CN101599743B - 一种用于射频推挽功率放大器的巴伦阻抗变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于射频推挽功率放大器的巴伦阻抗变换器，属于射频电路技术领域，包括一根U形同轴电缆和两根长度相同的直段同轴电缆，U形同轴电缆的两直线段分别与两根直段同轴电缆平行重叠接触，水平安装在印制电路板上，至少相互接触的两端头外导体焊接相连；还包括两根相互绝缘的导线，每根导线将该U形同轴电缆的一个端头的内导体与其对侧的直段同轴电缆端头的内导体相连接；U形同轴电缆的两个端头的外导体为两个低阻平衡端口；两根直段同轴电缆的另外两个端头中的一个内导体接地，另一个为高阻不平衡端口；U形同轴电缆外导体的中点接直流电源且通过电容射频接地。本发明结构对称，占用空间小、加工方便、复制性好，电性能得到很大改善。
Description
技术领域
本发明属于射频电路技术领域，特别涉及用于射频推挽功率放大器的巴伦阻抗变换器的设计。
背景技术
射频功率放大器广泛用于通讯、广播、雷达、工业加工、医疗仪器和科学研究等领域。射频高功率放大器普遍采用推挽形式。射频推挽功率放大器由推挽功率晶体管、与推挽功率晶体管相连的输入匹配网络、输出匹配网络和供电偏置电路四部分组成，其中，推挽功率晶体管直接安装在金属散热器表面，输入匹配网络、输出匹配网络和供电偏置电路制作在印制电路板上，这些印制电路板安装在与推挽功率晶体管同一个金属散热器表面。在输入匹配网络和输出匹配网络中均含有巴伦阻抗变换器(Balance to UnbalanceTransformer，简称Balun Transformer)。输入匹配网络中的巴伦阻抗变换器将高阻的不平衡信号转换为低阻的平衡(或称差分)信号，并送到射频功率晶体管的输入端。输出匹配网络中的巴伦阻抗变换器将射频功率晶体管输出的低阻平衡(或称差分)信号转换为高阻的不平衡信号，并送到射频功率放大器的输出端。输入输出匹配网络中的巴伦阻抗变换器根据不同的功率放大器需要可以设计成不同的阻抗变换比，如4∶1、9∶1、16∶1等。输入输出匹配网络中的巴伦阻抗变换器可以采用相同的结构，也可以采用不同的结构。与输入匹配网络中的巴伦阻抗变换器相比，输出匹配网络中的巴伦阻抗变换器要求能够承受更高的功率，一般采用同轴电缆来实现，而输入匹配网络中的巴伦阻抗变换器要求承受的功率较小，可以采用较细的同轴电缆或其它结构来实现。
已有的一种4∶1巴伦阻抗变换器的原理结构如图1所示，它分为巴伦(Balance toUnbalance)和阻抗变换器独立的两部分，由一根同轴电缆11构成巴伦实现不平衡到平衡的转换，由两根相同长度的同轴电缆12、13构成阻抗变换器实现平衡高阻到平衡低阻的变换。同轴电缆11输入端111的内导体为不平衡端口，外导体接地；同轴电缆11输出端112的内导体和外导体分别接同轴电缆12、13的输入端121、131的两个内导体，同轴电缆12、13的输入端121、131的两个外导体直接相连。同轴电缆12输出端122的内导体与同轴电缆13输出端132的外导体相连，作为一个低阻平衡端口；同轴电缆13输出端132的内导体与同轴电缆12输出端122的外导体相连，作为另一个低阻平衡端口。这种巴伦阻抗变换器的同轴电缆11和同轴电缆12、13的长度一般比较长(通常为1/4波长)，每一根同轴电缆均制成螺旋线圈立在印制电路板上。这种巴伦阻抗变换器的性能与同轴电缆螺旋线圈的形状和空间位置紧密相关，复制性差，且占用空间大，结构不紧凑；同轴电缆用得多，成本高。
