ITRM950140A1 - Dispositivo simmetrizzatore e procedimento per la sua progettazione. - Google Patents

Abstract

Una connessione elettrica fra un circuito bilanciato, quale un ricevitore radio, ed un circuito sbilanciato, quale una antenna, richiede un dispositivo simmetrizzatore o balun. In un piccolo dispositivo elettronico, quale un radiotelefono, un tradizionale dispositivo simmetrizzatore non è praticamente conveniente, a causa dei vincoli fisici. La funzione di simmetrizzazione viene effettuata utilizzando una linea di trasmissione avente minime dimensioni trasversali ed una predeterminata lunghezza fra il ricevitore e l'antenna.

Description

"Dispositivo simmetrizzatore e procedimento per la sua progettazione"

In linea generale, la presente invenzione si riferisce ai dispositivi simmetrizzatori o balun e, in modo più specifico, ad un dispositivo simmetrizzatore e ad un procedimento per la sua progettazione.

Precedenti dell'invenzione Tipicamente, nei sistemi per comunicazioni a radio frequenza (RF), è vantaggioso utilizzare una antenna bilanciata. Una antenna bilanciata riduce la corrente RF sull'alloggiamento e sulle altre parti dell'apparecchiatura radio e l'antenna è meno suscettibile di uscire di sintonia oppure di essere bloccata dall'operatore. Quando una antenna bilancia ta viene collegata ad un circuito RF sbilanciato, la interfaccia fra l'antenna ed il circuito sbilanciato richiede un dispositivo denominato dispositivo simme trizzatore o balun.

Nella tecnologia dei circuiti, un sistema sbilanciato è definito come un sistema in cui due conduttori si trovano a potenziali diversi rispetto a massa. Uno dei conduttori spesso si trova al potenziale di massa. La capacità rispetto a massa di ciascuno dei due conduttori è quindi diversa e, di conseguenza, la corrente nei due conduttori può esse re diversa. Un sistema bilanciato è un sistema in cui i potenziali di ciascuno dei due conduttori si trovano rispettivamente al disopra ed al disotto del potenziale di massa di una stessa misura. La Figura 2 è una illustrazione di un modello semplificato del modo in cui le correnti siano definite da un modo bilanciato e da un modo sbilanciato. In un sistema per comunicazioni di trasmissione a radio frequenza, la sorgente è il trasmettitore ed il carico è l'antenna. Una qualsiasi configurazione di correnti la e Ib può essere espressa come una combinazione di corrente di modo comune e di corrente di modo differenziale. Sia la corrente di modo comune sia la corrente di modo differenziale sono determinate dalle correnti generate da una sorgente bilanciata oppure da una sorgente sbilanciata. Le correnti di modo comune, rappresentate come ICa e ICb nella Figura 2, presentano uguali grandezze ed uguali fasi. Di conseguenza, le correnti di modo comune non apportano alcun contributo al previsto funzionamento del ca rico o dell'antenna e vengono usualmente dissipate come calore. Le correnti di modo differenziale IDa e IDb hanno uguali grandezze e fasi opposte e, come conseguenza, esse manifestano potenza nel carico pre visto. Le perdite della sorgente e del carico per quanto riguarda i modi comuni ed i modi di differenza o differenziali, possono essere rappresentate come un circuito, così come evidenziato nella Figura 3. Per carichi bilanciati, per esempio le antenne bj_ lanciate, il modo desiderato o previsto è il modo differenziale ed il modo indesiderato o non previsto è il modo comune. Aumentando al massimo l'impedenza del carico di modo comune, le correnti e le perdite associate alle correnti di modo comune saranno ridot te al minimo.

