CN1910709A - Dsl调制解调器和变压器 - Google Patents
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Abstract
一种数字用户线(DSL)调制解调器，包括具有耦合传输线路的初级电路，以及输出通过所述传输线路传送的信号的次级电路的线路接口变压器，每个电路由连续的导电材料形成，其中所述初级电路定义第一平面，所述次级电路定义第二平面，所述第一平面和第二平面基本相互平行。
Description
技术领域
本发明涉及数字用户线(DSL)调制解调器、供这种调制解调器之用的变压器、传送电子数据的方法、制造DSL调制解调器的方法和空芯变压器。
背景技术
Michael Faraday在1831年发明了变压器。需要注意的是，变压器的初始设计主要供电力应用之用。该设计既庞大又笨重，因为它包括由多匝铜线环绕的铁氧体芯。一个多世纪，该设计始终没有什么变化，尽管各种应用从高压设备延伸到复杂的微电子设备。
最近，提出了复合DSP技术和编码，以便利用现有电话网络或者简单老式电话系统(POTS)的电话线来以高数据速率(约为几兆比特/秒)传输电子数据。常规的电话传输线一般包括一对铜导线，用于连接电话机和最近的中心局(CO或电话网络运营商)，数字环路载波系统，远程交换机或者充当CO提供的业务的延伸部分的任何其它设备。该对铜导线常被称为“双绞线”。许多这样的双绞线通常一起被捆扎在相同的电缆组中。
借助这种手段的电子数据传输一般被称为数字用户线或“DSL”。在由双绞铜线耦接的两个调制解调器之间建立DSL，一个调制解调器位于用户端(用户终端设备-CPE)，另一个调制解调器位于CO。在DSL下提出了一系列的不同标准，通常被称为“xDSL”，新标准正在制定中。该系列中的DSL技术的变化包括SHDSL(对称高速DSL)，HDSL2(第二代高速DSL)，RADSL(速率自适应DSL)，VDSL(甚高速DSL)和ADSL(非对称DSL)。用于利用DSL技术传输电子数据的频率从约25kHz一直到几MHz。
一些DSL技术，比如ADSL具有普通语音数据传输，即POTS能够与电子数据传输共用相同的双绞线的优点。图1表示对于ADSL，频谱是如何被划分的。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。高频带再被分成两个频带，一个用于上游传输(即用户到CO)，另一个用于下游传输(即CO到用户)。下游传输频带远大于上游传输频带，因为多数用户将从因特网下载远比他们上传的多得多的数据。间隔4.3125kHz布置的256个载频为上游和下游传输频带提供大约1.1MHz的带宽。ADSL实现的实际下游数据速率取决于大量的因素，包括双绞线的长度，其线规，桥接抽头的存在和交叉耦合干扰。
位于双绞线每端的调制解调器采用滤波器过滤数据传输频带或语音频带以便进行后续处理。
在POTS中，线路接口变压器多年来一直被用作电话线和用户住宅或办公室中的电路之间的接口。通过使双绞线与用户隔离，从而防止在双绞线中感应的大电压(例如雷击)被传到用户住宅中的电路，该接口变压器保证用户的安全。
随着DSL技术的出现，对这样的线路接口变压器提出了另外几个要求，包括：在更宽的带宽内提供平直的频率响应；极好的信号传输性质(理想地1∶1)，阻抗匹配和最小的介入损耗。鉴于DSL信号的灵敏性，变压器的如实再现输入信号的能力特别重要。
到目前为止，供DSL调制解调器之用的变压器一直是传统的变压器，其中使用铁芯将来自初级铜绕组的磁通量耦合到次级铜绕组。这是因为在DSL频率，尤其是在低频率下，其中1/e或者63％的初级绕组磁场被次级绕组吸收的集肤深度在铜中从10kHz下的0.667毫米到1MHz下的0.067毫米。剩余的可用能量未被吸收，通过这些相应深度的导体。从而为了在初级绕组和次级绕组之间获得良好的磁漏或者耦合系数，必须(1)具有存在于次级绕组中的足够材料，来吸收来自初级绕组的能量，(2)当来自初级绕组的磁通量扩大和收缩时，确保所述磁通量切割所述材料。在绕组比率一般为1∶1的DSL变压器中这特别重要。任何磁漏都是极其不良的，因为将不能不失真地再现信号。
如上所述，对供DSL调制解调器之用的变压器领域中的该问题的传统并且普遍接受的解决方案是使用铁芯变压器。例如，ADSL变压器具有从几百微享到几毫享的线路端电感。它们不需要传送DC；但是它们被形成间隙，以便将它们的电感控制在±5％-±10％的范围内。漏电感大约正比于线路端电感，从几微享到几十微享。在上游信号和下游信号重叠的频率范围中，在ADSL系统中采用回波消除，使失真成为一个关键因素。典型的失真要求对于CPE端来说是-85dB最大THD，对于CO端来说是-80dB THD；这两者都是在100KHz下以15Vp-p信号测得的。
DSL正在变成企业和消费者的有关高速通信和因特网接入的最普及选择。DSL技术在全球的较大成功使所有电信制造商承受着生产下一代DSL产品的压力。为了保持和提高DSL占优势的可用性，服务质量和性能，需要优先考虑的主要事项是设计具有高信号可靠性和低功率操作的模拟电路。于是，模拟设计人员面对关于模拟前端标准部件，包括电路组件，线路接口变压器的要求的新挑战。所有这些参数显著影响传输的总体性能和服务质量。
