TWI726789B

TWI726789B - 平衡不平衡轉換器

Info

Publication number: TWI726789B
Application number: TW109127258A
Authority: TW
Inventors: 尤宗旗; 王兆恩; 張隆海
Original assignee: 財團法人國家同步輻射研究中心
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2021-05-01
Also published as: TW202207518A; US11228079B1

Abstract

一種平衡不平衡轉換器包含基板、平衡埠與不平衡埠。平衡埠設置於基板的第一配置面上。平衡埠包含第一金屬配置段、第二金屬配置段與相位相反的二平衡端。二平衡端分別設置於第一金屬配置段的一端部與第二金屬配置段的一端部。不平衡埠對應於平衡埠之設置而相對地設置於基板的第二配置面上，以與平衡埠之間形成重疊耦合。不平衡埠包含第三金屬配置段與不平衡端。不平衡端設置於第三金屬配置段的一端部。其中，第一金屬配置段和第二金屬配置段共同於基板上的第一正投影與第三金屬配置段於基板上的第二正投影重疊。

Description

平衡不平衡轉換器

本發明是關於技術平衡不平衡轉換器，特別是一種具低損耗的平衡不平衡轉換器。

平衡非平衡轉換器（亦可稱為巴倫）可用以將單端訊號轉換成差動訊號。在射頻功率應用中，平衡非平衡轉換器常見是以同軸線來實現，且根據應用功率大小來決定出所使用之同軸線的線徑。例如，在應用功率1000瓦特（W）以上的應用中，一般會使用達6毫米（mm）以上之線徑的同軸線。然而，使用的線徑越大，對於線的裁切、彎折、焊接的難度均會相對地提高，製作的時間與人力成本也相對增加，而不利於量產製作。此外，在射頻功率應用中，損耗的大小極為重要。一般常見小信號的平衡非平衡轉換器因損耗高於0.5dB（約10%損耗）而並不適合於高功率上使用。

在一實施例中，本發明提供一種平衡不平衡轉換器。平衡不平衡轉換器包含基板、平衡埠以及不平衡埠。基板具有第一配置面以及相對於第一配置面的第二配置面。平衡埠設置於第一配置面上。平衡埠包含第一金屬配置段、第二金屬配置段、第一平衡端與第二平衡端。第一平衡端之相位相反於第二平衡端之相位。第一平衡端設置於第一金屬配置段的一端部。第二平衡端設置於第二金屬配置段的一端部。不平衡埠對應於平衡埠之設置而相對地設置於第二配置面上，以與平衡埠之間形成重疊耦合。不平衡埠包含第三金屬配置段與不平衡端。不平衡端設置於第三金屬配置段的一端部。第一金屬配置段與第二金屬配置段共同於基板上的第一正投影與第三金屬配置段於基板上的第二正投影重疊，以形成重疊耦合。

綜上所述，本發明實施例之平衡不平衡轉換器，其平衡埠與不平衡埠相互對應設置於基板的二配置面上以形成重疊耦合，藉此大幅提升耦合效率並減少耦合能量損失。此外，本發明一實施例之平衡不平衡轉換器因具有平面化（例如，透過印刷電路板）、小型化（例如，長度為應用頻率的四分之一波長及/或環狀設計）、高平衡度（接近完美的差動訊號）與低損耗（例如，長時間通過500 MHz 1000瓦特射頻功率而不會過熱）等特性，而適用於需要使用高功率射頻線路的應用或小訊號低損耗產品應用，並且符合商業或科研產品考量之高規格、低製作成本、體積小、性能佳等優點。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

使本發明之實施例之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參閱圖1至圖7，本發明任一實施例之平衡不平衡轉換器100可用以接收單端射頻訊號，並將單端射頻訊號轉換為雙端差動的射頻訊號，抑或用以接收雙端差動的射頻訊號，並將雙端差動的射頻訊號轉換為單端射頻訊號。此外，本發明任一實施例之平衡不平衡轉換器100亦具備阻抗轉換功能。

平衡不平衡轉換器100包含基板110、平衡埠120以及不平衡埠130。如圖2所示，基板110可具有彼此相對的二配置面（以下分別稱之為第一配置面110A與第二配置面110B）。基板110的第一配置面110A與第二配置面110B皆可供電子線路、電子零件等配置於上。在本發明任一實施例中，平衡埠120是設置於第一配置面110A上，且不平衡埠130可對應於平衡埠120之設置而相對地設置於第二配置面110B上，以與平衡埠120之間形成重疊耦合。透過重疊耦合，本發明任一實施例之平衡不平衡轉換器100的耦合效率可大幅提升，並且減少了耦合時的能量損失。因此，本發明任一實施例之平衡不平衡轉換器100可適用於需要使用高功率射頻線路的應用，例如可包含基地台放大器、雷達放大器、電漿機台、微波加熱、核磁共振顯影（MRI）、加速器等，抑或用於小訊號低損耗產品應用，例如通訊電路、混頻器、降頻器等。

