CN1868009A - 数字用户线路调制解调器和变压器 - Google Patents

Abstract

数字用户线路(DSL)调制解调器(12，14)包括线路接口变压器(22)，所述线路接口变压器具有耦合到传输线路的初级电路和用于输出在所述传输线路上发送的信号的次级电路，每个电路都由连续的导电材料组成，并且其中初级电路和次级电路基本上是平行的，并且基本上在同一个平面内。

Description

数字用户线路调制解调器和变压器

技术领域

本发明涉及数字用户线路(DSL)调制解调器，在所述调制解调器中使用的变压器，发送电子数据的方法，制造DSL调制解调器的方法以及无芯变压器。

背景技术

Michael Faraday在1831年发明了变压器。要注意的是，变压器的原始设计主要打算用于电力应用。这种设计体积大并且笨重，因为它包含多个被多圈铜线缠绕的铁芯。这种设计一百年来一直几乎没有任何改变，尽管有从高电压到精密微电子设备的多种使用。

近些年来，复杂的DSP技术和编码已经发展成利用现有电话网络的电话线或简易老式电话系统(POTS)来以高数据速率(每秒兆比特的级别)发送电子数据。传统的电话传输线路一般包括一对将电话机连接到最近的中心局(CO或电话网络操作者)的铜导体、数字环路载波设备、远程切换单元或任何其他用作扩展CO提供的业务的设备。这对铜导体经常被称作“双绞线”。一般将多个这种双绞线一起捆绑在同一个电缆捆绑组中。

通过这种方式的电子数据的传输一般称作数字用户线路或“DSL”。DSL是建立在两个通过双绞铜线耦合的调制解调器之间的，一个调制解调器位于用户(客户预设设备-CPE)处，而另一个位于CO。在DSL下已经发展了不同的标准族，一般称作“xDSL”，并且新的标准正在研发中。所述族中的DSL技术的变化包括SHDSL(对称高比特率DSL)、HDSL2(第二代高比特率DSL)、RADSL(速率适配DSL)、VDSL(超高比特率DSL)和ADSL(非对称DSL)。使用DSL技术发送电子数据所使用的频率范围从大约25kHz直到几MHz。

一些DSL技术，例如ADSL，其优点是普通的语音数据传输，也就是POTS能够与电子数据传输一起共享相同的双绞线。图1表示用于ADSL的频谱是怎样分割的。低频带(0-4kHz)被用于语音数据，而高频带(25kHz-1.1MHz)被用于电子数据。高频带还被进一步分成两个频带，一个用于上行传输(也就是用户到CO)，而另一个用于下行传输(也就是CO到用户)。下行传输频带比上行传输频带大得多，因为大多数用户从因特网上下载的数据比上传的数据多。以4.3125kHz间隔设置的256个载频为上行和下行传输频带提供了大约1.1MHz的带宽。通过ADSL实现的实际下行数据速率依赖于大量的因素，包括双绞线的长度，其线的规格，桥式分接头以及交叉耦合干扰的存在。

双绞线每个末端的调制解调器都采用滤波器来为后面的处理过程过滤数据传输频带或语音频带。

在POTS发展的多年中，线路接口变压器被用作电话线和用户家中或办公室里的电子电路之间的接口。该接口通过把双绞线与用户隔离来为用户提供安全，以防止引入双绞线中的高电压(例如雷击)被传送到用户家中的电路上。

随着DSL技术的出现，已经对所述线路接口变压器产生了一些额外的需求，包括：在更宽的带宽上提供平坦的频率响应；极好的信号传输特性(理想的是1∶1)，阻抗匹配以及最小的插入损耗。鉴于DSL信号的灵敏特性，变压器精确地重现输入信号的能力是非常重要的。

直到今天，DSL调制解调器中使用的变压器还是传统类型的，其中使用铁芯将磁通从初级铜线圈耦合到次级铜线圈。这是因为，在DSL频率上，尤其是低频率上，其中1/e或63％的初级绕组磁场被次级绕组吸收的趋肤深度的范围从10kHz的0.667mm到1MHz的0.067mm。剩余的可用能量没有被吸收并且通过这些各个厚度的导线传送。因此为了获得好的磁链或初级绕组和次级绕组之间的耦合系数，需要(1)在次级绕组中有足够的材料从初级绕组中吸收能量以及(2)保证来自初级绕组的磁通在所述材料扩展或毁坏时切断该材料。通常1∶1的绕组比在DSL变压器中是非常重要的。非常不希望有任何磁漏，因为信号将不会没有失真地重现。

