具体实施方式

图1示出了根据本文第一实施例的差分组合电路100。

差分组合电路100包括两个巴伦(balun)101和102。每个巴伦具有包含两个电感器和两个电容器的格架(lattice)结构，并且每个巴伦具有三个端子。第一巴伦101具有两个电感器L1和L3a、两个电容器C1和C3a、第一端子1a、第二端子2a、第三端子3a。第二巴伦102具有两个电感器L2和L3b、两个电容器C2和C3b、第一端子1b、第二端子2b、第三端子3b。在每个巴伦中，在第一端子与信号地之间是电容器C3a/C3b，在第一端子与第二端子之间是电感器L1/L2，在第二端子与第三端子之间是电容器C1/C2，以及在第三端子与信号地之间是电感器L3a/L3b。

第一巴伦和第二巴伦的第一端子1a、1b形成差分组合电路100的第一端口。

第一巴伦和第二巴伦的第二端子2a、2b形成差分组合电路100的第二端口。

第一巴伦和第二巴伦的第三端子3a、3b形成差分组合电路100的第三端口。

差分组合电路100还包括两个电阻器R1和R2，每个电阻器被连接在一个巴伦的第一端子1a/1b与另一个巴伦的第三端子3b/3a之间，即它们被交叉耦接。

因为将在差分组合电路100的所有端口处使用差分信号来驱动两个巴伦101、102，所以到信号地的两个电容器C3a、C3b可以由两个巴伦的第一端子1a、1b之间具有一半值的单个电容器C3来代替，而到信号地的两个电感器L3a、L3b可以以相同的方式由两个巴伦的第三端子3a、3b之间具有两倍值的电感器L3来代替。图2示出了根据本文第二实施例的这种差分组合电路200。

差分组合电路200包括：第一端口，其具有第一端子1a和第二端子1b；第二端口，其具有第一端子2a和第二端子2b；以及第三端口，其具有第一端子3a和第二端子3b。

差分组合电路200还包括第一子电路，其包括被连接在第一端口与第二端口的第一端子1a、2a之间的第一电感器L1，以及被连接在第二端口与第三端口的第一端子2a、3a之间的第一电容器C1。

差分组合电路200还包括第二子电路，其包括被连接在第一端口与第二端口的第二端子1b、2b之间的第二电感器L2，以及被连接在第二端口与第三端口的第二端子2b、3b之间的第二电容器C2。

差分组合电路200还包括被连接在第一端口的第一端子与第二端子1a、1b之间的第三电容器C3，以及被连接在第三端口的第一端子与第二端子3a、3b之间的第三电感器L3。

差分组合电路200还包括被连接在第一端口的第一端子1a与第三端口的第二端子3b之间的第一电阻器R1，以及被连接在第一端口的第二端子1b与第三端口的第一端子3a之间的第二电阻器R2。

可以看出，根据本文的实施例的差分组合电路200使用具有三个电感器、三个电容器以及两个电阻器的核心来实现。在差分组合电路200中，形成两个巴伦结构。第一巴伦包括具有L1、C1的第一子电路、具有两倍电容的第三电容器C3的一半以及具有一半电感的第三电感器L3的一半。第二巴伦包括具有L2、C2的第二子电路、具有两倍电容的第三电容器C3的一半以及具有一半电感的第三电感器L3的一半。差分组合电路200的第二端口可以用作被耦接到天线的天线端口。差分组合电路200的第一端口可以用作被耦接到接收机的接收RX端口，而差分组合电路200的第三端口可以用作被耦接到发射机的发送TX端口，反之亦然。因此，两个巴伦被差分连接到天线端口，并且两个电阻器在两个巴伦之间被交叉耦接。

差分组合电路100、200中的所有电感器L1、L2、L3a、L3b和电容器C1、C2、C3a、C3b可以具有相等的电感值和电容值，例如电感值L和电容值C。对于作为两个电容器C3a、C3b的组合的第三电容器C3，为电容值C的一半，而对于作为两个电感器L3a、L3b的组合的第三电感器L3，为电感值L的两倍。

