CN103606726B - 一种带有中心开路短截线的宽带变压器巴伦 - Google Patents

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Abstract

一种带有中心开路短截线的宽带无源巴伦，设有上层为初级导线和下层为次级导线，次级导线的宽度大于初级导线，初级导线和次级导线均以中心线为对称轴分成间隔布置的两个部分，初级导线的两个部分与次级导线的两个部分分别对应层叠，之间设有绝缘介质层，初级导线次级导线的每个部分均为平面螺旋结构，均设有两个内端口和两个外端口，初级导线的两个内端口之间导线连接，且设置一条与该连接导线垂直连接的引出导线，引出端空接，该引出导线与两个内端口之间的连接导线同平面并与对称轴重合，初级导线的两个外端口中，一个作为单端不平衡信号输入端，另一个端口接地；次级导线的两个外端口均接地，两个内端口分别通过引出导线作为两个平衡差分信号输出端。

Description

一种带有中心开路短截线的宽带变压器巴伦
技术领域
本发明涉及宽带无源巴伦，尤其涉及一种带有中心开路短截线的宽带无源巴伦，适用于双平衡结构的电路，比如双平衡混频器、功率放大器、推挽式放大器等电路。
背景技术
在无线接收和发射系统中，通常需要采用巴伦进行单端信号与差分信号的转换。例如，将天线接收的单端信号转换成差分信号连接至低噪声放大器，或是将差分信号转换成单端信号连接至天线发射出去。巴伦是完成单端信号与差分信号转换功能的电路器件，其设计难点在于如何保证良好的幅度平衡、相位平衡以及较低的插入损耗等。
传统结构巴伦主要是Marchand结构巴伦和螺旋结构变压器巴伦。图1(a)所示结构为最基本的巴伦结构，由两段四分之一波长的金属耦合线a和b构成。信号从端口1输入，理论上，在耦合效果理想的情况下，端口2和端口3处输出信号幅度为输入信号幅度的一半，相位分别超前输入信号90度和滞后90度。图1(b)所示结构为Marchand结构巴伦，对图1(a)中的巴伦进行了改进，为了获得宽带特性，引入开路短截线c和短路短截线d作为补偿，具有较低的插入损耗，但其幅度平衡和相位平衡的设计相对比较困难。由于Marchand结构巴伦由两组四分之一波长金属耦合线组成，在设计时尺寸相对较大。而且marchand结构巴伦存在一个缺点就是其初级线圈为开路线，无法建立直流通路，在实际电路设计中通常需要额外的器件巴伦的前级有源电路提供直流，如图1（c）所示。图2(a)所示为变压器巴伦的结构示意图，图2（b）所示为螺旋结构变压器巴伦的具体实施图，在低频时具有良好的幅度平衡度和相位平衡度，但其在高频时，由于电磁泄漏和线圈之间的容性耦合，导致幅度平衡度和相位平衡度恶化，无法满足应用需求。
发明内容
本发明克服现有技术之不足，提供一种带有中心开路短截线的宽带无源巴伦，技术方案如下：一种带有中心开路短截线的宽带无源巴伦，其特征是：设有上下两层金属导线，上层为初级导线，下层为次级导线，次级导线的宽度大于初级导线，上层的初级导线和下层的次级导线均以中心线为对称轴分成间隔布置的两个部分，上层初级导线的两个部分与下层次级导线的两个部分分别对应层叠，之间设有绝缘介质层，形成宽边耦合的叠层结构，上层初级导线的两个部分和下层次级导线的两个部分均为平面螺旋结构，每个部分均设有两个内端口和两个外端口，上层初级导线两个部分的两个内端口之间导线连接，且设置一条与该连接导线垂直连接的引出导线，引出端空接，该引出导线与两个内端口之间的连接导线同平面并与对称轴重合，上层初级导线两个部分的两个外端口中，一个作为单端不平衡信号输入端，另一个端口接地；下层次级导线两个部分的两个外端口均接地，两个内端口分别通过引出导线作为两个平衡差分信号输出端。
本发明的优点及显著效果：
（1）可以调节巴伦差分输出的幅度不平衡度，见图7。
（2）可以调节巴伦差分输出的相位不平衡度，见图7。
（3）显著拓展了巴伦的工作带宽，见图9。
附图说明
图1(a)是简单耦合线巴伦示意图；
图1(b)是传统Marchand结构巴伦的等效电路示意图；
图1(c)是Marchand结构巴伦的应用电路举例；
图2(a)是传统变压器巴伦的结构示意图；
图2(b)是传统螺旋结构变压器巴伦三维立体结构图；
图3是本发明巴伦的电路结构示意图；
图4是本发明巴伦的三维立体结构图；
图5是本发明巴伦的上层金属导线（初级导线）俯视图；
图6是本发明巴伦的下层金属导线（次级导线）俯视图；
图7是本发明巴伦幅度和相位不平衡度随中心开路短截线电长度变化的曲线；
图8是本发明巴伦在有无短截线时幅度不平衡度仿真曲线；
图9是本发明巴伦有无短截线时相位不平衡度仿真曲线；
图10是本发明巴伦有无短截线时插入损耗曲线。
具体实施方式
参看图3，是本发明巴伦的电路结构示意图，包括两段电长度为θ的耦合线、电长度为2θΔ的连接线和电长度为的中心开路短截线。
参看图4，5、6，本发明设有上下两层金属导线，上层为初级导线，下层为次级导线，次级导线的宽度大于初级导线。上层的初级导线和下层的次级导线均以中心线为对称轴分成间隔布置的左右两个部分，上层初级导线的两个部分与下层次级导线的两个部分分别对应层叠，之间设有绝缘介质层，形成宽边耦合的叠层结构。上层初级导线的左右两个部分和下层次级导线的左右两个部分均为平面螺旋结构，每个部分均设有两个内端口和两个外端口，上层初级导线左右两个部分的两个内端口之间导线连接，且设置一条与该连接导线垂直连接的引出导线3，引出端空接，该引出导线与两个内端口之间的连接导线同平面并与对称轴重合.上层初级导线左右两个部分的两个外端口1、2中，一个可作为单端不平衡信号输入端，另一个端口接地线；下层次级导线左右两个部分的两个外端口6、7均接地线，通过初级导线与次级导线的电磁耦合作用，转换成两个内端口4、5分别通过引出导线作为两个平衡差分信号输出端。
上层初级导线与下层次级导线之间的绝缘介质层厚度取决于设计要求，当要求两层金属直接耦合系数较高时，介质厚度可以尽量小。当要求两层金属直接耦合系数较低时，介质厚度可以尽量大。例如当耦合系数取为0.65时，初级和次级导线的线宽分别为3微米和6微米时，初级和次级导线的间距大约为3.2微米。
中心开路短截线3的宽度与长度取决于具体设计时耦合线圈，开路短截线3可以有效的调节平衡段差分输出的幅度和相位不平衡度。例如当耦合系数取为0.65且耦合线的电长度为0.8，中心开路短截线的电长度取为0.06至0.08之间。
初级导线与次级导线的长度可以视工作频率而变动，例如当中心频率设置为35GHz时，那么初级和次级导线的长度大约为480微米。调整好工作频段后，采用合适长度的开路短截线。中心开路短截线3可以调整巴伦平衡端输出的相位和幅度平衡度，达到本发明的效果。作为巴伦的性能指标，S21和S31分别是反应了巴伦的单端转差分的传输损耗。下面给出了变压器巴伦的损耗表达式：
其中y＝jksinθ，k为初级与次级之间的耦合系数，θ为耦合线的电长度，θΔ为耦合线之间互连线的电长度，为中心开路短截线的电长度。改变中心开路短截线的电长度即可调整变压器巴伦的幅度和相位不平衡度。
参看图7，图中所示曲线为巴伦幅度和相位不平衡度随中心开路短截线电长度变化的曲线，中心开路短截线的长度可以显著调节巴伦差分输出的平衡度。
参看图8，图中所示曲线为巴伦在有无短截线时幅度不平衡度仿真曲线，巴伦的相位不平衡度在1-50GHz范围内保持小于0.1dB，性能优异（通常要求工作频段内小于1dB）。
参看图9，图中所示曲线为巴伦有无短截线时相位不平衡度仿真曲线，巴伦的相位不平衡度在1-50GHz范围内保持小于1度，性能优异（通常要求工作频段内小于5度）。
参看图10，图中所示曲线为巴伦有无短截线时插入损耗曲线，中心开路短截线基本没有恶化插入损耗，保持了巴伦的带宽，相对带宽为93.8％。