Un dispositivo simmetrizzatore permette il collegamento fra un sistema bilanciato ed un sistema sbilanciato in maniera tale che 1 potenziali rispetto alla massa e le correnti nelle due parti della struttura bilanciata presentino uguali grandezze e fasi opposte. Nel passato, trasformatori simmetrizza tori e linee di trasmissione oppure dispositivi simmetrizzatori a bazooka sono stati usati per svolgere la funzione di simmetrìzzazione per un alimentatore di antenna in un dispositivo per comunicazioni utilizzato in un sistema per comunicazioni a radio frequenza. Un trasformatore simmetrizzatore effettivamente svolge la funzione di simmetrizzazione, comunque, per l'impiego in dispositivi quali i radiotelefoni portatili, un trasformatore simmetrizzatore è grande ed assorbe potenza. Tipicamente, circa 0,7 dB di potenza vengono perduti attraverso un trasformato re simmetrizzatore, riducendo così significativamente l'ampiezza del segnale trasmesso fra il ricetrasmettitore ed una antenna. In secondo luogo, un dispositivo simmetrizzatore a bazooka ovvero una linea di trasmissione richiede più di due conduttori oppure due conduttori ed un manicotto intorno a tali due conduttori per svolgere la funzione di simmetria zazione. Il dispositivo simmetrizzatore a bazooka richiede uno spazio fisico molto grande per un manicot to entro un dispositivo per comunicazioni.

Spesso, 1 dispositivi per comunicazioni, quali i radiotelefoni portatili, debbono essere fisicamente piccoli e debbono consumare meno potenza in confronto con altri dispositivi per comunicazioni non portatili o stazionari. Perciò, è desiderabile, in un radiotelefono portatile, realizzare un efficiente trasferimento di potenza tra il ricetrasmettitore e l'antenna ed avere una piccola dimensione fisica. Perciò, sarebbe desiderabile avere un dispositivo simmetrizzatore efficiente e piccolo per trasfe rire i segnali fra una antenna bilanciata ed una circuiteria sbilanciata nel quadro di un ricetrasmet titore in un dispositivo per comunicazioni.

Breve descrizione dei Disegni

La Figura 1 rappresenta la illustrazione di uno schema a blocchi di un circuito elettrico secondo la tecnica precedente,

la Figura 2 è una illustrazione di una sorgente e di un carico teorici e delle loro relative correnti ,

la Figura 3 è una illustrazione di una sorgen te e di carichi teorici aventi un carico di modo comune ed un carico di modo differenziale,

la Figura 4 è una illustrazione in forma di schema a blocchi di un circuito in conformità con la presente invenzione,

la Figura 5 è una illustrazione in forma di schema a blocchi di un sistema per comunicazioni radio in conformità con la presente invenzione,

la Figura 6 è una illustrazione in forma grafica dei cicli periodici della corrente di modo comu ne per un carico differenziale,

la Figura 7 è una illustrazione in forma grafica dei cicli periodici delle correnti di modo comu ne per una antenna a dipolo,

la Figura 8 è una illustrazione di un grafico di Smiith che descrive le impedenze e le correnti di modo comune,

la Figura 9 rappresenta un diagramma di flusso che illustra un procedimento di progettazione di un dispositivo simmetrizzatore in conformità con la presente invenzione.

Descrizione di una preferita forma di realizzazione Una preferita forma di realizzazione della presente invenzione comprende un dispositivo per comunicazioni a radio frequenza, specìficamente un radiotelefono avente antenne a diversità, per esempio antenne con numero di modello TH541, reperibili pres so la Motorola, Ine. In questo particolare radiotele fono, i viincoli sulle dimensioni fisiche sono severi, particolarmente per quanto riguarda lo spazio disponibile fra un ricetrasmettitore ed una antenna; il ricevitore radio è un circuito con carico sbilanciato e l'antenna è un ciircuito di sorgente bilanciata. Poiché il collegamento elettrico fra il ricevitore e l'antenna è un collegamento fra un circuito sbilanciato ed un ciircuito bilanciato, si richiede un dispositivo simmetrizzatore. Un dispositivo simmetrizzatore tradizionale, come discusso nella tecnica precedente, non sarebbe praticamente conveniente a causa dei vincoli fisici, perciò, la funzione di sim metrizzazione viene svolta utilizzando una linea di trasmissione di minime dimensioni trasversali e di predeterminata lunghezza fra il ricevitore e l'anten. na .