平衡埠120包含第一金屬配置段121、第二金屬配置段122、以及二平衡端（以下分別稱之為第一平衡端B1與第二平衡端B2）。第一平衡端B1設置於第一金屬配置段121之一端部，且第二平衡端B2設置於第二金屬配置段122之一端部。於此，第一平衡端B1所輸出（或接收）之訊號的相位是相反於第二平衡端B2所輸出（或接收）之訊號的相位。換言之，第一平衡端B1的相位與第二平衡端B2的相位之間相差180度。

不平衡埠130包含第三金屬配置段131以及不平衡端U1，且不平衡端U1設置於第三金屬配置段131之一端部。於此，不平衡埠130的第三金屬配置段131是對應於平衡埠120的第一金屬配置段121與第二金屬配置段122之設置而相對地設置。如此一來，平衡埠120的第一金屬配置段121與第二金屬配置段122共同於基板110上形成第一正投影可重疊於不平衡埠130的第三金屬配置段131於基板110上形成第二正投影，而使得第三金屬配置段131和第一金屬配置段121與第二金屬配置段122之間可形成重疊耦合。

在一些實施例中，第一正投影與第二正投影中之任一者可完全覆蓋另一者。換言之，位於第一配置面110A上的金屬配置段（第一金屬配置段121或第二金屬配置段122）之配置寬度與位於第二配置面110B上的金屬配置段（第三金屬配置段131）之配置寬度可不同，惟配置寬度較小的金屬配置段需完全被配置寬度較大的金屬配置段所覆蓋，如圖2中之左半部所示，於此是以位於第二配置面110B上之金屬配置段之配置寬度大於位於第一配置面110A上之金屬配置段為例。需注意的是，本發明並未限定位於第一配置面110A上之金屬配置段的配置寬度不同於位於第二配置面110B上之金屬配置段的配置寬度，位於第一配置面110A上之金屬配置段的配置寬度亦可相同於位於第二配置面110B上之金屬配置段的配置寬度，如圖2中之右半部所示。

在一些實施態樣中，第一金屬配置段121、第二金屬配置段122與第三金屬配置段131之配置寬度可大致上介於3毫米（mm）至10毫米之間。

在一些實施例中，由於重疊耦合的關係，不平衡埠130之第三金屬配置段131的長度L3可為平衡不平衡轉換器100之應用頻率的四分之一波長。此外，平衡埠120之第一金屬配置段121的長度L1以及第二金屬配置段122的長度L2可為平衡不平衡轉換器100之應用頻率的八分之一波長。如此一來，平衡不平衡轉換器100的所需佔用之電路面積可大幅縮減。

在一些實施例中，如圖1、圖4、圖5或圖7中任一圖所示，平衡埠120的第一平衡端B1可相鄰於第二平衡端B2，且第一平衡端B1與第二平衡端B2之間相隔一第一間距D1。換言之，設有第一平衡端B1之第一金屬配置段121的端部可以第一間距D1之距離相鄰於設有第二平衡端B2之第二金屬配置段122的端部。在一些實施態樣中，所述的第一間距D1可大致上為2毫米（mm）。但本發明並非以此為限，在另一些實施例中，平衡埠120的第一平衡端B1亦可遠離於第二平衡端B2，且此時平衡埠120是以第一金屬配置段121中非設有第一平衡端B1的另一端部與第二金屬配置段122中非設有第二平衡端B2的另一端部相鄰，如圖3所示。

在一些實施例中，平衡埠120可更包含第一接地端G1與第二接地端G2。第一接地端G1設置於第一金屬配置段121之另一端部，且第二接地端G2設置於第二金屬配置段122之另一端部。換言之，第一金屬配置段121之一端部設有第一平衡端B1且另一端部則設有第一接地端G1，第二金屬配置段122之一端部設有第二平衡端B2且另一端部則設有第二接地端G2。

在一些實施例中，第一接地端G1與第二接地端G2可共地。舉例而言，第一金屬配置段121之另一端部可直接與第二金屬配置段122之另一端部相接並共同電性連接至同一個地，如圖4至圖7所示。換言之，此時第一金屬配置段121與第二金屬配置段122可為同一個金屬配置段123，且第一接地端G1與第二接地端G2可共點於此金屬配置段123之中央處以一起電性連接至地。但本發明並非以此為限。第一金屬配置段121與第二金屬配置段122亦可為分開的兩個金屬配置段，如圖3所示，且第一金屬配置段121之另一端部與第二金屬配置段122之另一端部分別透過其他電性連接手段，例如透過額外連接線等電性連接至同一個地。