已有的另一种4∶1巴伦阻抗变换器的原理结构如图2所示，它由一根水平安装在印制电路板上的密绕成两圈的同轴电缆21构成，下层同轴电缆圈与线路板相接。该同轴电缆的两端在同一方向，其中一端211的内导体为高阻不平衡端口，另一端212的内导体接地；在该同轴电缆两端相反方向层叠的两圈剥去相同长度的外导体，只留下介质层和内导体。两圈同轴电缆外导体的接触部位焊接连在一起。剥去部分外导体后出现的两个外导体端头213、214为两个低阻平衡端口。不平衡端口方向上的一段U形同轴电缆215的中点接直流电源并通过电容射频接地。这种巴伦阻抗变换器用一根水平安装在印制电路板上的密绕成两圈的同轴电缆同时完成了平衡到不平衡和高阻到低阻的变换。这种巴伦阻抗变换器的同轴电缆的内导体绕了两圈，一端接不平衡信号，另一端接地，为巴伦阻抗变换器的初级线圈，圈数为2；这种巴伦阻抗变换器的两圈同轴电缆的外导体焊接连在一起，外导体的两端为两个平衡端口。仅从外导体看，它变成了一圈，为巴伦阻抗变换器的次级线圈，圈数为1。外导体的中点通过电容射频接地。从原理上讲，这个射频接地点必须是次级线圈的电气中点，才能保证两个平衡端口的信号幅度相同而相位相反。由于这种巴伦阻抗变换器中同轴电缆的外导体的结构并不严格对称，其U形部分与其下方的线路板不平行，从电磁场的分布来看，外导体结构上的中点并不是其电气上的中点。其电器上的中点很难确定，而且由于等效为次级线圈的外导体相对较短，电气中点的位置更敏感。
与图1所示的巴伦阻抗变换器相比，这种结构占用空间小，结构紧凑。但这种巴伦阻抗变换器的结构并不完全对称，不平衡输入口方向上的U形同轴电缆段215与线路板不平行，它的中点很难确定，这会恶化巴伦阻抗变换器平衡端口信号的幅度平衡和相位反相性能，从而影响射频功率放大器的技术特性；这种巴伦阻抗变换器的同轴电缆有两段要剥去外导体，然后密绕两圈，加工困难，复制性不好。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种新结构的用于射频推挽功率放大器的巴伦阻抗变换器，本发明不但具有结构紧凑、占用空间小、加工方便、复制性好的特点，而且其结构对称，从而使其电性能得到很大改善。
本发明提出的一种用于射频推挽功率放大器的巴伦阻抗变换器，包括安装在印制电路板上的一组同轴电缆；其特征在于，所述一组同轴电缆包括一根U形同轴电缆和两根长度相同的直段同轴电缆，该两根直段同轴电缆水平安装在印制电路板上；所述U形同轴电缆水平层叠在两根直段同轴电缆上方，该U形同轴电缆的两直线段的外导体分别与两根直段同轴电缆的外导体平行重叠接触，并且至少相互接触的两端头部位焊接相连；所述巴伦阻抗变换器还包括两根相互绝缘的导线，所述每根导线将该U形同轴电缆的一个端头的内导体与该端头对侧的直段同轴电缆端头的内导体相连接(使U形同轴电缆的内导体与直段同轴电缆的内导体连接成一根导体)；所述U形同轴电缆的两个端头的外导体(也是与其同向的两根直段同轴电缆的两个端头的外导体)为两个低阻平衡端口；该两根直段同轴电缆的另外两个端头中的一个内导体接地，另一个内导体作为高阻不平衡端口；该U形同轴电缆外导体的中点接直流电源且通过电容射频接地。
上述两根相互绝缘的导线可以用两根外包裹绝缘层的或由空气绝缘的金属连接线或金属连接片；也可采用一块双面印制电路板，在该印制电路板的两个表面分别印制一根金属导带，并将U形同轴电缆端头、直段同轴电缆端头的内导体固定在该双面印制电路板相应的金属导带两端。
本发明提出的另一种用于射频推挽功率放大器的巴伦阻抗变换器，包括安装在印制电路板上的一组同轴电缆；其特征在于，所述一组同轴电缆包括N根长度相同、形状相同的U形同轴电缆和两根长度相同的直段同轴电缆，该两根直段同轴电缆水平安装在印制电路板上；所述N根U形同轴电缆依次水平重叠在两根直段同轴电缆上方，最下层U形同轴电缆的两直线段的外导体与两根直段同轴电缆的外导体平行重叠接触，并且至少各根U形同轴电缆相互接触的外导体的端头部位以及最下层U形同轴电缆的外导体与两根直段同轴电缆的外导体相互接触的端头部位焊接相连；所述巴伦阻抗变换器还包括N+1根相互绝缘的导线，各导线分别将直段同轴电缆一个端头的内导体与最下层U形同轴电缆对侧端头的内导体相连，将该直段同轴电缆另一个端头的内导体与最上层U形同轴电缆对侧端头的内导体相连；将该两相邻的U形同轴电缆对侧端头的内导体相连；并使每个端头的内导体只连接一次(即使N根U形同轴电缆的所有内导体与直段同轴电缆的内导体连接成一根导体)；所有U形同轴电缆焊接连在一起的两组端头的外导体(也是与其同向的两根直段同轴电缆的两个端头的外导体)为两个低阻平衡端口；该两根直段同轴电缆的另外两个端头中的一个内导体接地，另一个内导体作为高阻不平衡端口；该所有焊接连接在一起的U形同轴电缆外导体的中点接直流电源且通过电容射频接地，所述N为正整数。