如上所述，对于DSL调制解调器中使用的变压器领域的该问题的传统的且很好地被接受的解决方案是使用铁芯变压器。这样的ADSL变压器具有从几百微亨到几毫亨的线路侧电感。它们不需要携带DC；但是它们的缺陷在于将其电感控制在±5％到±10％的范围内。漏电感大概与线路侧电感成比例，其范围从几微亨到几十微亨。在ADSL系统中的上游和下游信号重叠的频率范围内采用回波抵消，使得失真成为关键因素。一般的失真要求是对于CPE端最大是-85dBTHD，对于CO端是-80dB THD；两者都是用100KHz的15Vp-p信号测量的。

DSL在商业和客户用于高速通信和因特网接入方面变成非常流行的选项。世界范围内的DSL技术的主要成功之处在于让所有的电信生产商都承担下一代DSL产品的压力。为了维持和改善DSL的普遍适用性、服务质量和性能，主要的优先事情是设计具有高信号可靠性和低电压操作的模拟电路。因此，模拟设计组面临着要求模拟前端构件块的新挑战，所述构件块包括重要元件，线路接口变压器。所有这些参数都密切影响着传输的整体性能和服务质量。

但是一般的ADSL变压器尺寸是1cm乘1cm乘1cm，也就是设备的整体纵横比接近1∶1(具有类似于立方体形状的三维物体)。不幸的是这种设置对于需要大量的原材料和技术工人来组装部件来说是笨重而且昂贵的。有关较小电子设备的连续压力使得生产商找寻DSL调制解调器中使用的传统变压器的较小以及较轻的替换方式，其不依赖于铁芯，但是这不会导致性能低。

发明内容

本发明的优选实施例基于这样一种理解，即可以用基本上没有性能劣化的几何线圈结构来替换设计成在DSL频率上操作的线路接口变压器中的铁氧体磁芯。具体的优点是几何结构比相同的传统DSL铁氧体磁芯变压器更小(至少在一维上)和更轻。

根据本发明，提供一种包括初级电路和次级电路的变压器，其中每个电路都由连续的可导电材料形成，并且其中初级电路和次级电路基本上是平行的并且基本上在相同的平面内。

在这样一种配置中，所述电路有时候也可以被称为混杂的和交织的。

电导体可以是任何可导电材料，例如金属、导电塑料等，并且一般是导线、印刷电路板上的导体迹线、导电等形式。

在这样一种变压器中不存在铁磁体(通常是铁氧体)元件并且变压器具有很大的纵横比。初级和次级电路主要经由相邻导体之间相当好的局部磁链来实现变压器作用，而不是象标准变压器例子中所述的通过低磁阻铁磁体路径的全局磁通量转换。

所述变压器最好包括初级电路和次级电路，并且每个电路都由螺旋线形式的连续可导电材料形成，并且形成初级和次级电路的导线并排放置以形成两个交叉的单独螺旋。所述螺旋可以是圆形的、椭圆形的、正方形的、矩形的、卵形的或不规则的。

传统的对该电路的设计是极化方程是r(θ)＝αθ的阿基米德螺旋，其中θ是极坐标中的角度，r是半径以及α是规定了圈数和间距的常数。随着角度的增加，半径也增加。所述(任何形状的)螺旋的圈数优选地是至少10圈，其中每个电路优选地是20和40圈之间。

本发明还提供一种包括多个层的准平面变压器，每个层都包括上述的变压器，并且其中每层的初级电路连接在一起，每层的次级电路连接在一起；在一个实施例中，所述层基本上是平行的，也就是说所述结构包括在彼此之上堆叠的多个平面变压器。或者，所述变压器可以被并排放置并且优选的在同一个平面内。已经发现以这种方式堆叠变压器在DSL频率范围内的信号传送中提供了特殊的改进。“准平面”可能意味着变压器是三维的其中一维相对于其他两维来说相对小一些。这在电路变小方面特别有用，并且因此PCB间隔非常有价值。在一个实施例中，这样一种准平面变压器分别具有其高度5倍和20倍之间的宽度和深度。

实现这种磁链的一个方式是通过一个压缩螺旋安排，也就是，如果每个变压器的初级和次级电路都在同一个平面内。这导致两个平行的螺旋(因此其名称是“双线”变压器)。双线无感线圈的串联连接改善了信号传输。所述安排增加了设备的高度。但是整体的纵横比保持相对地大，所述纵横比定义为设备直径与高度的比，为此，它代表一个准平面变压器(QPT)。所述层可以被串联或并联连接。

