CN103066940B - 无源平衡-非平衡转换器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种无源平衡-非平衡转换器，位于中继电路和接收机之间；所述中继电路将天线接收的射频信号分解为一个或多个子信号；所述无源平衡-非平衡转换器包括一个或多个独立的单元结构，单元结构的数量与中继电路输出的子信号的数量相同；每个单元结构实现一个单端子信号至一对差分子信号的转换。本申请无源平衡-非平衡转换器具有工作频带宽、线性度好、插入损耗小的特点，同时由于制作在封装基板上，减小了集成电路的面积，成本较低。

Description

无源平衡-非平衡转换器
技术领域
本申请涉及一种应用于射频领域的平衡-非平衡转换器(balanced-to-unbalanced，缩写为balun，也称巴伦转换器)。
背景技术
射频接收机用来将天线接收的射频信号进行放大以及频率变换，得到可供后续处理的有用信号。所述天线一般是非平衡的单端形式。而为了抑制各种噪声，所述接收机内部的电路常使用平衡差分电路。这就需要平衡-非平衡转换器，将天线输出的单端信号转化为差分信号后，由接收机内部的平衡差分电路进行后续处理。所谓差分信号是指幅度相同、相位相反的一对信号。
目前常见的平衡-非平衡转换器均制造在半导体材料上，分为有源和无源两种类型。
有源平衡-非平衡转换器一般采用砷化镓(GaAs)工艺、CMOS工艺或者其他硅基的集成电路工艺。有源平衡-非平衡转换器会引入有源器件的额外噪声，并且有源器件的线性度是有限的，也会恶化接收信号本身的线性度。
无源平衡-非平衡转换器一般采用集成无源器件(IPD)工艺、CMOS工艺或者其他硅基的集成电路工艺。无源平衡-非平衡转换器在处理较低频率的射频信号(例如100MHz以下)、或者较大带宽范围的射频信号(例如40MHz～1GHz的宽带信号)时，需要非常大电感值的电感，这要消耗大面积的硅片来制造这种电感，成本很高，不利于全集成设计。
如何设计出一款既在宽带范围内具有高线性度、低噪声特性、又有利于全集成设计的平衡-非平衡转换器，就成为业界亟待解决的问题。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种无源平衡-非平衡转换器，具有在宽带范围内将非平衡的单端射频信号转化为平衡的差分射频信号的功能。并且具有线性度好、插入损耗小、易于设计在集成电路封装内部或者与集成电路一起放置在单一封装内部形成系统级封装的特点。
为解决上述技术问题，本申请无源平衡-非平衡转换器位于中继电路和接收机之间；所述中继电路将天线接收的射频信号分解为一个或多个子信号；所述无源平衡-非平衡转换器包括一个或多个独立的单元结构，单元结构的数量与中继电路输出的子信号的数量相同；每个单元结构实现一个单端子信号至一对差分子信号的转换；
所述单元结构由第一电感和第二电感组成；所述第一电感的两端分别是第一端子和第二端子；所述第二电感的两端分别是第四端子和第五端子；第三端子与第一端子直接相连；单端射频信号连接到第一端子，第二端子接地；通过电磁场的耦合，将流过第一电感的交流电流耦合到第二电感上；第四端子接地，从第三端子和第五端子得到幅值相等、相位相反的一对差分信号。
本申请无源平衡-非平衡转换器具有工作频带宽、线性度好、插入损耗小的特点，同时由于制作在封装基板上，减小了集成电路的面积，成本较低。
附图说明
图1是本申请无源平衡-非平衡转换器在射频接收系统中的位置示意图；
图2是本申请无源平衡-非平衡转换器的单元结构的实施例一的电路原理图；
图3是本申请无源平衡-非平衡转换器的单元结构的实施例二的电路原理图；
图4是图1所对应的电路平面设计图；
图5是本申请无源平衡-非平衡转换器的电路平面设计图。
图中附图标记说明：
10为第一电感；11为第一端子；12为第二端子；20为第二电感；21为第三端子；22为第四端子；23为第五端子；30为集成电路芯片；40为系统级封装芯片；81为天线；82为中继电路；83为接收机；90为无源平衡-非平衡转换器。
具体实施方式
请参阅图1，这是射频接收系统的简化示意图。天线81用于接收射频信号，该射频信号的频率范围可能很宽、也可能很窄。接收机83可以处理多路信号，但可处理的每路信号的频率范围都较窄。中继电路82就用来将射频信号分解为一个或多个子信号，每个子信号的频率范围都在接收机83可处理的一路信号的频率范围之内。
例如，当天线81接收的射频信号的频率范围已经在接收机83可处理的一路信号的频率范围之内，则中继电路82仍将该射频信号传递给接收机83。
又如，当天线81接收的射频信号的频率范围跨越了接收机83可处理的多路信号的频率范围，则中继电路82将该射频信号分解为多个子信号，每个子信号的频率范围分别在接收机83可处理的一路信号的频率范围之内。
本申请无源平衡-非平衡转换器90就位于中继电路82和接收机83之间，其包括一个或多个独立的单元结构，每个单元结构实现中继电路82输出的一个子信号(也是单端信号)至一对差分子信号的转换。单元结构的数量与中继电路82输出的子信号的数量相等。
