentiellen Ausgangssignal (Sout1, Sout1,ref) und dem zweiten differentiellen Ausgangssignal (Sout2, Sout2,ref).

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei das Bereitstellen des differentiellen Richtkopplers (19, 29, 59) derart erfolgt, dass die erste Eingangsspule (15) und/oder die erste Ausgangsspule (16) in einer Aufsicht auf den differentiellen Richtkoppler (19, 29, 59) im Rahmen der Herstellungstoleranzen deckungsgleich über der zweiten Eingangsspule (25) und/oder der zweiten Ausgangsspule (26) angeordnet sind.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei das Bereitstellen des differentiellen Richtkopplers (19, 29, 59) derart erfolgt, dass eine magnetische Kopplung zwischen dem ersten Koppler und dem zweiten Koppler positiv ist.

Description:

Die vorliegende Anmeldung betrifft differentielle Richtkoppler, Signalumwandlungssysteme und entsprechende Verfahren zur Umwandlung eines differentiellen Eingangssignals.

HINTERGRUND

In Hochfrequenz(RF, vom Englischen Radio Frequency)-Systemen kann beispielsweise eine chipbasierte Quadratur-Erzeugung, auch I/Q-Erzeugung genannt, erforderlich sein, um beispielsweise eine effiziente Durchführung von Modulationstechniken für Kommunikationsanwendungen oder eindeutige Phasenauswertungen für Radaranwendungen zu ermöglichen. Bei einer Quadratur-Erzeugung wird ein Signal in ein erstes und ein zweites Signal mit, im Rahmen der Herstellungstoleranzen, gleicher Leistung und einer 90°-Phasendifferenz bzw. 90°-Phasenverschiebung aufgeteilt. Eine Quadratur-Erzeugung kann beispielsweise für eine Quadraturamplitudenmodulation erforderlich sein. Für eine Quadratur-Erzeugung bedarf es Komponenten, die eine gleichwertige, insbesondere hälftige, Teilung der Leistung eines Signals in Verbindung mit einer 90°-Phasendifferenz bereitstellen. Derartige Komponenten, die eine 90°-Phasendifferenz mit gleichwertiger, insbesondere hälftiger und/oder gleichmäßiger, Leistungsaufteilung bereitstellen, werden auch Quadratur-Hybrid-Richtkoppler genannt.

Hinzu kommt, dass die Verwendung von differentiellen Signalen auf Chipebene aufgrund der erhöhten Störungsunempfindlichkeit, besserer Gleichtaktstörunterdrückung, reduzierter Nichtlinearitäten zweiter Ordnung und verbesserter Stabilität erwünscht sein kann. Dementsprechend kann es erforderlich sein, nicht nur eine gleichmäßige Leistungsteilung mit 90°-Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal zu realisieren, sondern vielmehr eine sogenannte vierphasige Aufteilung eines differentiellen Eingangssignals mit den Phasen (0°, 180°) in zwei gleichmäßig in der Leistung aufgeteilte differentielle Ausgangssignale mit den Phasen (0°, 90°, 180°, 270°).

Eine Möglichkeit zur Realisierung einer solchen vierphasigen Aufteilung ist die Verwendung eines spannungsgesteuerten Oszillators (englisch: voltage-controlled oscillator, VCO), der bei der doppelten Frequenz des Eingangssignals schwingt, und eines statischen Frequenzteilers, der alle vier Phasen bereitstellt. Diese Option kommt für Schaltungen im Millimeter-Wellen-Frequenzbereich kaum in Frage. Beispielsweise wären bei einem 60 GHz-Eingangssignal Oszillatoren und Frequenzteiler, die bei 120 GHz betrieben werden können, erforderlich. Bei einer alternativen Lösung ist es möglich, einen sogenannten Branch-Line-Koppler einzusetzen, der differentiell erweitert ist. Dies würde jedoch eine sehr große Chipfläche in Anspruch nehmen, beispielsweise 600 μm × 200 μm bei einem Eingangssignal mit einer Frequenz von 60 GHz. In diesem Fall würde die I/Q-Erzeugung bei einem sogenannten Phased-Array-System, das beispielsweise bei Mobilfunkstationen, bei Rundfunksendern und an Radaranlagen eingesetzt wird, die Chipfläche aufgrund der großen Wellenlänge des Eingangssignals stark dominieren. Eine weitere Möglichkeit wäre die Verwendung von Polyphasen-Filtern, die zwar eine geringe Größe aufweisen können, jedoch bei einem 50 Ω-System zu einer hohen Signaldämpfung führen können. Zudem kann ein Koppler eingesetzt werden, der auf konzentrierten Elementen mit einem sogenannten lattice lumped-element Koppler basiert. Ein solcher Koppler birgt jedoch den großen Nachteil, dass er sehr schmalbandig ist und zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise eine zusätzliche Beschaltung für eine Spule bzw. ein Transformator, erforderlich sind.

Es ist daher eine zu lösende Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, differentielle Richtkoppler mit einer geringen Größe bereitzustellen. Eine weitere zu lösende Aufgabe ist, Signalumwandlungssysteme mit differentiellen Richtkopplern bereitzustellen. Ferner besteht eine zu lösende Aufgabe darin, verbesserte Verfahren zur Umwandlung eines differentiellen Eingangssignals bereitzustellen.

KURZDARSTELLUNG

Es werden ein differentieller Richtkoppler nach Anspruch 1, ein Signalumwandlungssystem nach Anspruch 11 sowie ein Verfahren zur Umwandlung eines differentiellen Eingangssignals nach Anspruch 18 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Für ein umfassendes Verständnis von Ausführungsbeispielen und deren Vorteile wird auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.

Hierbei zeigen:

die 1 ein Ausführungsbeispiel eines Signalumwandlungssystems,

die 2A, 2B, 3 und 4 Ausführungsbeispiele eines differentiellen Richtkopplers,

die 5, 6 Ersatzschaltbilder eines differentiellen Richtkopplers und eines Kopplers für einen differentiellen Richtkoppler,

die 7A ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Umwandlung eines differentiellen Eingangssignals,

die 7B ein Ausführungsbeispiel zur Bereitstellung eines differentiellen Richtkopplers,

die 8A, 8B, 9A und 9B Simulationen zum Betrieb eines Kopplers beziehungsweise eines differentiellen Richtkopplers und

die 10, 11A und 11B Ausführungsbeispiele und Simulationen alternativer Koppler und alternativer differentieller Richtkoppler.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen eines differentiellen Richtkopplers, eines Signalumwandlungssystems sowie eines Verfahrens zur Umwandlung eines differentiellen Eingangssignals unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind dabei mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.

Das Signalumwandlungssystem umfasst bei manchen Ausführungsbeispielen einen hier beschriebenen differentiellen Richtkoppler. Ferner wird das Verfahren bei manchen Ausführungsbeispielen mit einem hier beschriebenen differentiellen Richtkoppler und/oder mit einem hier beschriebenen Signalumwandlungssystem durchgeführt. Das heißt, sämtliche für den differentiellen Richtkoppler offenbarten Merkmale sind auch für das Signalumwandlungssystem und/oder das Verfahren offenbart und umgekehrt.