为执行DSL变压器功能提供一个基本上是二维的解决方案是本发明的一个特点，所述变压器包括具有两个双线设计的线圈的平面结构，其特征在于没有铁氧体磁芯元件。

在典型变压器中至少有10层，其中每层都是平面变压器的形式。

本发明的特点在于没有铁氧体磁芯并且其产生一个纵横比非常大的变压器设备，例如1∶5的纵横比或者更大，并且优选地具有大于1∶10或大于1∶20的纵横比。其附加优点在于制造过程可以由平面膜技术和多层制造技术修改。本发明的实质在于基于三维铁氧体磁芯的设计已经被基本上是二维的多层设计所取代，在所述二维的多层设计中所有的平面层都互相串联连接。本发明在非对称数字用户线路(ADSL)、ADSL2+和超高数据速率DSL(VDSL)的应用中非常有用，但并不局限于此。令人惊讶地是，发现去除铁磁体元件和设备中大的物理纵横比是可能的，并且观察到变压器作用。另外，铁磁体元件(例如铁氧体)的去除消减了构建操作和费用。

与传统变压器的对比如下所示：

技术	传统线绕变压器	新的圆形螺旋变压器
			描述	磁性接口	空心
设计	3维	2维

为了连接多层双线变压器，许多螺旋层被串联连接；这将在下面举例说明。

根据本发明，提供了一种包括线路接口变压器的数据用户线路(DSL)调制解调器，所述线路接口变压器具有用于耦合到传输线路的初级电路和用于输出在所述传输线路上发送的信号的次级电路，每个电路都由连续可导电材料形成，并且其中初级电路和次级电路基本上是平行的并且基本上在同一个平面内。这里使用“平面”是为了方便理解并且其意味着位于同一平面内的电路，尽管可以理解成它们不只位于那个平面内。所述DSL调制解调器可以是任何设计成连接到可发送和接收数据的电话插口或其他传输线路插口的合适的调制解调器。例如，DSL调制解调器可以作为插入到个人计算机中的卡或者用于陆地电话和个人计算机的适配器来销售。传输线可以是双绞铜线或者例如是ISDN线。可导电材料可以是适于携带DSL信号的任何材料。初级电路圈数与次级电路圈数的比值优选地是1∶1。

所述初级电路和所述次级电路优选地是基本上在同一平面内的基本上平行的导电材料的螺旋的形式。所述螺旋可以是基本上圆形的、椭圆形的、正方形的、矩形的、卵形的或不规则的。

有利地是，所述螺旋基本上符合由极化方程r(θ)＝αθ形成的螺旋，其中θ是极坐标中的角度，r是半径以及α是规定了圈数和间距的常数。

优选地，每个电路的圈数最少是10。用这样一种配置已经获得了良好的结果。

有利地是，有多个平面，每个平面形成层，并且其中每层的所述初级电路都被连接在一起，每层的所述次级电路也都被连接在一起。

优选地，所述层基本上是平行的。

有利地是，所述层之间的间隔不超过0.5mm。这有助于在关心的频带上保证良好的变压器作用。

优选地，将初级电路相互并联或串联连接，将次级电路相互并联或串联连接。每层中的各个电路的串联连接是优选的，因为这有助于增强电感。

有利地是，至少有10层。已经发现这对变压器上的信号传输能产生良好的结果。

优选地，所述变压器具有1∶5或更大的直径与宽度的纵横比。因此，与现有的DSL变压器相比，可以大大地降低变压器的高度。

有利地是，所述线路接口变压器不包括铁磁体芯。这种部件的去除大大地减少了线路接口变压器以及DSL调制解调器的重量、尺寸和费用。

根据本发明的另一方面，提供一种用于DSL调制解调器中的具有前述的任一权利要求中的任何线路接口变压器特征的线路接口变压器。

根据本发明的另一方面，提供一种在传输线上发送电子数据的方法，所述方法包括包括经由前述的任一权利要求所述的线路接口变压器在所述传输线上放置所述电子数据的步骤。该方法可以由利用DSL连接发送数据(例如网页、电子邮件，文件)给用户的电话公司来执行。所述数据可以是数字数据并且所述方法还可以包括经由线路接口变压器以调制方式发送该数据的步骤，例如通过DMT和/或QAM。所述方法还可以包括经由线路接口变压器在许多载频上发送数据的步骤。在一个实施例中，在带宽上将载频间隔开，其可能接近1MHz，从大约26kHz到1.1MHz。最好利用xDSL信号经由变压器发送数字数据。

