CN1271976A - 用于无线和射频应用中的宽带平衡－不平衡变换器 - Google Patents
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Abstract
一种传输线平衡－不平衡(变换)变压器,用于从一对差分输入信号中提供出一个单端输出信号,它包括有两个传输线信号耦合器。两个耦合器各别地设计成有比较松耦合的器件,也即它们的耦合系数大于3dB;但将它们通过正确的相位关系耦合在一起时,可达到约为3dB的、比较紧的总合耦合特性,由此得到了增大的带宽。
Description
本发明涉及从差分对输入信号中给出单端输出信号的平衡-不平衡(变换)变压器，具体地涉及由相互耦合的传输线信号耦合器实现的一种传输线平衡-不平衡变换器。
众所周知，射频信号无线电路中利用了平衡型信号输出来使接地感应效应最小并改善共模抑制。此种电路中包括有混频器、调制器、IF条(strip)和压控振荡器等。并且，由差分对信号组成的此类平衡输出必须组合起来提供出单端输出信号。将差分对信号组合成单端输出信号的一种熟知的器件类型在本技术领域内称之为平衡-不平衡(平衡输入-不平衡输出)变换器(balun)。通常，平衡-不平衡变换器制造成紧耦合结构，很象平常利用分立元件构成的普通变压器；而且，线匝的实际安排中包括有线间电容，它成为传输线特性阻抗的组成部分。这样的技术能使器件的带宽增高至兆赫的频率范围内。新近以来，平衡-不平衡变换器已经应用分布元件来实现。采用分立元件来实现时，分立元件会引入过量的损耗，并增大了制造成本。采用分布形式的结构时，表现出损耗较小，但在无线频率上需要比较大的底板空间，并受到窄带器件固有性能的限制。
本发明涉及装置的改进，该装置用来实现一种传输线平衡-不平衡(变换)变压器(balun transformer)，使之从差分对输入信号中给出单端输出信号。做到这一点是借助于以串接形式使传输线信号耦合器对的部件进行交叉耦合。至少将耦合器之一设计成一个比较松耦合的器件，其耦合特性也即耦合系数典型地大于3dB。根据需要，两个耦合器可以有相同的或不等的耦合系数。然而，两个耦合器之间要以正确的相位关系相互耦合，以达到比较紧的总合耦合特性，最好大约为3dB，从而获得带宽的增大。在优选实施例中，尽管不加限制，但最好每个耦合器构成一个微带传输线耦合器，它们是在诸如电路板的介质支持体两侧上形成的一对相互紧邻的微带传输线部分，其间还包括一个中间接地平面以使耦合器相互隔离。但两个耦合器通过中间接地平面内的小孔于内部相互耦合，一对输入信号端口和一个输出端口位于印刷电路板的一侧外沿表面上。传输线部分可以做成锯齿形或者扭曲形，借以延长恒定宽度的微带，另外可以在线宽上或者线距上使之变窄。再有，耦合器可以制造成带状线器件。
图1示明本发明第一实施例的电路简图；
图2示明图1上所示实施例中微带实现法的透视分解图；
图3是图2中所示微带实现法的复合体透视图；
图4有助于理解图2和图3中所示本发明实施例各部分之间的内部连接；
图5示明本发明第二实施例的电路简图；
图6示明本发明第三实施例的电路简图；
图7示明本发明第四实施例的电路简图；
图8是图1中所示实施例之带状线实现法的透视图；
图9上是两条特性曲线，示明了图1至图4中所示平衡-不平衡变换器内单个耦合器部分的频率响应特性；以及
图10上是两条特性曲线，示明了图1至图4中所示平衡-不平衡变换器内两个串接的耦合器部分的频率响应特性。
现在，具体参看图1，它示明了本发明第一实施例的电路简图，由两个比较松耦合的传输线耦合器C1和C2组成。耦合器的实现依靠了两对互相平行的微带传输线单元a1、a2和b1、b2，它们的长度实质上相等。如图中所示，这些单元的输入端标记为参考号数1、3、5、7，而它们的输出端标记为参考号数2、4、6、8。
图1中的耦合器C1连接于一对输入端P1和P2上，P1和P2分别连接至微波传输线单元a1和a2的输入端1和5上。借助于电连接线10和11，传输线单元a1和a2的输出端2和6分别与传输线单元b1和b2的输入端7和3以串接形式进行交叉耦合。借助于电连接线9，耦合器C2之传输线单元b2的输出端8连接回到耦合器C1之传输线单元a1的输入端1上。借助于电连接线12，传输线单元b1的输出端4连接至单个输出端P3上。由连接线9、10和11提供的交叉连接和反馈在工作上使两个耦合器C1和C2之间有正确的相位关系，以提供出一个总体或合成的耦合特性也即耦合系数，它比之由各别的耦合器本身分别提供的耦合系数，要耦合得紧些。虽然总的耦合系数至少大于3dB，但最好为3dB左右。耦合器C1和C2中的至少一个提供出的耦合系数大于3dB，然而，两个耦合器的耦合系数不必需相同，但需要时也可以相同。