上述N+1根相互绝缘的导线可以用N+1根外包裹绝缘层的或由空气绝缘的金属连接线或金属连接片；也可采用一块双面印制电路板，在该印制电路板的两个表面印制相互绝缘的N+1根金属导带，并将U形同轴电缆端头、直段同轴电缆端头的内导体固定在该双面印制电路板相应的金属导带两端。
本发明巴伦阻抗变换器中U形同轴电缆的根数与阻抗变换比相关，1根对应阻抗变换比为4∶1，2根对应阻抗变换比为9∶1，3根对应阻抗变换比为16∶1，等等。根数的变化，不改变上述巴伦阻抗变换器的基本结构特征，只是每增加一根U形同轴电缆的同时，增加一条金属连接线而已。
本发明的特点及有益效果：
本发明的巴伦阻抗变换器采用一组同轴电缆同时完成了平衡到不平衡和高阻到低阻的变换，占用印制电路板的面积小，结构简单；
本发明的巴伦阻抗变换器的所有同轴电缆均平行安装在印制电路板上，占用高度小，结构紧凑；
本发明的巴伦阻抗变换器由一组形状规范的同轴电缆和相互绝缘的导线构成，它们均易于精密加工，复制性好，便于大批量生产，降低成本；
本发明的巴伦阻抗变换器的结构对称性好，两个平衡端口信号的幅度平衡性和相位反相性都得以改善，从而会使射频功率放大器的效率和偶次谐波抑制性能得到提高。
附图说明
图1为已有的一种4∶1巴伦阻抗变换器的原理结构示意图。
图2为已有的另一种4∶1巴伦阻抗变换器的结构示意图。
图3为本发明的巴伦阻抗变换器的实施例1结构示意图。
图4为本发明的巴伦阻抗变换器的实施例2结构示意图。
图5为本发明的巴伦阻抗变换器的实施例3结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种用于射频推挽功率放大器的巴伦阻抗变换器结合附图及实施例详细说明如下：
实施例1为用于射频推挽功率放大器的4∶1巴伦阻抗变换器，其结构如图3所示；该实施例包括安装在印制电路板(图中未示出)上的一组同轴电缆和一块双面印制电路板31，所述一组同轴电缆包括一根U形同轴电缆32和两根长度相同的直段同轴电缆33、34，该两根直段同轴电缆33、34水平安装在印制电路板上；U形同轴电缆水平层叠在两根直段同轴电缆上方，该U形同轴电缆的两直线段321、322的外导体分别与两根直段同轴电缆33、34的外导体相互接触，并且至少接触的U形同轴电缆的两端头外导体以及与两根直段同轴电缆接触的两端头外导体焊接在一起(若接触部位的部分或全部焊接在一起，可更加强结构的稳定性)；该双面印制电路板31的两个表面各设有一连线311、312，其中，连线311将该U形同轴电缆端头323内导体与相对侧的直段同轴电缆端头331的内导体相连接；连线312将该U形同轴电缆端头324的内导体与相对侧的直段同轴电缆端头341的内导体相连接(使U形同轴电缆的内导体与直段同轴电缆的内导体连接成一根导体)。U形同轴电缆的两个端头323、324的外导体(也是与其同向的两根直段同轴电缆的两个端头的外导体)为两个低阻平衡端口；直段同轴电缆33的另外一个端头332的内导体接地，直段同轴电缆34的另外一个端头342的内导体作为高阻不平衡端口；U形同轴电缆32外导体的中点325(在巴伦阻抗变换器同轴电缆外导体的中心对称线上)接直流电源且通过电容射频接地。
本实施例采用1根U形同轴电缆对应阻抗变换比为4∶1，U形同轴电缆与两根直段同轴电缆均采用25欧的半刚同轴电缆，其外导体的内径大小与所通过的射频功率大小有关，功率越大，外导体的内径越粗；直段同轴电缆的长度和U形同轴电缆宽度与工作频率有关，工作频率越高，长度和宽度尺寸越小。