根据本发明的另一方面，提供一种制造DSL调制解调器的方法，所述方法包括插入一个上面所述的线路接口变压器并电连接所述变压器的步骤。

根据本发明的另一方面，提供一种用于传送大约10kHz和2MHz之间的低频带数据信号的无芯变压器，所述变压器包括具有多个线圈的初级电路和次级电路，使得所述变压器包括多个层，每个层都具有交替的相互相邻的初级和次级导体，有所述多个线圈和多个层的组合，其足以获得从所述初级电路向所述次级电路传送所述数据信号的变压器作用。

有利地是，所述层从所述变压器的中心向外放射状地延伸。因此所述层可被认为是定义了一个平面，尽管当然可理解成初级和次级电路是三维的并且包含所述平面，但不是只位于所述平面内。

优选地，所述层绕着所述变压器的轴形成环。在一个实施例中，所述线圈就是这样以便初级和次级电路形成三维的结构，使得初级电路周围的磁通在任一侧上以及在初级电路的每个部分的上面和下面切断次级电路。这种几何结构提供了对信号传送应用有用的变压器作用，其中传送基本上没有失真、没有幅度损失、没有相位偏移等的信号是重要的，但是其不需要铁氧体磁芯的存在。而且所述结构可以比现有的用于信号传送应用的变压器更小。

有利地是，所述初级和次级导体之间的间隔在大约0.02mm和0.075mm之间，以获得局部磁通链。“局部”可以认为是初级和次级电路的相邻部分之间的磁链。

有利地是，所述层之间的间隔在大约0.02mm和0.2mm之间，以获得全局磁通链。“全局”可以认为是变压器的整体能量传送特性，也就是如实传送输入的DSL信号的能力。

最好是，有至少10层并且每个电路大约有20圈。已经发现这能在DSL频带、电流和电压内提供有用的信号传送特性。可以理解，所述圈数和层数可以由本领域技术人员改变，同时仍能实现传送DSL信号所需的变压器作用。但是，DSL调制解调器中好的信号过滤技术可以允许减少圈数/层数，在关心的DSL频带上保持提供基本上线性的传送特性。另外，不同的制造技术可能导致实现相同的结果需要不同的圈数/层数。例如利用绝缘导线的手绕或机器缠绕技术可以允许有相对少的圈数和层数，因为与PCB制造技术相比，所述导线相对靠近一些。在PCB中，由于导体迹线不是绝缘的，所以导体迹线之间的间距需要更大一些，以便禁止短路的机会。

根据本发明的另一方面，提供一种包括上述无芯变压器的电子电路。所述电路可以是嵌入在独立单元或例如PC卡中的DSL调制解调器电路。

附图说明

为了更好的理解本发明，下面将通过附图的例子来进行参照说明，其中：

图1是表示POTS和ADSL使用的频带的频率与幅度示意图；

图2是根据本发明通过双绞线连接的两个ADSL调制解调器的框图；

图3A表示图2中其中一个ADSL调制解调器的进一步的细节；

图3B是表示线路接口变压器位置的DSL调制解调器电路的部分示意性电路图；

图4是标准ADSL变压器的频率与幅度图；

图5是根据本发明的变压器的第一实施例的示意性平面图；

图6a是连接到电源端子的图1的变压器的示意性平面图；

图6b是图2a的变压器的侧视图；

图7是标准ADSL变压器和图5的变压器的频率与幅度图；

图8根据本发明的变压器的第二实施例的示意性侧视图；

图9是穿过两个PCB模块的示意性截面图，每个PCB模块都包括与图8的变压器类似的变压器；

图10是表示PCB层之间的电连接点的图14的PCB模块的示意性透视图；

图11根据本发明穿过两个导体结构的示意性截面图；

图12是图9的变压器直到ADSL2+的高频端的频率与幅度图；

图13是手绕变压器在ADSL上行带宽中的频率与幅度图；

图14是手绕变压器在ADSL下行带宽中的频率与幅度图；

图15是手绕变压器跨过整个ADSL带宽的频率与幅度图；

图16表示标准ADSL变压器和手绕变压器比较的两个频率与幅度图；以及

图17是图9的PCB变压器的照片。

具体实施方式

参照图2和3A，在两个调制解调器12、14之间通过铜线的双绞线16建立如附图标记10所示的ADSL。在功能方面调制解调器12、14是相同的，因此只详细描述一个。调制解调器12包括用于过滤POTS语音频带(～0-4kHz)的低通滤波器18和用于过滤ADSL频带(～26kHz-1.1MHz)的高通滤波器20。包括线绕三维铁芯的宽带变压器22位于高通滤波器20的下游并用于将双绞线16与剩余的下游电路隔离，如上所述。ADSL芯片组24从宽带变压器22的次级绕组(未示出)接收ADSL信号(也就是高于～26kHz的频率)。ADSL芯片组24用于放大和解码ADSL信号以用于后续的处理过程。ADSL芯片组24依据调制解调器的位置将处理的ADSL信号传送给因特网业务供应商(ISP)或个人计算机(PC)。低通滤波器18依据调制解调器是在CO还是在CP，将低频率POTS信号传送给公共交换电话网络(PSTN)或电话。图3B表示作为两个调制解调器12、14的一部分的典型ADSL电路26中的宽带变压器22的位置。