但是，典型的ADSL变压器尺寸约为1厘米×1厘米×1厘米，即该装置的总的长宽比约为1∶1(具有类似于立方体的形状的三维物体)。不幸的是，这种构造庞大，笨重并且制造成本高，需要大量的原材料和熟练的劳动力来装配部件。对较小电子装置的持续压力迫使制造商寻找如在DSL调制解调器中使用的传统变压器的更小、更轻的替代品，所述替代器不依赖于铁氧体磁芯，但是不会导致性能降低。
在我们的PCT专利申请PCT/GB2004/050011中描述了一种DSL变压器，即，和本发明具有相同的应用，但是完全不同的结构，复杂性和耦合，于是被看作完全不同的装置的双绕变压器。该双绕变压器由借助于呈水平平行分布的两个30匝线圈(一个用于初级绕组，一个用于次级绕组)，呈许多层的垂直分布的多层结构组成。这种结构利用了内绕组初级回路和次级回路之间的水平磁耦合，以及垂直磁耦合。根据本发明的变压器利用许多单一的60匝线圈实现多层(层叠)结构，它主要利用了垂直磁耦合。
发明内容
本发明的优选实施例以能够用几何缠绕结构代替用来在DSL频率下工作的线路接口变压器中的铁氧体磁芯，而不会降低性能的理解为基础。一个特别的优点在于和等同的常规DSL铁氧体磁芯变压器相比，该几何结构较小(至少在某一维上)并且较轻。意外的是，申请人发现借助恰当的结构和几何形状，而不是借助外部电路组件，能够减轻这里公开的层叠变压器构造的一些实施例的共振效应，使这样的变压器对宽带宽内的平直频率响应特别重要的DSL技术中的应用具有吸引力。
根据本发明，提供一种变压器，它包括至少一个基本平坦的初级电路和至少一个基本平坦的次级电路，每个电路由连续的导电材料形成，其中初级电路和次级电路基本平行，并且在垂直平面中间隔一定的距离。所谓垂直平面指的是与初级电路或次级电路的平面(为了方便起见，称为水平平面)成直角。
变压器最好包含一个初级电路和一个次级电路，每个电路由连续的导电材料形成，并且电路呈材料的基本平行的螺旋形式。所述螺旋可以是圆形、椭圆形、正方形、长方形、卵形或者不规则形状。
螺旋最好基本符合由极坐标方程r(θ)＝αθ形成的螺旋，其中θ是极坐标中的角度，r是半径，α是调节匝数和间隔的常数。螺旋中的匝数至少为5。
可存在多个初级电路和次级电路，所有的初级电路可以彼此邻近，并借助气隙与彼此相邻地排列的次级电路分开。另一方面，初级电路和次级电路可被排列成相互交错，以致它们交替，在每个初级电路和次级电路之间存在一个气隙。
保持磁漏和变压器能力的一种途径是借助紧致的层叠构造，即，如果初级电路和次级电路在两个垂直分离的平行平面中。这导致两个垂直分离的螺旋线圈(从而“层叠的”变压器)。线圈的串联连接产生层叠结构，改进了信号传输。该构造增大了装置的高度。但是，装置的定义为直径：高度的总的高宽比保持较大，因此它代表准平面变压器(QPT)。
为了改进该组件，替代变压器功能的2D解决方案由一种平面结构组成，所述平面结构具有层叠的两个线圈(一个在另一个之上，两个均被隔离)，其特征在于没有铁磁元件。
通过利用单线圈串联构造，一个单线圈用于初级电路，一个单线圈用于次级电路，对于初级电路和次级电路来说，一般可至少存在10层或者更多层，通常层数越大，变压器工作越好。
本发明的特征是缺少铁磁元件，以及极低高宽比变压器装置的生产，例如1∶5或更小的高宽比，最好小于1∶10或者小于1∶20的高宽比。本发明提供一种没有铁磁(通常铁氧体)元件，高宽比较低的变压器。它具有另外的优点，因为制造工艺可按平面膜技术处理，还可按多层制备技术处理。本发明的实质在于基于3D铁氧体磁芯的设计被2D多层设计代替，在2D多层设计中，所有平面层被相互串联连接。本发明特别可用于(但不限于)不对称数字用户线ADSL和甚高速DSL(VDSL)应用。意外的是，发现铁磁元件的去除和该装置中低的物理高宽比是可能的，于是观察到变压作用。铁磁元件(例如铁氧体)的废除减轻了构造工作。
根据本发明的另一方面，提供一种数字用户线(DSL)调制解调器，它包含具有耦合传输线路的初级电路，和输出通过所述传输线路传送的信号的次级电路的线路接口变压器，每个电路由连续的导电材料形成，其中初级电路定义第一平面，次级电路定义第二平面，所述第一平面和第二平面基本相互平行。要认识到平面是一个便利的术语，每个电路并不完全位于一个平面内。最好所述第一平面与所述第二平面隔开一定距离。这得到一种结构，其中初级电路和次级电路在垂直平面中隔开一定距离。这样的变压器利用了垂直磁耦合，它可包含产生电感、电容和电阻的大量绕组(几百个)。这样的特性产生共振频率，于是已发现恰当的方法能够减轻共振行为，提供良好的ADSL变压器工作。这些方法与外部电路和/或变压器几何形状和结构相关。
有利的是，所述线路接口变压器包含交替的多层所述初级电路和所述次级电路。每层可存在一个以上的每种电路。
最好，存在多个第一平面和第二平面，每个平面形成一层，其中所述初级电路包含基本平行的多层，所述第二电路包含基本平行的多层。
有利的是，所述多层初级电路彼此相邻，所述多层次级电路彼此相邻，所述初级电路和次级电路由间隙隔开。所述间隙最好不大于电路之间所需的绝缘宽度，最好不大于0.1毫米。所述间隙可以是气隙。
在一个实施例中，所述初级电路层形成初级电路叠层，所述次级电路层形成次级电路叠层，所述初级电路叠层和所述次级电路叠层相互邻近地层叠。在这两个叠层之间存在间隙。所述间隙可以是气隙。间隙的大小介于0.1毫米-0.5毫米之间，取决于其中将使用所述变压器的带宽。通过调整间隙的大小，能够调整变压器的电容，从而转移共振。
在另一实施例中，各层所述初级电路与各层所述次级电路交错。
最好，两层之间的间隔不大于0.5毫米。这有助于确保在关心的频带内的良好变压器作用。