图1中概略示明的布置实际上是在诸如由介质材料构成的电路板之类支持体的两个相对面上实现的。如图2和图3中所示，通常为矩形的电路板部分20由上半部分22和下半部分24组成，它们的外表面分别为26和28。在电路板的上、下两半部分22和24之间是一层金属导电膜30，它起接地平面的作用，使形成在外表面26和28上的两个耦合器C1和C2互相隔离。如图2中所示，金属导电膜30上至少包括一个而最好是两个小孔或窗口32和34，用以使C1和C2互联起立。
如图2和图3中所示，两个输入端P1和P2以及一个输出端P3的位置都处在印刷电路板部分20之上半部分22的外表面中一个公共边缘36上。应当指出，上面一对微带传输线单元a1和a2自输入端P1和P2出发向外伸展出。如前所述，它们由延长的传输线单元构成，例如具有电长度L，它最好但也不限制于约为λ/4长度；传输线有着恒定宽度W，线间间距S1。按类似的方式，耦合器C2这一对下面的微带传输线b1和b2也由延长的微带条构成，有等同的电长度大约L＝λ/4，以及有恒定宽度W和线间间距S2，参见图3中所示。a1、a2、b1、b2、W1、W2以及s1、s2的物理尺寸随用途而定，取决于所需设计，每对尺寸可以相等或者不相等。
图1中所示的电连接线9、10、11和12按周知的方式实际上由电路板部分22和24中形成的电通路来实现。虽然，图2中概略地示明了电通路，但电通路9、10、11和12的实际实现法可以用金属导电垂直柱来形成，这示明于图4中。为了做到这一点，下面的微带传输线单元b1和b2的结构方面，在b1中包括一个直角弯头部分38和一个通常的弯角部分40，在b2中包括一个向下的弯角部分42并连通直角弯头部分44，弯头部分44连接至终端7上。这种结构型式是容易做成的，但需要时也可以采用其它型式的设计。
现在，参看图5至图8，它们示出了4种另外的本发明的实施例。就图5而言，那里示明的结构类似于图1的电路概图，但其耦合器C1和C2中包括的是本技术领域内称之为“扭曲式”的耦合器，其传输线单元a1、a2和b1、b2中分别包括有细齿交错式或锯齿形的内边沿46和48。又，两对传输线单元的电长度最好等于但也不需限制于λ/4。它们之间的互联仍与图1中所示的相同。
扭曲式耦合器概念的进一步详细说明发表在1976年12月卷PHP-12、No.4《IEEE Transactions On Parts，Hybrids In Packaging》内pp.317-323上J.Taylor等人撰写的“射频混合微电路场合中应用的扭曲式移相器和定向耦合器”文章中。
图6和图7上所示的实施例中公开了两种称之为“锥形”耦合器的变型结构。图6中，传输线单元a1、a2和b1、b2由大体上具有恒定宽度的延长单元组成，但线对间的间距是渐窄的。而在图7所示的实施例中公开的结构，传输线单元a1、a2和b1、b2由本身宽度变细的传输线单元构成。这两个例子中，传输线单元之间的电连接方式与图1中所示的相同。
这种类型耦合器的更详细说明可参看1985年12月《MicrowaveJournal》内pp.113-119上S.Seward等人发表的题目为“OptimizationOf TEM Mode Tapered Symmertrical Couplers”的文章。
就图8而言，那里示明了图2和图3中所示的本发明的带状线实现法。象前面那样，图8的带状线实施例中包括有一对由接地平面30分隔开的电路板部分22和24，传输线单元a1和a2形成于电路板部22之顶面部分上，传输线单元b1和b2形成于下方电路板部分24之外侧部分上。然而，这里有一对外侧的介质部分54和56，它们具有与电路板部分22和24实质上相同的形状，并形成于外表面26和28的上方。此外，介质部分54和56上还包括有如图中所示的金属导电膜外表面58和60。此种结构应用常规技术能容易地制造出来。
