CN118646432A - 一种功分器及通信装置 - Google Patents

Abstract

提供一种功分器及通信装置，涉及射频电路领域，该功分器能够节约占用的集成电路的面积，优化集成电路的布板设计。该功分器，包括：耦合于第一端口和地之间的第一感性元件；耦合于第一端口和第二端口之间的第一电容元件和第二感性元件；耦合于第一端口和第三端口之间的第二电容元件和第三感性元件；耦合于第一电容元件和第二感性元件的耦合点与第二电容元件和第三感性元件的耦合点之间的第一电阻元件。该功分器用于功率分配或功率合路。

Description

一种功分器及通信装置

技术领域

本申请的实施例涉及射频电路领域，尤其涉及一种功分器及通信装置。

背景技术

功率分配器(power divider)，简称功分器或分离器(spliter)，是一种常用的微波器件。在无线通信设备(如基站或终端)中，常常需要把某一输入功率按照一定的比例分配到各分支电路中，此时可以采用功分器。功分器既可用于功率分配，也可用于功率合路，此时也称为功率合成器，或简称合成器(combiner)或功合器。如果每个分支电路被分配的功率相等，该功分器也称为等功率功分器。

威尔金森(wilkinson)功分器是一种经典的基于传输线设计的功分器。威尔金森功分器分别耦合至第一端口，第二端口和第三端口，介于第一端口和第二端口之间的第一段传输线，介于第一端口和第三端口之间的第二段传输线，以及介于第二端口和第三端口之间的隔离电阻R，阻抗记为2Z₀。第一段传输线和第二段传输线应当对称设计，特征阻抗要求相等，均记为Z₀,长度要求均是待传输信号对应的波长的四分之一，均记为λ/4。该隔离电阻R的尺寸要求比待传输信号对应的波长小很多，几乎可以忽略。当该威尔金森功分器工作时，第一端口，第二端口和第三端口分别耦合到三段特征阻抗也记为Z₀的传输线上，能够满足信号传输所需的阻抗匹配条件以及第二端口和第三端口的隔离度要求。

然而对于集成电路而言，四分之一波长的传输线所需的芯片面积太大，并且由于第二端口和第三端口的位置也受限于隔离电阻R的尺寸(通常隔离电阻R的尺寸较小导致第二端口和第三端口距离很近)，不利于集成电路的布板设计。

发明内容

本申请的实施例提供一种功分器及通信装置，能够节约占用的集成电路的面积，优化集成电路的布板设计。

第一方面，提供一种功分器。该功分器包括：第一电容元件、第二电容元件、第一感性元件、第二感性元件、第三感性元件以及第一电阻元件。

上述结构以及器件的耦合关系如下：第一感性元件的第一端与第一端口耦合，第一感性元件的第二端耦合地；第一电容元件的第一端与第一端口耦合；第二感性元件的第一端与第一电容元件的第二端耦合，第二感性元件的第二端与第二端口耦合；第二电容元件的第一端与第一端口耦合；第三感性元件的第一端与第二电容元件的第二端耦合，第三感性元件的第二端与第三端口耦合；第一电阻元件的第一端与第二感性元件的第一端耦合，第一电阻元件的第二端与第三感性元件的第一端耦合。

综上，由于该功分器包含了一个耦合于第一端口与地之间的第一感性元件，一对一端串联于第一端口的第一电容元件以及第二电容元件，一个跨接在第一电容元件以及第二电容元件的另一端的第一电阻元件，以及一对分别串联于第一电容元件的另一端与第二端口之间的第二感性元件、串联于第二电容元件的另一端与第三端口之间的第三感性元件。其中，由于上述的第一电容元件、第二电容元件、第一感性元件、第二感性元件、第三感性元件以及第一电阻元件可以采用集总元件通常可以采用集总元件实现，而集总元件通常占用面积较小，因此当通过集成电路实现该功分器时能够节约占用的集成电路的面积，优化集成电路的布板设计。此外，由于第二感性元件以及第三感性元件分别设置在第一电阻元件与第二端口、第三端口之间，因此能够消除第一电阻元件的尺寸对第一端口和第二端口的位置的限制，提高了集成电路的布板灵活性较高。

在一种可能的实现方式中，第一感性元件、第二感性元件以及第三感性元件采用集总元件，例如电感器件。

在一种可能的实现方式中，第一感性元件、第二感性元件以及第三感性元件采用设置于衬底上的金属走线。功分器的第二端口(第三端口)通常耦合射频前端通道，因此形成第二感性元件(第三感性元件)的金属走线也可以通过吸收到功分器的第二端口(第三端口)与射频前端通道之间的金属走线中的方式实现，从而使得所占面积进一步减小。