有利的是，所述多层初级电路被串联或并联连接。每层中的各个电路之间的串联连接更可取，因为这有助于增大电感。
最好，所述多层次级电路被串联或并联连接。每层中的各个电路之间的串联连接更可取，因为这有助于增大电感。
变压器的频率响应曲线随着电路的层数的增大而改进。有利的是，线路接口变压器还包括至少10层所述基本平行的多层所述初级电路，和至少10层的所述基本平行的多层所述次级电路。对于通过变压器的信号传输来说，已发现这可产生良好的结果，每种电路的层数最好为20-40层，30层可提供尺寸和重量与性能之间的良好折衷。
优选的是，每个电路的匝数至少为10。最好每个电路具有大约50-70匝，约60匝可产生良好的结果。
有利的是，DSL调制解调器还包含阻尼所述次级电路中的共振的阻尼装置。所述阻尼装置可以是动态的或者无源的。在一个实施例中，阻尼装置是平面金属元件，比如金属板或金属箔。在另一实施例中，阻尼装置可以是已被短路的无源初级电路和/或次级电路，以形成一个隔离的导电通路，其中将感应产生电压，从而提供阻尼效果。从制造的观点来看，这样的构造特别简单。
最好，所述阻尼装置被布置在所述线路接口变压器的一侧。一侧意味着与平面电路之一相邻。
有利的是，所述阻尼装置被布置在所述线路接口变压器的两侧。
最好，所述阻尼装置布置在所述初级电路和次级电路之间。已发现这种构造以很少的电路层产生极佳的结果。在整个变压器结构中，阻尼装置邻近初级电路，邻近次级电路的排列可被重复。在一个实施例中，这种结构具有至少10个初级电路层和至少10个次级电路层。初级电路层的数目可以和次级电路层的数目相同，也可不同。增大层数将延伸变压器的频带宽度的上端。
在一个实施例中，所述阻尼装置包含金属，比如铝。在另一实施例中，所述金属可以是铁磁材料，比如铁。
有利的是，所述初级电路和所述次级电路呈导电材料的基本平行的螺旋形状，所述螺旋定义不同的平面。
最好，所述螺旋基本上为圆形、椭圆形、正方形、长方形、卵形或者不规则形状。
有利的是，螺旋基本符合由极坐标方程r(θ)＝αθ形成的螺旋，其中θ是极坐标中的角度，r是半径，α是调节匝数和间隔的常数。
最好，线路接口变压器具有为1∶5或者更大的长宽比(定义为直径∶宽度)。从而，与现有的DSL变压器相比，变压器的高度被大大降低。
有利的是，所述线路接口变压器不包含铁磁芯。铁磁芯的消除大大降低了线路接口变压器的重量、尺寸和成本，从而大大降低了DSL调制解调器的重量、尺寸和成本。
根据本发明的另一方面，提供一种供DSL调制解调器之用的线路接口变压器，所述线路接口变压器具有上面陈述的任意线路接口变压器特征。
根据本发明的另一方面，提供一种通过传输线路传送电子数据的方法，所述方法包括利用上面陈述的线路接口变压器将所述电子数据放在所述传输线路上的步骤。
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，所述方法包括插入如上陈述的线路接口变压器，和电连接所述变压器的步骤。该方法可由利用DSL连接向用户传送数据(例如网页、电子邮件、文件)的电话公司执行。数据可以是数字数据，该方法还可包括以调制形式，例如依据DMT和/或QAM，通过线路接口变压器传送数据的步骤。该方法还可包括在许多载频内，通过线路接口变压器传送数据的步骤。在一个实施例中，在从约26kHz-2.2MHz的带宽(它约为2MHz)内，载频间隔一定的距离。最好，利用xDSL信号，比如ADSL、ADSL2和ADSL2+通过变压器传送数字数据。
根据本发明的另一方面，提供一种在约10kHz和20MHz之间传送低频带数字数据信号的空芯变压器，所述变压器包含一个初级电路和一个次级电路，所述初级电路和次级电路具有许多匝，以致所述变压器包含许多层，每层具有所有初级或所有次级导体，存在所述许多匝和许多层的足以获得在所述频带内，将所述数字数据信号从所述初级电路传给所述次级电路的变压器作用的组合。空芯变压器可具备上面提及的任何阻尼装置特征。此外，变压器的适当实施例可具有传递高于2.5MHz的频率的应用。
最好，所述层从所述变压器的中心沿径向向外延伸。从而该层可被看成定义一个平面，不过显然初级电路和次级电路是三维的，并且将包含该平面，但是并不仅仅位于该平面内。
有利的是，多层所述初级电路彼此相邻，从而形成初级电路叠层，多层所述次级电路彼此相邻，从而形成次级电路叠层，该构造是这样的，以致所述初级电路叠层和所述次级电路叠层相系堆叠，从而促进所述变压器作用。
最好，多层所述初级电路与多层所述次级电路交错，该构造是这样的，以致存在交替的多层所述初级电路和次级电路。
有利的是，所述交替层包含单层的所述初级电路和次级电路。
最好，每层中的导体之间的间隔约为0.02毫米-0.075毫米。
有利的是，每层之间的间隔约为0.02毫米-0.2毫米。
最好，每个电路至少有10层，并且每个电路具有大约50-70匝，约60匝可产生良好的结果。
根据本发明的另一方面，提供一种包含如上所述的空芯变压器的电路。已发现该电路提供DSL频带中的有用信号传输性质，电流和电压。要认识到本领域的技术人员可改变匝数和层数，同时仍然获得传送DSL信号所必需的变压器作用。但是，DSL调制解调器中的良好信号过滤技术允许减少匝数/层数，只要在关心的DSL频带内保持基本线性的传输特性。此外，不同的制造技术可得到实现相同结果所需的不同匝数/层数。例如，绝缘导线的手工或机器缠绕技术允许匝数/层数稍少，因为与PCB制造抽样调查上比，导线相对靠近。在PCB中，由于导电迹线未被绝缘，迹线之间的间隔需要较大，以防止短路。