差分组合电路200将提供以为中心的高隔离。它的工作频率不会如L匹配电路中那样自LC共振偏移，L匹配电路即包含以L形状构造的一个电感器和一个电容器的匹配网络，其中偏移取决于电路质量Q值。要被与相同的端口电阻相匹配的所有端口的Q值等于1/sqrt(2)，并且此低Q值将固有地提供宽带操作。根据一些实施例，为了最佳隔离，两个交叉耦接的电阻器R1、R2应各自具有等于差分端口阻抗的值R_iso。但是，其他值也可以提供足够的隔离，具体取决于给定应用的要求。

已设计并模拟了示例电路以验证差分组合电路100、200的功能和性能。该示例电路被设计为具有2GHz的中心频率和100Ω的差分端口阻抗Rport。电感L被选择为

而电容C被选择为

为了提供最佳隔离，电阻器R1和R2的电阻R_iso被选择为

R_iso＝-R_port＝-100Ω (3)

通过交叉耦接来获得负电阻，参见图1和2中的示意图，其中R1和R2是用于隔离的交叉耦接电阻器。

已对该示例电路进行了模拟。图3示出了模拟后的S参数，其中L1＝L2＝5.63nH，C1＝C2＝1.125pF，C3＝0.5*1.125pF，并且L3＝2*5.63nH，R1＝R2＝100Ω，R_port＝100Ω。S31曲线是TX和RX端口的S参数，表示TX与RX端口之间的隔离，S21曲线表示从天线端口到RX端口的信号传输，以及S32曲线表示从TX端口到天线端口的信号传输。

可以看出，针对该简单电路获得了宽带隔离。该行为符合预期，在2GHz下在RX与TX端口之间实现完美隔离，其中TX/RX与天线端口之间的损耗等于3dB。在100MHz宽带中(如由两个星号指示)，隔离超过40dB。

可以参考图4来解释和分析差分组合电路100、200的原理。为了分析电路，研究了从发送端口处的信号电压V_TX到短路的接收端口中的电流i_RX的转移(transfer)。假设接收端口在共振频率下完美隔离，并且因此没有信号电压，因而可以使用短路阻抗来简化该分析。

电路分析表明，在L和C的共振频率下，根据以下等式，从v_TX到i_RX的转移变为实值：

其中，R_ant是天线阻抗。该电流应被由隔离电阻器R1、R2注入的电流所匹配。该电流应具有相反的相位，这通过交叉耦接来实现，如图2所示。电流的幅度应相等，因此：

使用100的标称天线阻抗Ω，隔离电阻变为-100Ω。如果隔离电阻被改变以使得它与天线阻抗成反比(如由等式(5)所声明的)，则还可以使用其他天线阻抗来实现隔离。例如，如果天线阻抗减半至50Ω，则隔离电阻应该加倍至-200Ω。

图5示出了模拟结果，其中天线阻抗被从50Ω遍历到200Ω，并且隔离电阻保持恒定在-100Ω。由椭圆形501标记的曲线是从50Ω到200Ω的不同天线阻抗的S31曲线。由椭圆形502标记的曲线是S21曲线，以及由椭圆形503标记的曲线是S32曲线。

图6示出了模拟结果，其中天线阻抗被从50Ω遍历到200Ω，并且隔离电阻根据等式(5)而变化。由椭圆形601标记的曲线是从50Ω到200Ω的不同天线阻抗的S31曲线。由椭圆形602标记的曲线是S21曲线，以及由椭圆形603标记的曲线是S32曲线。

从图5和6中可以看出，电路的行为符合预期。当根据(5)设置隔离电阻时，尽管天线阻抗改变，但是仍然可以在共振频率下保持完美隔离。

当天线阻抗具有电抗部分时，图4中的天线阻抗R_ant伴随有电容器或电感器，并且从v_TX到i_RX的转移将具有相移。该相移后的电流可以被分成由适当大小的隔离电阻器抵消的同相部分，以及由与隔离电阻器并联的电容器抵消的正交相位部分。取决于天线电抗的符号，隔离电容器可以被交叉耦接或非交叉耦接。因此，能够补偿感性天线负载而不必在电路中引入附加的电感器。

