TWI703819B - 雙頻轉換電路結構 - Google Patents

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Abstract

本案提出一種雙頻轉換電路結構，其適用於至少二個頻率。雙頻轉換電路結構包含金屬層、第一傳輸線、第二傳輸線以及第三傳輸線。第一傳輸線與第二傳輸線設置於金屬層上。第二傳輸線的第一端耦接於第一傳輸線的第二端。第二傳輸線的第二端對齊金屬層的一邊緣。第三傳輸線的第一端耦接於第二傳輸線的第二端。第三傳輸線遠離邊緣地延伸。

Description

雙頻轉換電路結構
本案係有關於一種電路結構，且特別是有關於雙頻轉換電路結構。
在無線通訊領域中，通常在系統上需要雙頻或多頻段的運用，以節省元件需求與降低電路尺寸。在電路設計時，平衡不平衡轉換器(balun)經常被採用作為訊號在平衡式與不平衡式之間轉換的元件。因此，如何實現同時具備可應用於雙頻及平衡不平衡轉換器的電路設計，係本技術領域中被關注的問題。
本案一實施例揭示一種雙頻轉換電路結構，適用於至少二個頻率。雙頻轉換電路結構包含金屬層、第一傳輸線、第二傳輸線以及第三傳輸線。第一傳輸線設置於該金屬層上第二傳輸線設置於該金屬層上，其中該第二傳輸線的一第一端耦接於該第一傳輸線的一第一端，以及該第二傳輸線的一第二端對齊該金屬 層的一邊緣。該第三傳輸線的一第一端耦接於該第二傳輸線的該第二端，其中該第三傳輸線遠離該邊緣地延伸。
100、400‧‧‧雙頻轉換電路結構
110‧‧‧第一電路
115‧‧‧半電路結構
120‧‧‧第二電路
131、133‧‧‧金屬層
135‧‧‧邊緣
150、160、170‧‧‧傳輸線
151a、151b‧‧‧端
161a、161b‧‧‧端
165‧‧‧彎曲部
167、168‧‧‧側邊
169‧‧‧邊緣
171a、171b‧‧‧端
180‧‧‧對稱軸
190a、190b、190c‧‧‧連接埠
210、220、230、240、250、260、270‧‧‧線段
210’、220’、230’、240’‧‧‧線段
231、241‧‧‧端點
310、320‧‧‧節點
A、B、C、D‧‧‧端點
L1、L2、L3、L4‧‧‧長度
Pa、Pb、Pc‧‧‧電路部
W0、W1、W2、W3、W4‧‧‧寬度
以下詳細描述結合隨附圖式閱讀時，將有利於較佳地理解本案之態樣。應注意，根據說明上實務的需求，圖式中各特徵並不一定按比例繪製。實際上，出於論述清晰之目的，可能任意增加或減小各特徵之尺寸。
第1圖係根據本案一些實施例所繪示之一種雙頻轉換電路結構的示意圖。
第2圖係根據本案一些實施例所繪示之雙頻轉換電路結構的複數個線段的示意圖。
第3圖係根據本案另一些實施例所繪示之雙頻轉換電路結構的複數個線段的示意圖。
第4圖係根據本案一些實施例所繪示之雙頻轉換電路結構的示意圖。
第5圖係根據本案一些實施例所繪示之於半電路結構執行偶模半電路分析的示意圖。
第6圖係根據本案一些實施例所繪示之於半電路結構執行奇模半電路分析的示意圖。
參照第1圖，第1圖係根據本案一些實施例所 繪示之一種雙頻轉換電路結構100的示意圖。如第1圖所示，雙頻轉換電路結構100包含第一電路110與第二電路120。第一電路110包含金屬層131以及傳輸線150。傳輸線150設置於金屬層131上。傳輸線150的一端151a包含連接埠190a，使得第一電路110透過連接部190a與測試裝置(未繪示)連接。
第二電路120包含金屬層133、傳輸線160以及傳輸線170。傳輸線160設置於金屬層133上。金屬層133相鄰並置於金屬層131。在一些實施例中，金屬層131與金屬層133可為相同的金屬層，因此，傳輸線150與傳輸線160設置於同一個金屬層上。