根据本发明的另一方面，提供一种包含如上所述的空芯变压器的电路。所述电路可以是具体表现为独立单元或者PC卡的DSL调制解调器电路。
附图说明
为了更好地理解本发明，下面将参考附图举例说明，其中：
图1是表示POTS和ADSL使用的频带的频率-振幅示意图；
图2是由双绞线连接的根据本发明的两个ADSL调制解调器的方框图；
图3A表示图2中的ADSL调制解调器之一的更多细节；
图3B是DSL调制解调器电路的一部分的示意电路图，表示线路接口变压器的位置；
图3C是图解说明DSL信号的本质的两个图；
图4是ADSL带宽内，标准DSL变压器的频率-振幅曲线图；
图5是ADSL2带宽内，标准DSL变压器的频率-振幅曲线图；
图6是ADSL2+带宽内，标准DSL变压器的频率-振幅曲线图；
图7是根据本发明的变压器的第一实施例的示意透视图；
图8是根据本发明的变压器的第二实施例的示意透视图；
图9是用于构成和图8中的变压器类似的变压器的两个PCB模块的示意横截面图；
图10是图8的PCB变压器的照片；
图11是根据本发明的两个导体结构的示意横截面图；
图12是在ADSL、ADSL2和ADSL2+带宽内，图8的变压器的频率-振幅曲线图；
图13是根据本发明的变压器的第三实施例的示意透视图；
图14是在ADSL、ADSL2和ADSL2+带宽内，图13的变压器的频率-振幅曲线图；
图15是根据本发明的变压器的第四实施例的示意透视图；
图16是在ADSL2带宽内，图15的变压器的频率-振幅曲线图；
图17是在ADSL2+带宽内，图15的变压器的频率-振幅曲线图；
图18是根据本发明的变压器的第五实施例的示意横截面图；
图19是在ADSL2+带宽内，图18的变压器的频率-振幅曲线图。
具体实施方式
参见图2和3A，通过双绞铜线16在两个调制解调器12、14之间建立ADSL 10。就功能来说，调制解调器12、14相同，从而将只详细说明一个调制解调器。调制解调器12包含低通滤波器18，用于过滤POTS音频带(～0-4kHz)，和高通滤波器20，用于过滤ADSL频带(～26kHz-1.1MHz)。包含线绕的三维铁氧体磁芯的宽带变压器22位于高通滤波器20的下游，用于将剩余的下游电路和双绞线16隔开，如上所述。ADSL芯片集24接收来自宽带变压器22的次级绕组(未示出)的ADSL信号(即～26kHz以上的频率)。ADSL芯片集24用于放大和译解ADSL信号以便进行后续处理。ADSL芯片集24将处理后的ADSL信号传送给因特网服务提供商(ISP)或者传送给个人计算机(PC)，取决于调制解调器的位置。低通滤波器18将低频POTS信号传给公共交换电话网(PSTN)或者电话机，取决于调制解调器是位于CO还是位于CP。图3B表示宽带变压器22在典型的ADSL电路26中的位置，所述典型的ADSL电路26是调制解调器12、14的一部分。
参见图3C，两个图29和29′图解说明了DSL信号的本质。ADSL依赖于离散多音调(DMT)调制来通过电话线传送数字数据。ADSL频谱占据从～26kHz-1.1MHz的频率，同时将20kHz以下的空间留给语音信号(参见图1)。在该时域中观察到的信号表现为伪随机噪声信号，图29暗示DMT信号一般产生两个低rms电压电平。但是，xDSL线路激励放大器(参见图3C)必须能够传送由几个子频带或音调中的许多载波可能相位对准的有限概率引起的峰值电压。当产生这些大峰值时，为了再现它们，必须产生动态净空容限。
在频域中，DMT调制表现为包含在几个单独的子频带(有时称为音调或bin)中的功率，每个子频带均匀地间隔4.3125kHz(参见图29′)。在每个子频带或音调的中心频率发生唯一编码的类似正交调幅(QAM)的信号。在所描述的频域中，上游DMT信号在每个子频带产生大约-1dBm的峰值。组合每个子频带中的功率，总共13dBm的功率被传给负载。保持足够的电压净空，以致放大器能够传送未失真的峰值是有挑战性的。这些罕见的峰值与DMT波形中的rma电平的比值被称为峰均值比(PAR)或者“波峰因数”。当设计ADSL调制解调器的线路激励器混合电路时，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QAM信号破坏，那么当对包含在DMT子频带中的信息解码时存在困难。互调失真是主要的顾虑，因为典型的xDSL下游DMT信号可能包含QAM信号的多达256个载波(子频带或音调)。在xDSL调制解调器中，要求DMT信号保真度，以致解调器能够准确地检测模拟信号振幅。ADC从而能够准确地将包含在每个子频带内的量值和符号信息转换成对应的数字比特流。当纠错方案不能恢复由于DMS信号保真性的缺失而导致的一块破坏数据时，会发生比特差错。简而言之，必须通过ADSL线路激励器和桥接混合电路保持DMT信号保真性，以便保持性能，使数据破坏最小化和提高DSL调制解调器中的数据传输速率。
在有源装置的电流和电压能力需要与不同的负载阻抗匹配的地方，变压器得到许多应用。由于变压器以匝数比的平方的形式将次级负载阻抗反映到初级负载阻抗中，因此在电压激励降低的时候，电流激励需求增大。
ADSL调制解调器需要模拟桥接混合电路来提供几个重要的功能。桥接混合电路通过电话线传送和接收包含在模拟信号中的数据，将接收信号和传送信号分开，提供适当的线路终端阻抗，和将线路与调制解调器隔开。它还可被设计成使传送给线路的功率最优化。
在ADSL标准中陈述了本上下文内宽带变压器22的功能要求。在下面的表中给出了这些要求：
表：ADSL要求