在一种可能的实现方式中，为节省走线占用的面积，第一感性元件、第二感性元件以及第三感性元件中的一个或多个的金属走线呈曲线状。

在一种可能的实现方式中，曲线状包括：螺旋状或S状。

在一种可能的实现方式中，上述主要描述了单端口形式的功分器。当然，该功分器也可以应用于差分端口形式，则功分器还包括：第四感性元件，第四感性元件的第一端与第四端口耦合，第四感性元件的第二端耦合地；第三电容元件，第三电容元件的第一端与第四端口耦合；第五感性元件，第五感性元件的第一端与第三电容元件的第二端耦合，第五感性元件的第二端与第五端口耦合；第四电容元件，第四电容元件的第一端与第四端口耦合；第六感性元件，第六感性元件的第一端与第四电容元件的第二端耦合，第六感性元件的第二端与第六端口耦合；第二电阻元件，第二电阻元件的第一端与第五感性元件的第一端耦合，第二电阻元件的第二端与第六感性元件的第一端耦合；第一端口与第四端口组成一对差分端口，第二端口与第五端口组成一对差分端口，第三端口与第六端口组成一对差分端口。差分端口形式的功分器的第一端口与第四端口，第二端口与第五端口，第三端口与第六端口耦合的信号传输线可以是差分信号线。一对差分信号线相当于一个正信号线和一个负信号线的组合。因此，差分端口形式的功分器相当于包括两个相同结构的单端口形式的功分器。

在一种可能的实现方式中，为了实现等功率功分器，第一电容元件与第二电容元件的阻抗相等；第二感性元件与第三感性元件的阻抗相等。

第二方面，提供一种通信装置，包括：功分电路，功分电路包括一个或多个上述的功分器。

在一种可能的实现方式中，多个功分器中的每个功分器均包括第一端口，第二端口和第三端口，至少三个功分器包括第一功分器，第二功分器和第三功分器；其中，第一功分器的第二端口耦合第二功分器的第一端口，第一功分器的第三端口耦合第三功分器的所述第一端口。

在一种可能的实现方式中，还包括：收发器，以及天线阵列，天线阵列包括第一天线，第二天线，第三天线以及第四天线；其中，第一功分器的第一端口耦合至收发器，第二功分器的第二端口耦合至第一天线，第二功分器的第三端口耦合至第二天线，第三功分器的第二端口耦合至第三天线，第三功分器的第三端口耦合至第四天线。

在一种可能的实现方式中，还包括：射频芯片和基带芯片，其中，通信装置集成在射频芯片内。

应理解，本申请提供的方案中，通信装置可以是无线通信设备，也可以是无线通信设备中的部分器件，例如功分电路，射频器件，射频芯片，芯片组合，或包含芯片的模组等集成电路产品。无线通信设备可以是支持无线通信功能的计算机设备。

具体地，无线通信设备可以是诸如智能手机这样的终端，也可以是诸如基站这样的无线接入网设备。从功能上来说，用于无线通信的芯片可分为基带芯片和射频芯片。基带芯片也称为调制解调器(modem)或基带处理芯片。射频芯片也称为收发器芯片，射频收发机(transceiver)或射频处理芯片。因此，该无线通信装置可以是单个芯片，也可以是多个芯片的组合，例如系统芯片，芯片平台或芯片套片。

系统芯片也称为片上系统(system on a ch ip，SoC)，或简称为SoC芯片，可以理解为将多个芯片封装在一起，组成一个更大的芯片。例如基带芯片就可以进一步封装在SoC芯片中。芯片平台或芯片套片可以理解为需要配套使用的多个芯片，这多个芯片往往是独立封装，但芯片工作时需要相互配合，共同完成无线通信功能。例如，基带芯片(或集成了基带芯片的SoC芯片)和射频芯片通常是独立封装的，但需要配套使用。

第三方面，提供一种芯片，包括衬底以及设置于衬底上的如第一方面及其可能的实现方式中所述的功分器。

其中，第二方面、第三方面及其可能的实现方式所解决的技术问题以及实现的技术效果可以参考第一方面及其可能的实现方式中的描述，不在赘述。

附图说明

图1为本申请的实施例提供的一种无线通信系统的结构示意图；

图2为本申请的实施例提供的一种无线通信设备的结构示意图；

图3为本申请的实施例提供的一种无线通信设备的射频子系统的结构示意图；

图4为本申请的实施例提供的一种功分器的功能示意图；

图5为本申请的实施例提供的一种功分器的结构示意图；

图6为本申请的另一实施例提供的一种功分器的结构示意图；

图7为本申请的另一实施例提供的一种功分器的结构示意图；

图8为本申请的另一实施例提供的一种功分器的结构示意图；

图9为本申请的另一实施例提供的一种功分器的结构示意图；

图10为本申请的另一实施例提供的一种功分器的结构示意图；

图11为本申请的另一实施例提供的一种功分器的结构示意图；

图12为本申请的另一实施例提供的一种功分器的结构示意图；

图13为本申请的另一实施例提供的一种功分器的结构示意图；

图14为本申请的另一实施例提供的一种功分器的结构示意图；

图15为本申请的另一实施例提供的一种无线通信设备的结构示意图。

具体实施方式

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。

以下结合附图并举实施例，对本申请提供的技术方案作进一步说明。

图1为本申请实施例提供的一种无线通信系统的结构示意图。该无线通信系统包括至少一个基站(base stat ion，BS)和至少一个终端(termina l)。如图1所示，该无线通信系统中示出了一个基站BS，以及两个终端(T1和T2)。基站BS通常归属于运营商或基础设施提供商，并由这些厂商负责运营或维护。基站BS可通过集成或外接的天线，为特定地理区域提供通信覆盖。位于基站BS的通信覆盖范围内的一个或多个终端，均可以接入基站BS。基站BS也可以被称为无线接入点(access point，AP)，或发送接收点(transmi ss ionrecept ion point，TRP)。具体地，基站BS可以是5G新无线(new radio，NR)系统中的通用节点B(generation NodeB，gNB)，4G长期演进(long term evolution，LTE)系统的演进节点B(evolutional Node B，eNB)等。