Anhand der 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Signalumwandlungssystems mit einem differentiellen Richtkoppler 19 näher erläutert. Rein exemplarisch ist hierbei ein Signalumwandlungssystem mit einem differentiellen Richtkoppler 19, der als Quadratur-Hybrid-Richtkoppler ausgebildet ist, dargestellt.

Das dargestellte Signalumwandlungssystem kann jeweils einen Sender 50 und einen Richtkoppler 19 umfassen. Der Sender 50 kann dazu eingerichtet sein, ein differentielles Eingangssignal Sin, Sin,ref mit einem Basissignal Sin und einem Referenzsignal Sin,ref zu erzeugen. Das Referenzsignal Sin,ref kann gegenphasig, also um 180° phasenverschoben, zum Basissignal Sin verlaufen. Insbesondere kann das Referenzsignal Sin,ref dem um 180° phasenverschobenen Basissignal Sin entsprechen. Bei dem Basissignal Sin kann es sich um ein nichtinvertierendes Signal bzw. ein positives Signal und bei dem Referenzsignal Sin,ref um ein invertierendes bzw. ein negatives Signal handeln. Der Richtkoppler 19 kann dazu eingerichtet sein, das differentielle Eingangssignal Sin, Sin,ref in ein erstes differentielles Ausgangssignal Sout1, Sout1,ref und ein zweites differentielles Ausgangssignal Sout2, Sout2,ref umzuwandeln.

Bei einigen Ausführungsformen kann das zweite differentielle Ausgangssignal Sout2, Sout2,ref phasenverschoben, insbesondere um 90° phasenverschoben, zum differentiellen Eingangssignal Sin, Sin,ref und/oder zum ersten differentiellen Ausgangssignal Sout1, Sout1,ref sein. Der differentielle Richtkoppler 19 kann dann einen (0°, 90°)-Phasenausgang und einen (180°, 270°)-Phasenausgang aufweisen. Ferner können das erste differentielle Ausgangssignal Sout1, Sout1,ref und das zweite differentielle Ausgangssignal Sout2, Sout2,ref im Rahmen der Herstellungstoleranzen des differentiellen Richtkopplers 19 dieselbe Leistung aufweisen. Beispielsweise spaltet der differentielle Richtkoppler 19 das differentielle Eingangssignal Sin, Sin,ref im Rahmen der Herstellungstoleranzen zu jeweils 50 % (entsprechend 3dB Leistungsaufteilung) in das erste differentielle Ausgangssignal Sout1, Sout1,ref und das zweite differentielle Ausgangssignal Sout2, Sout2,ref auf. Beispielsweise kann es sich bei den beiden differentiellen Ausgangssignalen Sout1, Sout1,ref, Sout2, Sout2,ref um Lokaloszillator-(LO-)Signale handeln, die zur Bereitstellung von Quadratur-Signalen, auch I/Q-Signale genannt, dienen können. Ferner kann es sich bei dem beiden differentiellen Ausgangssignalen Sout1, Sout1,ref, Sout2, Sout2,ref um sogenannte Quadratur-Signale handeln, die für die Durchführung eines Quadraturamplitudenmodulationsverfahrens geeignet sein können.

Anhand der 2A, 2B, 3 und 4 wird nun eine Ausführungsform eines differentiellen Richtkopplers 29 näher erläutert. Die 2A und 2B zeigen schematische perspektivische Darstellungen des Richtkopplers 29 (2A) bzw. eines Ausschnitts des Richtkopplers 29 (2B). Die 3 zeigt eine physikalische Umsetzung des Richtkopplers 29. Die 4 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Richtkopplers 29, und insbesondere eine mögliche Einbettung des Richtkopplers 29 in ein Chipsystem, anhand einer perspektivischen Darstellung.

Der Richtkoppler 29 kann einen ersten Koppler mit einem ersten Transformator 10 und einen zweiten Koppler mit einem zweiten Transformator 20 aufweisen. Bei dem ersten Koppler und dem zweiten Koppler kann es sich jeweils um einen einendigen Transformator-basierten Richtkoppler handeln, wie beispielsweise einen Quadratur-Hybrid-Richtkoppler. Der erste Transformator 10 kann eine erste Eingangsspule 15 und eine erste Ausgangsspule 16 beinhalten. Ferner kann der zweite Transformator 20 eine zweite Eingangsspule 25 und eine zweite Ausgangsspule 26 beinhalten. Die erste Eingangsspule 15, die erste Ausgangsspule 16, die zweite Eingangsspule 25 und die zweite Ausgangsspule 26 können jeweils auf einzelnen Metallschichten basieren, die aufeinanderfolgend angeordnet sein können.

Insbesondere kann der Richtkoppler 29 und/oder ein äquivalentes Ersatzschaltbild des Richtkopplers 29 auf konzentrierten Elementen (Englisch: lumped elements) basieren. Bei einem “konzentrierten Element” kann es sich hierbei und im Folgenden um ein elektrisches Bauelement handeln, dessen Abmessungen kleiner als 1/10 einer Wellenlänge des Eingangssignals Sin, Sin,ref sind. Beispielsweise handelt es sich bei einem konzentrierten Element um einen Widerstand, einen Kondensator oder um eine Induktivität.

Die beiden Eingangsspulen 15, 25 können jeweils einen Eingangsport 11, 21 und einen Übertragungsport 12, 22 aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass die beiden Eingangsspulen 15, 25 jeweils mehrere Eingangsports 11, 21 und mehrere Übertragungsports 12, 22 aufweisen. Ferner können die beiden Ausgangsspulen 16, 26 jeweils einen Isolationsport 14, 24 und einen Ausgangsport 13, 23 aufweisen. Beispielsweise sind die Isolationsports 14, 24 mit einem, insbesondere an eine Impedanz des Richtkopplers 29 angepassten, Widerstand abgeschlossen. Beispielsweise sind die Isolationsports 14, 24 von den jeweiligen Eingangsports 11, 21 isoliert.

Bei einigen Ausführungsformen können die Eingangsspulen 15, 25 und die Ausgangsspulen 16, 26 jeweils auf einer gewickelten Leiterbahn basieren. Die Leiterbahnen können eine erste Breite b1 und eine zweite Breite b2 aufweisen. Beispielsweise kann eine magnetische und/oder eine kapazitive Kopplung zwischen den Leiterbahnen, und damit zwischen den jeweiligen Eingangsspulen 15, 25 und Ausgangsspulen 16, 26, mittels der ersten Breite b1 und/oder der zweiten Breite b2 eingestellt werden. Insbesondere ist es möglich, eine Phasenverschiebung zwischen dem Eingangssignal Sin, Sin,ref bzw. dem ersten Ausgangssignal Sout1, Sout1,ref und dem zweiten Ausgangssignal Sout2, Sout2,ref mittels der Stärke der kapazitiven Kopplung zwischen dem ersten Koppler und dem zweiten Koppler einzustellen. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Anpassung der ersten Breite b1 und/oder der zweiten Breite b2 erfolgen.