Claims (1)

1.一种带有中心开路短截线的宽带无源巴伦，其特征是：设有上下两层金属导线，上层为初级导线，下层为次级导线，次级导线的宽度大于初级导线，上层的初级导线和下层的次级导线均以中心线为对称轴分成间隔布置的两个部分，上层初级导线的两个部分与下层次级导线的两个部分分别对应层叠，之间设有绝缘介质层，形成宽边耦合的叠层结构，上层初级导线的两个部分和下层次级导线的两个部分均为平面螺旋结构，每个部分均设有一个内端口和一个外端口，上层初级导线两个部分的两个内端口之间导线连接，且设置一条与该连接导线垂直连接的引出导线，引出端空接，该引出导线与两个内端口之间的连接导线同平面并与对称轴重合，该引出导线称之为中心开路短截线，上层初级导线两个部分的两个外端口中，一个作为单端不平衡信号输入端，另一个端口接地；下层次级导线两个部分的两个外端口均接地，两个内端口分别通过引出导线作为两个平衡差分信号输出端；
根据变压器巴伦的损耗表达式：
其中y＝jksinθ，k为初级与次级之间的耦合系数，θ为耦合线的电长度，θΔ为耦合线之间互连线的电长度，为中心开路短截线的电长度，改变中心开路短截线的电长度即能够调整变压器巴伦的幅度和相位不平衡度。
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