CN107039731A - 宽带巴伦结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽带巴伦结构，所述宽带巴伦结构包括基板、贴合在所述基板的上表面的第一金属部、贴合在所述基板的下表面的第二金属部；所述第一金属部为塔型结构；所述第二金属部包括长方体及位于长方体突出部侧边的凹形突出部，所述第一金属部与所述第二金属部连接。实施本发明可以实现相邻输出端口间的相位差稳定在180°附近，实现了两个输出端口之间良好的移相效果。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种宽带巴伦结构。
背景技术
出于诸如电源(及其他共模)噪声抗扰度、偶次谐波失真消除、直流偏置项消除、由于两个输出上的摆幅所引起的增大的动态范围等原因，通常将宽带直流耦合放大器设计为带有差分输入和输出。对于在一个小片、一个封装或甚至在一个电路板上的放大器之间的互连而言，差分互连的花费与差分设计的优势相比是小的。然而，对于模块之间的互连、诸如有源探头与示波器之间的互连而言，差分互连的成本常常是非常高的。不仅需要两个同轴电缆而不是一个(增加成本和体积并且降低灵活性)，而且这两个同轴电缆还需要紧密匹配以防止从差模到共模的模式转换以及从共模到差模的模式转换。
已知在单端信号与差分信号之间转换的各种无源互连结构，在时域应用中常被称为“巴伦(balun)”和/或在频域应用中常被称为“180°混合器(hybrid)”。宽带直流耦合无源巴伦受限于至少3dB的损失，这是由于在直流上没有能量可以与对“反向”输出的电容或电感耦合相耦合，并且因此半数的单端输入功率表现为差分输出上“被浪费的”共模能量。
通常，巴伦被设计用于RF应用，并且很少或不对巴伦的瞬态响应给予考虑。这样的装置中的瞬态响应可具有可观的预冲(pre-shoot)或预冲和过冲(over shoot)。然而，在某些应用中，诸如在具有与示波器耦合的差分信号采集探头的信号采集系统中，现有的巴伦结构设计中相邻端口间的相位差不稳定，无法稳定在180°附近，且移相效果差，降低了通信信号的稳定性，不利于通信设备之间的信号传输。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种宽带巴伦结构，旨在解决现有技术中相邻端口间的相位差不稳定且移相效果差的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种宽带巴伦结构，所述宽带巴伦结构包括基板、贴合在所述基板的上表面的第一金属部、贴合在所述基板的下表面的第二金属部；
所述第一金属部为塔型结构，包括多节金属片叠加组成的塔身及位于塔身左右两侧的两根基座金属片组成的塔基，除塔身顶部的顶节金属片之外的组成塔身的其它金属片内均设置有缝隙，且每个缝隙之间还设置有一个阻隔电阻，塔基内的其中一根基座金属片内设置有连接区域；
所述第二金属部包括长方体及位于长方体突出部侧边的凹形突出部，所述凹形突出部内设置有连接区域；
所述基板内设置通孔，所述通孔内设置有金属柱，所述通孔对应基座金属片的连接区域及凹形突出部的连接区域，所述金属柱与基座金属片的连接区域及所述凹形突出部的连接区域连接；及
所述宽带巴伦结构还包括输入端口、第一输出端口及第二输出端口，其中，所述输入端口与所述第一金属部的塔身的顶节金属片及第二金属部的边框连接，所述第一输出端口与所述第一金属部的塔基的一根基座金属片的末端及第二金属部的边框连接，所述第二输出端口与所述第一金属部的塔基的一根基座金属片的末端及第二金属部的凹形突出部的末端连接。
优选的，所述第一金属部及第二金属部均为铜面且厚度相同。
优选的，所述第一金属部包括第一隔离电阻、第二隔离电阻、第三隔离电阻、第四隔离电阻、第一节金属片、第二节金属片、第三节金属片、第四节金属片、第五节金属片、第六节金属片、第一底座及第二底座，其中，所述第一节金属片、第二节金属片、第三节金属片、第四节金属片、第五节金属片及第六节金属片叠加形成塔身，所述第一底座及第二底座形成塔基。