傳輸線160的一端161a耦接於傳輸線150的一端151b。傳輸線160的一端161b對齊於金屬層133的邊緣135。在一些實施例中，由第1圖所示的端點A、端點B、端點C及端點D所圍繞的範圍內的元件(即金屬層131、金屬層133、傳輸線150及傳輸線160)組成了平衡不平衡轉換器(balun)。
在一些實施例中，傳輸線170沒有設置於金屬層133上。傳輸線170的一端171a耦接於傳輸線160的一端161b，並且傳輸線170係被配置以朝向遠離於金屬層133的邊緣135延伸。傳輸線170遠離於邊緣135的一端171b包含連接埠190b與連接埠190c。第二電路120可透過連接埠190b及連接埠190c以與積體電路晶片(未繪示)或天線(未繪示)連接。在一些實施例中，傳輸線170 所在之平面係平行於金屬層131與金屬層133的平面。
如第1圖所示，在一些實施例中，傳輸線150與傳輸線160是雙頻的微帶線(Microstrip)結構，傳輸線170是共面帶狀線(Coplanar strip)結構。在傳輸線160(微帶線)之下的金屬層133可作為接地層，並且傳輸線170(共面帶狀線)之下並沒有設置可作為接地層的金屬層。如此一來，第一電路110的連接埠190a被饋入微波訊號，使得微波訊號在微帶線被執行平衡不平衡的輸出轉換，再經由共面帶狀線的連接埠190b及連接埠190c輸出訊號，以達成單端輸入及雙端輸出的訊號轉換，或者雙端輸入及單端輸出的訊號轉換。
參照第2圖，第2圖係根據本案一些實施例所繪示之雙頻轉換電路結構100的複數個線段的示意圖。如第2圖所示，傳輸線150包含複數個線段，每一線段包含各自的阻抗、寬度與長度。在一些實施例中，該些線段包含線段210、線段220、線段230與線段240。線段210具有寬度W1及阻抗z1。線段220具有寬度W2及阻抗z2。線段230具有寬度W3及阻抗z3。線段240具有寬度W4及阻抗z4。
參照第3圖，第3圖係根據本案另一些實施例所繪示之雙頻轉換電路結構100的複數個線段的示意圖。如第3圖所示，傳輸線150包含線段250及線段260。線段250及線段260具有寬度W0及阻抗z0。傳輸線160包含線段270。線段270具有寬度W0及阻抗z0。在一實施例 中，線段250、線段260及線段270的阻抗為預設阻抗。
傳輸線160的兩端(例如一端161a及一端161b)之間具有至少一彎曲部165。在一實施例中，傳輸線160包含4個彎曲部165。在輸入訊號在連接埠190a被接收後，輸入訊號會經由傳輸線160的彎曲部165被傳送至傳輸線170。彎曲部165包含一截角，使得彎曲部165的面積被減少。在另一實施例中，如第3圖所示，線段270具有寬度W0，且傳輸線160的側邊167與側邊168的延伸線彼此垂直於彎曲部165。彎曲部165的邊緣169分別與側邊167及側邊168形成45度角(即在彎曲部165形成邊長為W0且兩角度為45度角的等腰三角形)。如此一來，傳輸線160的阻抗不連續效應可被降低。在另一些實施例中，彎曲部165具有半徑W0為的四分之一圓弧，或者其他被削減的形狀。
第2圖及第3圖的此些線段(即微帶線)的電氣長度關聯於輸入的訊號頻率。在雙頻轉換電路結構100的電路布局與結構中，微帶線的各線段的阻抗可彼此關聯地被調整，使得在兩種頻率下(例如2.4GHz與5.5GHz)均可實現目標阻抗匹配，達成訊號傳遞的效果。