在一些實施例中，如圖1與圖2所示，平衡埠120的第一金屬配置段121與第二金屬配置段122可呈長條帶狀，且不平衡埠130的第三金屬配置段131亦呈長條帶狀。

舉例而言，在一實施態樣中，長度L1為應用頻率的八分之一波長的第一金屬配置段121可沿一水平方向V1延伸配置於基板110的第一配置面110A上，長度L2為應用頻率的八分之一波長的第二金屬配置段122自與第一金屬配置段121之端部相隔一第一間距D1處沿著水平方向V1延伸配置於基板110的第一配置面110A上，且長度L3為應用頻率的四分之一波長的第三金屬配置段131沿水平方向V1延伸並對應於第一金屬配置段121與第二金屬配置段122之設置處而相對地配置於基板110的第二配置面110B上。於此，如圖1所示，第一平衡端B1與第二平衡端B2可自中央側（即第一金屬配置段121與第二金屬配置段122相鄰的二端部）拉出，且第一接地端G1與第二接地端G2位於兩外側並且接地短路（即第一金屬配置段121的另一端部與第二金屬配置段122的另一端部）。此外，不平衡端U1可位於第三金屬配置段131的左側端部，且第三接地端G3位於第三金屬配置段131的右側端部。但本發明並非以此為限，在另一實施態樣中，第一平衡端B1與第二平衡端B2之位置選擇可更具有選擇彈性，因此，平衡埠120中的第一平衡端B1之設置位置可和第一接地端G1交換，且第二平衡端B2之設置位置可和第二接地端G2交換，使得第一接地端G1和第二接地端G2改位於中央側而第一平衡端B1與第二平衡端B2位於兩外側，如圖3所示。此外，在又一實施態樣中，平衡埠120的第一金屬配置段121與第二金屬配置段122更可以同一金屬配置段，例如長度為應用頻率的四分之一波長的金屬配置段來實現，且第一接地端G1和第二接地端G2共同位於此金屬配置段之中央側並電性連接至同一個地。

在一些實施例中，如圖4至圖7所示，平衡埠120的第一金屬配置段121與第二金屬配置段122可共同呈現環狀，且不平衡埠130的第三金屬配置段131亦呈環狀。在一些實施態樣中，所述的環狀可包含但不限於圓環、方形環、三角環或八角環，其他適用型態的環狀亦可應用於本發明之平衡不平衡轉換器100中。特別的是，可藉由調整環狀的態樣來最佳化電路的佈局空間，以有效降低量產成本。其中，呈圓環的配置態樣可使得平衡不平衡轉換器100的佔用電路面積更為縮小。

以下，以圓環狀來進行說明，在一實施態樣中，如圖4至圖6所示，第一金屬配置段121與第二金屬配置段122可以同一個金屬配置段123，例如長度L4為應用頻率的四分之一波長的金屬配置段123來實現，且此金屬配置段123繞成圓形於基板110的第一配置面110A上。長度L3為應用頻率的四分之一波長的第三金屬配置段131亦對應於第一金屬配置段121與第二金屬配置段122之設置處而相對地繞成圓形於基板110的第二配置面110B上。於此，第一平衡端B1與第二平衡端B2可分別自金屬配置段123的二端部拉出，且因繞成環狀而彼此相鄰。第一接地端G1與第二接地端G2則位於金屬配置段123的中央處，例如與端部距離約為應用頻率的八分之一波長處，並共同電性連接至同一個地。此外，不平衡端U1可位於第三金屬配置段131的左側端部，且第三接地端G3位於第三金屬配置段131的右側端部。特別的是，如圖5與圖6所示，第三金屬配置段131之右側端部（即第三接地端G3）可對應於第一接地端G1與第二接地端G2之設置位置而相對地設置，使得位於第二配置面110B的第三接地端G3可直接透過貫穿於基板110的導電過孔H1（via）電性連接至位於第一配置面110A的第一接地端G1與第二接地端G2，以共同接地。如此一來，平衡不平衡轉換器100的所需占用的電路面積可更為精簡。此外，為了方便線路配置，原先位於基板110之第二配置面110B的不平衡端U1更可透過導電過孔H2之電性連接而改設置於基板110的第一配置面110A上。

但本發明並非以此為限，在另一實施態樣中，長度L1為應用頻率的八分之一波長的第一金屬配置段121可繞成半圓形於基板110的第一配置面110A上，長度L2為應用頻率的八分之一波長的第二金屬配置段122可與第一金屬配置段121相隔而繞成另一半圓形於基板110的第一配置面110A上，並且第一金屬配置段121與第二金屬配置段122可大致上共同形成一圓環。於此，第一接地端G1與第二接地端G2可分別電性連接至不同的地，抑或透過額外連接線等電性連接至同一個地。