参照图3C，通过两个图29和29，来说明DSL信号的特性。ADSL依赖于离散多频(DMT)调制在电话线路上携带数字数据。ADSL频谱占据了从～26kHz到1.1MHz的频率，但是保留了20kHz以下的空间用于语音信号(参见图1)。在时域中出现的DMT信号表现为伪随机噪声信号并且图29说明DMT信号一般产生低rms电压电平。但是，xDSL线路驱动放大器(参见图3C)必须能够传送由几个子频带中的很多载波或音调相位对准的有限概率引起的峰值电压。为了在这些大波峰出现时重现它们，必须做出动态峰值储备容差。

DMT调制出现在频域中，因为功率被包含在几个单独的频率子频带中，有时称作音调或箱(bin)，其中每个都以频率4.3125kHz间隔均匀分布(参见图29’)。一个唯一编码的类似正交幅度调制(QAM)的信号出现在每个子频带或音调的中心频率上。在上述频域中上行DMT信号在每个大概-1dBm的子频带上产生波峰。在每个子频带中组合功率，将13dBm的总功率传送给负载。保持足够的电压峰值储备(headroom)，以便放大器能够传递无失真的峰值是具有挑战性的。DMT波形中的这些稀少峰值和rms电平的比值是众所周知的峰值与平均值之比(PAR)或“波峰因数”。当设计用于ADSL调制解调器的线路驱动混合时一般使用5.3的波峰因数。

如果来自一个子频带的QAM信号被来自其它子频带的一个或多个QAM信号破坏，当对DMT子频带中包含的信息解码时，就会存在困难。交叉调制失真是主要的关系，因为一般的xDSL下行DMT信号可能包含多达256个QAM信号的载波(子频带或音调)。在xDSL调制解调器中，要求DMT信号保真度以便解调器能够准确地检测模拟信号的幅度。然后ADC能够准确地将每个子频带中包含幅度和符号信息转换成相应的数字比特流。当纠错方案不能恢复一条可能由于缺乏DMT信号保真度而引起的受损数据时，会出现比特误差。简而言之，为了保证性能，最小化数据受损并且提高DSL调制解调器中的数据传送速率，必须通过ADSL线路驱动器和桥形混合电路保持DMT信号保真度。

变压器有很多应用，其中有效设备的电流和电压性能需要被匹配不同的负载阻抗。由于变压器通过匝数比的平方将次级负载阻抗反射回初级，所以电流驱动需要增大而电压驱动降低。

ADSL调制解调器需要模拟桥形混合电路来提供几个重要的功能。所述桥形混合电路在电话线路上发送和接收模拟信号中包含的数据，从发送的信号中分离出接收信号，提供正确的线路终端阻抗并将调制解调器与线路隔离。也可以设计成优选传送到线路上的功率。

该内容中的宽带变压器22的功能需求是在ADSL标准中提出的。下面的表中给出了所述需求：

表：ADSL需求

参数		全速率ADSL下行	全速率ADSL上行
				特性	使用的信道	31到256	6到30
频带(kHz)	133.7到1104	25.8到129.4
			带宽(kHz)		970.3	103.5
功率谱密度，PSD(dBm/Hz1/2)	-40	-37
			线路功率(dBm)		20	13
RMS线路功率(mW)	100	20
			线路阻抗(Ω)		100	100
电学需求	RMS线路电压(V)	3.1					1.4
			RMS线路电流(mA)	31	15
	峰值-平均值比，PAR	5.3				5.3
			峰值线路电压(V)	16.5	7.6
	峰值-峰值线路电压(V)	33				15.2
			峰值线路电流(mA)	170	76
	峰值线路功率(mW)	2725				580
			理论数据速率	比特/符号	15		15
比特/信道(Kb/s)	60	60
				使用的信道的最大数据速率	13.5Mb/s	1.4Mb/s