优选地，用于处理较低频率范围的子信号的单元结构使用较大电感值的电感，从而有较高的对地阻抗，信号转换增益高。用于处理较高频率范围的子信号的单元结构使用较小电感值的电感，从而使得寄生电容小，高频性能好。这样的多个单元结构组合在一起，就使得较大的频率范围内都能保持较低的无源插入损耗、具有较低的噪声系数。同时由于整个系统均由无源电感形成，具有很高的线性度。
请参阅图2，这是本申请无源平衡-非平衡转换器的单元结构的第一实施例。该单元结构由第一电感10和第二电感20组成。所述第一电感10的两端分别是第一端子11和第二端子12。所述第二电感20的两端分别是第三端子21和第五端子23。所述第二电感20的正中间为第四端子22，第四端子22将第二电感20划分为电感值相等的两部分。单端射频信号连接到第一端子11，第二端子12接地。通过电磁场的耦合，将流过第一电感10的交流电流耦合到第二电感20上。第四端子22接地，那么第三端子21和第五端子23即可得到幅值相等、相位相反的一对差分信号。
请参阅图3，这是本申请无源平衡-非平衡转换器的单元结构的第二实施例。该单元结构由第一电感10和第二电感20组成。所述第一电感10的两端分别是第一端子11和第二端子12。所述第二电感20的两端分别是第四端子22和第五端子23。第三端子21与第一端子11直接相连。单端射频信号连接到第一端子11，第二端子12接地。通过电磁场的耦合，将流过第一电感10的交流电流耦合到第二电感20上。第四端子22接地，那么第三端子21和第五端子23即可得到幅值相等、相位相反的一对差分信号。
本申请无源平衡-非平衡转换器并不在半导体材料上制造，而是在基板上制造。所述基板用于集成电路芯片的封装，至少为两层绝缘材料夹着一层金属材料，也可是多层相互间隔的绝缘材料和导电材料组成(最外两层始终为绝缘材料)。从物理结构上看，所述基板类似于印刷电路板(PCB)。
上述第一实施例的电路也可采用图4所示的平面图来表示。此时，第一电感10和第二电感20可以位于不同的金属层，而仅将各个端子引出。或者，第一电感10和第二电感20也可位于同一金属层，而在不连接的走线处使用不同的金属层以便错开。
请参阅图5，这是本申请无源平衡-非平衡转换器的封装结构。其中示意性地表示出了三个单元结构，它们均制造在由绝缘介质和金属材料所组成的基板上。这些单元结构将非平衡的三个单端射频子信号RFIN1、RFIN2、RFIN3转换为平衡的三对差分射频子信号RFIN1P和RFIN1N、RFIN2P和RFIN2N、RFIN3P和RFIN3N，提供给接收机的集成电路30进行处理。这些单元结构和集成电路30通过栅格阵列结构封装(LGA)、球阵列结构封装(BGA)等方式封装在一起，形成整个系统级封装(SIP)芯片40。
在其它的实施例中，本申请无源平衡-非平衡转换器的各个单元结构也可以作为集成电路30封装的一部分。此时，本申请无源平衡-非平衡转换器的各个单元结构制造在基板上，该基板同时作为集成电路芯片30的封装。
集成电路的封装本身就在由绝缘介质和金属材料(例如铜等)组成的单层或者多层基板上，本申请的无源平衡-非平衡转换器正是制造在所述基板上，因此不需要额外的工艺支持，更利于芯片全集成和低成本实现。
综上所述，本申请无源平衡-非平衡转换器可以覆盖很宽的频带，并在整个频带内都具有较小的插入损耗、较小的无源噪声，同时器件具有很高的线性度，对于大信号的处理能力更强，还易于整合在集成电路封装中，实现低成本集成。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无源平衡-非平衡转换器，位于中继电路和接收机之间；所述中继电路将天线接收的射频信号分解为一个或多个子信号；其特征是，所述无源平衡-非平衡转换器包括一个或多个独立的单元结构，单元结构的数量与中继电路输出的子信号的数量相同；每个单元结构实现一个单端子信号至一对差分子信号的转换；
所述单元结构由第一电感和第二电感组成；
所述第一电感的两端分别是第一端子和第二端子；
所述第二电感的两端分别是第四端子和第五端子；
第三端子与第一端子直接相连；
单端射频信号连接到第一端子，第二端子接地；通过电磁场的耦合，将流过第一电感的交流电流耦合到第二电感上；第四端子接地，从第三端子和第五端子得到幅值相等、相位相反的一对差分信号。
2.根据权利要求1所述的无源平衡-非平衡转换器，其特征是，所述无源平衡-非平衡转换器制造在由绝缘材料和金属材料相互间隔组成的双层或者多层基板上，所述基板作为集成电路芯片的封装、或者与集成电路一起构成系统级封装。
3.根据权利要求1所述的无源平衡-非平衡转换器，其特征是，所述单元结构工作的频率范围越低，其内部采用的电感的电感值就越大；所述单元结构工作的频率范围越高，其内部采用的电感的电感值就越小。
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