图7示出了根据本文的实施例的差分组合电路700，其中第一和第二交叉耦接的电容器Cc1、Cc2分别与R1和R2并联，第一非交叉耦接的电容器Cnc1被连接在第一端口与第三端口的第一端子1a、3a之间，第二非交叉耦接的电容器Cnc2被连接在第一端口与第三端口的第二端子1b、3b之间。交叉耦接和非交叉耦接的电容器在本文中被称为隔离电容器。

重写等式(5)以便也涵盖复天线阻抗：

为了验证这一点，天线阻抗遍历了值100-j40Ω、100-j20Ω、100Ω、100+j20Ω、100+j40Ω。使用等式(6)，隔离阻抗被计算为100Ω交叉耦接电阻器与250Ω、500Ω、无穷大、-500Ω、-250Ω电抗并联。2GHz共振频率下的电抗分别由318fF、159fF、0fF的非交叉耦接电容器以及159fF和318fF的交叉耦接电容器来实现。可以看出，天线电抗的影响被交叉或非交叉耦接(取决于电抗符号)的成比例的电容所抵消。在这种情况下，电阻值等于天线阻抗实部。因此，对于被连接到差分组合电路的所有端口具有相同电阻的情况(即，RX、TX和天线端口具有相同的标称电阻)，隔离电阻器R1、R2的电阻则等于端口电阻。但是，在其他工作条件下，天线阻抗将在标称值附近变化，并且然后可以根据等式5和6来调整隔离电阻器和电容器以补偿天线阻抗变化并且保持隔离。

图8示出了模拟结果。可以看出，电路的行为符合预期，并且可以补偿天线电抗。由椭圆形801标记的曲线是不同天线阻抗100-j40Ω、100-j20Ω、100Ω、100+j20Ω、100+j40Ω的S31曲线。由椭圆形802标记的曲线是S21曲线，以及由椭圆形803标记的曲线是S32曲线。

到目前为止，已使用理想的无源组件对电路进行了模拟，损耗接近3dB。在实际实现中，特别是在集成电路上，电感器将具有相当大的损耗。电感器的品质因数Q则可以约为10。然后，重要的是使用这样的电感器品质因数Q来模拟电路，以查看它是否非常适合于集成电路实现以及可以预期何种性能。为此，每个电感器被与1400Ω的并联电阻器和3.5Ω的串联电阻器连接，从而对应于在2GHz下Q等于10的电感器。为了补偿由电感器的阻性部分引入的相移，使用与天线阻抗偏移j10Ω的值来计算隔离电容器。然后执行与图8相同的遍历。

图9示出了Q＝10的非理想电感器的模拟结果。已调整隔离电容器值以针对频率在2GHz的信号保持峰值隔离。由椭圆形901标记的曲线是不同天线阻抗100-j40Ω、100-j20Ω、100Ω、100+j20Ω、100+j40Ω的S31曲线。由椭圆形902标记的曲线是S21曲线，以及由椭圆形903标记的曲线是S32曲线。可以看出，损失了一些隔离性能，但是可以针对差分组合电路700的隔离阻抗的实部和虚部两者执行更精确的调谐，从而调谐隔离电阻器和电容器两者以获得更高的窄带抵消。如预期的那样，损耗也有所增加。Q为10的电感器在中心频率处的损耗约为3.7dB。应将其与理想情况下的损耗进行比较，后者等于3dB。因此，使用片上电感器的附加损耗约为0.7dB。还应注意，取决于频率、半导体工艺以及可用芯片面积，可以在芯片上实现高于10的Q值。损耗则将在3dB与3.7dB之间。

图10示出了在一些更精细的调谐以增大隔离之后的结果。在此，差分组合器700中的电容器均被增大9％。当应用等式(6)时，已在Zant中使用额外的j3Ω来计算隔离电容器，并且已向隔离电阻器添加附加的4Ω。由椭圆形1001标记的曲线是不同的天线阻抗100-j40Ω、100-j20Ω、100Ω、100+j20Ω、100+j40Ω的S31曲线。由椭圆形1002标记的曲线是S21曲线，以及由椭圆形1003标记的曲线是S32曲线。从图10中可以看出，使用非理想的片上电感器也能够实现高隔离。