终端则与用户的关系更加紧密，也被称为用户设备(user equipment，UE)，或订户单元(subscriber unit，SU)，用户所在地设备(customer-premises equipment，CPE)。相对于通常在固定地点放置的基站，终端往往随着用户一起移动，有时也被称为移动台(mobilestation，MS)。此外，有些网络设备，例如中继节点(relay node，RN)，由于具备UE身份，或者归属于用户，有时也可被认为是终端。具体地，终端可以是移动电话(mobile phone)，平板电脑(tablet computer)，膝上型电脑(laptop computer)，可穿戴设备(如手表，手环，头盔和眼镜)，以及其他具备无线接入能力的设备，例如汽车，移动无线路由器，以及各种物联网(internet of thing，IOT)设备，包括各种智能家居设备(如电表和家电)和智能城市设备(如监控摄像头和路灯)等。

通常，该无线通信系统也可包括其他数目的终端和基站BS。此外，该无线通信系统还可包括其他的网络设备，比如核心网设备。该无线通信系统可以遵从第三代合作伙伴计划(third generation partnership project，3GPP)的无线通信标准，也可以遵从其他无线通信标准，例如电气电子工程师学会(Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，IEEE)的802系列(如802.11，802.15，或者802.20)的无线通信标准。

本申请实施例中，终端和基站BS应知晓该无线通信系统预定义的配置，包括系统支持的无线电接入技术(radioaccesstechnology，RAT)以及系统规定的无线资源配置等，比如无线电的频段和载波的基本配置。这些系统预定义的配置可作为无线通信系统的标准协议的一部分,或者通过终端和基站间的交互确定。相关标准协议的内容，可能会预先存储在终端和基站的存储器中，或者体现为终端和基站的硬件电路或软件代码。

举例来说，基站BS和终端都分别配备有一个或多个天线，以无线电磁波为传输媒介，相互通信。当系统规定的无线资源包括毫米波频段时，基站BS和终端可以分别配备天线阵列，该天线阵列包括多个天线，并能够支持波束赋形技术，从而减少信号传输的损耗，提升信噪比，改善无线通信的性能。

图2为本申请实施例提供的一种无线通信设备的结构示意图。该无线通信设备可以是本申请实施例中的终端或者基站BS。如图2所示，该无线通信设备可包括应用子系统，内存(memory)，大容量存储器(massive storge)，基带子系统，射频集成电路(radiofrequency intergreted circuit，RFIC(RFIC1和RFIC2))，射频前端(radio frequencyfront end，RFFE)器件，以及天线(antenna，ANT)。这些器件可以通过各种互联总线或其他电连接方式相互耦合。图2中，ANT_1表示第一天线，ANT_N表示第N天线，N为大于1的正整数。Tx表示发送路径，Rx表示接收路径，不同的数字表示不同的路径。FBRx表示反馈接收路径，PRx表示主接收路径，DRx表示分集接收路径。HB表示高频，LB表示低频，两者是指频率的相对高低。BB表示基带。其中，图2中的标记和组件仅为示意目的，本申请实施例还包括其他的实现方式。

其中，应用子系统可作为无线通信设备的主控制系统或主计算系统，用于运行主操作系统和应用程序，管理整个无线通信设备的软硬件资源，并可为用户提供用户操作界面。应用子系统可包括一个或多个处理核心，并可执行该无线通信设备的应用软件，以及其他子系统(例基带子系统)相关的驱动软件。基带子系统也可包括一个或多个处理核心，以及硬件加速器(hardware accelerator，HAC)和缓存等，并可执行基带子系统的一些程序软件，完成基带的信号处理功能。

图2中，RFFE器件，RFIC1(以及可选的RFIC2)可以共同组成射频子系统。射频子系统可以进一步分为射频接收通道(RF receive path)和射频发射通道(RF transmitpath)。射频接收通道可通过天线接收射频信号，对该射频信号进行处理(如放大、滤波和下变频)以得到基带信号，并传递给基带子系统。射频发送通道可接收来自基带子系统的基带信号，对基带信号进行射频处理(如上变频、放大和滤波)以得到射频信号，并最终通过天线将该射频信号辐射到空间中。具体地，射频子系统可包括天线开关，天线调谐器，低噪声放大器(low noise amplifier，LNA)，功率放大器(power amplifier，PA)，混频器(mixer)，本地振荡器(local oscillator，LO)，和滤波器(filter)等电子器件，这些电子器件可以根据需要集成到一个或多个芯片中。天线有时也可以认为是射频子系统的一部分。

基带子系统可以从基带信号中提取有用的信息或数据比特，或者将信息或数据比特转换为待发送的基带信号。这些信息或数据比特可以是表示语音、文本、视频等用户数据或控制信息的数据。例如，基带子系统可以实现诸如调制和解调，编码和解码等信号处理操作。对于不同的无线接入技术，例如5GNR和4GLTE，往往具有不完全相同的基带信号处理操作。因此，为了支持多种移动通信模式的融合，基带子系统可同时包括多个处理核心，或者多个HAC。

