CN2874794Y

CN2874794Y - 一种平衡不平衡变换器

Info

Publication number: CN2874794Y
Application number: CN 200620013408
Authority: CN
Inventors: 罗兵; 肖智
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2016-04-04

Abstract

本实用新型涉及一种平衡不平衡变换器，包括：第一导体，连接在不平衡端口和开路之间，包括依次连接的第一阻抗单元、传输单元、第二阻抗单元，其中所述的第一阻抗单元和第二阻抗单元对称分布在所述传输单元的两侧；第二导体，其连接在第一接地端和第一平衡端口之间，与第一阻抗单元相互耦合；第三导体，其连接在第二接地端和第二平衡端口之间，与所的第二阻抗单元耦合；从不平衡端口输入第一导体的信号经过第二导体和第三导体耦合后输出平衡信号。由于采用阶梯阻抗变换的耦合线来代替连续阻抗的耦合线，并通过调整各耦合单元的阻抗比，可以有效低减少耦合线的总长度，从而达到减小电路体积的目的。

Description

一种平衡不平衡变换器

技术领域

本实用新型涉及无线电技术，更具体地说，涉及一种平衡不平衡交换器。

背景技术

现代通讯产品小型化的要求不断提高，需要高密度的互连技术来支撑产品的小型化需求，大大提高了实现的难度。在某些情况下，利用传统的PCB技术已经很难实现。因此目前新型的互连技术获得了长足的进步。其中，LTCC技术，因其具有多层三维立体布线、高介电常数、低损耗以及高稳定性的特点，目前在通讯产品应用得到了广泛的应用。

LTCC技术的应用一般有两种形式，第一是应用于制作独立的无源器件，如滤波器、耦合器、平衡不平衡交换器(或称为“巴伦”)、天线等等；第二是用于制作模块或者封装的载板，这种应用方式与传统的PCB类似，其特点在于将无源器件集成到载板内部，从而大大提高了互连密度。

无源器件是通过将一个或多个导体和一个或多个介质按照一定的形状和位置关系进行组合，从而实现某种特定功能的电子器件。而巴伦(Balun)是平衡不平衡变换器的简称，其作用是将信号从单端输入(或输出)变成平衡输出(或输入)，并完成阻抗变换匹配。巴伦11一般包括三个端口：一个不平衡端口10，两个平衡端口(12、14)(如图1所示)。

巴伦的实现有多种方式。对于微带线结构的巴伦，其设计一般基于Marchand巴伦基本结构(如图2所示)，需要通过两段均为1/4波长的连续阻抗的耦合线，即Zoo1与Zoe1耦合的耦合线、Zoo2与Zoe2耦合的耦合线。每一段传输线的电长度都是1/4波长，信号从非平衡端口10输入，到达两个平衡端口(12、14)时分别经过了1/4波长和3/4波长，因此两个平衡端口(12、14)的输出信号的相位差为180度。

目前巴伦的设计形式一般采用Marchand结构。可以通过不同的方式来实现，如侧边耦合方式、宽边耦合方式，并可配合采用不同的绕线方式实现，如蛇行折线、螺旋线等进行设计。

传统的侧边耦合直线型巴伦的结构如图3所示。整个器件由介质体30(如LTCC、PCB板材或其它介质)和附着在介质体上的导电体(如第一导体1、第二导体2和第三导体3)构成，该巴伦结构包含有2个平面导体层，位于介质体的两个侧边(即上表面和底面)。其中，底面的那个导体平面用作接地层(即接地平面32)，另一个上表面的导体平面用作线路层34。该线路层34包含有3个导体(即第一导体1，第二导体2与第三导体3)，第一导体1的长度约大于1/2波长，第二导体2和第三导体3的长度大约为1/4波长。第一导体1的前段1/4波长和后段1/4波长，分别与第二导体2和第三导体3通过侧边耦合方式形成两个1/4波长的耦合线。第一导体1的一端作为非平衡端口10，另外一端保持开路状态；第二导体2和第三导体3的一端作为平衡端口(12、14)，另外一端通过过孔或侧边电极或其他方式连接到接地平面32上。信号从第一导体1非平衡端口10输入(或输出)，经过第二导体2和第三导体3的耦合从平衡端口输出(12、14)(或输入)，从而实现了不平衡转平衡和阻抗变换功能。

