專利名稱：用于無線和射頻應用中的寬帶平衡－不平衡變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從差分對輸入信號中給出單端輸出信號的平衡-不平衡(變換)變壓器，具體地涉及由相互耦合的傳輸線信號耦合器實現(xiàn)的一種傳輸線平衡-不平衡變換器。
眾所周知，射頻信號無線電路中利用了平衡型信號輸出來使接地感應效應最小并改善共模抑制。此種電路中包括有混頻器、調(diào)制器、IF條(strip)和壓控振蕩器等。并且，由差分對信號組成的此類平衡輸出必須組合起來提供出單端輸出信號。將差分對信號組合成單端輸出信號的一種熟知的器件類型在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)稱之為平衡-不平衡(平衡輸入-不平衡輸出)變換器(balun)。通常，平衡-不平衡變換器制造成緊耦合結(jié)構(gòu)，很象平常利用分立元件構(gòu)成的普通變壓器；而且，線匝的實際安排中包括有線間電容，它成為傳輸線特性阻抗的組成部分。這樣的技術(shù)能使器件的帶寬增高至兆赫的頻率范圍內(nèi)。新近以來，平衡-不平衡變換器已經(jīng)應用分布元件來實現(xiàn)。采用分立元件來實現(xiàn)時，分立元件會引入過量的損耗，并增大了制造成本。采用分布形式的結(jié)構(gòu)時，表現(xiàn)出損耗較小，但在無線頻率上需要比較大的底板空間，并受到窄帶器件固有性能的限制。
本發(fā)明涉及裝置的改進，該裝置用來實現(xiàn)一種傳輸線平衡-不平衡(變換)變壓器(balun transformer)，使之從差分對輸入信號中給出單端輸出信號。做到這一點是借助于以串接形式使傳輸線信號耦合器對的部件進行交叉耦合。至少將耦合器之一設計成一個比較松耦合的器件，其耦合特性也即耦合系數(shù)典型地大于3dB。根據(jù)需要，兩個耦合器可以有相同的或不等的耦合系數(shù)。然而，兩個耦合器之間要以正確的相位關(guān)系相互耦合，以達到比較緊的總合耦合特性，最好大約為3dB，從而獲得帶寬的增大。在優(yōu)選實施例中，盡管不加限制，但最好每個耦合器構(gòu)成一個微帶傳輸線耦合器，它們是在諸如電路板的介質(zhì)支持體兩側(cè)上形成的一對相互緊鄰的微帶傳輸線部分，其間還包括一個中間接地平面以使耦合器相互隔離。但兩個耦合器通過中間接地平面內(nèi)的小孔于內(nèi)部相互耦合，一對輸入信號端口和一個輸出端口位于印刷電路板的一側(cè)外沿表面上。傳輸線部分可以做成鋸齒形或者扭曲形，借以延長恒定寬度的微帶，另外可以在線寬上或者線距上使之變窄。再有，耦合器可以制造成帶狀線器件。


圖1示明本發(fā)明第一實施例的電路簡圖；圖2示明圖1上所示實施例中微帶實現(xiàn)法的透視分解圖；圖3是圖2中所示微帶實現(xiàn)法的復合體透視圖；圖4有助于理解圖2和圖3中所示本發(fā)明實施例各部分之間的內(nèi)部連接；圖5示明本發(fā)明第二實施例的電路簡圖；圖6示明本發(fā)明第三實施例的電路簡圖；圖7示明本發(fā)明第四實施例的電路簡圖；圖8是圖1中所示實施例之帶狀線實現(xiàn)法的透視圖；圖9上是兩條特性曲線，示明了圖1至圖4中所示平衡-不平衡變換器內(nèi)單個耦合器部分的頻率響應特性；以及圖10上是兩條特性曲線，示明了圖1至圖4中所示平衡-不平衡變換器內(nèi)兩個串接的耦合器部分的頻率響應特性。
現(xiàn)在，具體參看圖1，它示明了本發(fā)明第一實施例的電路簡圖，由兩個比較松耦合的傳輸線耦合器C1和C2組成。耦合器的實現(xiàn)依靠了兩對互相平行的微帶傳輸線單元a1、a2和b1、b2，它們的長度實質(zhì)上相等。如圖中所示，這些單元的輸入端標記為參考號數(shù)1、3、5、7，而它們的輸出端標記為參考號數(shù)2、4、6、8。
圖1中的耦合器C1連接于一對輸入端P1和P2上，P1和P2分別連接至微波傳輸線單元a1和a2的輸入端1和5上。借助于電連接線10和11，傳輸線單元a1和a2的輸出端2和6分別與傳輸線單元b1和b2的輸入端7和3以串接形式進行交叉耦合。借助于電連接線9，耦合器C2之傳輸線單元b2的輸出端8連接回到耦合器C1之傳輸線單元a1的輸入端1上。借助于電連接線12，傳輸線單元b1的輸出端4連接至單個輸出端P3上。由連接線9、10和11提供的交叉連接和反饋在工作上使兩個耦合器C1和C2之間有正確的相位關(guān)系，以提供出一個總體或合成的耦合特性也即耦合系數(shù)，它比之由各別的耦合器本身分別提供的耦合系數(shù)，要耦合得緊些。雖然總的耦合系數(shù)至少大于3dB，但最好為3dB左右。耦合器C1和C2中的至少一個提供出的耦合系數(shù)大于3dB，然而，兩個耦合器的耦合系數(shù)不必需相同，但需要時也可以相同。