| 参数 | 全速率ADSL下游 | 全速率ADSL上游 | |
| 特性 | 使用的通道 | 31-256 | 6-30 |
| 频带(KHz) | 133.7-1104 | 25.8-129.4 | |
| 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 | |
| 电气要求 | RMS线路电压(V) | 3.1 | 1.4 |
| RMS线路电流(mA) | 31 | 15 | |
| 峰均值比PAR | 5.3 | 5.3 | |
| 峰值线路电压(V) | 16.5 | 7.6 | |
| 峰间线路电压(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/通道(Kbits/s) | 60 | 60 | |
| 所使用通道的最大数据速率 | 13.5Mb/s | 1.4MB/s |
从而，宽带变压器22必须跨越ADSL频带基本无失真，无振幅损耗，无相移和无谐波地传递来自双绞线的信号。特别地，调制解调器14在26KHz和138KHz之间将表示电子数据的信号发送给电话公司调制解调器12，并接收从138KHz一直到1.1MHz的信号。参见图4、5和6，ADSL、ADSL2和ADSL2+频带内宽带变压器22(APCLimited model 41199 0040C)的频率响应图分别由附图标记30、32和34识别。图30、32和34分别包含变压器的初级绕组的响应曲线30a、32a和34a，以及变压器的次级绕组的响应曲线30b、32b和34b，在各个带宽内测试信号为7.5V。在100kHz和每个范围的上端(即，分别为1MHz、1.2MHz和2.2MHz)之间，次级绕组的频率响应相对平直。但是，在20kHz和100kHz之间，随着频率降低，来自次级绕组的输出电压下降。这归因于在背景技术中提及的低频下的磁漏问题。特别地，当频率降低时，集肤深度增大，即，假定其它一切保持恒定，绕组中为了吸收包含在磁通量中的63％的可用能量而需要的材料的数量增大。如果在该低频下需要更大比例的能量转移，那么现有技术中可接受的解决方案是增大次级绕组中的材料的数量和/或增大铁芯的尺寸以便集中磁通量。申请人发现一种除去典型DSL变压器的铁芯，而不存在磁链方面的显著损失的途径。
参见图7，由附图标记40识别的变压器的第一实施例包含两个螺旋电路：初级电路42和次级电路44。要注意的是不存在铁氧体磁芯。每个电路定义一个平面，每个平面与另一平面平行，每个电路缠绕，从而形成阿基米行德螺旋(为了清楚起见，每个电路的线圈之间的间隔被大大放大)。每个电路在叠层电路板(未示出)上蚀刻，并且包括在电路板上方的宽度约为0.075毫米，高度约为0.05毫米的铜迹线。每个电路具有60匝，直径约为18.29毫米。每个电路42、44的迹线之间的水平间距(在最近的边缘间测量)为0.075毫米。线圈的总直径为20毫米。在下面的表中给出了变压器40的单层的规范。
| 用于各层的单线圈的规范 | |
| 类型 | 叠层变压器 |
| 制造： | PCB技术 |
| 尺寸： | 直径18.288毫米 |
| 匝数： | 60 |
| 线圈厚度： | 0.0762毫米 |
| 分隔： | 气隙 |
| 耦合： | 各层间的垂直磁耦合 |
参见图8，由附图标记50识别的变压器的第二实施例包含14层初级电路的叠层51，每层具有60匝。初级电路52被堆叠，它们的平面相互平行(为了清楚起见，图中表示成隔开一定距离)。每个初级电路52之间的间距约为0.07毫米。每个初级电路52在其径向最内侧端部与直接在上方的初级电路52的径向最内侧端部连接，在其径向最外侧端部与直接在下方的初级电路52的径向最外侧端部连接，反之亦然，从而在输入端53和输出端54之间形成一个连续的导电通路(即，初级电路之间的串联)。
变压器50还包括14层次级电路56的叠层55(只表示了14层)。每层具有60匝。次级电路56被堆叠，它们的平面相互平行(为了清楚起见，图中表示成隔开一定距离)。每个次级电路56之间的间距约为0.07毫米。每个次级电路56在其径向最内侧端部与直接在上方的次级电路56的径向最内侧端部连接，在其径向最外侧端部与直接在下方的次级电路56的径向最外侧端部连接，反之亦然，从而在输入端57和输出端58之间形成一个连续的导电通路(即，次级电路之间的串联)。
在它们的最近点，叠层51和叠层55之间的间距约为0.1毫米。变压器操作和频率响应随着层数改进，层数介于20层和40层之间(每层60匝)产生DSL应用的良好结果。
参见图9，以PCB电路的形式表示了变压器50。每个PCB层具有一个初级或次级电路，所述初级或次级电路具有60匝，尺寸为20毫米×20毫米，厚度为0.355毫米(在压制之前)，即，它具有高的高宽比(直径∶高度)。制造中，6个PCB层被堆叠，加热和压制，形成初级或次级电路的模块6。初级电路52和次级电路56的模块60可相互堆叠，从而形成具有所需数目的电路层的变压器50。变压器50包含初级电路52的五个模块和次级电路56的五个模块，于是包含60个电路层。在每个模块60内，初级电路52(和次级电路56)通过接线61或者在PCB的中心附近，或者在PCB的边缘附近与下面的一层上的对应电路连接。此外，每个PCB层之间的接线61在中心位置和边缘位置之间交替。每个模块60之间的间隔为0.2毫米，并由PCB薄板形成，从而将一个模块60的电路与另一模块60的电路隔开。图10中表示了PCB变压器的照片，从该照片可看出，PCB变压器显然是准平面的。尺寸小是很明显的，尤其是在高度方面。图10中的PCB变压器50的尺寸为2.3毫米×20毫米×20毫米(H×W×D)，重量为1.9克，典型的ADSL变压器的重量为6.3克。这样的重量降低(大约70％)在制造和运输成本方面对行业带来显著的优点。