传统的宽边耦合折线型巴伦的结构如图4所示。整个器件由介质体和附着在介质体表面以及嵌入介质体内部的导电体构成，该巴伦结构包含有4个平面导体层，其中两个导体层，即第一层40(含导体4)和第四层46(含导体5)位于介质体的两个侧面，用作接地层；另外两个导体层(第二层42和第三层44)位于介质体内部，用作线路层。该线路层共包含3个导体，其中第一导体1位于第三层44，长度约大于1/2波长，第一导体1通过弯折为两段，每段长度约为1/4波长；第二导体2和第三导体3位于第二层42，长度约为1/4波长。第二导体2和第三导体3，分别与正对的第一导体1的前、后段折线，形成2个1/4波长的宽边耦合线。第二导体2和第三导体3的一端作为平衡端口(12、14)引出，另外一端通过过孔(41、43)连接到第一层42接地。第一导体1的一端作为非平衡端口10引出，另外一端保持开路状态。信号从第一导体1非平衡端口10输入(或输出)，经过第二导体2和第三导体3的耦合从平衡端口(12、14)输出(或输入)，从而实现了不平衡转平衡和阻抗变换功能。

由上述可知，传统Marchand结构的巴伦需要通过两段1/4波长连续阻抗的耦合线来实现，这需要占用较大空间。虽然采用宽边耦合折线设计的方案，可以减小电路的体积。但是在一定情况下，仍然不能满足系统对小型化的要求，还需要进一步缩小电路尺寸。

目前，还可以将LTCC巴伦中1/4波长的连续阻抗耦合线形成螺旋状以减少电路占用的面积，同时利用不同的层来实现传输线的耦合。但是，利用绕置的方式来处理各段传输线，由于绕线比较紧密，寄生的电磁耦合影响较大，占用层数较多，同时也会引入了更多的层间寄生耦合。

因此，目前一般减小电路的体积所采用的方法有两种：

1、改进材料特性。采用具有更高介点常数的材料，缩短介质中1/4波长耦合线的长度，实现减少体积的效果；

2、改进制作工艺。采用更小的走线宽度和总线间隔，从而达到减小体积的目的。

虽然以上两种方法都能减小电路的体积，但是这两种方法受到材料技术和制作能力方面的限制，并且采用新材料和高精度工艺会大大增加产品成本，同时采用新材料在可靠性和稳定性方面存在较大风险。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述电路体积小、成本高等缺陷，提供一种电路体积小、成本低的平衡不平衡变换器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种平衡不平衡变换器，包括：

第一导体，连接在不平衡端口和开路之间，包括依次连接的第一阻抗单元、传输单元、第二阻抗单元，其中所述的第一阻抗单元和第二阻抗单元对称分布在所述传输单元的两侧；

第二导体，其连接在第一接地端和第一平衡端口之间，与第一阻抗单元相互耦合；

第三导体，其连接在第二接地端和第二平衡端口之间，与所的第二阻抗单元耦合；

从不平衡端口输入第一导体的信号经过第二导体和第三导体耦合后输出平衡信号。

在本实用新型中，所述的第一阻抗单元包含有至少二个阻抗，所述的第二阻抗单元包含有数量与所述第一阻抗单元阻抗数量相同的，且与所述第一阻抗单元的阻抗相对称的至少二个阻抗。

在本实用新型中，所述的第二导体中包含有与所述第一阻抗单元阻抗数量相同的至少二个阻抗，且第二导体中的每一阻抗与所述第一阻抗单元中的每一阻抗相互耦合.

在本实用新型中，所述的第三导体中包含有与所述第二阻抗单元阻抗数量相同的至少二个阻抗，且第三导体中的每一阻抗与所述第二阻抗单元中的每一阻抗相互耦合。

在本实用新型中，所述第一阻抗单元中的每一个阻抗的宽度不同，呈阶梯状分布；所述第二导体中的每一阻抗宽度不同，呈阶梯状分布，且第二导体中的每一阻抗与所述第一阻抗单元中的每一阻抗相互耦合。

在本实用新型中，所述第二阻抗单元中的每一个阻抗的宽度不同，呈阶梯状分布；所述第三导体中的每一阻抗宽度不同，呈阶梯状分布，且第三导体中的每一阻抗与所述第二阻抗单元中的每一阻抗相互耦合。