其中，本申请实施例中，处理核心可表示处理器，该处理器可以是通用处理器，也可以是为特定领域设计的处理器。例如，该处理器可以是中央处理单元(centerprocessing unit，CPU)，也可以是数字信号处理器(digital signal processor，DSP)。该处理器也可以是微控制器(micro control unit，MCU)，图形处理器(graphics processingunit，GPU)、图像信号处理器(image signal processing，ISP)，音频信号处理器(audiosignal processor，ASP)，以及为人工智能(artificial intelligence，AI)应用专门设计的处理器。AI处理器包括但不限于神经网络处理器(neural network processing unit，NPU)，张量处理器(tensor processing unit，TPU)以及被称为AI引擎的处理器。

存储器可分为易失性存储器(volatile memory)和非易失性存储器(non-volatile memory，NVM)。易失性存储器是指当电源供应中断后，内部存放的数据便会丢失的存储器。目前，易失性存储器主要是随机存取存储器(random access memory，RAM)，包括静态随机存取存储器(static RAM，SRAM)和动态随机存取存储器(dynamic RAM，DRAM)。非易失性存储器是指即使电源供应中断，内部存放的数据也不会因此丢失的存储器。常见的非易失性存储器包括只读存储器(read only memory，ROM)、光盘、磁盘以及基于闪存(flash memory)技术的各种存储器等。通常来说，内存可以选用易失性存储器，大容量存储器可以选用非易失性存储器，例如磁盘或闪存。

本申请实施例中，基带子系统和射频子系统共同组成通信子系统，为无线通信设备提供无线通信功能。通常，基带子系统负责管理通信子系统的软硬件资源，并且可以配置射频子系统的工作参数。基带子系统的一个或多个处理核心可以集成为一个或多个芯片，该芯片可称为基带处理芯片或基带芯片。类似地，RFIC可以被称为射频处理芯片或射频芯片。此外，随着技术的演进，通信子系统中射频子系统和基带子系统的功能划分也可以有所调整。例如，将部分射频子系统的功能集成到基带子系统中，或者将部分基带子系统的功能集成到射频子系统中。

本申请实施例中，射频子系统可包括独立的天线，独立的射频前端器件，以及独立的射频芯片。射频芯片有时也被称为接收机(receiver)、发射机(transmitter)或收发机(transceiver)。天线、射频前端器件和射频处理芯片都可以单独制造和销售。当然，射频子系统也可以基于功耗和性能的需求，采用不同的器件或者不同的集成方式。例如，将属于射频前端的部分器件集成在射频芯片中。此外，天线、射频前端器件和射频芯片还可以集成在同一个模组中，称为射频天线模组，毫米波天线模组或天线模组。

图3为本申请实施例提供的一种无线通信设备的射频子系统的结构示意图。图3示出了射频子系统的一些常见器件。如图3所示，该射频子系统可包括多个天线，多个射频前端通道，功分装置以及收发器。这多个天线中的部分天线可以组成一个相控天线阵列，以支持毫米波频段的通信。相控天线阵列包括多个天线，此时相控天线阵列中的天线也可称为天线单元。该无线通信设备通过选择天线和控制天线发送或接收的射频信号的相位，可以发射或接收具有特定方向性的电磁波，简称为波束。射频前端通道中包括射频前端器件，并且不同的射频前端通道可包括不同的射频前端器件。如图3所示，其中一个射频前端通道中可包括用于信号发送路径的功率放大器PA，用于信号接收路径的低噪声放大器LNA，以及用于选择信号发送路径或信号接收路径的开关。当该射频前端通道耦合到相控天线阵列的天线时，该射频前端通道中还可进一步包括移相器(phase shifter，PS)。移相器可以用于调整馈入天线的射频信号的相位(信号发送路径)，或调整天线所接收的射频信号的相位(信号接收路径)。收发器中可包括发射器和接收器，分别用于上变频操作和下变频操作。其中，对于毫米波频段的通信，上变频操作和下变频操作可分别包括两级或更多级的上变频操作和下变频操作。并且，由于射频前端通道和相控天线阵列的天线(如4个或8个)的数目较多，而收发器的数目较少(如1个或2个)，射频子系统中还需要包括功分电路。

如图3所示，该功分电路可包括多个功分器，这些功分器前后耦合，共同组成功分器网络。信号发送路径上，来自收发器的一路射频信号通过功分装置被分成多路射频信号，再通过射频前端通道的移相和放大操作，最终从相控天线阵列的多个天线辐射出去。在信号接收路径上，相控天线阵列的多个天线所接收的多路射频信号，经过射频前端通道的放大和移相操作，通过功分电路被合路为一路射频信号并输出到收发器。

以图4所示的功分器为例，该功分器耦合至第一端口p1，以及第二端口p2和第三端口p3。参照图4中的(1)所示，当一路较大功率的信号P1从第一端口p1输入，在功分器的第二端口p2可输出一路较小功率的信号P2，在功分器的第三端口p3可输出另一路较小功率的信号P3。相反地，参照图4中的(2)所示，当两路较小功率的信号P2’和P3’分别从第二端口p2和第三端口p3输入，在第一端口p1也可输出一路功率较大的信号P1’。