圖1中概略示明的布置實際上是在諸如由介質(zhì)材料構(gòu)成的電路板之類支持體的兩個相對面上實現(xiàn)的。如圖2和圖3中所示，通常為矩形的電路板部分20由上半部分22和下半部分24組成，它們的外表面分別為26和28。在電路板的上、下兩半部分22和24之間是一層金屬導電膜30，它起接地平面的作用，使形成在外表面26和28上的兩個耦合器C1和C2互相隔離。如圖2中所示，金屬導電膜30上至少包括一個而最好是兩個小孔或窗口32和34，用以使C1和C2互聯(lián)起立。
如圖2和圖3中所示，兩個輸入端P1和P2以及一個輸出端P3的位置都處在印刷電路板部分20之上半部分22的外表面中一個公共邊緣36上。應當指出，上面一對微帶傳輸線單元a1和a2自輸入端P1和P2出發(fā)向外伸展出。如前所述，它們由延長的傳輸線單元構(gòu)成，例如具有電長度L，它最好但也不限制于約為λ/4長度；傳輸線有著恒定寬度W，線間間距S1。按類似的方式，耦合器C2這一對下面的微帶傳輸線b1和b2也由延長的微帶條構(gòu)成，有等同的電長度大約L＝λ/4，以及有恒定寬度W和線間間距S2，參見圖3中所示。a1、a2、b1、b2、W1、W2以及s1、s2的物理尺寸隨用途而定，取決于所需設計，每對尺寸可以相等或者不相等。
圖1中所示的電連接線9、10、11和12按周知的方式實際上由電路板部分22和24中形成的電通路來實現(xiàn)。雖然，圖2中概略地示明了電通路，但電通路9、10、11和12的實際實現(xiàn)法可以用金屬導電垂直柱來形成，這示明于圖4中。為了做到這一點，下面的微帶傳輸線單元b1和b2的結(jié)構(gòu)方面，在b1中包括一個直角彎頭部分38和一個通常的彎角部分40，在b2中包括一個向下的彎角部分42并連通直角彎頭部分44，彎頭部分44連接至終端7上。這種結(jié)構(gòu)型式是容易做成的，但需要時也可以采用其它型式的設計。
現(xiàn)在，參看圖5至圖8，它們示出了4種另外的本發(fā)明的實施例。就圖5而言，那里示明的結(jié)構(gòu)類似于圖1的電路概圖，但其耦合器C1和C2中包括的是本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)稱之為“扭曲式”的耦合器，其傳輸線單元a1、a2和b1、b2中分別包括有細齒交錯式或鋸齒形的內(nèi)邊沿46和48。又，兩對傳輸線單元的電長度最好等于但也不需限制于λ/4。它們之間的互聯(lián)仍與圖1中所示的相同。
扭曲式耦合器概念的進一步詳細說明發(fā)表在1976年12月卷PHP-12、No.4《IEEE Transactions On Parts，Hybrids In Packaging》內(nèi)pp.317-323上J.Taylor等人撰寫的“射頻混合微電路場合中應用的扭曲式移相器和定向耦合器”文章中。
圖6和圖7上所示的實施例中公開了兩種稱之為“錐形”耦合器的變型結(jié)構(gòu)。圖6中，傳輸線單元a1、a2和b1、b2由大體上具有恒定寬度的延長單元組成，但線對間的間距是漸窄的。而在圖7所示的實施例中公開的結(jié)構(gòu)，傳輸線單元a1、a2和b1、b2由本身寬度變細的傳輸線單元構(gòu)成。這兩個例子中，傳輸線單元之間的電連接方式與圖1中所示的相同。
這種類型耦合器的更詳細說明可參看1985年12月《MicrowaveJournal》內(nèi)pp.113-119上S.Seward等人發(fā)表的題目為“OptimizationOf TEM Mode Tapered Symmertrical Couplers”的文章。
就圖8而言，那里示明了圖2和圖3中所示的本發(fā)明的帶狀線實現(xiàn)法。象前面那樣，圖8的帶狀線實施例中包括有一對由接地平面30分隔開的電路板部分22和24，傳輸線單元a1和a2形成于電路板部22之頂面部分上，傳輸線單元b1和b2形成于下方電路板部分24之外側(cè)部分上。然而，這里有一對外側(cè)的介質(zhì)部分54和56，它們具有與電路板部分22和24實質(zhì)上相同的形狀，并形成于外表面26和28的上方。此外，介質(zhì)部分54和56上還包括有如圖中所示的金屬導電膜外表面58和60。此種結(jié)構(gòu)應用常規(guī)技術(shù)能容易地制造出來。
現(xiàn)在，參看圖9和圖10，圖9示明由構(gòu)成平衡-不平衡變換器的一個8.34dB邊沿耦合式微帶耦合器的頻率響應曲線，圖10示明如圖1至圖4中所示串接布置式的兩個8.34dB耦合器結(jié)構(gòu)的頻率響應曲線。圖9中，參考號數(shù)62的曲線表明了兩個耦合器c1和c2之每一個的反射損耗，而參考號數(shù)64的曲線表明了它們的插入損耗。如圖中所示，反射損耗62在1000MHz周圍有最大值。在同樣的頻率上也發(fā)生最小的插入損耗，但在兩側(cè)大約-0.2dB范圍內(nèi)曲線下降陡峭。另一方面，如圖10中參考號數(shù)66的曲線所指明，合成的反射損耗在1500MHz附近下降到約-40dB。如圖10中參考號數(shù)68的曲線所指明，合成的插入損耗在幾乎1000MHz的帶寬上變化僅僅約0.25dB，由此表明，本發(fā)明達到了寬帶效果。