本实施例中的双面印制电路板可直接用两根外包裹绝缘层的或由空气绝缘的金属连接线或金属连接片代替，即每根导线直接将该U形同轴电缆的一个端头的内导体与该端头对侧的直段同轴电缆端头的内导体相连接，构成一根内导体。
本实施例的巴伦阻抗变换器用在调频广播550W推挽功率放大器的输出匹配网络中，25欧的半刚同轴电缆外导体的内径为3mm，直段同轴电缆的长度为20mm，U形同轴电缆的宽度为10mm，印制电路板采用1.5mm厚的双面印制电路板，放大器在87.5MHz到108MHz的整个频段内漏极效率均大于80％，典型值为83％，二次谐波抑制度均大于30dB。
实施例2为用于射频推挽功率放大器的9∶1巴伦阻抗变换器。本实施例与实施例1的不同之处是在实施例1的U形同轴电缆之上增加一根长度相同、形状相同的U形同轴电缆，两根U形同轴电缆重叠在两根直段同轴电缆上方，两根U形同轴电缆的两直线段与两根直段同轴电缆平行重叠在一起，两根U形同轴电缆的外导体相互接触，下层U形同轴电缆的直线段部位的外导体与两根直段同轴电缆的外导体相互接触，并且至少接触的两根U形同轴电缆的两组端头外导体以及两根直段同轴电缆接触的两端头外导体分别焊接在一起(若接触部位的部分或全部焊接在一起，可更加强结构的稳定性)。
本实施例与实施例1的另一个不同之处是印制电路板41的两个表面设有三条连线411、412和413，如图4所示，其中，连线411、412在一个表面，连线413在另一个表面；连线411将直段同轴电缆一个端头421的内导体与下层U形同轴电缆对侧端头432的内导体相连；连线413将直段同轴电缆另一个端头422的内导体与上层U形同轴电缆对侧端头441的内导体相连；连线412将上层的U形同轴电缆的另一个端头442与下层U形同轴电缆的对侧端头431的内导体相连；每个端头的内导体只连一次(使两根U形同轴电缆的内导体与直段同轴电缆的内导体连接成一根导体)。
与实施例1类似，本实施例两根两两焊接连接在一起的U形同轴电缆的两组端头的外导体(也是与其同向的两根直段同轴电缆的两个端头的外导体)为两个低阻平衡端口；该两根直段同轴电缆的另外两个端头中的一个内导体接地，另一个内导体作为高阻不平衡端口；该所有焊接连接在一起的U形同轴电缆外导体的中点接直流电源且通过电容射频接地。
本实施例采用2根U形同轴电缆对应阻抗变换比为9∶1。
实施例3为用于射频推挽功率放大器的16∶1巴伦阻抗变换器。本实施例与实施例2的不同之处是在实施例2的U形同轴电缆之上再增加一根长度相同、形状相同的U形同轴电缆，三根U形同轴电缆重叠在两根直段同轴电缆上方，三根U形同轴电缆的两直线段与两根直段同轴电缆平行重叠在一起，相邻两根U形同轴电缆的外导体相互接触，最下层U形同轴电缆的直线段部位的外导体与两根直段同轴电缆的外导体相互接触，并且至少接触的三根U形同轴电缆的两组端头以及与两根直段同轴电缆接触的两端头部位焊接在一起(若接触部位的部分或全部焊接在一起，可更加强结构的稳定性)。
实施例3与实施例2的另一个不同之处是印制电路板51的两个表面设有四条连线511、512、513和514，如图5所示，其中，连线511、512、513在一个表面，连线414在另一个表面；连线511将直段同轴电缆一个端头521的内导体与下层U形同轴电缆对侧端头532的内导体相连；连线514将直段同轴电缆另一个端头522的内导体与上层U形同轴电缆对侧端头551的内导体相连；连线512将中层的U形同轴电缆的一个端头542与下层U形同轴电缆的对侧端头531的内导体相连；连线513将中层的U形同轴电缆的另一个端头541与上层U形同轴电缆的对侧端头552内导体相连；每个端头的内导体只连一次(即使三根U形同轴电缆的所有内导体与直段同轴电缆的内导体连接成一根导体)。