现在，参看图9和图10，图9示明由构成平衡-不平衡变换器的一个8.34dB边沿耦合式微带耦合器的频率响应曲线，图10示明如图1至图4中所示串接布置式的两个8.34dB耦合器结构的频率响应曲线。图9中，参考号数62的曲线表明了两个耦合器c1和c2之每一个的反射损耗，而参考号数64的曲线表明了它们的插入损耗。如图中所示，反射损耗62在1000MHz周围有最大值。在同样的频率上也发生最小的插入损耗，但在两侧大约-0.2dB范围内曲线下降陡峭。另一方面，如图10中参考号数66的曲线所指明，合成的反射损耗在1500MHz附近下降到约-40dB。如图10中参考号数68的曲线所指明，合成的插入损耗在几乎1000MHz的带宽上变化仅仅约0.25dB，由此表明，本发明达到了宽带效果。
因此，可以看出，通过使信号以正确的相位进入比如两个串接耦合的8.34dB耦合器，可达到3dB的较紧的总合耦合，使带宽扩展。另外，通过应用介质电路板部分的两面，图2和图3中所示的耦合器结构能安装入象单个耦合器那样相同的空间中，并且对于电路板布局来说变得更为适合，因为平衡输入端和单端输出端两者可以制作在电路板的同一边沿处。
上面的详细说明只是对本发明原理的示例性叙述。因此，应当意识到，本技术领域内的熟练人员能设想出各种安排，它们虽然在这里未明显地说明或示出，但实施了本发明的原理，因而处在本发明的精神实质和范畴之内。
Claims (26)
1.一种传输线平衡-不平衡(变换)变压器，用于从一对差分输入信号中提供出一个单端输出信号，包括：
具有各别的耦合特性的第一和第二传输线信号耦合器，所述两个耦合器之间相互电隔离，并包括有以预定的信号相位串联地连接在一起的传输线单元，以便相对于所述第一和第二信号耦合器的各别耦合特性而言，提供出改善的总合耦合特性。
2.如权利要求1所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，两个耦合器的耦合特性实质上相同。
3.如权利要求1所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，两个耦合器的耦合特性互不相同。
4.如权利要求1所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，两个耦合器的耦合特性实质上相同或者互不相同，但都大于3dB。
5.如权利要求1所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，第一和第二耦合器中至少一个的耦合器特性大于3dB，而总合耦合特性大约等于或大于3dB。
6.如权利要求1所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述第一对和第二对传输线单元具有专用于拟定用途的预定的物理尺寸和线间间距。
7.如权利要求1所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述耦合器之每一个包括有具有各别的输入端和输出端的传输线单元对，又其中，第一信号耦合器的输出端与第二信号耦合器的输入端交叉耦合，并且第二信号耦合器之一个输出端连接回到第一信号耦合器之一个输入端上。
8.如权利要求6所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述传输线单元对由间断长度的导体材料构成。
9.如权利要求8所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述长度的导体材料它们的位置是互相平行的。
10.如权利要求8所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述长度的导体材料互相倾斜，以便提供出线间距渐窄的间距变化。
11.如权利要求7所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述传输线单元对由间断长度的导体材料构成，而导体材料从一端到另一端其宽度尺寸是变窄的。
12.如权利要求7所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述传输线单元对由间断长度的导体材料构成，而导体材料的相互面对处有锯齿形边沿。
13.如权利要求1所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述传输线单元对由电长度大约为四分之一波长的传输线单元构成。