參照第4圖，第4圖係根據本案一些實施例所繪示之雙頻轉換電路結構400的示意圖。雙頻轉換電路結構400類比於第1~3圖的雙頻轉換電路結構100，具有相同的運作功能。在第4圖中僅繪示可彼此關聯地調整的線段，例如線段210、線段220、線段230及線段240。 細線部分代表具有預設阻抗的線段(例如第3圖的線段250、線段260及線段270)。值得一提的是，在本案的雙頻轉換電路結構400以及第1圖之雙頻轉換電路結構100是一對稱結構。舉例來說，線段210、線段220、線段230及線段240形成一半電路結構(如第5圖的半電路結構115)，此半電路結構會基於對稱軸180以與另一半電路結構(例如線段210’、線段220’、線段230’及線段240’)對稱。如第4圖所示，雙頻轉換電路結構400具有沿著一方向(例如與線段220平行的水平方向)延伸的對稱軸180。在對稱軸180的鏡射側為對稱於線段210的線段210’、對稱於線段220的線段220’、對稱於線段230的線段230’以及對稱於線段240的線段240’。換言之，第1圖的雙頻轉換電路結構100的傳輸線150的整體結構為近似對稱的結構。在以下敘述中，以半電路結構115作說明，本技術領域具通常知識者可透過半電路結構115而推論或類比於另一半電路結構的內容。
如第4圖所示，線段210的一端與線段220的一端透過節點310耦接於連接埠190a。線段230的一端與線段220的另一端透過節點320耦接於連接埠190b。線段240的一端耦接於線段210的另一端。
為說明微帶線的各線段的阻抗可被彼此關聯地調整，請參照第5圖及第6圖。
第5圖係根據本案一些實施例所繪示之於半電路結構115執行偶模半電路分析(even-mode analysis) 的示意圖。如第5圖所示，線段210的電氣長度L1為θ1/2。線段220的電氣長度L2為θ2。線段230的電氣長度L3為θ3。線段240的電氣長度L4為θ1/2。其中θ1、θ2及θ3為關聯於兩個不同頻率f 1及f 2(例如2.4GHz與5.5GHz)的值。舉例來說，θ1、θ2及θ3同時滿足以下關係式。
Figure 108128988-A0101-12-0007-7
在偶模半電路分析中，節點310會使欲設計之f 1、f 2訊號看到短路，使得在偶模時，在連接埠190a處讓設計之f 1、f 2訊號中的偶模訊號無法抵達連接埠190b。同時，線段240在對稱軸180(第4圖)處的端點241被視為開路(open)。附帶一提的是，線段230在對稱軸180(第4圖)處的端點231也被視為開路(open)。因此，透過偶模半電路分析可得到連接埠190a的輸入阻抗Zin_even，如公式(1)所示。
Figure 108128988-A0101-12-0007-8
在公式(1)中，j為虛數。由於節點310被視為短路，Zin_even的值為零。當Zin_even的值為零時，可以得到線段210的阻抗z1與線段240的阻抗z4之間的關係式，如公式(2)所示。
Figure 108128988-A0101-12-0007-9
參照第6圖，第6圖係根據本案一些實施例所繪示之於半電路結構115執行奇模半電路分析(odd-mode analysis)的示意圖。如第6圖所示，半電路結構115包含電路部Pb及電路部Pc，其中電路部Pb包含電路部Pa。電路部Pa包含線段230及線段260。電路部Pb包含線段220及線段230。電路部Pc包含線段210及線段240。
在奇模半電路分析中，線段240在對稱軸180(第4圖)處的一端被視為虛短路(virtual short)。附帶一提的是，線段230在對稱軸180(第4圖)處的一端也被視為為虛短路。
在奇模半電路分析中，電路部Pa的電路阻抗za關聯於線段230的阻抗z3、電氣長度L3及預設阻抗z0，如公式(3)所示。
Figure 108128988-A0101-12-0008-10
