CN114824720B - 一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦 - Google Patents

一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦 Download PDF

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Abstract

本发明属于射频集成电路领域，具体提供一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦；本发明采用变压器结构，在两个并联变压器之间引入RLC网络，将阻抗匹配、差分转单端/单端转差分功能嵌入到威尔金森功率合成器中，使得威尔金森巴伦能够实现在完成功率合成或分配的同时，将两个差分复数阻抗与单端50Ω阻抗匹配在一起，并且两个差分端口之间具有电隔离。综上，本发明提供一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦，在目标频段可以实现功率合成/分配、阻抗匹配、单转差分/差分转单、差分端口电隔离功能，在不影响隔离度与插入损耗的前提下显著减小了功率合成器的面积。

Description

一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦
技术领域
本发明属于射频集成电路领域，具体提供一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦。
背景技术
威尔金森功率合成器作为最受欢迎的微波元件之一，被广泛应用于移相器、混频器、功率放大器以及相控阵系统中；传统威尔金森功率合成器由两根四分之波长传输线及一个隔离电阻组成，需要占据较大的面积，其三个端口全部匹配、且两个输入端口之间具有隔离。
目前已经有很多工作致力于提升威尔金森功率合成器的性能，包括：减小面积、拓展带宽等等；然而如今很多有源元件具有差分复数输出阻抗，因此需要一种带有阻抗变换和单端转差分功能的威尔金森功率合成器；例如，功率合成电路常用于功率放大器中用来提高输出功率，但是，大部分子功率放大器具有差分复数输出阻抗，而整个功率放大器则需要单端50Ω输出阻抗，如果采用传统差分威尔金森功率合成器，则需要两个额外的阻抗变换网络和一个巴伦，这会导致额外的损耗与面积，如图1所示。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提供一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦；本发明采用变压器结构，在两个并联变压器之间引入RLC网络，将阻抗匹配、差分转单端/单端转差分功能嵌入到威尔金森功率合成器中，使得威尔金森巴伦能够实现在完成功率合成或分配的同时，将两个差分复数阻抗与单端50Ω阻抗匹配在一起，并且两个差分端口之间具有电隔离。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦，包括：2个变压器与RLC网络；其特征在于，所述威尔金森巴伦具有1个单端端口与2个差分端口，其差分端口的阻抗虚部为正；所述RLC网络包括：4个电容C3、2个RC枝节与1个电容C1；2个变压器的初级线圈一侧并联、再与电容C1并联，且并联后一端接地、另一端作为单端端口；2个变压器的次级线圈一侧分别串联电容C3后作为2个差分端口，2个变压器的次级线圈的同一端之间分别并联RC枝节，RC枝节由电阻R1与电容C2并联构成。
进一步的，所述威尔金森巴伦的器件参数满足：
Figure BDA0003593514770000021
Figure BDA0003593514770000022
Figure BDA0003593514770000023
其中，
Figure BDA0003593514770000024
k为变压器的耦合系数、Ls为变压器次级线圈电感、LP为变压器初级线圈电感，ω为角频率，Cp为变压器寄生电容，C1、C2、C3分别为电容C1、C2、C3的电容值，Z0为单端端口的特征阻抗，R-jX为差分端口的阻抗的共轭、R为R为差分端口特征阻抗的实部、X为差分端口看特征阻抗的虚部。
一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦，包括：2个变压器与RLC网络；其特征在于，所述威尔金森巴伦具有1个单端端口与2个差分端口，其差分端口的阻抗虚部为负；所述RLC网络包括：2个RLC枝节与1个电容C1；2个变压器的初级线圈一侧并联、再与电容C1并联，且并联后一端接地、另一端作为单端端口；2个变压器的次级线圈一侧作为2个差分端口，2个变压器的次级线圈的同一端之间分别并联RLC枝节，RC枝节由电阻R、电容C2与电感L1构成，电阻R1与电感L1串联后再与电容C2并联。
进一步的，所述威尔金森巴伦的器件参数满足：
Figure BDA0003593514770000025
Figure BDA0003593514770000026
Figure BDA0003593514770000027