功分器的一个重要参数是损耗。以图4为例，假设该功分器是理想无损耗的，那么P2和P3功率之和应当等于P1的功率，P1’的功率也应当等于P2’和P3’功率之和。实际情况下，功分器都是有一定损耗的，P2和P3功率之和会小于P1的功率，P1’的功率也会小于P2’和P3’功率之和。功分器的另一个重要参数是隔离度。仍以图4为例，假设某个信号从第二端口p2输入，通常希望该信号尽量从第一端口p1输出，而尽量避免从第三端口p3输出，即避免信号泄露。第二端口和第三端口间的隔离度就是用来衡量这种信号泄露现象的一个参数，隔离度较高意味着信号泄露较少，隔离度较低则意味着信号泄露较多。

功分器的另一个重要参数是端口匹配度(也称作回波损耗)。回波损耗是指入射功率和反射功率的比值，通常端口匹配度越高时，回波损耗越低；理想功分器要求三端口(p1、p2和p3)同时匹配，即三端口的回波损耗均为零。

以图5示出的一种威尔金森(wilkinson)功分器的结构为例，对隔离度以及端口匹配度说明如下：该威尔金森功分器是一种经典的基于传输线设计的功分器。如图5所示，威尔金森功分器耦合至第一端口p1，第二端口p2和第三端口p3，介于第一端口p1和第二端口p2之间的第一段传输线，介于第一端口p1和第三端口p3之间的第二段传输线，以及介于第二端口p2和第三端口p3之间的隔离电阻R，阻抗记为2Z₀。第一段传输线和第二段传输线应当对称设计，特征阻抗要求相等，均记为Z₀。长度要求均是待传输信号对应的波长的四分之一，均记为λ/4。该隔离电阻R的尺寸要求比待传输信号对应的波长小很多，几乎可以忽略。当该威尔金森功分器工作时，第一端口p1，第二端口p2和第三端口p3分别耦合到三段特征阻抗也记为Z₀的传输线上，能够满足信号传输所需的阻抗匹配条件(即端口匹配)。

从第一端口p1输入的信号分别通过相同长度(λ/4)的第一段传输线和第二段传输线，同时到达隔离电阻R的两端，再从第二端口p2和第三端口p3输出两个理论上幅度和相位均相等的信号。不难看出，该威尔金森功分器也是一种等功率功分器。由于隔离电阻R两端的信号幅度和相位均相等，隔离电阻R上应当没有差模信号，因此该威尔金森功分器理论上没有功率损耗。当然，由于组成该威尔金森功分器的材料以及信号传输的非理想性等因素，该威尔金森功分器在实际工作时，还是会存在一些功率损耗。

此外，由于隔离电阻R的存在，当信号从第二端口p2输入时，一部分信号会通过隔离电阻R到达第三端口p3。另一部分信号则会通过两段长度为λ/4的第一段传输线和第二段传输线到达第三端口p3。这两部分信号的幅度几乎相等，但是路程差(λ/2，对应两个λ/4)导致的相位差异为π，即相位相反，使得这两部分信号会恰好相互抵消。这样的话，从第二端口p2输入的信号，几乎不会从第三端口p3输出。因此，隔离电阻R的存在能够有效地减少信号泄露，提高第二端口和第三端口间的隔离度。

然而，对于集成电路而言，四分之一波长(λ/4)的传输线所需的芯片面积太大，并且由于第二端口和第三端口的位置也受限于隔离电阻R的尺寸(通常隔离电阻R的尺寸较小导致第二端口和第三端口距离很近)，不利于集成电路的布板设计。

为解决上述问题，本申请的实施例提供一种功分器，参照图6所示，包括：

第一感性元件L1，该第一感性元件L1的第一端与第一端口p1耦合，第一感性元件L1的第二端耦合地GND；

第一电容元件C1，第一电容元件C1的第一端与第一端口p1耦合；

第二感性元件L2，第二感性元件L2的第一端与第一电容元件C1的第二端耦合，第二感性元件L2的第二端与第二端口p2耦合；

第二电容元件C2，第二电容元件C2的第一端与第一端口p1耦合；

第三感性元件L3，第三感性元件L3的第一端与第二电容元件C2的第二端耦合，第三感性元件L3的第二端与第三端口p3耦合；

第一电阻元件R1，第一电阻元件R1的第一端与第二感性元件L2的第一端耦合，第一电阻元件R1的第二端与第三感性元件L3的第一端耦合。

在该示例中，第一电容元件C1、第二电容元件C2、第一感性元件L1、第二感性元件L2、第三感性元件L3以及第一电阻元件R1可以采用集总元件，例如：在图6中，第一感性元件L1、第二感性元件L2、第三感性元件L3分别采用电感L1、电感L2和电感L3，第一电容元件C1、第二电容元件C2分别采用电容C1、电容C2，第一电阻元件R1采用电阻R1。此外，为了实现等功率功分器，第一电容元件C1与第二电容元件C2的阻抗可以相等，第二感性元件L2、第三感性元件L3的阻抗可以相等。

结合图7、图8以及图9提供的等效电路对本申请的实施例提供的功分器的阻抗匹配以及隔离度进行分析如下：

首先，以电感L1的感值标记为L₁，电感L2与电感L3的感值相等标记为L₃；电容C1和电容C2的容值相等标记为C₂，电阻R1的阻抗标记为R_iso。则，电感L1的阻抗表示为X₁＝ωL₁；电容C1(或电容C2)的阻抗表示为X₂＝1/ωC₂；电感L2(或电感L3)的阻抗表示为X₃＝ωL₃；其中，ω为通过功分器的信号的频率。