電路部Pb的阻抗zb關聯於電路部Pa的電路阻抗za、線段220的阻抗z2及電氣長度L2，如公式(4)所示。
Figure 108128988-A0101-12-0008-13
電路阻抗z b 可透過將公式(3)計算出的za代入公式(4)而獲得。
電路部Pc的阻抗zc關聯於線段210的阻抗z1、線段240的阻抗z4及線段210的電氣長度L1(例如θ1/2)，如公式(5)所示。在一實施例中，線段210的電氣長度L1等於線段240的電氣長度L4。
Figure 108128988-A0101-12-0008-14
值得一提的是，電路阻抗zc含有兩個變數，因此，將偶模半電路分析的公式(2)帶入公式(5)，可獲得zc與的阻抗z1關係式。
換言之，本案可藉由調整公式(2)~(5)中的阻抗z1、z2、z3及z4，來實現阻抗匹配。
如第6圖所示，電路部Pc並聯於電路部Pb。因此，電路部Pc與電路部Pb形成並聯電阻。因此，可由並聯電阻而得到連接埠190a的輸入阻抗Zin_odd，如公式(6)所示。
Figure 108128988-A0101-12-0009-15
其中，公式(6)中的Zin_odd的值可透過公式(3)~(5)的電路阻抗zb及zc來得到(即線段210~240的阻抗z1~z4)。
在奇模半電路分析中，當連接埠190a的輸入阻抗Zin_odd等於兩倍的預設阻抗時，半電路結構115即可達成阻抗匹配，如公式(7)所示。
Z in_odd =2z 0...公式(7)
其中，z0是預設阻抗。
在一些實施例中，在運算裝置(未繪示)上執行電路設計時，可透過相關軟體工具執行電磁模擬，來計算出符合公式(7)的阻抗z1~z4。舉例來說，當預設阻抗z0為50歐姆時，運算裝置(未繪示)執行一連串的迭代運算。當判斷阻抗z1~z4代入公式(2)~(6)並判斷公式(7)的輸入阻抗Zin_odd等於100歐姆時，則記錄該些阻抗z1~z4 的數值。該些阻抗z1~z4與前述電氣長度L1~L4(例如根據頻率f 1及f 2計算公式(0))可以被進一步用來完成雙頻轉換電路結構100的電路設計。
如此一來，該些阻抗z1~z4的數值運用在雙頻轉換電路結構100時，可以使雙頻轉換電路結構100的連接埠190b與連接埠190c具有180度的相位差，並且可使雙頻訊號運作於雙頻轉換電路結構100。此外，雙頻轉換電路結構100適用於至少二個頻率的訊號。舉例來說，在連接埠190a接收具有2.4GHz頻率的訊號或者具有5.5GHz頻率的訊號之後，在連接埠190b及190c均可輸出具有180度的相位差的訊號。
在一些實施例中，請復參照第1圖，雙頻轉換電路結構100可被彎折，以降低微帶線在電路佈局上的面積，減少整體電路結構的尺寸。
在一些實施例中，雙頻轉換電路結構100兼具雙層結構(例如第一電路110的微帶線)與單層結構(例如第二電路120的共面帶狀線)。雙層結構可使測試裝置(未繪示)透過連接埠190a直接與第一電路110連接。如此，在連接埠190a饋入訊號至微帶線後，經由共面帶狀線將訊號於連接埠190b及190c輸出，以完成訊號的轉換，反之亦然。
綜上所述，本案的雙頻轉換電路結構100在使用上提升便利性。並且，此電路布局方式在操作於頻率2.4GHz與5.5GHz時，反射損失(return loss)均可降 低至-10dB以下。在插入損失(insertion loss)方面，在操作於頻率2.4GHz時的插入損失約為1.3dB，在操作於頻率5.5GHz時的插入損失約為2.5dB。因此，本案的雙頻轉換電路結構100可操作於兩種頻率的訊號轉換，使得在同一電路上支援兩種頻率而減少電路元件的使用，並且同時可達到維持良好的阻抗匹配的功效。