Bei einigen Ausführungsformen kann der erste Transformator 10 den zweiten Transformator 20 in einer Aufsicht auf den differentiellen Richtkoppler 29, insbesondere vollständig, überdecken. Hierbei und im Folgenden kann unter „der Aufsicht“ eine Sicht auf den Richtkoppler 29 aus einer vertikalen Richtung, die senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Richtkopplers 29 verläuft, gemeint sein. Mit anderen Worten, der erste Transformator 10 und der zweite Transformator 20 sind entlang der vertikalen Richtung zumindest teilweise, insbesondere vollständig, übereinander angeordnet. Beispielsweise überlappen der erste Transformator 10 und der zweite Transformator 20 in der Aufsicht im Rahmen der Herstellungstoleranzen vollständig. Es ist insbesondere möglich, dass die beiden Transformatoren 10, 20 formgleich ausgebildet sind. Die beiden Transformatoren 10, 20, und insbesondere die Eingangsspule 15, 25 und die Ausgangsspulen 16, 26, können dieselbe Größe aufweisen.

Die Eingangsspulen 15, 25 und die Ausgangsspulen 16, 26 können abwechselnd übereinander gestapelt sein. Zwischen den Eingangsspulen 15, 25 und den Ausgangsspulen 16, 26 kann jeweils ein isolierendes Material angeordnet sein.

Die beiden Transformatoren 10, 20 können eine Chipfläche bedecken. Die Größe der Chipfläche kann im Wesentlichen durch einen ersten Durchmesser d1 und einen quer, insbesondere senkrecht, zum ersten Durchmesser d1 verlaufenden zweiten Durchmesser d2 bestimmt sein (vgl. hierzu beispielsweise die 3). Aufgrund der Anordnung der beiden Transformatoren 10, 20 übereinander ist es möglich, dass die bedeckte Chipfläche relativ klein ist. Die Chipfläche kann insbesondere einer von der ersten Eingangsspule 15, der zweiten Eingangsspule 25, der ersten Ausgangsspule 16 oder der zweiten Ausgangsspule 26 bedeckten Fläche entsprechen. Beispielsweise betragen der erste Durchmesser d1 und der zweite Durchmesser d2 bei einem Richtkoppler 29, der für eine Frequenz des differentiellen Eingangssignals Sin, Sin,ref von etwa 10 GHz bis 100 GHz vorgesehen ist, jeweils wenigstens 50 μm und höchstens 100 μm, insbesondere 68 μm. Die Chipfläche kann dann beispielsweise im Wesentlichen 68 μm × 68 μm betragen.

Die erste Eingangsspule 15 und die zweite Eingangsspule 25 können bezüglich der Eingangsports 11, 21 und der Übertragungsports 12, 22 in der Aufsicht spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sein. Insbesondere können der Eingangsport 11 und der Übertragungsport 12 der ersten Eingangsspule 15 relativ zu dem Eingangssport 21 und dem Übertragungsport 22 der zweiten Eingangsspule 25 vertauscht angeordnet sein.

Es ist insbesondere möglich, dass es sich bei dem ersten und dem zweiten Koppler jeweils um einendige Richtkoppler, beispielsweise einendige Quadratur-Hybrid-Richtkoppler, handelt. Beispielsweise realisiert der erste Koppler einen Richtkoppler mit einem (0°, 90°)-Phasenausgang und der zweite Koppler einen Richtkoppler mit einem (180°, 270°)-Phasenausgang.

Der erste und der zweite Koppler können übereinander gestapelt angeordnet sein und kapazitiv miteinander gekoppelt sein um den differentiellen Richtkoppler 29 zu realisieren. Insbesondere können der erste Koppler und der zweite Koppler derart übereinander angeordnet sein, dass eine magnetische Kopplung zwischen den beiden Kopplern stets positiv ist. Eine positive magnetische Kopplung kann hierbei und im Folgenden dann gegeben sein, wenn eine gegenseitige Induktivität bzw. eine Gegeninduktivität der beiden Koppler positiv ist. Bei einer positiven magnetischen Kopplung überlagern sich die magnetischen Flüsse des ersten und zweiten Kopplers insbesondere stets positiv. Mit anderen Worten, die magnetischen Flüsse addieren sich auf. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Eingangsports 11, 21 auf derselben Seite des differentiellen Richtkopplers 29 angeordnet sind. Da der Strom des Referenzsignals Sin,ref in umgekehrte Richtung wie der des Basissignals Sin fließt, kann es erforderlich sein, die Eingangsports 11, 21 gegeneinander zu vertauschen um die positive magnetische Koppler zu ermöglichen.

In einigen Ausführungsformen kann der Richtkoppler 29 auf einem Chip, insbesondere ein Chipsystem, integriert sein. Beispielsweise ist der Richtkoppler 29 hierfür mittels elektrischer Zuleitungen 41, 42 mit einem Halterungssystem 43 verbunden.

In einigen Ausführungsformen ist es möglich, dass der differentielle Richtkoppler 29 in einem Signalumwandlungssystem, das den Sender 50 umfasst, eingesetzt wird. Beispielsweise kann der Sender 50 in demselben Chipsystem integriert sein wie der Richtkoppler 29. Das mit dem Sender 50 erzeugte Basissignal Sin kann an den Eingangsport 11 des ersten Kopplers angelegt werden und das mit dem Sender 50 erzeugte Referenzsignal Sin,ref kann an den Eingangsport 21 des zweiten Kopplers angelegt werden. Das Anlegen kann zum Beispiel mittels der in der 4 dargestellten Zuleitungen 41, 42 erfolgen.

Das Basissignal Sin kann in der ersten Eingangsspule 15 einen Basissignalstrom I1 bedingen, dessen Fluss innerhalb der ersten Eingangsspule 15 ein erstes Magnetfeld H1 erzeugen kann (vgl. hierzu beispielsweise die 2A). Ferner kann das Referenzsignal Sin,ref in der zweiten Eingangsspule 25 einen Referenzsignalstrom I2 bedingen, dessen Fluss innerhalb der zweiten Eingangsspule 25 ein zweites Magnetfeld H2 erzeugen kann. Der Basissignalstrom I1 und der Referenzsignalstrom I2 können, insbesondere stets, in dieselbe Richtung fließen. Beispielsweise fließen der Basissignalstrom I1 und/oder der Referenzsignalstrom I2 im Rahmen der Herstellungstoleranzen parallel zu der Haupterstreckungsebene und senkrecht zu der vertikalen Richtung aus der die Aufsicht erfolgt.