其次，可采用奇偶模分析法对该功分器进行分析，将该功分器沿着横向的对称线分为上下两部分，如图7和图8所示，以下主要结合上半部分的等效电路进行分析(下半部分的等效电路的分析与上半部分相同不再赘述)。

其中，对于偶模分析，参照图7所示，将该功分器沿着横向的对称线分为上下两部分后，电阻R1被剖为阻抗为R_iso/2的等效电阻，并且该等效电阻的一端开路(O.C.)，则从端口p2(或p3)看到的输出阻抗为：

其中,Z_s为源阻抗(即外部接入端口p1的阻抗),其中A//B表示A与B的并联阻抗。

对于奇模分析，参照图8所示，将该功分器沿着横向的对称线分为上下两部分后，电阻R1被剖为阻抗为R_iso/2的等效电阻，并且该等效电阻的一端耦合地(GND)，则端口p2(或p3)看到的输出阻抗为：

若要实现输出端口完全匹配，则要求端口p2和端口p3在两种模式下的输出阻抗均等于负载阻抗Z_L的共轭：

其中，Re()表示实部，Im()表示虚部。

若源阻抗Z_s和负载阻抗Z_L均为50Ω，联立上述方程组可以求得X₁＝50，X₂＝100，X₃＝50，R_iso＝200。则将根据上述频率ω与各个电感(电容)元件的参数关系，可以求得各元件的感值和容值。可见，当匹配不同频率ω时，可以通过元件参数的选型实现不同的阻抗匹配。

此外，当满足上述条件时，由于端口p2和p3均匹配，无信号流过电阻R1，因此相当于将其删除，那么端口p1的输入阻抗为Z_in1＝([Z_s+jX₃-jX₂)/2]//jX₁＝50，因此可以实现三端口同时匹配。

再次，对于该功分器的隔离特性分析如下，考察端口p2和端口p3之间的信号泄露情况，如图9所示，根据基尔霍夫定律可以得到以下方程组：

i₄(-jX₂)+i₂(-jX₂)＝i₁R_iso；

i₃(Z_s//jX₁)＝i₂(-jX₂)+(i₁+i₂)(Z_L+jX₃)；

i₄＝i₃+i₂；

化简后可得i₁+i₂＝0，即端口p2和端口p3完全隔离，因此该功分器也能够实现同相端口端口p2和端口p3理想隔离。

此外，参照图10所示，提供了图5所示的wilkinson功分器(WPC)以及本申请的实施例提供的小型化的功分器(MPC)的特性曲线。其中，S₁₁表示端口P1的反射系数,S₂₂表示端口P2的反射系数,S₃₃表示端口P3的反射系数；其中，S₁₁,S₂₂,S₃₃越小表示端口越匹配。其中，在图10中，由MPC的S₁₁,S₂₂,S₃₃可以看出，在中心频点94GHz附近，S₁₁,S₂₂,S₃₃小于-40dB。S₂₃表示同向端口端口p2和端口p3间的隔离度，S₂₃越小表示隔离度越高。其中，在图10中，由MPC的S₂₃可以看出，在中心频点94GHz附近，S₂₃小于-40dB。S₂₁表示功率分配系数，94GHz处WPC和MPC均可以实现理想-3dB功率分配。

综上，由于该功分器包含了一个耦合于第一端口p1与地GND之间的第一感性元件L1，一对一端串联于第一端口p1的第一电容元件C1以及第二电容元件C2，一个跨接在第一电容元件C1以及第二电容元件C2的另一端的第一电阻元件R1，以及一对分别串联于第一电容元件C1的另一端与第二端口p2之间的第二感性元件L2、串联于第二电容元件C2的另一端与第三端口p3之间的第三感性元件L3。其中，由于上述的第一电容元件C1、第二电容元件C2、第一感性元件L1、第二感性元件L2、第三感性元件L3以及第一电阻元件R1可以采用集总元件通常可以采用集总元件实现，而集总元件通常占用面积较小，因此当通过集成电路实现该功分器时能够节约占用的集成电路的面积，优化集成电路的布板设计。此外，由于第二感性元件L2以及第三感性元件L3分别设置在第一电阻元件R1与第二端口p2和第三端口p3之间，因此能够消除第一电阻元件R1的尺寸对第二端口和第三端口的位置的限制，提高了集成电路的布板灵活性较高。

将功分器设置于集成电路上时，参照图11所示，提供了一种芯片的结构示意图，该芯片包括衬底Sub，第一电容元件C1、第二电容元件C2、第一感性元件L1、第二感性元件L2、第三感性元件L3以及第一电阻元件R1可以制作于衬底Sub上的一层或多层材料层；示例性的，第一感性元件L1、第二感性元件L2、第三感性元件L3可以采用同层的导线绕制形成；第一感性元件L1的第一端可以通过过孔与另一层作为地GND的导电材料层耦合；图11中还示出了用于第一电容元件C1、第二电容元件C2的电极e1、e2和e3，其中可以理解的是第一电阻元件R1并未示出，其可以单独制作于衬底Sub上的一层材料层中，并可以通过过孔耦合于电极e2和e3之间。此外，第一感性元件L1、第二感性元件L2、第三感性元件L3具体可以采用绕线电感实现，或者，第一感性元件L1、第二感性元件L2、第三感性元件L3中的一个或多个采用设置于衬底上的金属走线。在一些示例中，参照图11所示，为节省金属走线占用的面积，金属走线呈曲线状，曲线状包括：螺旋状或S状等。另外，参照图3所示，功分器的第二端口(第三端口)通常耦合射频前端通道，因此形成第二感性元件L2、第三感性元件L3的金属走线也可以通过吸收到功分器的第二端口(第三端口)与射频前端通道之间的金属走线中的方式实现，从而使得所占面积进一步减小。