优选的，所述第一节金属片为顶节金属片且为长方形实心结构，所述第二节金属片、第三节金属片、第四节金属片、第五节金属片及第六节金属片均为长方形且内部有缝隙的结构，所述第一节金属片、第二节金属片、第三节金属片、第四节金属片、第五节金属片及第六节金属片的尺寸逐节放大，所述第一隔离电阻设置于第二节金属片的缝隙内，第二隔离电阻设置于第三节金属片的缝隙内，第三隔离电阻设置于第四节金属片的缝隙内，第四隔离电阻设置于第五节金属片的缝隙内，第五隔离电阻设置于第六节金属片的缝隙内。
优选的，所述第一节金属片的底部连接于第二节金属片的顶部的中间位置，第二节金属片的底部连接于第三节金属片的顶部的中间位置，第三节金属片的底部连接于第四节金属片的顶部的中间位置，第四节金属片的底部连接于第五节金属片的顶部的中间位置，第五节金属片的底部连接于第六节金属片的顶部的中间位置。
优选的，所述第六节金属片的左侧设置第一底座，第六金属片的右侧设置第二底座。
优选的，所述第二底座为中间呈弧形的金属片，其中，第二底座包括第一折形金属片及第二折形金属片，所述第一折形金属片及第二折形金属片连接处形成一折形缝隙；
所述第一折形金属片设置有第一连接区域，所述第二折形金属片设置有第二连接区域；
所述第一连接区域及第二连接区域分别对应基板的两个通孔。
优选的，所述第一折形金属片及第二折形金属片连接处所形成的折形缝隙为Z型缝隙。
优选的，所述凹形突出部包括第一凹形金属片及第二凹形金属片，所述第一凹形金属片及第二凹形金属片连接处形成一折形缝隙，所述第一凹形金属片包括第三连接区域，所述第二凹形金属片设置有第四连接区域，所述第三连接区域及第四连接区域分别对应基板的两个通孔。
优选的，所述第一凹形金属片及第二凹形金属片连接处所形成的折形缝隙为Z型缝隙。
本发明采用上述技术方案，带来的技术效果为：本发明所述宽带巴伦结构在相邻输出端口间的相位差可以稳定在180°附近，实现了两个输出端口之间良好的移相效果。
附图说明
图1是本发明宽带巴伦结构的结构示意图；
图2是本发明宽带巴伦结构的优选实施例的第一金属部的结构示意图；
图3是本发明宽带巴伦结构的优选实施例的第一金属部中各元件的尺寸标示图；
图4是本发明宽带巴伦结构的优选实施例的第一金属部中第二底座的结构示意图；
图5是本发明宽带巴伦结构的优选实施例的第二金属部的结构示意图；
图6是本发明宽带巴伦结构的优选实施例的第二金属部中凹形突出部的结构示意图；
图7是本发明对宽带巴伦结构进行电磁仿真后的优选实施例的S参数图；
图8是本发明对宽带巴伦结构进行电磁仿真后两个输出端口之间相位差的优选实施例的示意图。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1所示，图1是本发明宽带巴伦结构的结构示意图。
本发明所述宽带巴伦结构1包括第一金属部10、基板20及第二金属部30。在本实施例中，所述宽带巴伦结构1为长方体结构，长度为M，宽度为N，厚度为X(图中未示出标号)，其中，M优选为72.7毫米，N优选为59.2毫米，X优选为1毫米。
所述第一金属部10贴合在所述基板20的上表面，所述第二金属部30贴合在所述基板20的下表面。所述基板20内还设置两个通孔5(即正面垂直穿透所述基板20的孔)，所述通孔5中设置有用于连接所述第一金属部10及第二金属部30的金属柱(图中未示出)。所述第一金属部10及第二金属部30均为铜面，且厚度相同。优选地，所述第一金属部10及第二金属部30的厚度为0.5盎司。
在本实施例中，所述基板20为印刷电路板。其中，所述基板20介电常数优选为3.45。
所述第一金属部10为塔型结构，包括多节(例如，四节、五节或六节)金属片叠加组成的塔身及位于塔身左右两侧的两根基座金属片组成的塔基。其中，塔身顶部的顶节金属片为实心长条形结构，除塔身顶部的顶节金属片之外的组成塔身的其它金属片内均设置有缝隙，所述每一节金属片内的缝隙之间还设置有一个阻隔电阻。塔基内其中一根基座金属片内设置有连接区域。
所述第二金属部30包括长方体及位于长方体突出部侧边的凹形突出部，所述凹形突出部内设置有连接区域。