初级电路52和次级电路56的这种几何构造的目的是主要通过全局耦合(即，由初级电路42与次级电路44产生的垂直磁通量分量的耦合)，而不是电路的相邻迹线之间的局部磁通量转移来实现变压器作用。特别地，参见图12，两种初级电路和次级电路导线分布图被图解表示为“Stacked-1”和“Stacked-2”。这些构造均包含一个三维结构，所述三维结构具有层叠的多层初级电路和次级电路。就Stacked-1来说，初级电路被相互层叠，从而形成初级电路叠层，次级电路被相互层叠，从而形成次级电路叠层。这两个叠层随后被安装成一个叠层在另一叠层之上。就Stacked-2来说，初级电路被交替层叠在次级电路之上，从而形成交错结构。
这种三维绕组结构的特殊优点在于初级电路的电感被增大，到次级电路的磁漏被改进，即使在DSL的低频率下。此外，这种结构提供低的Q因数，从而在整个ADSL频率范围内存在良好的频率响应。Stacked-2结构的特殊优点在于每个初级电路上下都具有次级电路。次级导线(或者迹线)与初级导线(或迹线)如此接近，以致获得极好的局部磁链。和初级电路的叠层的内层和外层更加远离电路的次级叠层的Stacked-1构造不同，Stacked-2构造使初级电路和次级电路被对称布置。于是，变压器50主体内的磁通量更均匀，因为磁通量的垂直(即，垂直于每个电路定义的平面)分量占优势，水平磁通量的分量较小。由于每个电路的相邻部分水平间隔一定距离，因此重要的是减小磁通量的扩大/收缩的水平分量，从而降低自感应。
此外在更大的规模上来看，这种结构有助于降低初级导线和次级导线之间的寄生电容。当导线被缠绕从而形成这些结构时，导线之间的间隔只是这两个导线之间的绝缘体的宽度(一般～0.02毫米)。当使用PCB制造技术时，该间隔将稍大(～0.075毫米)，因为导电迹线未被绝缘体封闭。需要采取预防措施来防止短路，因为线路接口变压器的隔离安全功能极为重要。
参见图12，由附图标记70识别的曲线图表示变压器50在ADSL2+频带宽度(它包含ADSL和ADSL2带宽)内的频率响应。7.5V的输入电压被输入初级电路42，通过变压器作用从次级电路产生输出电压72。在约300kHz下，在输出电压72中观察到明显的共振73，共振73随后在300kHz-约1.25MHz的频率范围内按指数规律地降低到0。次级输出电压72中的该共振特别不合需要，因为为了在接收器获得最小的误码率，在整个DSL频率范围内，DSL线路接口变压器应理想地具有1∶1的电压传输特性。信号衰减是可容忍的，只要在关心的频率范围内损耗基本上是一样的(即，衰减与输入频率无关)。因此，如果变压器50要具有作为线路接口(或者宽带)变压器的实际应用，那么重要的是应减轻共振和与频率相关的衰减。这可通过改变变压器的电感和/或电容性质，使频率响应变平(例如，通过将共振移出关心的频带之外)来实现。在目前的情况下，本发明通过改变变压器的几何结构(例如匝数，层数，各层之间的间隔等)来提供这些调节。另外或者另一方面，为此可结合变压器使用另一电路组件(例如电容器)。
参见图13，由附图标记80识别的变压器的第二实施例包含初级电路81和次级电路82的交错结构。初级电路81以平面平行的方式层叠在次级电路82之上，以致每个初级电路81在任何一侧具有一个次级电路82，反之亦然。在交替的各层之间实现电连接，以致初级电路被串联连接成到端子83、84的第一电路，次级电路被串联连接成到端子85、86的第二电路。该交错结构意图改进初级电路和次级电路之间的耦合，从而改变变压器的电容特性，和降低在DSL带宽中的频率上的共振效应。另外或者另一方面，可平行于变压器(或者这里描述的任何其它变压器)布置一个电容器，从而将共振移到关心的频带宽度之外。在DSL带宽内，变压器80的耦合系数高达约0.9。这种构造的一个特殊优点在于初级电路和次级电路之间的电容耦合被减小，使变压器80能够在更高的频率，例如ADSL2+下使用。
变压器80的PCB结构和上面关于所参考的变压器50描述的PCB结构类似。变压器80每个电路层具有60匝。理想地，如果变压器要在ADSL2带宽(即，高达约1.1MHz)内使用，那么应至少存在20个初级电路层和20个次级电路层；理想地，如果变压器要在ADSL2+带宽(即，约2.2MHz)内使用，那么应至少存在30个初级电路层和30个次级电路层。各层间的间隔应如上所述。
参见图14，附图标记90识别的曲线图表示在ADSL2+频带宽度(它包含ADSL和ADSL2带宽)内，具有5个初级电路层81和5个次级电路层82的手工形式的变压器80的频率响应。7.5V的输入电压92被输入初级电路81，通过变压器作用从次级电路82产生输出电压92。在ADSL/ADSL2频带宽度(即，高达1.1MHz)内，变压器80的频率响应相对平直，在750kHz-1.1MHz的输入频率下，在输出电压92中出现共振93。共振93的峰值出现在约1.1MHz频率下，次级电路82输出四倍于输入电压，随后，输出电压92在大于1.1MHz频率的输入频率下逐渐降低。在大于约1.6MHz的输入频率下，输出电压92小于输入电压91。对于DSL应用来说，这些特性并不令人满意。