尤其是，宽带变压器22必须在ADSL频带上在基本上无失真、无幅度损失、无相位偏移以及谐波的情况下从双绞线16传送信号。尤其是，调制解调器14在26kHz和138kHz之间向电话公司调制解调器12发送表示电子数据的信号，并接收从138kHz到1.1MHz的信号。参照图4，由附图标记30所示的宽带变压器22(APC有限模型411990040C)的频率响应曲线包括变压器的初级绕组的响应曲线32和变压器的次级绕组的响应曲线34，其在整个ADSL带宽上具有7.5V的测试信号。次级绕组的频率响应在大约100kHz到1MHz之间相对平坦。但是，在大约20kHz到100kHz之间从次级绕组的输出电压就随着频率降低而滚降。这是因为在前文所述的低频率处的磁链问题引起的。尤其是，随着频率降低，趋映深度增加，也就是假设其它的任何事情都保持恒定，需要被吸收掉磁通中包含的63％的可用能量的线圈中的材料量增加。如果在该较低频率上需要传送更多比例的能量，本领域中可接受的解决方案是增加次级绕组的材料量或增大铁芯的尺寸来扩大磁通。本申请人已经发现了一种在基本上不损失磁链的情况下去除传统DSL变压器的铁芯的方式。

参照图5和6，由附图标记40所示的变压器包括两个螺旋电路：初级电路42和次级电路44。要注意的是这里没有铁氧体磁芯。两个电路互相平行并且基本上在同一个平面内互相缠绕以形成阿基米得螺旋。每个电路都被蚀刻在分层电路板41上并且在电路板41之上包括有大约0.075mm宽、0.05mm厚的铜迹线45。每个电路都有30圈并且直径大约是18.44mm。初级电路42和次级电路45的迹线之间的距离(在最近的边缘测量的)是0.075mm。线圈的整个直径是20mm。虽然为了感应的目的，优选的，让迹线尽可能地靠近在一起，但是已经发现该宽度在获得变压器功能和减少例如由灰尘引起的短路机会之间提供了有利的平衡。

初级电路42和次级电路44的这种几何设置的目的是主要经由相连导体迹线之间的局部磁通链来实现变压器功能，而不是如标准变压器情况下的通过低磁阻铁磁路径的全局磁通转化。

参照图7，附图标记60所示的图表示变压器40与宽带变压器22的频率响应的比较。变压器40的响应由附图标记62表示，宽带变压器22的响应由附图标记64表示。可以看出在ADSL频率范围内，变压器40操作相对差一些。这是因为从初级电路42有大部分的磁漏引起低电感值。这是由趋肤深度问题和上面所述的低频率混合引起的。结果在次级电路44中只感应出较少的电压，尤其是在低频率处，这对于要求1∶1的信号传送的DSL应用来说是非常不希望的。宽带变压器22按上面所述地进行操作。

如下所述，申请人已经努力在不借助铁氧体磁芯的情况改善变压器40的电感。

参照图8，由附图标记70所示的变压器的第二实施例包括4个层71、72、73、74，每个层都与变压器40类似，也就是包括有具有上述尺寸的初级和次级电路。为了清楚起见，每个层71、72、73、74都表示成间隔设置。每个层的每个电路都连接到相应的下层的电路以便在它们各个端子75、76之间，所有的初级电路都并联连接以及所有的次级电路也分别并联连接。

参照图9，变压器70以PCB电路的形式表示。每个PCB层都保留有一个初级电路有30圈以及次级电路有30圈的变压器40；它尺寸为20mm乘20mm并且其厚度是0.2mm(在按压之前)，也就是它具有纵横比(直径：高度)。在制造过程中6个PCB层被堆叠、加热并挤压成模块77。变压器70包括5个模块，并因此包括30层。在每个模块77中，初级电路42和次级电路44都经由钻孔78连接到在PCB中心附近或者在PCB边缘附近的下层相应的电路。而且每个PCB层之间的连接79如图10所示，在中心位置和边缘位置之间交替。每个模块77之间的间隔是0.2mm并且具有PCB薄层以便将一个模块的上层电路与另一个的下层电路隔离。图17中表示了PCB变压器70的照片，其中清楚地看到它是“准平面的”。很明显是小尺寸的，尤其是在高度方面。图17中的PCB变压器70与6.3g的传统ADSL变压器相比仅重1.9g。这样一种重量节省(将近70％)为制造和运输费用方面提供了大量的优势。