其中，
Figure BDA0003593514770000028
k为变压器的耦合系数、Ls为变压器次级线圈电感、LP为变压器初级线圈电感，ω为角频率，Cp为变压器寄生电容，C1、C2分别为电容C1、C2的电容值，L1为电感L1的电感值，Z0为单端端口的特征阻抗，R+jX为差分端口的阻抗的共轭、R为差分端口特征阻抗的实部、X为差分端口看特征阻抗的虚部。
本发明的有益效果在于：
本发明提出一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦，通过改良变压器威尔金森功率合成器中的并联枝节，将阻抗变换功能嵌入其中，可同时实现阻抗匹配、功率合成、单端转差分/差分转单端三种功能，同时两个差分端口之间具有电气隔离特性；与传统的威尔金森功率合成器加阻抗匹配网络相比，本发明在大大减小整体面积的同时，不会影响器件隔离度与插入损耗。
附图说明
图1为采用传统威尔金森功率合成器时系统框图。
图2为本发明中嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦的电路原理图。
图3为图2所示紧凑型变压器威尔金森巴伦在R+jX情况下偶模状态半边电路及其等效电路图。
图4为图2所示紧凑型变压器威尔金森巴伦在R+jX情况下奇模状态半边电路及其等效电路图。
图5为图2所示紧凑型变压器威尔金森巴伦在R-jX情况下偶模状态半边电路及其等效电路图。
图6为图2所示紧凑型变压器威尔金森巴伦在R-jX情况下奇模状态半边电路及其等效电路图。
图7为本发明实施例中紧凑型变压器威尔金森巴伦的版图。
图8为本发明实施例中紧凑型变压器威尔金森巴伦的实物照片。
图9为本发明实施例中紧凑型变压器威尔金森巴伦的S11、S22、S33测试结果图。
图10为本发明实施例中紧凑型变压器威尔金森巴伦的S21、S31测试结果图.
图11为本发明实施例中紧凑型变压器威尔金森巴伦的S32测试结果图
图12为本发明实施例中紧凑型变压器威尔金森巴伦的幅度和相位误差测试结果图。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案及技术效果更加清楚完整，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦，其结构如图2所示，包括：2个变压器与RLC网络；其中，
当差分端口的阻抗虚部为正时，如图2(a)所示，所述RLC网络包括：4个电容C3、2个RC枝节与1个电容C1；2个变压器的初级线圈一侧并联、再与电容C1并联，且并联后一端接地、另一端作为单端端口(port1)；2个变压器的次级线圈一侧分别串联电容C3后作为2个差分端口(port2、port3)，2个变压器的次级线圈的同一端之间分别并联RC枝节，RC枝节由电阻R1与电容C2并联构成；
当差分端口的阻抗虚部为负时，如图2(b)所示，所述RLC网络包括：2个RLC枝节与1个电容C1；2个变压器的初级线圈一侧并联、再与电容C1并联，且并联后一端接地、另一端作为单端端口；2个变压器的次级线圈一侧作为2个差分端口，2个变压器的次级线圈的同一端之间分别并联RLC枝节，RC枝节由电阻R1、电容C2与电感L1构成，电阻R与电感L1串联后再与电容C2并联。
上述紧凑型变压器威尔金森巴伦可以双向工作，以差分端口的阻抗虚部为负、单端端口(port1)为输入、差分端口(port2、port3)为输出进行举例说明：特征阻抗为50Ω的单端信号从输入端口(port1)进入，端口1处并联一个到地的电容C1，之后进入并联在一起的变压器1与变压器2；变压器1次级线圈的正输出端与变压器2次级线圈的正输出端之间并联一个RLC枝节，变压器1次级线圈的负输出端与变压器2次级线圈的负输出端之间并联相同RLC枝节；变压器1、变压器2的正负输出端接在特征阻抗为R-jX的差分负载上；其中，电容C1、电容C2、电阻R1、电感L1与两个变压器构成阻抗变换网络，同时完成阻抗匹配、功率合成与单转差分功能，并且差分输出端口之间具有电隔离特性。
从工作原理上讲：
本发明提供一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦，包括：变压器与RLC网络，其特征在于，在变压器威尔金森功率合成器结构的基础上，创新地引入RLC网络，将阻抗变换与单转差分功能嵌入其中；更为具体的讲：
根据差分复数负载阻抗虚部的正负，分R+jX与R-jX两种情况讨论；
1、在R+jX情况下，如图2(a)所示，具有两个特征阻抗为R+jX的差分输入信号从端口2、3输入，经过输入电容C3与两个并联RC枝节后、通过变压器合成在一起，再经过一个并联电容C1后从端口1输出；利用奇偶模分析法具体分析，在偶模情况下(Vex2＝Vex3＝2V0)，如图3所示，两个变压器之间没有电流流过，沿图2(a)中对称线形成理想开路，端口2、3之间天然具有隔离；变压器与额外的电容C1、C3构成一个阻抗匹配网络，将单端2Z0阻抗转换至差分R+jX阻抗，设计参数需满足：
Figure BDA0003593514770000041
其中，
Figure BDA0003593514770000051