Das erste Magnetfeld H1 und das zweite Magnetfeld H2 können derart verlaufen, dass der erste Transformator 10 und der zweite Transformator 20 positiv miteinander gekoppelt sind. Mit anderen Worten, das erste Magnetfeld H1 und das zweite Magnetfeld H2 können sich positiv zu einem größeren Gesamtfeld addieren bzw. die magnetischen Flüsse in den beiden Transformatoren 10, 20 können sich konstruktiv überlagern. Die beiden Magnetfelder H1, H2 können eine magnetische Kopplung zwischen den Eingangsspulen 15, 25 und den Ausgangsspulen 16, 26 bewirken. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise in Verbindung mit einer kapazitiven Kopplung zwischen der ersten Eingangsspule 15 und der ersten Ausgangsspule 16 und einer kapazitiven Kopplung zwischen der zweiten Eingangsspule 25 und der zweiten Ausgangsspule 26, das differentielle Eingangssignals Sin, Sin,ref in zwei differentielle Ausgangssignale (in den 2A, 2B und 3 nicht dargestellt) umzuwandeln. Die differentiellen Ausgangssignale können beispielsweise an den Übertragungsports 12, 22 und/oder den Ausgangsports 14, 24 abgegriffen werden.

Aufgrund des gegenphasigen Verlaufs des Referenzsignals Sin,ref zum Basissignal Sin würde der Basissignalstrom I1 bei einem alternativen differentiellen Richtkoppler, bei dem die Eingangsports 11, 21 und die Übertragungsports 12, 22 nicht relativ zueinander vertauscht sind, gegenläufig zum Referenzsignalstrom I2 verlaufen. Dies würde zu einer destruktiven Überlagerung der beiden Magnetfelder H1, H2 führen. Zur Kompensation dieses Effekts können die Eingangsports 11, 21 und die Übertragungsports 12, 22 miteinander vertauscht sein um insbesondere eine konstruktive Überlagerung der beiden Magnetfelder H1, H2 zu ermöglichen.

Anhand des in der 5 dargestellten Ersatzschaltbildes ist ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Richtkopplers 59 näher erläutert. Der Richtkoppler 59 kann eine erste Eingangsspule 515 mit einem Eingangsport 511 und einem Übertragungsport 512, eine erste Ausgangsspule 516 mit einem Ausgangsport 514 und einem Isolationsport 513, eine zweite Eingangsspule 525 mit einem Eingangsport 521 und einem Übertragungsport 522 und eine zweite Ausgangsspule 526 mit einem Ausgangsport 523 und einem Isolationsport 523 umfassen.

Die Eingangsspulen 515, 525 und die Ausgangsspulen 516, 526 können jeweils magnetisch (Induktivitäten L1, L2, L3, L4) und kapazitiv (Kapazitäten Cc) an die jeweils benachbarten Eingangsspulen 515, 525 bzw. Ausgangsspulen 516, 526 gekoppelt sein. Die Eingangsspulen 515, 525 und die Ausgangsspulen 516, 526 können jeweils auf einer einzigen, insbesondere metallischen, Leiterbahn basieren. Das dargestellte Ersatzschaltbild kann dem eines Äquivalents eines Lange-Kopplers basierend auf konzentrierten Elementen entsprechen.

Anhand des in der 6 dargestellten Ersatzschaltbildes eines Kopplers 699 ist ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen differentiellen Richtkopplers 29 näher erläutert. Bei dem Koppler 699 kann es sich um den ersten Koppler und/oder den zweiten Koppler des differentiellen Richtkopplers 29 handeln, wobei der Koppler 699 vorliegend nicht im Verbund mit weiteren Kopplern betrieben wird. Bei der in der 6 dargestellten Realisierung handelt es sich um einen äußerst kompakte Realisierung eines Kopplers, die auf einer äquivalenten Schaltung, die den Lange-Koppler nachahmt, basieren kann. Insbesondere kann der Koppler 699 einendig ausgebildet sein.

Der Koppler 699 kann einen Transformator mit zwei Spulen Lin, Lout umfassen, die magnetisch miteinander gekoppelt sind (Kopplungsfaktor k). Es kann zudem eine kapazitive Kopplung zwischen den Spulen über Kapazitäten CC vorliegen. Die Spulen Lin, Lout können über weitere Kapazitäten CG mit der Umgebung, insbesondere dem Substrat des Chipsystems, gekoppelt sein. Insbesondere kann es sich bei den weiteren Kapazitäten CG um parasitäre Kapazitäten handeln. Alternativ zu dem in der 6 dargestellten Ausführungsbeispiel können die Kapazitäten CC und/oder die weiteren Kapazitäten CG auch jeweils unterschiedliche Werte annehmen. Ferner umfasst der Koppler 699 einen Eingangsport 611, einen Übertragungsport 612, einen, insbesondere geerdeten, Isolationsport 613 und einen Ausgangsport 614.

Im Fall von gleichartig ausgebildeten Spulen (Lin = Lout = L), kann das Ersatzschaltbild bei einem festen Kopplungsfaktor k mit den folgenden Formeln beschrieben werden:

Hierbei sind Zoo die charakteristische Impedanz des Gegentaktmodus (Englisch: odd mode), Zoe die charakteristische Impedanz des Gleichtaktmodus (Englisch: even mode), Zo die charakteristische Wellenimpedanz, ω0 die Kreisfrequenz des Eingangssignals, M die Gegeninduktivität und θo die elektrische Länge einer entsprechenden Leitung (Englisch: transmission line). Eine Leitung kann hierbei und im Folgenden ein Bauelement sein, dessen Abmessungen im Bereich der Wellenlänge des Eingangssignals liegen. Zur Herleitung der vorgenannten Formeln wird hierbei auf die Druckschrift D. Ozis – „Integrated Quadrature Couplers and Their Application in Image-Reject Receivers“, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol 44, No 5 (May 2009) verwiesen. Bei einer Frequenz von 50 GHz ergeben sich die folgenden idealen Werte für den Koppler 699: L = 187.57 pH; M = 132.63 pH; CG = 21.975 fF; CC = 53.052 fF.

Der Koppler 699 kann zur Umwandlung von einendigen Signalen, wie beispielsweise das Basissignal oder das Referenzsignal, geeignet sein. Mit einer entsprechenden Erweiterung des Kopplers 699 kann jedoch auch eine Umwandlung von differentiellen Signalen möglich sein.

Anhand der 7A ist ein hier beschriebenes Verfahren zur Umwandlung eines differentiellen Eingangssignals näher erläutert. Bei dem Verfahren kann ein differentielles Eingangssignal Sin, Sin,ref, beispielsweise mittels des Senders 50, bereitgestellt werden, welches an Eingangsports eines differentiellen Richtkopplers 29, beispielsweise den Eingangsports 11, 21 des ersten und zweiten Kopplers, gekoppelt wird. Das differentielle Eingangssignal Sin, Sin,ref wird, insbesondere mittels des differentiellen Richtkopplers 29, in zumindest ein differentielles Ausgangssignal Sout1, Sout1,ref, Sout2, Sout2,ref umgewandelt, welches weiterverarbeitet werden kann.