这种初级电路42和次级电路44的几何配置的目的在于主要经由相邻导体迹线之间的局部三维磁通链来实现变压器作用，而不是标准变压器例子中的通过低磁抗铁磁路径的全局磁通转换。尤其是，参照图11，两个初级电路和次级电路导体模型被表示成“双线-1”和“双线-2”。每个这种配置都包括三维的结构，所述的三维结构在横截面上看时具有交替的初级和次级电路层。在双线-1的例子中，这个层可以说成是定义了一个水平面。在双线-2的例子中，这个层可以说成是定义了一个环。三维绕组结构的特殊优点是即使在DSL的低频率上，初级电路的感应系数也增加，以及到次级电路磁链提高。而且所述结构提供了低的Q因数，由此在整个ADSL频率范围上都表现出良好的频率响应。双线-2结构的特殊优点是每个初级导线都有到每个侧面以及上面和下面的次级导线。初级导线靠得如此近以致于获得一个非常好得局部磁通链。而且从较大的尺度来看所述结构有助于减少初级导线和次级导线之间的寄生电容。当导线被缠绕成这种结构时，导线之间的距离仅仅是两个导体之间的绝缘体宽度(一般是～0.2mm)。当使用PCB制造技术时，所述间隔将会稍大一些(～0.075mm)，因为导体迹线并没有被绝缘体包围。必须对短路采取预防措施，因为线路接口变压器的绝缘体安全功能是极为重要的。

参照图12，表示了PCB变压器70的电压与频率图。对初级电路在20kHz到2.25MHz的频率范围上采用7.5V的电压。变压器70在整个范围内以及未来形式的DSL(例如ADSL2+)的频率内都表现出极好的线性响应，除了由于电路之间的磁链的缺陷引起的次级电路中的信号幅度上有一些损耗。

可以用手或用机器来缠绕变压器40和变压器70，以获得图10所示的导线结构。申请人用手缠绕了一个特例变压器70。这包括在保证绝缘的情况下(也就是0.02mm的导线间距)，尽可能相互靠近的具有0.01mm绝缘体的0.19mm的铜线(road runner RRW-P-105)，被缠绕成每个电路具有30圈的螺旋。每个层被单独构造以便产生与变压器40的结构类似的变压器。使用SELLOTAPE(大约0.05mm厚)来将变压器支持在一起。然后在彼此的顶部堆叠10层并且将每个初级电路和次级电路的末端连接在一起以便变压器如图7那样串联在一起。因此每个层之间的间距接近于0.1mm。然后测试最后产生的10层、30圈的变压器。

参照图13到15，变压器的频率与电压图示出单层形式上的性能的显著改善。对初级电路采用7.5V的电压。次级电路表示出ADSL带宽上施加电压的基本上1∶1的变换。而且次级电路的响应在带宽上基本上示平坦的，由此提供所需的线性响应。上述的导线的三维结构在初级和次级电路之间的局部范围上(也就是少于0.1mm)提供了磁链，这就降低了对铁氧体磁芯的需求。而且堆叠变压器导致不希望的能量传送的增加，在次级电路中的信号幅度只是稍有损失。这种三维结构利用了磁场强度从每个初级绕组处快速滚降的事实。因此通过将初级和次级电路相互缠绕以及在彼此的顶部堆叠，可以在原先没有铁氧体磁芯时不可能获得所需的信号传输的频率上看到所需的变压器作用。

参照图16，两个图比较了前面所述的ADSL变压器与上述手绕变压器的性能。对初级电路施加10V的电压。手绕变压器在ADSL带宽上表现良好并且甚至避免了跨过ADSL变压器的次级电路在800kHz上开始出现的共振。ADSL频带的上限由附图标记80表示。

该变压器的电学规格如下所示：

规格(在25℃的电规格，工作温度是-40℃到+80℃)

参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
						电阻(初级DCR)	1-2	3.18	3.2	3.22	Ohms
电阻(次级DCR)	3-4	3.07	3.1	3.13	Ohms
						初级电感	以10kHz，0.1V测量	-5％	150	+5％	μH
漏电感：	以100kHz，0.1V(3-4)短接的测量	-	-	2.51	μH
						互绕电容：	以10kHz，0.1V测量	-	700	775	pF
圈数比：	(1-2∶3-4)CPE(线路到芯片)	0.95	1.0	1.05	-
						电压绝缘：	50Hz DC(1-2∶3-4)1秒脉冲，初级到次级	-	6	-	KVrms
工作范围：	环境温度	-40	-	+80	℃
						总谐波失真(THD)	以10kHz，1.0V测量	-5％	-58	+5％	dB
总谐波失真(THD)	以100kHz，1.0V测量	-5％	-64	+5％	dB
						插入损耗：	@1MHz	-	-0.4298	-	dB
	@65kHz	-	-3.0305	-	dB
							@9.7MHz	-	-3.0033	-	dB
回波损耗：	@1MHz	-	-16.408	-	dB
							@200kHz	-	-12.0	-	dB
	@2.7MHz	-	-12.0	-	dB
						重量：		-	1.9	-	g