La Figura 4 è una illustrazione in forma di schema a blocchi di un circuito in conformità con la presente invenzione. Il circuito 400 contiene un cir culto sbilanciato 401, una linea di trasmissione di lunghezza "L" 403 ed un circuito bilanciato 405. In questo caso, il circuito sbilanciato 401 viene colle gato al circuito bilanciato 405 attraverso una linea di trasmissione 403 avente una lunghezza "L" la quale è determinata come parte della presente invenzione e rappresenta una implementazione della presente invenzione in un radiotelefono portatile.

La Figura 5 è una illustrazione in forma di schema a blocchi di un sistema per comunicazioni radio che può utilizzare la presente invenzione. Nel sistema, un ricetrasmettitore remoto 513 trasmette e riceve segnali a radio frequenza (RF) a e da radiotelefoni mobili e portatili contenuti in un'area geo grafica fissa servita dal ricetrasmettitore di posta zione fissa 513. Il radiotelefono 500 è uno di tali radiotelefoni serviti dal ricetrasmettitore di posta zione fissa 513.

Mentre riceve i segnali provenienti dal ricetrasmettitore 513 della postazione fissa, il radiotelefono 500 utilizza una antenna principale 511 ed una antenna di diversità 515 per applicare il segnale a radio frequenza e convertire il segnale a radio frequenza in un segnale elettrico a radio frequenza. Il segnale elettrico a radio frequenza viene ricevuto dal ricevitore radio 503 per essere usato nel radiotelefono 500. Il ricevitore 503 emette in uscita un segnale simbolico che è destinato ad essere usato dal dispositivo di controllo 505. Il dispositivo di controllo 505 formatta il segnale simbolico in voce o dati per l'interfaccia 507 con l'utente. L'interfaccia 507 con l'utente tipicamente contiene un microfono, un altoparlante ed una tastiera.

A seguito della trasmissione dei segnali a ra dio frequenza dal radiotelefono 500 al ricetrasmetti tore remoto 513, il dispositivo di controllo 505 for matta i segnali di voce e/o dati dall'interfaccia di utente 507. I segnali formattati vengono applicati in ingresso nel trasmettitore 501. Il trasmettitore 501 converte i dati in segnali elettrici a radio frequenza. I segnali elettrici a radio frequenza ven gono convertiti in segnali a radio frequenza ed emessi in uscita dall'antenna 511. I segnali a radio frequenza sono ricevuti dal ricetrasmettitore remoto 513.

Come precedentemente discusso, il ricevitore 503 è un circuiito di carico sbilanciato e l'antenna a diversità 515 è considerata come un circuito di sorgente bilanciato, per gli scopi della presente i_n venzione. La linea di trasmissione 517 di lunghezza "L" è progettata in modo tale che l'impedenza di modo comune sia molto elevata ed in modo tale che la impedenza differenziale sia uguale a quella dei circuiti di ricevitore e di antenna 503 e 515. Le esigenze per una antenna altamente efficiente sono di aumentare al massimo l'impedenza del modo comune e di adattare l'impedenza del modo differenziale alla sorgente ed al carico. Vi sono due parametri fondamentali che influenzano l'impedenza di modo comune pur mantenendo l'impedenza di modo differenziale come adattamento alla sorgente: precisamente, la dimen sione laterale e la lunghezza della linea di trasmis sione. La dimensione laterale o le dimensioni trasversali della linea di trasmissione (larghezza e spessore) dovrebbero essere ridotte al minimo, ren dendo l'induttanza di modo comune effettiva e l'impe denza della linea di trasmissione le più elevate pos sibile. Se le dimensioni laterali sono appropriatamente scalate, allora l'impedenza di modo differenziale pud essere mantenuta per una qualsiasi serie di dimensioni. Il limite di questa soluzione è che le dimensioni diventano non suscettibili di fabbrica zione e la perdita elettrica nel modo differenziale diventa inaccettabile.