因此，可以看出，通過使信號以正確的相位進入比如兩個串接耦合的8.34dB耦合器，可達到3dB的較緊的總合耦合，使帶寬擴展。另外，通過應用介質(zhì)電路板部分的兩面，圖2和圖3中所示的耦合器結(jié)構(gòu)能安裝入象單個耦合器那樣相同的空間中，并且對于電路板布局來說變得更為適合，因為平衡輸入端和單端輸出端兩者可以制作在電路板的同一邊沿處。
上面的詳細說明只是對本發(fā)明原理的示例性敘述。因此，應當意識到，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熟練人員能設想出各種安排，它們雖然在這里未明顯地說明或示出，但實施了本發(fā)明的原理，因而處在本發(fā)明的精神實質(zhì)和范疇之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種傳輸線平衡-不平衡(變換)變壓器，用于從一對差分輸入信號中提供出一個單端輸出信號，包括具有各別的耦合特性的第一和第二傳輸線信號耦合器，所述兩個耦合器之間相互電隔離，并包括有以預定的信號相位串聯(lián)地連接在一起的傳輸線單元，以便相對于所述第一和第二信號耦合器的各別耦合特性而言，提供出改善的總合耦合特性。
2.如權(quán)利要求1所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，兩個耦合器的耦合特性實質(zhì)上相同。
3.如權(quán)利要求1所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，兩個耦合器的耦合特性互不相同。
4.如權(quán)利要求1所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，兩個耦合器的耦合特性實質(zhì)上相同或者互不相同，但都大于3dB。
5.如權(quán)利要求1所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，第一和第二耦合器中至少一個的耦合器特性大于3dB，而總合耦合特性大約等于或大于3dB。
6.如權(quán)利要求1所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述第一對和第二對傳輸線單元具有專用于擬定用途的預定的物理尺寸和線間間距。
7.如權(quán)利要求1所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述耦合器之每一個包括有具有各別的輸入端和輸出端的傳輸線單元對，又其中，第一信號耦合器的輸出端與第二信號耦合器的輸入端交叉耦合，并且第二信號耦合器之一個輸出端連接回到第一信號耦合器之一個輸入端上。
8.如權(quán)利要求6所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述傳輸線單元對由間斷長度的導體材料構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求8所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述長度的導體材料它們的位置是互相平行的。
10.如權(quán)利要求8所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述長度的導體材料互相傾斜，以便提供出線間距漸窄的間距變化。
11.如權(quán)利要求7所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述傳輸線單元對由間斷長度的導體材料構(gòu)成，而導體材料從一端到另一端其寬度尺寸是變窄的。
12.如權(quán)利要求7所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述傳輸線單元對由間斷長度的導體材料構(gòu)成，而導體材料的相互面對處有鋸齒形邊沿。
13.如權(quán)利要求1所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述傳輸線單元對由電長度大約為四分之一波長的傳輸線單元構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求1所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述傳輸線單元對分別位于一個介質(zhì)支持體相對兩面中的區(qū)域內(nèi)。
15.如權(quán)利要求14所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述介質(zhì)支持體由其內(nèi)部包括有導電材料中間層的電路板部分組成，導電材料用于隔離開傳輸線單元對。