Anhand der 7B ist ein Verfahren zur Bereitstellung eines differentiellen Richtkopplers 29 näher erläutert. Bei dem Verfahren werden ein erste Koppler und ein zweiter Koppler bereitgestellt. Bei dem ersten und dem zweiten Koppler kann es sich um die in Verbindung mit den 1 bis 4 beschriebenen ersten und zweiten Koppler handeln. Insbesondere umfasst der erste Koppler einen ersten Transformator 10 umfassend eine erste Eingangsspule 15 und eine erste Ausgangsspule 16. Der zweite Koppler kann einen zweiten Transformator 20 mit einer zweiten Eingangsspule 25 und einer zweite Ausgangsspule 26 aufweisen. Das Verfahren zur Bereitstellung des Richtkopplers umfasst ferner ein Anordnen des ersten Kopplers und des zweiten Kopplers übereinander derart, dass der erste Transformator 10 den zweiten Transformator 20 in einer Aufsicht aus einer vertikalen Richtung auf den differentiellen Richtkoppler 29 zumindest teilweise überdeckt.

Anhand der 8A und 8B ist ein Ausführungsbeispiel eines Kopplers 699 für einen hier beschriebenen Richtkoppler 29 näher erläutert. Der Koppler 699 kann auf dem in der 6 dargestellten Ausführungsbeispiel basieren. Hierbei kann eine Optimierung für Frequenzen des Eingangssignals Sin, Sin,ref von wenigstens 20 GHz und höchstens 80 GHz, beispielsweise durch entsprechende Anpassung der ersten Breite b1 und/oder der zweiten Breite b2 und/oder durch der Größe der Eingangsspulen 15, 25 und/oder der Ausgangsspulen 16, 26, erfolgt sein. Insbesondere kann es sich bei dem Koppler 699 um einen sogenannten einendigen Koppler, der beispielsweise für die Umwandlung einendiger Signale vorgesehen sein kann, handeln.

Die 8A zeigt Simulationen der S-Parameter S in dB als Funktion der Frequenz fin eines Eingangssignals Sin, Sin,ref für ein Restsignal (zugehöriger erster S-Parameter S101) am Eingangsport 611, ein Übertragungssignal (zugehöriger zweiter S-Parameter S102) am Übertragungsport 612, ein Isolationssignal (zugehöriger dritter S-Parameter S103) am Isolationsport 613 sowie ein Ausgangssignal (zugehöriger vierter S-Parameter S104) am Ausgangsport 614. Für die Simulationen der S-Parameter wurde hierbei und auch im Folgenden jeweils ein 50 Ω-Abschluss angenommen. Ferner zeigt die 8B Simulationen S105 für eine Phasendifferenz ϕ in ° des Ausgangssignals relativ zu dem Eingangssignal. Ein auf konzentrierten Elementen basierender einendiger Koppler kann demnach eine hohe Bandbreite bei der Signalumwandlung aufweisen. Beispielsweise variiert die Leistung des Ausgangssignals bei einer Frequenzänderung von 40 GHz (zum Beispiel im Bereich einer Eingangssignal-Frequenz von wenigstens 40 GHz und höchstens 80 GHz) um höchstens 5 dB.

Anhand der 9A und 9B ist ein Ausführungsbeispiel eines differentiellen Richtkopplers 29 näher erläutert. Der differentielle Richtkoppler 29 kann der Umwandlung eines differentiellen Eingangssignals Sin, Sin,ref dienen. Beispielsweise kann der differentielle Richtkoppler 29 wenigstens einen, bevorzugt genau zwei, einendige Koppler 699 enthalten. Der differentielle Richtkoppler kann auf dem in den 2A, 2B, 3 und 4 und/oder dem in der 5 dargestellten Ausführungsbeispiel basieren, wobei eine Optimierung für Frequenzen des differentiellen Eingangssignals Sin, Sin,ref von wenigstens 20 GHz und höchstens 80 GHz erfolgen kann. Die 9A zeigt Simulationen der S-Parameter S in dB als Funktion der Frequenz fin des differentiellen Eingangssignals Sin, Sin,ref für ein an den Eingangsports 11, 21 anliegendes differentielles Restsignal (zugehöriger erster S-Parameter S111), das an den Übertragungsports 12, 22 anliegende erste differentielle Ausgangssignal Sout1 (zugehöriger zweiter S-Parameter S112), das an den Ausgangsports 14, 24 anliegende zweite differentielle Ausgangssignal Sout2 (zugehöriger vierter S-Parameter S114) sowie für das differentielle Isolationssignal am Isolationsport 13, 23 (zugehöriger dritter S-Parameter S113). Die 9B zeigt Simulationen S115 für eine Phasendifferenz ϕ in ° zwischen dem ersten differentiellen Ausgangssignal Sout1 und dem zweiten differentiellen Ausgangssignal Sout2.

Ein hier beschriebener Richtkoppler 29 kann eine breitbandige Kopplung über einen großen Frequenzbereich, insbesondere eine breitbandige Leistungsstabilität und eine breitbandige Phasenstabilität, aufweisen. Dies kann unter anderem durch den Einsatz von konzentrierten Elementen ermöglicht werden. Hierdurch kann beispielsweise ein breitbandiger Quadratur-Hybrid-Koppler mit einer geringen Größe bereitgestellt werden.

Beispielsweise verändert sich die Phasendifferenz ϕ im Bereich von wenigstens 20 GHz und höchstens 80 GHz um maximal 2°, im Bereich von wenigstens 20 GHz, insbesondere wenigstens 30 GHz, und höchstens 60 GHz um weniger als 1°. Ferner ist es möglich, dass sich die Leistung des ersten differentiellen Ausgangssignals Sout1 und/oder des zweiten differentiellen Ausgangssignals Sout2 im Bereich von wenigstens 20 GHz, insbesondere wenigstens 30 GHz, und höchstens 100 GHz um höchstens 10 dB ändert. Im Bereich von wenigstens 40 GHz und höchstens 80 GHz kann sich die Leistung des ersten differentiellen Ausgangssignals Sout1 und/oder des zweiten differentiellen Ausgangssignals Sout2 insbesondere um höchstens 5 dB ändern. Der optimale Betrieb des Richtkopplers 29 kann bei einer Frequenz von etwa 60 GHz, insbesondere wenigstens 59 GHz und höchstens 62 GHz sein.

Anhand der 10 ist ein Ausführungsbeispiel eines alternativen differentiellen Richtkopplers 119, der auf verteilten Elementen basieren kann, anhand einer schematischen Darstellung näher erläutert. Der alternative differentielle Richtkoppler 119 kann als Branch-Line-Koppler und insbesondere einteilig bzw. einstückig ausgebildet sein. Bei dem alternativen differentiellen Richtkoppler 119 kann es sich um einen auf verteilten Elementen, insbesondere auf Übertragungsleitungen bzw. Leitungsstücken, basierenden Koppler handeln. Ein solcher Richtkoppler kann relativ einfach zu dimensionieren sein, jedoch den Nachteil bergen, dass ein hoher Platzbedarf auf dem Chipsystem bzw. dem Chip erforderlich ist, der mit der Wellenlänge des Eingangssignals wächst.