k为变压器的耦合系数、Ls为变压器次级线圈电感、LP为变压器初级线圈电感，ω(ω＝2πf)为角频率，Cp为变压器寄生电容，C1、C3分别为电容C1、C3的电容值，Z0为端口1的特征阻抗，R-jX为输入差分负载阻抗的共轭；
在奇模情况下(Vex2＝-Vex3＝2V0)，沿图2(a)中对称线形成理想接地，磁感应电感Lpk2与变压器寄生电容Cp被短路掉，两个并联RC枝节等效为串联在一起的RC网络，如图4所示；要实现所有端口匹配，并且输入端口之间具有隔离，并联电容C2应该与泄露电感Lp(1-k2)谐振，串联电容C3应当谐振掉输入差分复数阻抗R+jX虚部的一半，设计参数应当满足：
Figure BDA0003593514770000052
2、在R-jX情况下，如图2(b)所示，具有两个特征阻抗为R-jX的差分输入信号从端口2、3输入，经过两个并联RLC枝节后、通过变压器合成在一起，再经过一个并联电容C1后从端口1输出；其奇偶模工作状态分析与R+jX类似，只有两个区别：1)输入电容C3被去掉，2)电感L1加入两个并联枝节中、与R串联；
在偶模情况下，如图5所示，设计参数应当满足：
Figure BDA0003593514770000053
在奇模情况下，如图6所示，设计参数应当满足：
Figure BDA0003593514770000054
其中，L1为电感L1的电感值；
由上可见，本发明在差分复数负载阻抗虚部为正或负两种情况下，通过引入各自的RLC网络，能够同时实现功率合成、端口隔离、阻抗匹配、及单转差分/差分转单功能。
本实施例中，基于FR-4衬底材料制造(相对介电常数4.4，厚度0.127mm)，中心频率为1.7GHz，差分端口特征阻抗为13-j*80Ω。两个变压器的耦合因子为0.39，初级线圈电感值为6.5nH，次级线圈电感值为5.1nH，电容C1的值为0.9pF，C2为2pF，R1为15Ω，L1为4.2nH。其版图如图7所示、实物照片如图8所示，整体面积为8.36mm×5.55mm，对该嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦进行测试，其测试结果如图9～12所示；由图9可见，在1.62-1.75GHz之间，设计的威尔金森巴伦S11、S22、S33均小于-10dB，表明每个端口都已匹配；由图10可见，插入损耗小于1.2dB，在嵌入阻抗匹配与巴伦功能的情况下损耗依然比较小；由图11可见，隔离度最高为25dB，最小为17dB，表明port2与port3之间有比较好的隔离；由图12可见，幅度误差小于0.4dB，相位误差小于3°，表明所设计的威尔金森巴伦失配较小。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦，包括：2个变压器与RLC网络；其特征在于，所述威尔金森巴伦具有1个单端端口与2个差分端口，其差分端口的阻抗虚部为正；所述RLC网络包括：4个电容C3、2个RC枝节与1个电容C1；2个变压器的初级线圈一侧并联、再与电容C1并联，且并联后一端接地、另一端作为单端端口；2个变压器的次级线圈一侧分别串联电容C3后作为2个差分端口，2个变压器的次级线圈的同一端之间分别并联RC枝节，RC枝节由电阻R1与电容C2并联构成；
所述威尔金森巴伦的器件参数满足：
Figure FDA0003993898240000011
Figure FDA0003993898240000012
Figure FDA0003993898240000013
其中，
Figure FDA0003993898240000014
k为变压器的耦合系数、Ls为变压器次级线圈电感、LP为变压器初级线圈电感，ω为角频率，Cp为变压器寄生电容，C1、C2、C3分别为电容C1、C2、C3的电容值，Z0为单端端口的特征阻抗，R-jX为差分端口的阻抗的共轭、R为差分端口特征阻抗的实部、X为差分端口看特征阻抗的虚部。
2.一种嵌入阻抗变换功能的紧凑型变压器威尔金森巴伦，包括：2个变压器与RLC网络；其特征在于，所述威尔金森巴伦具有1个单端端口与2个差分端口，其差分端口的阻抗虚部为负；所述RLC网络包括：2个RLC枝节与1个电容C1；2个变压器的初级线圈一侧并联、再与电容C1并联，且并联后一端接地、另一端作为单端端口；2个变压器的次级线圈一侧作为2个差分端口，2个变压器的次级线圈的同一端之间分别并联RLC枝节，RC枝节由电阻R1、电容C2与电感L1构成，电阻R1与电感L1串联后再与电容C2并联；
所述威尔金森巴伦的器件参数满足：
Figure FDA0003993898240000015
Figure FDA0003993898240000016
Figure FDA0003993898240000017
其中，
Figure FDA0003993898240000021
k为变压器的耦合系数、Ls为变压器次级线圈电感、LP为变压器初级线圈电感，ω为角频率，Cp为变压器寄生电容，C1、C2分别为电容C1、C2的电容值，L1为电感L1的电感值，Z0为单端端口的特征阻抗，R+jX为差分端口的阻抗的共轭、R为差分端口特征阻抗的实部、X为差分端口看特征阻抗的虚部。
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