与实施例2类似，本实施例两根两两焊接连接在一起的U形同轴电缆的两组端头的外导体(也是与其同向的两根直段同轴电缆的两个端头的外导体)为两个低阻平衡端口；该两根直段同轴电缆的另外两个端头中的一个内导体接地，另一个内导体作为高阻不平衡端口；该所有焊接连接在一起的U形同轴电缆外导体的中点接直流电源且通过电容射频接地。
本实施例采用3根U形同轴电缆对应阻抗变换比为16∶1。
上述实施例2、3中的双面印制电路板也可直接用两根外包裹绝缘层的或由空气绝缘的金属连接线或金属连接片代替，即各根导线直接将各U形同轴电缆的一个端头的内导体与该端头对侧的相邻U形同轴电缆或直段同轴电缆端头的内导体相连接，构成一根导体。
根据上述实施例还可容易地通过增加U形同轴电缆的根数来改变阻抗变换比，以适应不同应用的需要。
本发明上述实施例只是用以举例说明本发明的结构特征，并不以此限定本发明技术方案的保护范围。凡是根据本发明所保护的技术方案对上述实施例所作的任何变动均应属于本发明的保护范畴。
Claims (6)
1.一种用于射频推挽功率放大器的巴伦阻抗变换器，包括安装在印制电路板上的一组同轴电缆；其特征在于，所述一组同轴电缆包括一根U形同轴电缆和两根长度相同的直段同轴电缆，该两根直段同轴电缆水平安装在印制电路板上；所述U形同轴电缆水平层叠在两根直段同轴电缆上方，该U形同轴电缆的两直线段的外导体分别与两根直段同轴电缆的外导体平行重叠接触，并且至少相互接触的两端头部位焊接相连；所述巴伦阻抗变换器还包括两根相互绝缘的导线，所述每根导线将该U形同轴电缆的一个端头的内导体与该端头对侧的直段同轴电缆端头的内导体相连接；所述U形同轴电缆的两个端头的外导体为两个低阻平衡端口；该两根直段同轴电缆的另外两个端头中的一个内导体接地，另一个内导体作为高阻不平衡端口；该U形同轴电缆外导体的中点接直流电源且通过电容射频接地。
2.如权利要求1所述的巴伦阻抗变换器，其特征在于，所述两根相互绝缘的导线采用两根外包裹绝缘层的或由空气绝缘的金属连接线或金属连接片。
3.如权利要求1所述的巴伦阻抗变换器，其特征在于，所述两根相互绝缘的导线采用一块双面印制电路板，在该印制电路板的两个表面分别印制有一根金属导带，所述U形同轴电缆端头、直段同轴电缆端头的内导体固定在该双面印制电路板相应的金属导带两端。
4.一种用于射频推挽功率放大器的巴伦阻抗变换器，包括安装在印制电路板上的一组同轴电缆；其特征在于，所述一组同轴电缆包括N根长度相同、形状相同的U形同轴电缆和两根长度相同的直段同轴电缆，该两根直段同轴电缆水平安装在印制电路板上；所述N根U形同轴电缆依次水平重叠在两根直段同轴电缆上方，最下层U形同轴电缆的两直线段的外导体与两根直段同轴电缆的外导体平行重叠接触，并且至少各根U形同轴电缆相互接触的外导体的端头部位以及最下层U形同轴电缆的外导体与两根直段同轴电缆的外导体相互接触的端头部位焊接相连；所述巴伦阻抗变换器还包括N+1根相互绝缘的导线，各导线分别将直段同轴电缆一个端头的内导体与最下层U形同轴电缆对侧端头的内导体相连，将另一直段同轴电缆一个端头的内导体与最上层U形同轴电缆对侧端头的内导体相连；将该两相邻的U形同轴电缆对侧端头的内导体相连；并使每个端头的内导体只连接一次；所有U形同轴电缆焊接连在一起的两组端头的外导体为两个低阻平衡端口；该两根直段同轴电缆的另外两个端头中的一个内导体接地，另一个内导体作为高阻不平衡端口；该所有焊接连接在一起的U形同轴电缆外导体的中点接直流电源且通过电容射频接地，所述N为正整数。
5.如权利要求4所述的巴伦阻抗变换器，其特征在于，所述N+1根相互绝缘的导线采用N+1根外包裹绝缘层的或由空气绝缘的金属连接线或金属连接片。
6.如权利要求4所述的巴伦阻抗变换器，其特征在于，所述N+1根相互绝缘的导线采用一块双面印制电路板，在该印制电路板的两个表面印制有相互绝缘的N+1根金属导带，所述U形同轴电缆端头、直段同轴电缆端头的内导体固定在该双面印制电路板相应的金属导带两端。
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