在本实用新型中，所述平衡不平衡变换器包括：

第一导体，连接在非平衡端口和开路之间，包括依次连接的第一阻抗单元、传输单元、第二阻抗单元，其中所述的第一阻抗单元和第二阻抗单元对称分布在所述传输单元的两侧；

从不平衡端口输入的信号经过第一导体与第二导体后输出平衡信号。

在本实用新型中，所述的第二导体中包含有与所述第一阻抗单元阻抗数量相同的至少二个阻抗，且第二导体中的每一阻抗与所述第一阻抗单元中的每一阻抗相互耦合。

本实用新型的有益效果是，采用阶梯阻抗变换结构的耦合线来代替连续阻抗的耦合线，并通过调整各耦合单元的阻抗比，可以有效低减少耦合线的总长度，从而达到减小体积的目的。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是现有技术巴伦的功能示意图；

图2是现有技术采用Marchand结构的巴伦的示意图；

图3是现有技术的侧边耦合直线型巴伦的结构图；

图4是现有技术的宽边耦合折线型巴伦的结构图；

图5是本实用新型的阶梯阻抗型巴伦的示意图；

图6是图5中，n＝2时的阶梯阻抗型巴伦的示意图；

图7是图6的耦合线长度收缩率与阶梯阻抗比的变化曲线图；

图8是图6的侧边耦合直线型巴伦的结构图；

图9是图6的宽边耦合折线型巴伦的结构图。

具体实施方式

本实施例所提出的巴伦结构是通过采用阶梯阻抗变换结构的耦合线来替代连续阻抗耦合线。如图5所示，一种平衡不平衡变换器包括第一导体1、第二导体2与第三导体3。

第一导体1的一端为非平衡端口10，另一端保持开路状态，在非平衡端口10和开路之间，包括依次连接的第一阻抗单元、传输单元Z、第二阻抗单元，其中第一阻抗单元和第二阻抗单元对称分布在传输单元Z的两侧。

在第一阻抗单元包含有至少二个阻抗，即Zoon，Zoo(n-1)…Zoo1。第二阻抗单元包含有数量与第一阻抗单元阻抗数量相同的，且与第一阻抗单元的阻抗相对称的n个阻抗，即Zoo1…Zoo(n-1)，Zoon。第一阻抗单元中的每个阻抗的宽度不同，呈阶梯状分布，第二阻抗单元中的每一个阻抗的宽度不同，呈阶梯状分布。

第二导体2的一端为平衡端口12，另一端接地，第二导体2中包含有与第一导体1的第一阻抗单元阻抗数量相同的n个阻抗(即Zoen，Zoe(n-1)…Zoe1)，且第二导体2中的每一阻抗与第一导体1的第一阻抗单元的每一阻抗(即Zoon，Zoo(n-1)…Zoo1)相互耦合。第二导体2中的每一阻抗的宽度不同，呈阶梯状分布。

第三导体3的一端为平衡端口14，另一端接地，第三导体3中包含有与第一导体1中的第二阻抗单元阻抗数量相同的n个阻抗(即Zoe1…Zoe(n-1)，Zoen)，且第三导体3中的每一阻抗与第一导体1中的第二阻抗单元中的每一阻抗(即Zoo1…Zoo(n-1)，Zoon)相互耦合。第三导体3中的每一阻抗的宽度不同，呈阶梯状分布。

第一导体1的第一、二阻抗单元中都包含有n个阻抗，分别与第二导体2的n个阻抗和第三导体3的n个阻抗进行耦合，即Zoon与Zoen耦合，Zoo(n-1)与Zoe(n-1)耦合…Zoo1与Zoe1耦合，形成左右两组具有阶梯阻抗变换结构的耦合线，每组耦合线由n段具有不同奇偶模阻抗的耦合线段级连构成，每组耦合线中阶梯阻抗跃变次数为n-1次。

信号从第一导体1非平衡端口输入(或输出)，经过第二导体2和第三导体3的耦合从平衡端口(12、14)输出(或输入)，从而实现了不平衡—平衡变换及阻抗匹配变换功能。

利用上述这种阶梯阻抗变换结构，通过调整各耦合单元的阻抗值及长度，可以有效地减小耦合线的总长度。其原理在于因为阶梯阻抗的引入可以改变了耦合线的传输延时和耦合特性。

下面以n＝2为例对阶梯阻抗巴伦进行说明，如图6所示。

第一导体1包括依次连接的第一阻抗单元、传输单元Z、第二阻抗单元，其中第一阻抗单元和第二阻抗单元对称分布在传输单元Z的两侧。在第一导体1的第一阻抗单元中，包括依次连接的两个阻抗(即Zoo1与Zoo2)，在第二阻抗单元中，包括依次连接的两个阻抗(即Zoo2与Zoo1)，且Zoo1与Zoo2两个阻抗的宽度不同，呈阶梯状分布。