16.如權(quán)利要求15所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述導電材料中間層上包括至少一個小孔，以便于使所述傳輸線單元對之間具有電連接。
17.如權(quán)利要求16所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，在所述電路板部分上附加地包括有通路，它穿過所述導電材料中間層上所述的至少一個小孔，使所述傳輸線單元的所述端子進行交叉連接，并使第二信號耦合器的一個輸出端連接至所述第一信號耦合器的一個輸入端上。
18.如權(quán)利要求15所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，附加地包括有一對輸入端和單個輸出端，它們共同位于所述電路板部分的一個公共邊沿上，使得平衡-不平衡(變換)變壓器可進入和給出耦合信號。
19.如權(quán)利要求15所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述傳輸線單元對中的至少一個位于所述電路板部分的一個外表面上。
20.如權(quán)利要求14所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述傳輸線單元對由平行的傳輸線單元對構(gòu)成，它們分別位于所述電路板部分中所述相對兩面之區(qū)域內(nèi)的外表面上。
21.如權(quán)利要求14所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，兩個所述傳輸線單元對分別位于所述電路板部分上的兩個外表面上。
22.如權(quán)利要求19所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述傳輸線單元由微帶導體構(gòu)成。
23.如權(quán)利要求14所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，附加地包括有分別位于所述介質(zhì)支持體相對兩面的一對介質(zhì)部分，支持體為所述相對兩面的區(qū)域所共有，并且所述一對介質(zhì)部分的外表面上有各別的導電材料層。
24.如權(quán)利要求21所述的平衡-不平衡(變換)變壓器，其中，所述傳輸線單元對由帶狀線導體構(gòu)成。
25.一種寬帶傳輸線平衡-不平衡變換器，用于無線和射頻應用中，包括第一和第二四分之一波長微帶傳輸線信號耦合器，它們分別具有預定的耦合特性，并有微帶傳輸線單元對位于一個介質(zhì)電路部分的相對兩面上，所述微帶傳輸線單元對由位于電路板部分內(nèi)的一個接地平面進行相互間的電隔離；其中，每個微帶傳輸線單元對上分別包括有第一和第二輸入端及第一和第二輸出端；以及其中，第一和第二輸入端連接至電路板部分一個邊沿處的一對輸入端上，第一信號耦合器的第一和第二輸出端與第二信號耦合器的第二和第一輸入端交叉耦合，第二信號耦合器的第一輸出端連接至位于電路板部分所述邊沿處的一個輸出端上，而第二信號耦合器的第二輸出端連接至第一信號耦合器的第一輸入端上；通過正確地設定信號相位，相對于所述第一和第二信號耦合器各別的耦合特性，能提供出有效地改善的總合耦合特性。
26.一種寬帶傳輸線平衡-不平衡變換器，用于無線和射頻應用中，包括第一和第二四分之一波長帶狀線式傳輸線信號耦合器，它們分別具有預定的耦合特性，并有位于介質(zhì)電路格部分相對兩面上的帶狀線式傳輸線單元對，所述帶狀線式傳輸線單元對由位于電路板部分內(nèi)的一個接地平面進行相互間的電隔離，又在各別的介質(zhì)部分上具有位于帶狀線式傳輸線單元對上的金屬導體外層；其中，每個帶狀線式傳輸線單元對上分別包括有第一和第二輸入端及第一和第二輸出端；以及其中，第一和第二輸入端連接至電路板部分一個邊沿處的一對輸入端上，第一信號耦合器的第一和第二輸出端與第二信號耦合器的第二和第一輸入端交叉耦合，第二信號耦合器的第一輸出端連接至位于電路板部分所述邊沿處的一個輸出端上，而第二信號耦合器的第二輸出端連接至第一信號耦合器的第一輸入端上；通過正確地設定信號相位，相對于所述第一和第二信號耦合器各別的耦合特性，能提供出有效地改善的總合耦合特性。
全文摘要
一種傳輸線平衡－不平衡(變換)變壓器,用于從一對差分輸入信號中提供出一個單端輸出信號,它包括有兩個傳輸線信號耦合器。兩個耦合器各別地設計成有比較松耦合的器件,也即它們的耦合系數(shù)大于3dB;但將它們通過正確的相位關(guān)系耦合在一起時,可達到約為3dB的、比較緊的總合耦合特性,由此得到了增大的帶寬。
文檔編號H03H7/00GK1271976SQ0010260
公開日2000年11月1日 申請日期2000年2月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月25日
發(fā)明者約翰·W·鮑恩, 羅杰·A·弗拉逖, 小梅爾文·韋斯特 申請人:朗迅科技公司