参照图12所示，还提供了wilkinson功分器的版图设计，其中可以看出在衬底Sub上第二端口p2(第三端口p3)与第一端口p1之间需要设置较大的布线面积用于设置λ/4传输线,另外，为了避免两条λ/4传输线之间、以及衬底上其他走线对λ/4传输线的信号的干扰，在衬底Sub上还需要制作环绕λ/4传输线的地GND走线(其中隔离电阻R占用面积较小未示出)，这都会带来较大的版图面积开销。此外，由于隔离电阻R的存在，隔离电阻R的尺寸较小导致wilkinson功分器的第二端口p2和第三端口p3(如图12所示)距离较近，但是多通道系统中(如图3所示，包括多个射频前端通道)的端口p2’和p3’(结合图12所示)的间距通常较远，因此往往需要在p2-p2’/p3-p3’间引入额外的长走线，将射频前端通道的端口p2’与第二端口p2连通，将射频前端通道的端口p3’与第三端口p3连通，这会带来面积开销和额外插损。结合图11与图12的版图设计，可以看出相比于wilkinson功分器的版图设计，本申请的实施例提供的小型化的功分器的版图设计能够减少60％以上的布板面积。

图6示出了一种单端口形式的功分器，图13示出了一种差分端口形式的功分器。图13示出的差分端口形式的功分器的第一端口p1，第二端口p2和第三端口p3耦合的信号传输线可以是差分信号线。一个差分信号线相当于一个正信号线和一个负信号线的组合。因此，图13示出的差分端口形式的功分器相当于包括两个相同结构的功分器元件，每个功分器元件可以参考如图6示出的功分器。这两个功分器元件中，一个功分器元件用于耦合差分信号的正信号线，另一个功分器元件用于耦合差分信号的负信号线。其中，在图13中一个功分器元件的标记及耦合关系参照图6所示，另一个功分器元件中的器件标记为：第四端口p1’，第五端口p2’、第六端口p3’、第三电容元件C1’、第四电容元件C2’、第四感性元件L1’、第五感性元件L2’、第六感性元件L3’以及第二电阻元件R1’，其耦合关系描述如下：第四感性元件L1’，第四感性元件L1’的第一端与第四端口p1’耦合，第四感性元件L1’的第二端耦合地GND；第三电容元件C1’，第三电容元件C1’的第一端与第四端口p1’耦合；第五感性元件L2’，第五感性元件L2’的第一端与第三电容元件C1’的第二端耦合，第五感性元件L2’的第二端与第五端口p2’耦合；第四电容元件C2’，第四电容元件C2’的第一端与第四端口p1’耦合；第六感性元件L3’，第六感性元件L3’的第一端与第四电容元件C2’的第二端耦合，第六感性元件L3’的第二端与第六端口p3’耦合；第二电阻元件R1’，第二电阻元件R1’的第一端与第五感性元件L2’的第一端耦合，第二电阻元件R1’的第二端与第六感性元件L3’的第一端耦合；第一端口p1与第四端口p1’组成一对差分端口，第二端口p2与第五端口p2’组成一对差分端口，第三端口p3与第六端口p3’组成一对差分端口。差分端口形式的功分器的第一端口p1与第四端口p1’，第二端口p2与第五端口p2’，第三端口p3与第六端口p3’耦合的信号传输线可以是差分信号线。一对差分信号线相当于一个正信号线和一个负信号线的组合。因此，差分端口形式的功分器相当于包括两个相同结构的单端口形式的功分器。

此外，参照图14所示，还提供了将图13提供的差分端口形式的功分器制作于衬底Sub上形成的集成电路的版图。参照图14所示，提供了一种芯片的结构示意图，该芯片包括衬底Sub，第一电容元件C1、第二电容元件C2、第一感性元件L1、第二感性元件L2、第三感性元件L3、第一电阻元件R1、第三电容元件C1’、第四电容元件C2’、第三感性元件L1’、第四感性元件L2’、第五感性元件L3’以及第二电阻元件R1’可以制作于衬底Sub上的一层或多层材料层；示例性的，第一感性元件L1、第二感性元件L2、第三感性元件L3以及第四感性元件L1’、第五感性元件L2’、第六感性元件L3’可以采用同层的导线绕制形成；示例性的，为了减少布板面积，第一感性元件L1与第四感性元件L1’的走线可以存在交叉，并且在交叉的节点第一感性元件L1被隔断形成两段走线，这两段走线可以通过其他层的走线进行搭接；图11中还示出了用于第一电容元件C1、第二电容元件C2的电极e1、e2、e3以及e4，用于第三电容元件C1’、第四电容元件C2’的电极e1’、e2’、e3’以及e4’，其中可以理解的是第一电阻元件R1以及第二电阻元件R1’并未示出，其可以单独制作于衬底Sub上的一层材料层中，并第一电阻元件R1可以通过过孔耦合于电极e2和e4，第二电阻元件R1’可以通过过孔耦合于电极e2’和e4’之间。此外，第二感性元件L2与电极e1采用不同层的材料制成制作时，也可以通过其他层的走线进行搭接；类似的，第三感性元件L3与电极e3也可以通过其他层的走线进行搭接。