在第二导体2中包括与第一导体1中的第一阻抗单元对应数目、且阻抗比例一一对应的两个阻抗(即Zoe1与Zoe2)；在第三导体3中包括与第一导体1中的第二阻抗单元对应数目、且阻抗比例一一对应的两个阻抗(即Zoe2与Zoe1)。

第一导体1的第一阶梯阻抗单元的两个阻抗与第二导体2的两个阻抗进行匹配耦合，即Zoo1与Zoe1耦合，Zoo2与Zoe2耦合。第一导体1的第二阶梯阻抗单元的两个阻抗与第三导体3的两个阻抗进行耦合，即Zoo2与Zoe2耦合，Zoo1与Zoe1耦合。

在上述的阶梯阻抗结构下，假设高阻抗线宽度为0.1mm(如图6所示)，两层耦合单元的垂直高度为0.05mm，当低阻抗线宽度(即图6中阶梯阻抗单元的宽边)变化时，整个阶梯阻抗长度的收缩率与阶梯阻抗比的变化曲线如图7所示。阶梯阻抗单元的阻抗比W＝第n-1个阶梯阻抗单元阻抗/第n个阶梯阻抗单元阻抗，耦合线长度的收缩率随着阻抗比的增大而增大。

基于以上设计原理，可以通过不同的方式来实现，例如，通过侧边耦合方式、宽边耦合方式，并可配合采用不同的绕线方式来实现，如蛇行折线、螺旋线等进行设计。

基于侧边耦合直线型的巴伦结构如图8所示。整个器件由介质体和附着在介质体上的导电体构成，该巴伦结构包含有2个平面的导体层，位于介质体的两个侧边(即上表面和底面)。其中，底面的那个导体平面用作接地层(即接地平面32)，另一个上表面的导体平面用作线路层34。该线路层34包含有3个导体(即第一导体1，第二导体2与第三导体3)，第一导体1的一端作为非平衡端口10，另外一端保持开路状态；第二导体2和第三导体3的一端作为平衡端口(12、14)，另外一端通过过孔或侧边电极或其他方式连接到接地平面上，信号从第一导体1非平衡端口10输入(或输出)，经过第二导体2和第三导体3的耦合从平衡端口(12、14)输出(或输入)，从而实现了不平衡转平衡和阻抗变换功能。

第一导体1的前后段各设有两个阻抗(即阶梯阻抗跃变点80)，每段中的两个阻抗的阻抗比为2∶1，第二导体2和第三导体3也均设有两个阻抗，并且两个阻抗的阻抗比也是2∶1。第一导体1的前段阻抗和后段阻抗，分别与第二导体2的阻抗和第三导体3的阻抗通过侧边耦合方式形成前后两组耦合线，每组耦合线由2段具有不同奇偶模阻抗的耦合线段级连构成。由于在两段耦合线中采用了阶梯阻抗变换结构，从而缩短了耦合线的总长度。采用阻抗比也是2∶1的阶梯阻抗变换结构，在相同的条件下(如相同的介质，相同的信号频率等)，可以使整个巴伦的体积缩小约40％。

基于宽边耦合折线型的巴伦结构如图9所示。整个器件由介质体和附着在介质体表面以及嵌入介质体内部的导电体构成，该巴伦结构包含有4个平面导体层，其中两个导体层，即第一层40(含导体4)和第四层46(含导体5)位于介质体的两个侧面，用作接地层；另外两个导体层(第二层42和第三层44)位于介质体内部，用作线路层。该线路层共包含3个导体(即第一导体1、第二导体2与第三导体3)，第一导体1的一端作为非平衡端口10引出，另外一端保持开路状态。第二导体2和第三导体3的一端作为平衡端口(12、14)引出，另外一端通过过孔(41、43)连接到第一层40接地。信号从第一导体1非平衡端口10输入(或输出)，经过第二导体2和第三导体3的耦合从平衡端口(12、14)输出(或输入)，从而实现了不平衡转平衡和阻抗变换功能。

其中，第一导体1位于第三层44，第一导体1弯折为前后两段，每段各设有两个阻抗，每段中的两个阻抗的阻抗比为2∶1。第二导体2和第三导体3位于第二层42，第二导体2和第三导体3也均设有两个阻抗，并且两个阻抗的阻抗比也是2∶1。第二导体2和第三导体3的阻抗，分别与正对的第一导体1的前后两段的阻抗进行耦合，形成前后两组耦合线。每组耦合线由2段具有不同奇偶模阻抗的耦合线段级连构成。由于在两段耦合线中采用了阶梯阻抗变换结构，从而缩短了耦合线的总长度。采用阻抗比也是2∶1的阶梯阻抗变换结构，在相同的条件下(如相同的介质，相同的信号频率等)，可以使整个巴伦的体积缩小约30％。