在一些實施例中，平衡不平衡轉換器100可更包含貫穿於基板110的複數導電過孔H3。如圖5與圖6所示，此些導電過孔H3可鄰近於平衡埠120與不平衡埠130而配置於基板110上，且此些導電過孔H3可電性連接至地。於此，此些導電過孔H3可用以增加散熱路徑，以協助散熱。

在一些實施態樣中，基板110可為印刷電路板，且平衡不平衡轉換器100可透過印刷電路製程印刷於印刷電路板上。換言之，平衡埠120的第一金屬配置段121與第二金屬配置段122以及不平衡埠130的第三金屬配置段131可為印刷電路線，而使得平衡不平衡轉換器100可平面化以實現空間最小化，且其製作變得更為簡便。

特別的是，本發明一實施例之平衡不平衡轉換器100在經過驗證後可高達500兆赫（MHz）1000瓦特（W）功率，並具有低於0.05dB的損耗。此外，二平衡端之振幅差可低於0.5dB，且相位差更可小於1度而具有高平衡度。由於本發明一實施例之平衡不平衡轉換器100的損耗極低，因此主要損耗可變由基板110之板材的損耗來決定。換言之，選用更佳的板材可更進一步減少損耗。例如，可選用介電損耗在0.002以下的板材來實現。

雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:平衡不平衡轉換器 110:基板 110A:第一配置面 110B:第二配置面 120:平衡埠 121:第一金屬配置段 122:第二金屬配置段 123:金屬配置段 130:不平衡埠 131:第三金屬配置段 B1:第一平衡端 B2:第二平衡端 D1:第一間距 G1:第一接地端 G2:第二接地端 G3:第三接地端 H1,H2,H3:導電過孔 L1,L2,L3,L4:長度 U1:不平衡端 V1:水平方向

圖1為本發明之平衡不平衡轉換器之一實施例的概要示意圖。圖2為金屬配置段於基板之二配置面上之配置寬度態樣的概要示意圖。圖3為本發明之平衡不平衡轉換器之一實施例的概要示意圖。圖4為本發明之平衡不平衡轉換器之一實施例的概要示意圖。圖5為圖4中平衡埠之一實施態樣的概要示意圖。圖6為圖4中不平衡埠之一實施態樣的概要示意圖。圖7為本發明之平衡不平衡轉換器之一實施例的概要示意圖。

100:平衡不平衡轉換器

120:平衡埠

123:金屬配置段

130:不平衡埠

131:第三金屬配置段

B1:第一平衡端

B2:第二平衡端

G1:第一接地端

G2:第二接地端

G3:第三接地端

L3,L4:長度

U1:不平衡端

Claims

一種平衡不平衡轉換器，包含：一基板，具有一第一配置面與相對於該第一配置面的一第二配置面，且包含複數導電過孔；一平衡埠，設置於該第一配置面上，該平衡埠包含一第一金屬配置段、一第二金屬配置段、一第一平衡端與一第二平衡端，其中該第一平衡端之相位相反於該第二平衡端之相位，該第一平衡端設置於該第一金屬配置段的一端部，且該第二平衡端設置於該第二金屬配置段的一端部，其中該第一金屬配置段之長度以及該第二金屬配置段之長度為應用頻率的八分之一波長；及一不平衡埠，對應於該平衡埠之設置而相對地設置於該第二配置面上，以與該平衡埠之間形成重疊耦合，該不平衡埠包含一第三金屬配置段與一不平衡端，且該不平衡端設置於該第三金屬配置段的一端部，其中該第一金屬配置段和該第二金屬配置段共同於該基板上之一第一正投影與該第三金屬配置段於該基板上之一第二正投影重疊，其中該第三金屬配置段之長度為應用頻率的四分之一波長，其中該第三金屬配置段呈一環狀，且該第一金屬配置段與該第二金屬配置段共同形成該環狀，該第一平衡端相鄰於該第二平衡端，且該第一平衡端與該第二平衡端之間相隔一第一間距，該環狀係為圓環、方形環、三角形環或八角形環，且該些導電過孔鄰近於該平衡埠與該不平衡埠並且係配置於該基板上，及該些導電過孔接地。
如請求項1所述的平衡不平衡轉換器，其中該平衡埠更包含一第一接地端與一第二接地端，該第一接地端設置於該第一金屬配置段的另一端部，該第二接地端設置於該第二金屬配置段的另一端部，且該第一接地端與該第二接地端共地。
如請求項1所述的平衡不平衡轉換器，其中該第一正投影與該第二正投影中之任一者係完全覆蓋另一者。
如請求項1所述的平衡不平衡轉換器，其中該第一金屬配置段、該第二金屬配置段與該第三金屬配置段皆呈長條帶狀。