100‧‧‧雙頻轉換電路結構
110‧‧‧第一電路
120‧‧‧第二電路
131、133‧‧‧金屬層
135‧‧‧邊緣
150、160、170‧‧‧傳輸線
151a、151b‧‧‧端
161a、161b‧‧‧端
171a、171b‧‧‧端
190a、190b、190c‧‧‧連接埠
A、B、C、D‧‧‧端點

Claims (9)

  1. 一種雙頻轉換電路結構，適用於至少二個頻率，其中該雙頻轉換電路結構包含：一金屬層；一第一傳輸線，設置於該金屬層上；一第二傳輸線，設置於該金屬層上，其中該第二傳輸線的一第一端耦接於該第一傳輸線的一第一端，且該第二傳輸線的一第二端對齊該金屬層的一邊緣；以及一第三傳輸線，其中該第三傳輸線的一第一端耦接於該第二傳輸線的該第二端，其中該第三傳輸線遠離該金屬層之該邊緣地延伸，其中該第一傳輸線的一第二端包含一第一連接埠，該第三傳輸線的一第二端包含一第二連接埠以及一第三連接埠，其中該第三傳輸線的該第二端遠離該金屬層之該邊緣，該第一連接埠用以接收一輸入訊號，並且該第二連接埠用以輸出一第一輸出訊號及該第三連接埠用以輸出一第二輸出訊號。
  2. 如請求項1所述之雙頻轉換電路結構，其中該第一輸出訊號與該第二輸出訊號之間的一相位差為180度。
  3. 如請求項1所述之雙頻轉換電路結構，其中該第三傳輸線所在的平面係平行於該金屬層 的平面。
  4. 如請求項1所述之雙頻轉換電路結構，其中該第二傳輸線的該第一端與該第二傳輸線的該第二端之間具有至少一彎曲部，使得該輸入訊號經由該第二傳輸線的該至少一彎曲部傳送至該第三傳輸線。
  5. 一種雙頻轉換電路結構，適用於至少二個頻率，其中該雙頻轉換電路結構包含：一金屬層；一第一傳輸線，設置於該金屬層上；一第二傳輸線，設置於該金屬層上，其中該第二傳輸線的一第一端耦接於該第一傳輸線的一第一端，且該第二傳輸線的一第二端對齊該金屬層的一邊緣；以及一第三傳輸線，其中該第三傳輸線的一第一端耦接於該第二傳輸線的該第二端，其中該第三傳輸線遠離該金屬層之該邊緣地延伸，其中該第一傳輸線包含一第一線段以及一第二線段，該第一線段之一第一端與該第二線段之一第一端透過一節點耦接於該第一連接埠；其中該第一傳輸線還包含一第三線段，該第三線段之一第一端耦接於該第二線段之一第二端。
  6. 如請求項5所述之雙頻轉換電路結構，其中該第一傳輸線還包含一第四線段，該第四線段之一第一端耦接於該第一線段的一第二端。
  7. 如請求項6所述之雙頻轉換電路結構，其中該第一傳輸線還包含一第五線段，其中該第五線段之一第一端耦接於該第一連接埠，且該第五線段之一第二端、該第二線段及該第一線段耦接於該節點，其中該第五線段包含一預設阻抗。
  8. 如請求項6所述之雙頻轉換電路結構，其中該第一傳輸線還包含一第六線段，其中該第六線段的一第一端耦接於該第二線段的該第二端及該第三線段的該第一端，其中該第六線段包含一預設阻抗。
  9. 一種雙頻轉換電路結構，適用於至少二個頻率，其中該雙頻轉換電路結構包含：一金屬層；一第一傳輸線，設置於該金屬層上；一第二傳輸線，設置於該金屬層上，其中該第二傳輸線的一第一端耦接於該第一傳輸線的一第一端，且該第二傳輸線的一第二端對齊該金屬層的一邊緣；以及一第三傳輸線，其中該第三傳輸線的一第一端耦 接於該第二傳輸線的該第二端，其中該第三傳輸線遠離該金屬層之該邊緣地延伸，其中該第二傳輸線的該第一端與該第二傳輸線的該第二端之間具有至少一彎曲部，並且該至少一彎曲部的一邊緣分別與該第二傳輸線的一第一側邊與該第二傳輸線的一第二側邊形成45度角。
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