图15为本申请实施例提供的一种无线通信设备的结构示意图。如图15所示，该无线通信设备中包括至少一个基带芯片，至少一个射频芯片，多个射频前端通道以及多个天线。出于示意目的，图15中示出了两个射频芯片(记为射频芯片1和射频芯片2)，五个射频前端通道和五个天线。应理解，本申请实施例并不仅限于此。其中，与射频芯片1耦合的多个天线可以组成天线阵列，以支持毫米波通信。射频芯片1与其耦合的多个射频前端通道和天线可进一步整合在一个模组中。该模组可称为天线模组，或毫米波模组。此外，该无线通信设备还可包括另一射频芯片2，以及射频前端通道和天线，以支持其他频段的通信，如4G LTE频段和5G中的sub 6G频段等。

本申请实施例及附图中的术语“第一”，“第二”以及“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于表示不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。方法、系统、产品或设备不必仅限于字面列出的那些步骤或单元，而是可包括没有字面列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

应理解，在本申请中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。本申请提到的“耦合”一词，用于表达不同组件之间的互通或互相作用，可以包括直接相连或通过其他组件间接相连。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种功分器，其特征在于，包括：

第一感性元件，所述第一感性元件的第一端与第一端口耦合，所述第一感性元件的第二端耦合地；

第一电容元件，所述第一电容元件的第一端与所述第一端口耦合；

第二感性元件，所述第二感性元件的第一端与所述第一电容元件的第二端耦合，所述第二感性元件的第二端与第二端口耦合；

第二电容元件，所述第二电容元件的第一端与所述第一端口耦合；

第三感性元件，所述第三感性元件的第一端与所述第二电容元件的第二端耦合，所述第三感性元件的第二端与第三端口耦合；

第一电阻元件，所述第一电阻元件的第一端与所述第二感性元件的第一端耦合，所述第一电阻元件的第二端与所述第三感性元件的第一端耦合。

2.根据权利要求1所述的功分器，其特征在于：

所述第一感性元件、所述第二感性元件以及所述第三感性元件均为电感。

3.根据权利要求1所述的功分器，其特征在于：所述功分器设置于衬底上；

所述第一感性元件、所述第二感性元件以及第三感性元件为设置于所述衬底上的金属走线。

4.根据权利要求3所述的功分器，其特征在于：

所述第一感性元件、所述第二感性元件以及第三感性元件中的一个或多个的所述金属走线呈曲线状。

5.根据权利要求4所述的功分器，其特征在于：

所述曲线状包括：螺旋状或S状。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的功分器，其特征在于：所述功分器还包括：

第四感性元件，所述第四感性元件的第一端与第四端口耦合，所述第四感性元件的第二端耦合地；

第三电容元件，所述第三电容元件的第一端与所述第四端口耦合；

第五感性元件，所述第五感性元件的第一端与所述第三电容元件的第二端耦合，所述第五感性元件的第二端与第五端口耦合；

第四电容元件，所述第四电容元件的第一端与所述第四端口耦合；

第六感性元件，所述第六感性元件的第一端与所述第四电容元件的第二端耦合，所述第六感性元件的第二端与第六端口耦合；

第二电阻元件，所述第二电阻元件的第一端与所述第五感性元件的第一端耦合，所述第二电阻元件的第二端与所述第六感性元件的第一端耦合；

所述第一端口与所述第四端口组成一对差分端口，所述第二端口与所述第五端口组成一对差分端口，所述第三端口与所述第六端口组成一对差分端口。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的功分器，其特征在于：

所述第一电容元件与所述第二电容元件的阻抗相等。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的功分器，其特征在于：

所述第二感性元件与所述第三感性元件的阻抗相等。

9.一种通信装置，其特征在于，包括：功分电路，所述功分电路包括一个或多个如权利要求1-8任一项所述的功分器。

10.根据权利要求9所述的通信装置，其特征在于，所述多个功分器中的每个功分器均包括所述第一端口，所述第二端口和所述第三端口，所述至少三个功分器包括第一功分器，第二功分器和第三功分器；其中，所述第一功分器的所述第二端口耦合所述第二功分器的所述第一端口，所述第一功分器的所述第三端口耦合所述第三功分器的所述第一端口。

11.根据权利要求9所述的通信装置，其特征在于，还包括：收发器，以及天线阵列，所述天线阵列包括第一天线，第二天线，第三天线以及第四天线；

其中，所述第一功分器的第一端口耦合至所述收发器，所述第二功分器的所述第二端口耦合至所述第一天线，所述第二功分器的所述第三端口耦合至所述第二天线，所述第三功分器的所述第二端口耦合至所述第三天线，所述第三功分器的所述第三端口耦合至所述第四天线。