所述基板20内还设置通孔5(即正面垂直穿透所述基板20的孔)，所述通孔内设置有金属柱，所述通孔5对应基座金属片内的连接区域及凹形突出部内的连接区域，所述金属柱与基座金属片内的连接区域及凹形突出部内的连接区域连接。
所述宽带巴伦结构1还包括三个端口，分别为输入端口2、第一输出端口3及第二输出端口4。所述输入端口2用于信号输入，所述第一输出端口3及第二输出端口4用于信号输出。
其中，输入端口2与所述第一金属部10的塔身的顶节金属片及第二金属部30的边框连接，第一输出端口3与第一金属部10的塔基的一根基座金属片的末端及第二金属部30的边框连接，第二输出端口4与第一金属部10的塔基的一根基座金属片的末端及第二金属部30的凹形突出部300的末端连接。
以下将以图2-6对宽带巴伦结构1的结构进行详细说明，其中，第一金属部10中包括六节金属片。
具体地说，如图2至3所示，所述第一金属部10包括第一隔离电阻R1、第二隔离电阻R2、第三隔离电阻R3、第四隔离电阻R4、第一节金属片100、第二节金属片110、第三节金属片120、第四节金属片130、第五节金属片140、第六节金属片150、第一底座160及第二底座170。
所述第一金属部10为塔型结构，包括塔身及塔基。其中，第一节金属片100、第二节金属片110、第三节金属片120、第四节金属片130、第五节金属片140及第六节金属片150叠加形成塔身，而第一底座160及第二底座170形成塔基。
其中，所述第一节金属片100为长方形实心结构。所述第二节金属片110、第三节金属片120、第四节金属片130、第五节金属片140及第六节金属片150均为长方形且内部有缝隙(长方形缝隙)的结构。所述第一节金属片100、第二节金属片110、第三节金属片120、第四节金属片130、第五节金属片140及第六节金属片150的尺寸逐节放大。
进一步地，所述第一节金属片100的底部连接于第二节金属片110的顶部的中间位置，第二节金属片110的底部连接于第三节金属片120的顶部的中间位置，第三节金属片120的底部连接于第四节金属片130的顶部的中间位置，第四节金属片130的底部连接于第五节金属片140的顶部的中间位置，第五节金属片140的底部连接于第六节金属片150的顶部的中间位置。
其中，所述第二节金属片110、第三节金属片120、第四节金属片130、第五节金属片140及第六节金属片150均为长方形且中间有缝隙的金属贴片，其中，第一隔离电阻R1设置于第二节金属片110缝隙内，第二隔离电阻R2设置于第三节金属片120中缝隙内，第三隔离电阻R3设置于第四节金属片130中缝隙内，第四隔离电阻R4设置于第五节金属片140中缝隙内，第五隔离电阻R5设置于第六节金属片150中缝隙内。
所述第六节金属片150的左侧设置第一底座160，第六金属片150的右侧设置第二底座170。其中，所述第一底座160为长方形实心结构的金属片。所述第二底座170为长条形结构。
如图3所示，第一隔离电阻R1的宽度为S1、第二隔离电阻R2的宽度为S2、第三隔离电阻R3的宽度为S3、第四隔离电阻R4的宽度为S4。
第一节金属片100的长度为L0且宽度为W0；
第二节金属片110的长度为L1，第二节金属片110的宽度为2*W1+S1，第二节金属片110内的缝隙宽度为S1，换句话说，第二节金属片110相当于两根并列的金属片，每根金属长度为L1且宽度为W1，并列的两根金属片之间空隙宽度为S1；
第三节金属片120的长度为L2，第三节金属片120的宽度为2*W2+S2，第三节金属片120内的缝隙宽度为S2，换句话说，第三节金属片120相当于两根并列的金属片，每根金属长度为L2且宽度为W2，并列的两根金属片之间空隙宽度为S2；
第四节金属片130的长度为L3，第四节金属片130的宽度为2*W3+S3，第四节金属片130内的缝隙宽度为S3，换句话说，第四节金属片130相当于两根并列的金属片，每根金属长度为L3且宽度为W3，并列的两根金属片之间空隙宽度为S3；
第五节金属片140的长度为L4，第五节金属片140的宽度为2*W4+S4，第五节金属片140内的缝隙宽度为S4，换句话说，第五节金属片140相当于两根并列的金属片，每根金属长度为L4且宽度为W4，并列的两根金属片之间空隙宽度为S4；