Un secondo metodo per aumentare l'impedenza di modo comune pur mantenendo l'impedenza del modo differenziale consiste nello scegliere una lunghezza della linea di trasmissione in modo che essa sia uguale ad un numero intero di semi lunghezze d'onda a partire da una estremità aperta. Con riferimento ora alla Figura 6, la corrente di modo comune illustrata come un’onda 601 passa attraverso cicli periodici nel senso della sua lunghezza. Vi sono dei minimi di corrente di modo comune nel punto di estremità 603, nel punto B 605 e nel punto D 607. Analogamente, vi sono dei massimi della corrente di modo comune nel punto A 609, nel punto C 611 e nel punto E 613. Una analoga configurazione di correnti di modo comune ap pare quando la linea di trasmissione, per esempio la linea di trasmissione 517, viene fatta terminare in una antenna a dipolo, per esempio l'antenna a diversità 515 della Figura 5. Con riferimento alla Figura 7, è rappresentata la corrente di modo comune per una linea di trasmissione che viene terminata in una antenna a dipolo. Ancora, i minimi si verificano nel punto B 701 e nel punto D 703. Similmente, i pun ti di massimo si verificano nel punto A 705, nel punto C 707 e nel punto E 709. Quando una antenna a dipolo viene aggiunta alia linea di trasmissione, la configurazione della corrente di modo comune, come illustrata nella Figura 7, presenta una deriva tale che il primo minimo di corrente viene a trovarsi in un punto ad un quarto di lunghezza d'onda dal punto di alimentazione dell'antenna, determinando la posizione degli altri minimi di corrente. Questo effetto può anche essere osservato se l'impedenza effettiva di modo comune viene riportata nel grafico come una funzione della lunghezza a partire dalla estremità della linea di trasmissione, come illustra to nella Figura 8. La Figura 8 rappresenta i punti A, C ed E come punti di corto circuito oppure punti di impedenza molto bassa direttamente a partire dai punti di alta impedenza B e D. Il grafico di Smith della Figura 8 appare come una spirale che circonda il grafico percorrendolo diverse volte. Se una linea di trasmissione 517 viene scelta in modo da avere una lunghezza che termina nei punti B o D, allora la impedenza di modo comune sarebbe molto elevata e la potenza che entra nel modo comune sarebbe pìccola, come si desidera nel caso della preferita forma di real izzazione.

La frequenza di funzionamento e la velocità di fase determinano la lunghezza d'onda sulla linea di trasmissione. La lunghezza d'onda è uguale alla velocita di fase divisa per la frequenza. Per l'aria, la velocità di fase è uguale alla velocità della luce. Per altri mezzi, la velocità di fase è uguale alla velocità della luce divisa per la radice quadrata spesso designata come Sqrt() della costante dielettrica effettiva dei mezzi, spesso designata come £ . Per il modo comune, la velocità di fase è prossima a quella relativa allo spazio libero, per il caso del modo differenziale il mezzo è costituito da un materiale di circuito stampato flessibile con una costante dielettrica di 3,4. Ciò ridurrà la velo cità di fase a 1/Sqrt( £r) ovvero 0,55 volte quella della luce nello spazio libero. Queste velocità di fase sono in effetti molto diverse per i due casi. Per il modo di differenza, il desiderio è di ridurre le riflessioni sulla linea di trasmissione, in modo tale che l'impedenza sia essenzialmente indipendente dalla lunghezza della linea di trasmissione. Tuttavia, per il modo comune, l'impedenza è intenzionalmente resa molto dipendente dalla lunghezza e quindi la lunghezza viene scelta per l‘impedenza massima.

Allo scopo che questi fenomeni vengano utiliz zatii per realizzare una funzione di simmetrizzazione su una linea di trasmissione, la linea di trasmisi sione deve essere progettata per ciascuna particolare applicazione utilizzando il diagramma di flusso di progettazione illustrato nella Figura 9. In primo luogo, nel blocco di funzione 903, si progetta un circuito sbilanciato ed un circuito bilanciato senza alcuna considerazione dei collegamenti fra di essi. Nella preferita forma di realizzazione, il circuito bilanciato è costituito da una antenna a dipolo utilizzata come antenna a diversità 515, come illustrato nella Figura 5. Quando si progetta una antenna a dipolo, essa può essere progettata senza una linea di alimentazione per la sua desiderata banda di frequenze. Nella preferita forma di realizzazione, la desiderata banda di frequenze per l'antenna è di 810-830 MHz (Megahertz). In secondo luogo, nel blocco funzionale 905, si fornisce un circuito sbilancia to. Nella preferita forma di realizzazione, il ricevitore 503 della Figura 5 viene considerato come il circuito sbilanciato. In terzo luogo, nel blocco fun zionale 907, si sceglie una linea di trasmissione bilanciata per l'accoppiamento fra II circuito bilanciato ed il circuito sbilanciato. La linea di trasmissione dovrebbe avere una impedenza di modo differenziale uguale a quella della sorgente ed una induttanza di modo comune molto elevata. L'impedenza di modo differenziale spesso designata come Zo è generalmente definita utilizzando la seguente equazione:

spessore/(1arghezza

Se l'impedenza di sorgente Zs e l'impedenza di carico sono uguali, allora l'impedenza differenziale viene fatta uguale ad esse.

Per diverse impedenze di sorgente e di carico, la linea dii trasmissione sarà più complessa, come nel caso della presente preferita forma di realizzazione.

La lunghezza L per attraversare la distanza fra l'antenna ed il ricevitore presenta una lunghezza di fase di modo differenziale superiore alla lunghezza necessaria per implementare un trasformatore di impedenze, designata come Lt. Questa lunghezza è un quarto di lunghezza d'onda e spesso è contrasse gnata come (^ /4). Pertanto, viene progettata una coppia in linea (serie) di linee di trasmissione che svolgono le due funzioni richieste, precisamente:

1) reiezione del carico di modo comune, e 2) trasformazione dell'impedenza di sorgente di antenna Zs in modo da adattarsi all'impedenza di carico ZI del ricevitore.

Prima di accoppiare la linea di trasmissione al circuito di carico, si sceglie la lunghezza appro priata "Lr" della linea di trasmissione 517 che fornisce una impedenza di modo comune molto maggiore dell'impedenza di sorgente. Nella preferita forma di realizzazione, la lunghezza L necessaria per la reie zione o lo scarto del modo comune, designata come Lr, è superiore alla lunghezza necessaria per la trasfor mazione, designata come Lt. Di conseguenza, si richiede una lunghezza addizionale oppure un eccesso di lunghezza, designata come Le. Ciò può essere espresso nella seguente equazione:

La lunghezza addizionale avrebbe l'impedenza caratteristica della sorgente o del carico. Pertanto, la lunghezza addizionale o eccesso di lunghezza viene scelta in modo da avere una impedenza caratteristica dell'impedenza superiore fra Zs o ZI.

La sezione di trasformatore della linea di trasmissione presenta una lunghezza Lt che è definita dalla frequenza di interesse e che presenta una lunghezza di fase di un quarto di lunghezza d'onda, che può essere espressa come 90° e che corrisponde a ^ /4. Questa lunghezza di fase può essere trovata utilizzando il testo precedentemente fornito. Nella preferita forma di realizzazione, l'impedenza del carico ZI è uguale a 50 ohm e l'antenna a dipolo pre senta una impedenza di 12 ohm. Perciò, una linea di trasmissione è stata scelta in modo da avere una impedenza di modo differenziale per Le di 50 ohm ed una sezione di trasformatore Lt con una impedenza di 25 ohm. Questo trasformatore adatta l'impedenza di sorgente Zs dell'antenna di 12 ohm all'impedenza di carico ZI del ricevitore di 50 ohm.