天线阻抗的偏差将影响隔离，因为从发射机到接收机端口的电流的幅度和相位受到影响。为了对此进行补偿，可以使得隔离路径中的电阻是可编程的，并且可以使用两组可编程电容器，其中一组被交叉耦接，而一组不交叉耦接。以这种方式，容性负载和感性负载都可以以高隔离来处理，而无需在差分组合电路100、200、700中使用任何附加的电感器。此外，还可以通过使用可编程电感器和电容器来调谐差分组合电路100、200、700的中心频率或共振频率。

因此，根据本文的一些实施例，第一电阻器和第二电阻器R1、R2的电阻可以是可变的或可编程的。

第一电容器、第二电容器和第三电容器C1、C2、C3的电容可以是可变的或可编程的。

第一电感器、第二电感器和第三电感器L1、L2、L3的电感可以是可变的或可编程的。

该组交叉耦接的电容器Cc1、Cc2可以是可变的或可编程的。

该组非交叉耦接的电容器Cnc1、Cnc2可以是可变的或可编程的。

总之，当差分组合器100、200、700在工作时，在天线端口(即，第二端口2a、2b)处接收的信号将在第一端口1a、1b和第三端口3a、3b处产生相反相位信号，前提是该信号的频率等于差分组合电路100、200、700的共振频率。在1a和3b处产生的信号则将是同相的，因此由于所接收的信号，第一电阻器R1的端子之间将没有电压。以相同的方式，在1b与3a之间将没有电压，并且第二电阻器R2上也没有电压。在这种情况下，隔离电阻器R1、R2因此对信号没有影响。然后，接收信号功率将在接收端口与发送端口之间被平均划分，其中一半的功率最终进入接收端口，这对应于隔离组合器中的3dB的正常损耗。

当由发射机注入信号时，在差分发送端口处，信号被与接收端口隔离。这由于两个路径之间的抵消而发生，其中一个路径通过LC结构，并且一个路径通过电阻器。如上所述，当接收端口要被隔离时，它应具有零信号电压，并且因此可以被视为信号地。然后，检查由在发射机端口处的电压导致的来自两个路径的信号电流。对于阻性天线阻抗并且在LC共振频率下工作，从发送端口电压到接收端口电流的转移将具有零相移。对于交叉耦接的电阻器，将具有180度相移。然后，通过选择电阻值以使得两个支路电流的幅度匹配，将存在抵消，因此在共振频率下将接收端口与发射机隔离。发射机功率将在电阻器与天线端口之间被平均共享，从发射机到天线的信号传输也具有3dB损耗。

可以在用于全双工或频分双工的收发机中使用差分组合电路100、200、700。差分组合电路100、200、700的第二端口可以用作被耦接到天线的天线端口。差分组合电路100、200、700的第一端口可以用作被耦接到接收机的接收端口，而差分组合电路100、200、700的第三端口可以用作被耦接到发射机的发送端口，反之亦然。

可以在各种集成电路、电子电路、设备或装置中采用差分组合电路100、200、700。图11示出了电子设备1100的框图。电子设备1100包括收发机1110，其包括差分组合电路100、200、700。电子设备1100可以包括其他单元，其中示出了存储器1120、处理单元1130。电子设备1100可以是用于蜂窝通信系统的用户设备或移动设备、无线通信设备或无线电基站。

根据本文的实施例的差分组合电路100、200、700提供了宽带宽，避免使用传输线和变压器，以及不需要具有可编程电感的虚拟负载。除了它的简单性和组件数量少以外，它支持全差分电路，并且在接收机与发射机之间提供高隔离。该差分组合电路适合于完全集成为片上隔离器，以及使用低品质因数片上电感器来提供低附加损耗。使用类似于此的片上隔离器，在低成本短程收发机中引入全双工或灵活频分双工变得可行。

本领域技术人员将理解，可以通过任何半导体技术(例如，双极、NMOS、PMOS、CMOS或微机电系统(MEMS)技术等)来实现根据本文的实施例的差分组合电路100、200、700。

当在本文使用时，单词“包括”或“包含”将被解释为非限制性的，即意味着“至少由…组成”。

本文的实施例并不限于上述优选实施例。可以使用各种替代物、修改物和等同物。因此，上面的实施例不应被视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书限定。