Der alternative differentielle Richtkoppler 119 kann eine erste Übertragungsleitung 1131 und eine zweite Übertragungsleitung mit jeweils einem Eingangsport 1111, 1121, einem Übertragungsport 1112, 1122, einem Ausgangsport 1114, 1124 und einem Isolationsport 1113, 1123, aufweisen. Ferner ist eine Metallisierung 1133 vorhanden, die unterhalb der Leitungen des Richtkopplers verläuft. Bei dem alternativen differentiellen Richtkoppler 119 kann es sich um einen differentiellen Branch-Line-Koppler handeln.

Anhand der 11A und 11B ist ein Ausführungsbeispiel eines alternativen differentiellen Richtkopplers 119 näher erläutert. Die Figuren zeigen Simulationen eines für Frequenzen des Eingangssignals im Bereich von wenigstens 20 GHz und höchstens 80 GHz optimierten alternativen differentiellen Richtkopplers 119. Die 11A zeigt Simulationen der S-Parameter S in dB als Funktion der Frequenz fin eines Eingangssignals für ein Restsignal S121 an den Eingangsports 1111, 1121, ein Übertragungssignal S122 an den Übertragungsports 1112, 1122, ein Isolationssignal S123 an den Isolationsports 1113, 1123 sowie ein Ausgangssignal S124 an den Ausgangsports 1114, 1124. Ferner zeigt die 11B Simulationen S125 für eine Phasendifferenz ϕ in ° des Ausgangssignals S124 relativ zu dem Eingangssignal 121. Ein alternativer differentieller Richtkoppler 119, der auf verteilten Elementen basiert, kann eine stark frequenzabhängige Kopplung im Vergleich zu einem hier beschriebenen differentiellen Richtkoppler 29 aufweisen und insbesondere zur schmalbandigen Umwandlung des Eingangssignals ausgebildet sein. Insbesondere kann der alternative differentielle Richtkoppler 119 eine 2 dB-Leistungs-Ungleichheit aufweisen und eine starke Phasenänderung über den Frequenzbereich.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Richtkopplers umfasst dieser einen ersten Koppler mit einem ersten Transformator und einen zweiten Koppler mit einem zweiten Transformator. Der erste Transformator umfasst eine erste Eingangsspule und eine erste Ausgangsspule. Ferner umfasst der zweite Transformator eine zweite Eingangsspule und eine zweite Ausgangsspule. Bei der ersten Eingangsspule bzw. der zweiten Eingangsspule und der ersten Ausgangsspule bzw. der zweiten Ausgangsspule kann es sich jeweils um die Transformatorspulen des ersten Transformators bzw. des zweiten Transformators handeln. Beispielsweise kann die erste Eingangsspule bzw. die zweite Eingangsspule magnetisch und/oder kapazitiv mit der ersten Ausgangsspule bzw. der zweiten Ausgangsspule gekoppelt sein.