14.如权利要求1所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述传输线单元对分别位于一个介质支持体相对两面中的区域内。
15.如权利要求14所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述介质支持体由其内部包括有导电材料中间层的电路板部分组成，导电材料用于隔离开传输线单元对。
16.如权利要求15所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述导电材料中间层上包括至少一个小孔，以便于使所述传输线单元对之间具有电连接。
17.如权利要求16所述的平衡-不平衡(变换)变压器，在所述电路板部分上附加地包括有通路，它穿过所述导电材料中间层上所述的至少一个小孔，使所述传输线单元的所述端子进行交叉连接，并使第二信号耦合器的一个输出端连接至所述第一信号耦合器的一个输入端上。
18.如权利要求15所述的平衡-不平衡(变换)变压器，附加地包括有一对输入端和单个输出端，它们共同位于所述电路板部分的一个公共边沿上，使得平衡-不平衡(变换)变压器可进入和给出耦合信号。
19.如权利要求15所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述传输线单元对中的至少一个位于所述电路板部分的一个外表面上。
20.如权利要求14所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述传输线单元对由平行的传输线单元对构成，它们分别位于所述电路板部分中所述相对两面之区域内的外表面上。
21.如权利要求14所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，两个所述传输线单元对分别位于所述电路板部分上的两个外表面上。
22.如权利要求19所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述传输线单元由微带导体构成。
23.如权利要求14所述的平衡-不平衡(变换)变压器，附加地包括有分别位于所述介质支持体相对两面的一对介质部分，支持体为所述相对两面的区域所共有，并且所述一对介质部分的外表面上有各别的导电材料层。
24.如权利要求21所述的平衡-不平衡(变换)变压器，其中，所述传输线单元对由带状线导体构成。
25.一种宽带传输线平衡-不平衡变换器，用于无线和射频应用中，包括：
第一和第二四分之一波长微带传输线信号耦合器，它们分别具有预定的耦合特性，并有微带传输线单元对位于一个介质电路部分的相对两面上，所述微带传输线单元对由位于电路板部分内的一个接地平面进行相互间的电隔离；
其中，每个微带传输线单元对上分别包括有第一和第二输入端及第一和第二输出端；以及
其中，第一和第二输入端连接至电路板部分一个边沿处的一对输入端上，第一信号耦合器的第一和第二输出端与第二信号耦合器的第二和第一输入端交叉耦合，第二信号耦合器的第一输出端连接至位于电路板部分所述边沿处的一个输出端上，而第二信号耦合器的第二输出端连接至第一信号耦合器的第一输入端上；
通过正确地设定信号相位，相对于所述第一和第二信号耦合器各别的耦合特性，能提供出有效地改善的总合耦合特性。
26.一种宽带传输线平衡-不平衡变换器，用于无线和射频应用中，包括：
第一和第二四分之一波长带状线式传输线信号耦合器，它们分别具有预定的耦合特性，并有位于介质电路格部分相对两面上的带状线式传输线单元对，所述带状线式传输线单元对由位于电路板部分内的一个接地平面进行相互间的电隔离，又在各别的介质部分上具有位于带状线式传输线单元对上的金属导体外层；
其中，每个带状线式传输线单元对上分别包括有第一和第二输入端及第一和第二输出端；以及
其中，第一和第二输入端连接至电路板部分一个边沿处的一对输入端上，第一信号耦合器的第一和第二输出端与第二信号耦合器的第二和第一输入端交叉耦合，第二信号耦合器的第一输出端连接至位于电路板部分所述边沿处的一个输出端上，而第二信号耦合器的第二输出端连接至第一信号耦合器的第一输入端上；
通过正确地设定信号相位，相对于所述第一和第二信号耦合器各别的耦合特性，能提供出有效地改善的总合耦合特性。
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