申请人仔细考虑了该问题，意外地发现在变压器的各层的一侧或两侧和/或在变压器的各层内使用电磁屏蔽元件可减小共振/衰减问题。惊人的是，实验发现只在一侧使用金属元件产生良好的结果。惊人的是，在变压器的各层内散布这样的金属元件产生更好的结果。金属元件可以呈板状，箔状或者连续的导电迹线。金属元件的形状理想地(不过不是必需地)应和变压器的各层的形状相同，这种情况下基本上为圆形。金属元件的厚度应小于约0.2毫米，层数可介于1-10之间，5层可用于DSL应用。
参见图15，由附图标记100识别的变压器的第四实施例包含变压器80和四层铝箔101，所述四层铝箔101彼此邻近，并且布置在变压器80的一侧，以致由铝箔层101定义的平面基本平行于由变压器80的电路层定义的平面。每片铝箔厚度为0.05毫米，并被切割成圆形以便和变压器0的轨迹相符，不过相同的形状不是必不可少的。注意每层的内部线圈已被省略。每层的内部10圈对变压器的电感的贡献很小，于是省略它们不会极大地影响变压器80的性质。但是，获得一些制造优点，并且各层之间的寄生电容被降低。这里描述的任何变压器可以将许多(例如5-10)内部线圈省略掉。
使用中，铝箔层101的功能是借助变压器80周围不断变化的磁场产生涡流，和降低共振效应。依据Lenz定律，这些涡流对抗变压器80的磁通量的变化。于是，铝箔层101通过对抗在次级电路82中产生的较高电压，阻尼任何共振峰值。当输出信号被衰减时，铝箔层101中的涡流试图维持次级电路中的较高电压。在DSL频率范围中，对于铝来说，其中吸收1/e或者63％的磁场的集肤深度约为0.5毫米-0.086毫米。从而，通过恰当地选择铝箔层101的总厚度，能够确保在低频率下，涡流较小，并对次级输出电压具有对应的影响；而在观察到共振的较高频率下，涡流具有更大的量值，于是阻尼共振并且抗拒衰减。这样，在DSL频率范围内，可使变压器80的频率响应曲线变平。
参见图16，由附图标记110识别的曲线图表示在ADSL/ADSL2频带宽度内，包含10个电路层(5个初级电路层，5个次级电路层)的手工缠绕变压器100的频率响应。7.5V的输入电压111被输入初级电路，通过变压器作用从次级电路82产生输出电压112。在大部分ADSL/ADSL2频率范围内，输出电压102基本平直，尤其是在该频率范围的上端观察到的较大共振已被大大降低。
参见图17，由附图标记120识别的曲线图表示在ADSL2+频带宽度内，手工缠绕的变压器100的频率响应。7.5V的输入电压121被输入初级电路，通过变压器作用从次级电路产生输出电压122。在大部分ADSL2+频率范围内，输出电压122基本平直，尤其是在该频率范围的中间观察到的较大共振已被大大降低(现在它只比输入电压121高约30％，而不是像在图15中那样高400％)，并被推到该频率范围的上端。通过增加更多的电路层，一直到每种电路约30层，可将2MHz下的较小共振移到ADSL2+频带之外。
参见图18，由附图标记130识别的变压器的第五实施例包括交替的多层初级电路131，次级电路132和铝板133，从而形成由两个铝板133分开的6个电路层。每个铝板133的尺寸和上面所述的类似。每个初级电路层131具有60匝，每个次级电路层132具有60匝。变压器130手工缠绕(不过这种结构服从于任何适宜的自动化制造工艺)，每个电路的导体之间的间隔和每层之间的间隔为两个绝缘体厚度。变压器130的电学性质为：
Lpri＝1.33mH
Lsec＝1.39mH
Rpri＝3.49Ω
Rsec＝3.55Ω
Cpri＝Csec＝19μF
参见图19，由附图标记140识别的曲线图表示变压器130在ADSL2+频带宽度内的频率响应。7.5V的输入电压141被输入初级电路，通过变压器作用从次级电路产生输出电压142。在ADSL2+带宽内，变压器130表现出非常平直的频率响应，衰减基本上与频率无关。鉴于层数较少，这是非常令人惊奇的。向变压器130增加由铝板隔开的更多层会减少衰减量，将变压器的平直频率响应延伸到更高的频率。特别地，增加更多的初级电路层和次级电路层增大了变压器130的电感，从而降低了输出电压142的衰减。但是，输出电压142中在某些频率下观察到的共振效应相应地增大。如果增加更多的铝板133，那么任何共振被移向更高的频率，但是输出电压142的衰减被增大。从而，必须在电路层的数目和铝板133的数目之间达到平衡。申请人发现上面描述的组合产生良好的结果。对于DSL应用，初级电路、次级电路、铝板的分布模式可被重复，直到初级电路和次级电路均为10-20层为止。这样的构造可用于数十MHz下的DSL应用，例如VDSL。
在一个备选实施例中，铝板/箔可由无源电路替代，即，类似于初级电路和次级电路，但是被短路的螺旋电路。这样的无源电路可实现和铝板相同的功能，但是带来制造优点，尤其是对于PCB来说更是如此，就PCB来说，一层只是被短路，而不是与其它的初级电路或次级电路连接。
在另一备选实施例中，在各层铝板之间(或者无论使用哪种共振阻尼装置)可存在一个以上的每种电路。
要认识到这里描述的变压器可按照各种制造工艺处理，包括蚀刻，印刷电路板，薄膜沉积和自动化机器缠绕。利用这些方法能够用数量减少的原材料快速、便宜地生产这样的变压器。和常规的DSL变压器相比，完成的产品又轻又小。
导线的直径和材料(或者迹线的宽度)，导线间的间隔，各层间的间隔，每个电路的匝数，层数和各层的厚度，以及金属元件的位置都影响这里描述的变压器的性能。但是，根据这里描述的形成具有层叠结构的变压器的原理，本领域的技术人员能够调整上面的各种参数来获得所需的低频宽带信号传输特性，同时减小重量和空间。