Die Eingangsspulen und die Ausgangsspulen können mit elektrisch leitenden Leiterbahnwicklungen gebildet sein. Die Leiterbahnwicklungen können insbesondere einstückig ausgebildet sein. Es ist möglich, dass die Eingangsspulen, und die Ausgangsspulen, jeweils nur eine Leiterbahnwicklung umfassen. Alternativ zumindest eine der Eingangsspulen und/oder zumindest eine der Ausgangsspulen mehrere Leiterbahnwicklungen aufweisen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die erste Eingangsspule und die zweite Eingangsspule jeweils einen Eingangsport. Es ist möglich, dass die erste bzw. die zweite Eingangsspule weitere Eingangsports aufweisen. Bei dem Eingangsport kann es sich um einen elektrisch leitfähigen Anschluss der ersten bzw. zweiten Eingangsspule handeln, der zum Einkoppeln eines Signals in die erste bzw. zweite Eingangsspule eingerichtet sein kann.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdeckt der erste Transformator den zweiten Transformator in einer Aufsicht aus der vertikalen Richtung auf den differentiellen Richtkoppler zumindest teilweise. Mit anderen Worten, der erste Transformator und der zweite Transformator können übereinander angeordnet sein. Mit anderen Worten, der erste Transformator und der zweite Transformator sind entlang der vertikalen Richtung zumindest teilweise übereinander angeordnet. Die vertikale Richtung kann senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene, in der sich der differentielle Richtkoppler in lateralen Richtungen erstreckt, verlaufen. Senkrecht zur Haupterstreckungsebene kann der Richtkoppler eine Dicke aufweisen, die klein gegen eine maximale Erstreckung des Richtkopplers in einer der lateralen Richtungen ist. Beispielsweise fließt im Betrieb des Richtkopplers ein Signalstrom, der durch ein an zumindest einen der Eingangsports angelegtes Signal erzeugt wird, im Rahmen der Herstellungstoleranzen parallel zur Haupterstreckungsebene.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die erste Eingangsspule und die zweite Eingangsspule bezüglich ihrer Eingangsports in der Aufsicht spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet. Eine „spiegelsymmetrische Ausbildung“ von Ports, wie beispielsweise der Eingangsports, ist hierbei und im Folgenden nicht im mathematisch strengen Sinne des Begriffs, sondern vielmehr im Rahmen der Herstellungstoleranzen zu verstehen. Die spiegelsymmetrische Ausbildung kann sich insbesondere lediglich, also ausschließlich, auf die Position der spiegelsymmetrisch ausgebildeten Ports beziehen. Beispielsweise sind die Ports bei einer spiegelsymmetrischen Ausbildung bezüglich ihrer jeweiligen Position in bzw. an der zugehörigen Eingangsspule vertauscht angeordnet. Bei weiteren Teilen der Eingangsspulen, wie beispielsweise Leiterbahnwicklungen, kann es möglich sein, dass eine spiegelsymmetrische Ausbildung nicht erforderlich ist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die erste Eingangsspule und die zweite Eingangsspule jeweils einen Übertragungsport. Es ist möglich, dass die erste bzw. die zweite Eingangsspule weitere Übertragungsports aufweisen. Beispielsweise kann der jeweilige Eingangsport der ersten bzw. zweiten Eingangsspule über zumindest eine Leiterbahnwicklung der jeweiligen Eingangsspule mit dem jeweiligen Übertragungsport gekoppelt sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die erste Eingangsspule und die zweite Eingangsspule bezüglich ihrer Übertragungsports in der Aufsicht spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet. Es ist möglich, dass die erste Eingangsspule und die zweite Eingangsspule bezüglich ihrer Eingangsports und bezüglich ihrer Übertragungsports in der Aufsicht spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Insbesondere können der Eingangsport und der Übertragungsport der ersten Eingangsspule relativ zu dem Eingangssport und dem Übertragungsport der zweiten Eingangsspule vertauscht angeordnet sein. Beispielsweise kann ein Vertauschen des Eingangsports der ersten Eingangsspule mit dem Übertragungsport der ersten Eingangsspule die erste Eingangsspule in die zweite Eingangsspule überführen und umgekehrt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdeckt der Eingangsport des ersten Kopplers den Übertragungsport des zweiten Kopplers in der Aufsicht zumindest teilweise. Ferner überdeckt der Übertragungsport des ersten Kopplers den Eingangsport des zweiten Kopplers in der Aufsicht zumindest teilweise. Insbesondere können der Eingangsport bzw. der Übertragungsport des ersten Kopplers den Übertragungsport bzw. den Eingangsport des zweiten Kopplers in der Aufsicht jeweils vollständig überdecken.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des differentiellen Richtkopplers sind der erste Koppler und der zweite Koppler elektrisch isoliert voneinander ausgebildet. Ferner ist der differentielle Richtkoppler mehrteilig ausgebildet. Beispielsweise ist zwischen der ersten Eingangsspule, der ersten Ausgangsspule, der zweiten Eingangsspule und der zweiten Ausgangsspule jeweils ein elektrisch isolierendes Material angeordnet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des differentiellen Richtkopplers basieren der erste Koppler und der zweite Koppler jeweils auf konzentrierten Elementen. Beispielsweise ist der differentielle Richtkoppler, insbesondere ausschließlich, aus konzentrierten Elementen gebildet. Insbesondere weist ein konzentriertes Element Abmessungen beziehungsweise eine Größe auf, die kleiner als 1/10 einer Wellenlänge des Eingangssignals sind. Alternativ oder zusätzlich können der erste Koppler und der zweite Koppler jeweils einendige Transformator-basierte Richtkoppler sein. Ein einendiger Richtkoppler kann zur Umwandlung eines einendigen Signals vorgesehen sein. Beispielsweise ist es hierdurch möglich, einen besonders kompakten Richtkoppler bereitzustellen. Im Gegensatz hierzu weisen Koppler mit verteilten Elementen, wie beispielsweise auf Übertragungsleitungen basierende Koppler, eine größere Ausdehnung auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des differentiellen Richtkopplers sind der erste Koppler und der zweite Koppler formgleich. Beispielsweise weisen die erste Eingangsspule und die zweite Eingangsspule bzw. die erste Ausgangsspule und die zweite Ausgangsspule dieselbe Anzahl an Leiterbahnwicklungen und denselben Spulenradius auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des differentiellen Richtkopplers sind der erste Transformator und der zweite Transformator in der Aufsicht im Rahmen der Herstellungstoleranzen deckungsgleich übereinander angeordnet. Mit anderen Worten, der erste Transformator überdeckt den zweiten Transformator vollständig und umgekehrt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der erste Koppler und der zweite Koppler jeweils Quadratur-Hybrid-Richtkoppler. Alternativ oder zusätzlich ist der differentielle Richtkoppler ein differentieller Quadratur-Hybrid-Richtkoppler. Mit anderen Worten, der erste Koppler und der zweite Koppler und/oder der differentielle Richtkoppler können jeweils dazu eingerichtet sein, ein eingehendes Signal in zwei ausgehende Signale, die im Rahmen der Herstellungstoleranzen dieselbe Leistung aufweisen und zueinander eine 90°-Phasenverschiebung aufweisen, umzuwandeln.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die erste Ausgangsspule und die zweite Ausgangsspule jeweils einen Isolationsport und einen Ausgangsport auf. Der jeweilige Isolationsport kann über eine Leiterbahnwicklung der jeweiligen Ausgangsspule mit dem jeweiligen Ausgangsport gekoppelt sein. Die erste Ausgangsspule und die zweite Ausgangsspule sind bezüglich ihrer Isolationsports und ihrer Ausgangsports in der Aufsicht spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdecken der erste Transformator und der zweite Transformator in der Aufsicht eine Chipfläche, welche höchstens 120 %, bevorzugt höchstens 110 % und besonders bevorzugt höchstens 105 %, der von dem ersten oder dem zweiten Transformator überdeckten Fläche beträgt. Mit anderen Worten, der differentielle Richtkoppler kann im Rahmen der Herstellungstoleranzen die Größe des ersten oder des zweiten Kopplers, insbesondere der ersten Eingangsspule, der zweiten Eingangsspule, der ersten Ausgangsspule oder der zweiten Ausgangsspule, aufweisen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst ein Signalumwandlungssystem einen Sender, der dazu eingerichtet ist, ein differentielles Eingangssignal, aufweisend ein Basissignal und ein Referenzsignal, zu erzeugen. Das Referenzsignal ist gegenphasig, das heißt um 180° phasenverschoben, zum Basissignal ausgebildet. Insbesondere kann das differentielle Eingangssignal eine Eingangssignalfrequenz aufweisen. Beispielsweise beträgt die Eingangssignalfrequenz wenigstens 500 MHz und höchstens 300 GHz, bevorzugt wenigstens 10 GHz und höchstens 100 GHz.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Signalumwandlungssystem einen differentiellen Richtkoppler. Der differentielle Richtkoppler kann einen ersten Koppler mit einem ersten Transformator und einen zweiten Koppler mit einem zweiten Transformator umfassen.