从表1中可以看出初级电路的电感和漏电感都是DSL调制解调器中使用的正确数量级。而且插入损耗在ADSL的频率范围内是低的。

可以理解的是这里所述的变压器可以对包括蚀刻、印刷电路板、薄膜淀积以及自动机器缠绕等各种制造过程进行修改。

导线的直径和材料(或迹线的宽度)的变化、导线之间的间距的变化、层间距的变化、每个电路的圈数变化以及层数的变化都会影响这里所述的变压器的性能。但是，借助于利用基本上同一平面内的导体的双线结构来形成变压器以及堆叠导体来形成三维结构的原理，本领域技术人员能够调整上述的各种参数以便在减少重量和空间的同时获得期望的低频率宽带信号传输。

Claims (23)

1.一种数据用户线路(DSL)调制解调器，包括线路接口变压器，所述线路接口变压器具有用于耦合到传输线路的初级电路和用于输出在所述传输线路上发送的信号的次级电路，每个电路都由连续可导电材料形成，并且其中初级电路和次级电路基本上是平行的并且基本上在同一个平面内。

2.如权利要求1所述的DSL调制解调器，其中所述初级电路和所述次级电路是基本上在同一平面内的基本上平行的导电材料的螺旋的形式。

3.如权利要求2所述的DSL调制解调器，其中所述螺旋基本上是圆形的、椭圆形的、正方形的、矩形的、卵形的或不规则的。

4.如权利要求2或3所述的DSL调制解调器，其中所述螺旋基本上符合由极化方程r(θ)＝αθ形成的螺旋，其中θ是极坐标中的角度，r是半径以及α是规定了圈数和间距的常数。

5.如前述任一权利要求所述的DSL调制解调器，其中每个电路的圈数最少是10。

6.如前述任一权利要求所述的DSL调制解调器，其中有多个平面，每个平面形成层，并且其中每层的所述初级电路都被连接在一起，每层的所述次级电路也都被连接在一起。

7.如权利要求6所述的DSL调制解调器，其中所述层基本上是平行的。

8.如权利要求7所述的DSL调制解调器，其中所述层之间的间隔不超过0.5mm。

9.如权利要求6、7或8所述的DSL调制解调器，其中将初级电路相互并联或串联连接，将次级电路相互并联或串联连接。

10.如权利要求6到9中任一个所述的DSL调制解调器，其中至少有10层。

11.如权利要求6到10中任一个所述的DSL调制解调器，其具有1∶5或更大的定义为直径与宽度之比的纵横比。

12.如前述任一权利要求所述的DSL调制解调器，其中所述线路接口变压器不包括铁磁体芯。

13.一种用于DSL调制解调器中的、具有前面任一权利要求所述的线路接口变压器特征的线路接口变压器。

14.一种在传输线上发送电子数据的方法，所述方法包括利用前述的任一权利要求所述的线路接口变压器在所述传输线上放置所述电子数据的步骤。

15.一种制造DSL调制解调器的方法，所述方法包括插入如权利要求15所述的线路接口变压器并电连接所述变压器的步骤。

16.一种无芯变压器，用于传送大约10kHz和2MHz之间的低频带数字数据信号，所述变压器包括具有多个圈的初级电路和次级电路，使得所述变压器包括多个层，每个层都具有交替的相互相邻的初级和次级导体，具有所述多个圈和多个层的组合，其足以获得从所述初级电路向所述次级电路传送所述数字数据信号的变压器作用。

17.如权利要求16所述的无芯变压器，其中所述层从所述变压器的中心向外放射状地延伸。

18.如权利要求16或17所述的无芯变压器，其中所述层绕着所述变压器的轴形成一个环。

19.如权利要求16、17或18所述的无芯变压器，其中所述初级和次级导体之间的间隔在大约0.02mm和0.075mm之间。

20.如权利要求16到19中任一个所述的无芯变压器，其中所述层之间的间隔在大约0.02mm和0.2mm之间。

21.如权利要求16到20中任一个所述的无芯变压器，其中有至少10层。

22.一种包括如权利要求16到21中任一个所述的无芯变压器的电子电路。

23.一种包括如权利要求22所述的电子电路的DSL调制解调器。

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