第六节金属片150的长度为L5，第六节金属片150的宽度为2*W5+S5，第六节金属片150内的缝隙宽度为S5，换句话说，第六节金属片150相当于两根并列的金属片，每根金属长度为L5且宽度为W5，并列的两根金属片之间空隙宽度为S5；
第一底座160的长度为L7，宽度为W0；第二底座170的长度为L7，两端的宽度为W0。
如图4所示，所述第二底座170为中间呈弧形的金属片。其中，第二底座170包括第一折形金属片1701及第二折形金属片1703，其中，所述第一折形金属片1701及第二折形金属片1703连接处形成一折形缝隙(图中未标号)。
进一步地，所述第一折形金属片1701设置有第一连接区域1702，所述第二折形金属片1703设置有第二连接区域1704。
所述第一连接区域1702及第二连接区域1704分别对应基板20的两个通孔5。
如图5所示，所述第二金属部30包括凹形突出部300及长方体310，所述凹形突出部300设置于所述长方形310的侧边。如图6所示，所述凹形突出部300包括第一凹形金属片301及第二凹形金属片303，其中，所述第一凹形金属片301及第二凹形金属片303连接处形成一折形缝隙(图中未标号)。进一步地，所述第一凹形金属片301设置有第三连接区域302，所述第二凹形金属片303设置有第四连接区域304。所述第三连接区域302及第四连接区域304分别对应基板20的两个通孔5。其中，长方体310的长度为M(即与基板长度相同)，宽度为N-L6，其中所述L6为凹形突出部300的长度。所述凹形突出部300两端的宽度均为W6。
进一步地，所述基板20内的金属柱(或导线)设置于通孔5内，并连接于所述第一连接区域1702及第二连接区域1704。所述基板20内的金属柱(或导线)还连接于第三连接区域302及第四连接区域304。
所述宽带巴伦结构1还包括三个端口，分别为输入端口2、第一输出端口3及第二输出端口4。所述输入端口2用于信号输入，所述第一输出端口3及第二输出端口4用于信号输出。
其中，输入端口2与所述第一节金属片100的顶部及第二金属部30连接，第一输出端口3与第一底座160的末端及第二金属部30连接，第二输出端口4与第二底座170的末端及凹形突出部300连接。
采用上述结构的宽带巴伦，可以是的天线在1GHz-8GHz范围内工作，且在该范围内可实现良好的180°移相效果。
在本实施例中，通过如下参数，对宽带巴伦结构进行模拟仿真，具体参数如下表：
| L0 | W0 | L1 | W1 | S1 | L2 |
| 10mm | 2.18mm | 10.3mm | 1mm | 0.45mm | 10.3mm |
| W2 | S2 | L3 | W3 | S3 | L4 |
| 1.2mm | 0.34mm | 10.1mm | 1.57mm | 0.34mm | 10mm |
| W4 | S4 | L5 | W5 | S5 | L6 |
| 1.95mm | 0.31mm | 12mm | 2.22mm | 0.43mm | 15.8mm |
| W6 | L7 | R1 | R2 | R3 | R4 |
| 8mm | 28.3mm | 52Ω | 108Ω | 180Ω | 300Ω |
| R5 | |||||
| 800Ω |
如图7所示，图7是通过电磁仿真软件仿真的S参数结果，从图7中可以看出在1GHz到8GHz内，巴伦的反射系数(|S11|)在-10dB以下，说明巴伦可以工作在1GHz到8GHz内，实现宽带特性。|S23|在工作频段内在-19dB以下，说明此巴伦有着良好的隔离特性。|S21|与|S31|近乎相等，都在-3dB附近，说明能量可以从端口1被近乎二等分的分到端口2和端口3上。
从图8中表示第一输出端口3与第二输出端口4的相位差，可以看出，相邻端口间的相位差很稳定在180°附近。这说明巴伦的两个输出端口之间有优良的移相效果。结合图7，由于两个输出端口之间的能量是等幅，相位相差180°，此巴伦可以被广泛应用在宽带差分天线的馈电上，还可以应用在射频领域中需要均分移相效果的射频器件上。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或之间或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种宽带巴伦结构，其特征在于，所述宽带巴伦结构包括基板、贴合在所述基板的上表面的第一金属部、贴合在所述基板的下表面的第二金属部；