Scegliendo l'appropriata lunghezza "Lr" della linea di trasmissione, viene realizzata una funzione di simmetrizzazione o di bilanciamento. Sebbene la linea di trasmissione sia ora limitata ad una predeterminata lunghezza "Lr", ulteriori circuiterie o componenti, per esempio transistori oppure ulteriori linee di trasmissione o cavi coassiali non sono piò necessari, riducendo cosi i vincoli sulle dimensioni fisiche richieste per realizzare una funzione di sim metrizzazione.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo simmetrizzatore (403) collegato fra un circuito bilanciato ed un circuito sbilanciato, i circuiti biilanciato e sbilanciato trasmettendo e ricevendo in un modo comune ed in un modo differenziale, il dispositivo simmetrizzatore essendo caratterizzato da: un primo conduttore avente una prima lunghezza; e un secondo conduttore avente una seconda lunghezza uguale alla prima lunghezza e con il secondo conduttore parallelo al primo conduttore, il secondo conduttore essendo separato dal primo conduttore di una prima distanza, il primo conduttore ed il secondo conduttore essendo usati per formare una prima li nea di trasmissione avente una prima impedenza per le trasmissioni di modo differenziale, il primo conduttore ed il secondo conduttore essendo usati per formare una seconda impedenza per le trasmissioni di modo comune.
2. 2. Dispositivo simmetrizzatore (403) secondo la rivendicazione 1 in cui vengono utilizzate strisce metalliche piane per il primo conduttore e per il secondo conduttore.
3. 3. Dispositivo simmetrizzatore (403) secondo la rivendicazione 2, in cui viene utilizzato un mate riale plastico flessibile per fornire la separazione fra il primo conduttore ed il secondo conduttore.
4. 4. Dispositivo simmetrizzatore (403) secondo la rivendicazione 1, in cui il primo ed il secondo conduttore comprendono inoltre un trasformatore di impedenza avente un rapporto arbitrario, il trasformatore di impedenza essendo realizzato con l'impiego di trasformatori ad un quarto di lunghezza d'onda.
5. 5. Dispositivo per comunicazioni radio (500), caratterizzato da: una antenna bilanciata (515) avente una prima impedenza di modo comune ed una prima impedenza di modo differenziale; un ricevitore radio sbilanciato (503) avente una impedenza di carico differenziale; e una linea di trasmissione (517) collegata fra un terminale dell'antenna bilanciata (515) ed un ter minale del ricevitore radio sbilanciato, la linea di trasmissione (517) avendo un primo conduttore, un se condo conduttore, ciascun conduttore avendo una predeterminata lunghezza e tali conduttori essendo separati di una prima distanza uno dall'altro, inoltre la linea di trasmissione presenta una seconda impedenza di modo comune ed una seconda impedenza di modo differenziale, la prima impedenza di modo comune e la seconda impedenza di modo comune formando una impedenza di ingresso di modo comune e la prima impe denza differenziale e la seconda impedenza di modo differenziale formando una impedenza di ingresso di modo differenziale, l'impedenza di ingresso di modo comune essendo sostanzialmente maggiore dell’impedenza di sorgente, l'impedenza di ingresso di modo differenziale essendo sostanzialmente adattata all'impe denza di sorgente.
6. 6. Dispositivo per comunicazioni radio (500) secondo la rivendicazione 5, In cui viene utilizzata una striscia metallica piana per il primo conduttore e per il secondo conduttore.
7. 7. Dispositivo per comunicazioni radio (500) secondo la riivendicazione 6, in cui si utilizza materiale plastico flessibile per fornire la prima distanza fra il primo conduttore ed il secondo conduttore.
8. 8. Dispositivo per comunicazioni radio (500) secondo la rivendicazione 5, in cui il primo conduttore ed il secondo conduttore comprendono inoltre un trasformatore di impedenza avente un rapporto arbitrario.
9. 9. Dispositivo per comunicazioni radio (500) secondo la rivendicazione 8, in cui il trasformatore di impedenza viene realizzato con l'impiego di trasformatori ad un quarto di lunghezza d'onda.
10. 10. Procedimento per la progettazione di un sistema di antenna caratteriizzato dalle seguenti operazioni: fornire una antenna avente una prima impedenza di modo comune ed una prima impedenza di modo di£ ferenzia1e; fornire un circuito sbilanciato avente una prima impedenza di sorgente; e scegliere una linea di trasmissione bilanciata per l'accoppiamento fra l'antenna ed il circuito sbilanciato, la linea di trasmissione bilanciata avendo una prima lunghezza, una seconda impedenza di modo comune ed una seconda impedenza di modo differenziale, tali che insieme la prima e la seconda impedenza di modo comune risultino sostanzialmente ma£ giori dell'impedenza di sorgente ed insieme la prima e la seconda impedenza di modo differenziale risulti no sostanzialmente adattate all'impedenza di sorgente.