Der Sender und der differentielle Richtkoppler können auf demselben Chipsystem angebracht sein. Ferner ist es möglich, dass der Sender zum Empfang eines Signals, das außerhalb des Chipsystems erzeugt wird, eingerichtet ist und das Signal in das differentielle Eingangssignal übersetzt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Signalumwandlungssystems ist das Basissignal an einen Eingangsport des ersten Kopplers gekoppelt. Ferner ist das Referenzsignal an einen Eingangsport des zweiten Kopplers gekoppelt. Beispielsweise erfolgt die Kopplung über Anschlussleitungen, mittels derer ein Signalausgang des Signalumwandlungssystems elektrisch leitend mit den Eingangsports verbunden ist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der differentielle Richtkoppler dazu eingerichtet, das differentielle Eingangssignal zumindest teilweise in zumindest ein differentielles Ausgangssignal mit einer Phasenverschiebung zum differentiellen Eingangssignal umzuwandeln. Das zumindest eine differentielle Ausgangssignal kann ein phasenverschobenes Basissignal und ein gegenphasig zum phasenverschobenes Basissignal ausgebildetes phasenverschobenes Referenzsignal beinhalten. Das phasenverschobenes Referenzsignal kann die Phasenverschiebung zum phasenverschobenes Basissignal aufweisen und das Ausgangsreferenzsignal kann die Phasenverschiebung zum Referenzsignal aufweisen. Beispielsweise ist der differentielle Richtkoppler dazu eingerichtet, das differentielle Eingangssignal in zwei differentielle Ausgangssignale aufzuspalten. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der differentielle Richtkoppler dazu eingerichtet ist, das differentielle Eingangssignal mit einem weiteren, insbesondere differentiellen, Signal zu kombinieren.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform erzeugt ein Basissignalstrom des Basissignals durch den ersten Transformator ein erstes Magnetfeld und ein Referenzsignalstrom des Referenzsignals durch den zweiten Transformator ein zweites Magnetfeld. Die Eingangsports des ersten und zweiten Kopplers sind derart relativ zueinander angeordnet sind, dass sich das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld konstruktiv überlagern. Eine konstruktive Überlagerung wird beispielsweise bei der gleichsinnigen Kopplung zweier Spulen erzeugt. Eine gleichsinnige Kopplung wird beispielsweise durch eine positive magnetische Kopplung, bei der sich die Magnetfelder positiv aufaddieren, ermöglicht.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der erste Transformator eine erste Eingangsspule und eine erste Ausgangsspule und der zweite Transformator eine zweite Eingangsspule und eine zweite Ausgangsspule. Die erste Eingangsspule und die erste Ausgangsspule und/oder die zweite Eingangsspule und die zweite Ausgangsspule sind magnetisch und/oder kapazitiv gekoppelt. Diese Kopplung kann zur Umwandlung des differentiellen Eingangssignals in das differentielle Ausgangssignal dienen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Phasenverschiebung des zumindest einen differentiellen Ausgangssignals mittels einer ersten Breite zumindest einer Leiterbahn des ersten Transformators und/oder mittels einer zweiten Breite zumindest einer Leiterbahn des zweiten Transformators einstellbar. Beispielsweise kann mittels der ersten Breite und/oder der zweiten Breite die Stärke der kapazitiven und/oder einer magnetischen Kopplung zwischen der ersten Eingangsspule und der ersten Ausgangsspule bzw. zwischen der zweiten Eingangsspule und der zweiten Ausgangsspule beeinflusst werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die kapazitive und/oder die magnetische Kopplung mittels eines Abstands zwischen den Leiterbahnen eingestellt werden kann.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der differentielle Richtkoppler dazu eingerichtet ist, das differentielle Eingangssignal in ein erstes differentielles Ausgangssignal mit einer ersten Phasenverschiebung zum differentiellen Eingangssignal und ein zweites differentielles Ausgangssignal mit einer zweiten Phasenverschiebung zum differentiellen Eingangssignal umzuwandeln. Die erste Phasenverschiebung kann 0° betragen und die zweite Phasenverschiebung kann 90° betragen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistung des ersten Ausgangssignals im Rahmen der Herstellungstoleranzen der Leistung des zweiten Ausgangssignals entsprechen. Bei dem differentiellen Richtkoppler kann es sich dann beispielsweise um einen differentiellen Quadratur-Hybrid-Koppler handeln.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform verläuft eine Wicklungsrichtung der ersten Eingangsspule gegenläufig zu einer Wicklungsrichtung der zweiten Eingangsspule. Mit anderen Worten, die erste Eingangsspule und die zweite Eingangsspule können so gewickelt sein, dass eine der beiden Eingangsspulen rechtsgängig ausgebildet ist und die andere der beiden Eingangsspulen linksgängig ausgebildet ist oder umgekehrt. Es ist ferner möglich, dass eine Wicklungsrichtung der ersten Ausgangsspule gegenläufig zu einer Wicklungsrichtung der zweiten Ausgangsspule verläuft.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdecken der erste Transformator und der zweite Transformator in der Aufsicht eine Chipfläche. Die Chipfläche beträgt bei dieser Ausführungsform höchstens 20 %, bevorzugt höchstens 10 % und besonders bevorzugt höchstens 5 %, der Wellenlänge des differentiellen Eingangssignals.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Umwandlung eines differentiellen Eingangssignals umfasst dieses ein Bereitstellen eines Senders und das Bereitstellen eines differentiellen Richtkopplers. Der differentielle Richtkoppler umfasst einen ersten Koppler mit einer ersten Eingangsspule und einer ersten Ausgangsspule und einen zweiten Koppler mit einer zweiten Eingangsspule und einer zweiten Ausgangsspule. Ferner umfasst das Verfahren ein Erzeugen eines differentiellen Eingangssignals mit dem Sender. Das differentielle Eingangssignal umfasst ein Basissignal und ein zum Basissignal gegenphasiges Referenzsignal. Das Verfahren umfasst zudem ein Umwandeln des differentiellen Eingangssignals in zumindest ein differentielles Ausgangssignal mit dem differentiellen Richtkoppler.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Koppeln des Basissignals mit einem Eingangsport des ersten Kopplers und Koppeln des Referenzsignals mit einem Eingangsport des zweiten Kopplers. Das Koppeln erfolgt derart, dass ein Basissignalstrom des Basissignals innerhalb der ersten Eingangsspule und ein Referenzsignalstrom des Referenzsignals innerhalb der zweiten Eingangsspule in dieselbe Richtung fließen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet das Umwandeln des differentiellen Ausgangssignals ein magnetisches und/oder kapazitives Koppeln der ersten Eingangsspule mit der ersten Ausgangsspule und ein magnetisches und/oder kapazitives Koppeln der zweiten Eingangsspule mit der zweiten Ausgangsspule. Beispielsweise erfolgt das jeweilige magnetische und/oder kapazitive Koppeln durch Anlegen des differentiellen Eingangssignals.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet das Umwandeln des differentiellen Ausgangssignals ein Umwandeln des Basissignals in ein erstes und ein zweites phasenverschobenes Basissignal mit dem ersten Koppler, ein Umwandeln des Referenzsignals in ein erstes und ein zweites phasenverschobenes Referenzsignal mit dem zweiten Koppler, ein Kombinieren des ersten phasenverschobenen Basissignals und des ersten phasenverschobenen Referenzsignals zu einem ersten differentiellen Ausgangssignal und ein Kombinieren des zweiten phasenverschobenen Basissignals und des zweiten phasenverschobenen Referenzsignals zu einem zweiten differentiellen Ausgangssignal.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Durchführen eines Modulationsverfahrens mit dem ersten differentiellen Ausgangssignal und dem zweiten differentiellen Ausgangssignal. Beispielsweise wird eine Quadraturamplitudenmodulation durchgeführt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Bereitstellen des differentiellen Richtkopplers derart, dass die erste Eingangsspule und/oder die erste Ausgangsspule in einer Aufsicht auf den differentiellen Richtkoppler im Rahmen der Herstellungstoleranzen deckungsgleich über der zweiten Eingangsspule und/oder der zweiten Ausgangsspule angeordnet sind. Insbesondere ist es möglich, dass die erste Eingangsspule die erste Ausgangsspule, die zweite Eingangsspule und die zweite Ausgangsspule überdeckt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Bereitstellen des differentiellen Richtkopplers derart, dass eine magnetische Kopplung zwischen dem ersten Koppler und dem zweiten Koppler positiv ist. Beispielsweise werden die Eingangsspulen und die Ausgangsspulen derart zueinander angeordnet, dass ein Basissignalstrom des Basissignals entgegengesetzt zu einem Referenzsignalstrom des Referenzsignals fließt.

Obwohl diese Erfindung in Bezug auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere auch jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Insbesondere können Merkmale in den Zeichnungen dargestellt sein, die nicht zwingend für die Implementierung notwendig sind. Stattdessen können in anderen Ausführungsformen einige der gezeigten oder beschriebenen Merkmale oder Elemente entfallen und/oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • D. Ozis – „Integrated Quadrature Couplers and Their Application in Image-Reject Receivers“, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol 44, No 5 (May 2009) [0042]