所述第一金属部为塔型结构，包括多节金属片叠加组成的塔身及位于塔身左右两侧的两根基座金属片组成的塔基，除塔身顶部的顶节金属片之外的组成塔身的其它金属片内均设置有缝隙，且每个缝隙之间还设置有一个阻隔电阻，塔基内的其中一根基座金属片内设置有连接区域；
所述第二金属部包括长方体及位于长方体突出部侧边的凹形突出部，所述凹形突出部内设置有连接区域；
所述基板内设置通孔，所述通孔内设置有金属柱，所述通孔对应基座金属片的连接区域及凹形突出部的连接区域，所述金属柱与基座金属片的连接区域及所述凹形突出部的连接区域连接；及
所述宽带巴伦结构还包括输入端口、第一输出端口及第二输出端口，其中，所述输入端口与所述第一金属部的塔身的顶节金属片及第二金属部的边框连接，所述第一输出端口与所述第一金属部的塔基的一根基座金属片的末端及第二金属部的边框连接，所述第二输出端口与所述第一金属部的塔基的一根基座金属片的末端及第二金属部的凹形突出部的末端连接。
2.如权利要求1所述的宽带巴伦结构，其特征在于，所述第一金属部及第二金属部均为铜面且厚度相同。
3.如权利要求1所述的宽带巴伦结构，其特征在于，所述第一金属部包括第一隔离电阻、第二隔离电阻、第三隔离电阻、第四隔离电阻、第一节金属片、第二节金属片、第三节金属片、第四节金属片、第五节金属片、第六节金属片、第一底座及第二底座，其中，所述第一节金属片、第二节金属片、第三节金属片、第四节金属片、第五节金属片及第六节金属片叠加形成塔身，所述第一底座及第二底座形成塔基。
4.如权利要求3所述的宽带巴伦结构，其特征在于，所述第一节金属片为顶节金属片且为长方形实心结构，所述第二节金属片、第三节金属片、第四节金属片、第五节金属片及第六节金属片均为长方形且内部有缝隙的结构，所述第一节金属片、第二节金属片、第三节金属片、第四节金属片、第五节金属片及第六节金属片的尺寸逐节放大，所述第一隔离电阻设置于第二节金属片的缝隙内，第二隔离电阻设置于第三节金属片的缝隙内，第三隔离电阻设置于第四节金属片的缝隙内，第四隔离电阻设置于第五节金属片的缝隙内，第五隔离电阻设置于第六节金属片的缝隙内。
5.如权利要求4所述的宽带巴伦结构，其特征在于，所述第一节金属片的底部连接于第二节金属片的顶部的中间位置，第二节金属片的底部连接于第三节金属片的顶部的中间位置，第三节金属片的底部连接于第四节金属片的顶部的中间位置，第四节金属片的底部连接于第五节金属片的顶部的中间位置，第五节金属片的底部连接于第六节金属片的顶部的中间位置。
6.如权利要求4所述的宽带巴伦结构，其特征在于，所述第六节金属片的左侧设置第一底座，第六金属片的右侧设置第二底座。
7.如权利要求6所述的宽带巴伦结构，其特征在于，所述第二底座为中间呈弧形的金属片，其中，第二底座包括第一折形金属片及第二折形金属片，所述第一折形金属片及第二折形金属片连接处形成一折形缝隙；
所述第一折形金属片设置有第一连接区域，所述第二折形金属片设置有第二连接区域；
所述第一连接区域及第二连接区域分别对应基板的两个通孔。
8.如权利要求7所述的宽带巴伦结构，其特征在于，所述第一折形金属片及第二折形金属片连接处所形成的折形缝隙为Z型缝隙。
9.如权利要求1所述的宽带巴伦结构，其特征在于，所述凹形突出部包括第一凹形金属片及第二凹形金属片，所述第一凹形金属片及第二凹形金属片连接处形成一折形缝隙，所述第一凹形金属片包括第三连接区域，所述第二凹形金属片设置有第四连接区域，所述第三连接区域及第四连接区域分别对应基板的两个通孔。
10.如权利要求9所述的宽带巴伦结构，其特征在于，所述第一凹形金属片及第二凹形金属片连接处所形成的折形缝隙为Z型缝隙。
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