在上述平衡不平衡交换器(即巴伦)电路的实现中，采用具有阶梯阻抗变换结构的耦合线替代传统的连续阻抗耦合线，可以达到缩短耦合线总长度，减小电路体积的目的。

以下就平衡不平衡交换器的应用方面作说明。

如果将上述巴伦电路制作成一个独立功能的器件。在独立的巴伦器件中，采用了阶梯阻抗变换结构，那么其阶梯阻抗单元的数目＞＝2，阶梯阻抗跃变次数＞＝1。如果巴伦器件采用的是LTCC材料。在基于LTCC材料制作的独立巴伦器件中，如果采用阶梯阻抗变换结构，则其阶梯阻抗单元的数目＞＝2，阶梯阻抗跃变次数＞＝1。

如果将巴伦电路集成到PCB或封装基板中。在PCB或封装基板中集成了巴伦器件，巴伦部分的电路如果通过采用阶梯阻抗变换结构来实现，那么其阶梯阻抗单元的数目＞＝2，阶梯阻抗跃变次数＞＝1。如果PCB或封装基板采用的是LTCC材料。在基于LTCC材料制作的PCB或封装基板所集成的巴伦器件，巴伦部分的电路如果也是通过采用阶梯阻抗变换结构来实现，那么其阶梯阻抗单元的数目＞＝2，阶梯阻抗跃变次数＞＝1。

由此可知，将具有阶梯阻抗变换结构巴伦制作为具有独立功能的器件或将其集成到PCB或封装基板中，通过其阶梯阻抗跃变次数改变了耦合线的传输延时和耦合特性，同样可以有效地减小耦合线的总长度，也就说明巴伦可以很好地应用在上述两方面中。

Claims

1、一种平衡不平衡变换器，其特征在于，包括：

2、如权利要求1所述的平衡不平衡变换器，其特征在于：所述的第一阻抗单元包含有至少二个阻抗，所述的第二阻抗单元包含有数量与所述第一阻抗单元阻抗数量相同的，且与所述第一阻抗单元的阻抗相对称的至少二个阻抗。

3、如权利要求1或2所述的平衡不平衡变换器，其特征在于：所述的第二导体中包含有与所述第一阻抗单元阻抗数量相同的至少二个阻抗，且第二导体中的每一阻抗与所述第一阻抗单元中的每一阻抗相互耦合。

4、如权利要求1或2所述的平衡不平衡变换器，其特征在于：所述的第三导体中包含有与所述第二阻抗单元阻抗数量相同的至少二个阻抗，且第三导体中的每一阻抗与所述第二阻抗单元中的每一阻抗相互耦合。

5、如权利要求3所述的平衡不平衡变换器，其特征在于：所述第一阻抗单元中的每一个阻抗的宽度不同，呈阶梯状分布；所述第二导体中的每一阻抗宽度不同，呈阶梯状分布，且第二导体中的每一阻抗与所述第一阻抗单元中的每一阻抗相互耦合。

6、如权利要求4所述的平衡不平衡变换器，其特征在于：所述第二阻抗单元中的每一个阻抗的宽度不同，呈阶梯状分布；所述第三导体中的每一阻抗宽度不同，呈阶梯状分布，且第三导体中的每一阻抗与所述第二阻抗单元中的每一阻抗相互耦合。

7、一种印刷电路板，包括有平衡不平衡变换器，其特征在于，所述平衡不平衡变换器包括：

8、如权利要求7所述的印刷电路板，其特征在于：所述的第一阻抗单元包含有至少二个阻抗，所述的第二阻抗单元包含有数量与所述第一阻抗单元阻抗数量相同的，且与所述第一阻抗单元的阻抗相对称的至少二个阻抗。

9、如权利要求7或8所述的印刷电路板，其特征在于：所述的第二导体中包含有与所述第一阻抗单元阻抗数量相同的至少二个阻抗，且第二导体中的每一阻抗与所述第一阻抗单元中的每一阻抗相互耦合。

10、如权利要求7或8所述的印刷电路板，其特征在于：所述的第三导体中包含有与所述第二阻抗单元阻抗数量相同的至少二个阻抗，且第三导体中的每一阻抗与所述第二阻抗单元中的每一阻抗相互耦合。