Claims (36)
1、一种数字用户线(DSL)调制解调器，包括具有耦合传输线路的初级电路，以及输出通过所述传输线路传送的信号的次级电路的线路接口变压器，每个电路由连续的导电材料形成，其中所述初级电路定义第一平面，所述次级电路定义第二平面，所述第一平面和第二平面基本相互平行。
2、按照权利要求1所述的DSL调制解调器，其中所述第一平面与所述第二平面隔开一定距离。
3、按照权利要求1或2所述的DSL调制解调器，其中所述线路接口变压器包括交替的多层所述初级电路和所述次级电路。
4、按照权利要求1、2或3所述的DSL调制解调器，其中存在多个第一平面和第二平面，每个平面形成一层，其中所述初级电路包括基本平行的多层，所述第二电路包括基本平行的多层。
5、按照权利要求4所述的DSL调制解调器，其中所述多层初级电路彼此相邻，所述多层次级电路彼此相邻，所述初级电路和次级电路由间隙隔开。
6、按照权利要求5所述的DSL调制解调器，其中所述初级电路层形成初级电路叠层，所述次级电路层形成次级电路叠层，所述初级电路叠层和所述次级电路叠层相互邻近地层叠。
7、按照权利要求3或4所述的DSL调制解调器，其中各层所述初级电路与各层所述次级电路交错。
8、按照权利要求4-7任意之一所述的DSL调制解调器，其中所述各层之间的间隔不大于0.5毫米。
9、按照权利要求4-8任意之一所述的DSL调制解调器，其中所述多层初级电路被串联或并联连接。
10、按照权利要求4-9任意之一所述的DSL调制解调器，其中所述多层次级电路被串联或并联连接。
11、按照权利要求4-10任意之一所述的DSL调制解调器，还包括至少10层所述基本平行的多层所述初级电路，以及至少10层的所述基本平行的多层所述次级电路。
12、按照前述任何一个权利要求所述的DSL调制解调器，其中每个电路的匝数至少为10。
13、按照前述任何一个权利要求所述的DSL调制解调器，还包括阻尼所述次级电路中的共振的阻尼装置。
14、按照权利要求13所述的DSL调制解调器，其中所述阻尼装置被布置在所述线路接口变压器的一侧。
15、按照权利要求13或14所述的DSL调制解调器，其中所述阻尼装置被布置在所述线路接口变压器的两侧。
16、按照权利要求13、14或15所述的DSL调制解调器，其中所述阻尼装置布置在所述初级电路和次级电路之间。
17、按照权利要求13、14、15或16所述的DSL调制解调器，其中所述阻尼装置包括金属。
18、按照权利要求17所述的DSL调制解调器，其中所述阻尼装置包括金属板或金属箔。
19、按照前述任何一个权利要求所述的DSL调制解调器，其中所述初级电路和所述次级电路呈导电材料的基本平行的螺旋形状，用以定义不同的平面。
20、按照权利要求19所述的DSL调制解调器，其中所述螺旋基本上为圆形、椭圆形、正方形、长方形、卵形或者不规则形状。
21、按照权利要求19或20所述的DSL调制解调器，其中所述螺旋基本符合由极坐标方程r(θ)＝αθ形成的螺旋，其中θ是极坐标中的角度，r是半径，α是用于调节匝数和间隔的常数。
22、按照前述任何一个权利要求所述的DSL调制解调器，具有为1∶5或者更大的长宽比，所述长宽比被定义为直径：宽度。
23、按照前述任何一个权利要求所述的DSL调制解调器，其中所述线路接口变压器不包含铁磁芯。
24、一种供DSL调制解调器之用的，具有任何一个前述权利要求所述的任意线路接口变压器特征的线路接口变压器。
25、一种通过传输线路传送电子数据的方法，所述方法包括利用按照权利要求24所述的线路接口变压器，将所述电子数据设置在所述传输线路上的步骤。
26、一种制造DSL调制解调器的方法，所述方法包括插入按照权利要求24所述的线路接口变压器，并且电连接所述变压器的步骤。
27、一种在约10kHz和20MHz之间传送低频带数字数据信号的空芯变压器，所述变压器包括初级电路和次级电路，所述初级电路和次级电路具有许多匝，以致所述变压器包括许多层，每层具有所有初级或所有次级导体，存在足以获得在所述频带内，将所述数字数据信号从所述初级电路传给所述次级电路的变压器作用的所述许多匝和许多层的组合。
28、按照权利要求27所述的空芯变压器，其中所述层从所述变压器的中心沿径向向外延伸。
29、按照权利要求27或28所述的空芯变压器，其中多层所述初级电路彼此相邻，从而形成初级电路叠层，多层所述次级电路彼此相邻，从而形成次级电路叠层，所述布置使得所述初级电路叠层和所述次级电路叠层相系堆叠，从而实现所述变压器作用。
30、按照权利要求27或28所述的空芯变压器，其中多层所述初级电路与多层所述次级电路交错，所述布置使得存在交替的多层所述初级电路和次级电路。
31、按照权利要求30所述的空芯变压器，其中所述交替层包括单层的所述初级电路和次级电路。
32、按照权利要求27-31任何一个所述的空芯变压器，其中每层中的导体之间的间隔约为0.02毫米-0.075毫米。
33、按照权利要求27-32任何一个所述的空芯变压器，其中每层之间的间隔约为0.02毫米-0.2毫米。
34、按照权利要求27-33任何一个所述的空芯变压器，其中存在至少10层。
35、一种包括按照权利要求27-34任何一个所述的空芯变压器的电路。
36、一种包含按照权利要求35所述的电路的DSL调制解调器。
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Open date: 20070207 |