CN1140940C - 多层基片内提供的高频平衡-不平衡变换器 - Google Patents

多层基片内提供的高频平衡-不平衡变换器 Download PDF

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Abstract

按照本发明的平衡-不平衡变换器使用在多层的电介结构中被连接在一起的分布元件和分立元件。耦合带状线被置于多层介电结构中，作为分布元件。分立元件被设置在多层结构的表面上并通过通孔和分布元件相连。平衡-不平衡变换器的操作频率可通过改变分立元件的值而不改变多层结构本身被改变。

Description

多层基片内提供的高频平衡-不平衡变换器
技术领域
本发明一般涉及平衡-不平衡变换器(balun)，尤其涉及作为多层结构部分实现的平衡-不平衡变换器。
背景技术
平衡-不平衡变换器(该术语来自由平衡到不平衡变换)是一种用于在对称和不对称传输线之间转换的无源三端电子电路。例如进入非对称端口的信号被在两个对称端口之间分配，在其输出端提供具有相同幅值而相位彼此差180度的信号。例如，平衡-不平衡变换器被用于构成平衡放大器、混频器和天线***。
平衡-不平衡变换器的结构取决于预期的操作频率范围。在微波频率范围内，结构的大小可以和信号的波长相比，所以一般使用分布元件电路技术。在低频范围内，例如直到2500MHz，一般采用变压器方案，其中导线呈螺旋形地绕在高导磁率的磁心上。这些常规的平衡-不平衡变换器结构具有若干问题。
使用变压器导线之间的磁耦合现象的变压器方案在理论上是宽带电路。然而实际上，需要对本征电容进行补偿，尤其是在400-2500MHz的频率范围内。这意味着，变压器型平衡-不平衡变换器的物理结构必须被专门最佳化，以便在其操作频率带宽内操作。此外，难于精确地设置被绕在磁心上的导线的长度，使得设计的同样的变压器，实际上具有基本上相同的电特性。
大多数在高频(例如大于2500MHz)范围内操作的现有的平衡-不平衡变换器，只有两个对称端口很好地匹配时才具有好的平衡-不平衡变换器性能。在许多应用中，由于其它原因，对称端口的功率匹配是不需要的。例如，混频器或放大器的对称输入端的功率匹配便有损于其噪声参数。因而，需要在功率匹配和噪声匹配之间进行折中。
此外，电子设备结构的小型化又要求平衡-不平衡变换器小型化。例如，在400-2000MHz频率范围内使用的平衡-不平衡变换器通常不大于20mm2，并被设计用于在最终产品上进行自动表面安装。然而，在平衡-不平衡变换器本身的生产期间，仍然使用人工安装，因为导线需要由人工绕在磁心上，并且导线端部需要***最终产品上的电连接器中。人工安装成本高，耗时多，并且引起最终产品例如无线电接收机的参数分散，在无线电接收机中，平衡-不平衡变换器恰恰是其主要元件之一。
因而，需要提供一种当在不匹配的负载下工作时具有较好的对称性的平衡-不平衡变换器，其不需要不同的物理结构来处理不同的操作频率范围，并且和人工安装相反，通过使平衡-不平衡变换器能够和其它电路元件自动地集成，降低制造成本。
发明内容
常规的平衡-不平衡变换器的这些和其它的缺点和限制按照本发明的示例的实施例被克服了。按照本发明的平衡-不平衡变换器使用在多层电介结构中连接在一起的分布和分立元件。作为分布元件，在多层电介结构中提供耦合的带状线。分立元件被设置在多层结构的表面上并通过通孔和分布元件相连。这提供了许多有利的平衡-不平衡变换器特性。
例如，在由多层结构中使用的电介材料的特性限定的范围内，平衡-不平衡变换器的操作频率范围可通过改变用于制造平衡-不平衡变换器的分立元件的值简单地进行调节。用这种方式，平衡-不平衡变换器的操作频率可被容易地改变，而不需要完全新的平衡-不平衡变换器结构。例如和变压器型平衡-不平衡变换器相比，这是一个大的优点，变压器型平衡-不平衡变换器对于不同的操作频率范围需要进行完全新的结构设计。
本发明提供了一种平衡-不平衡变换器，包括：
和第一电容器耦合的非对称信号端口，所述第一电容器被提供在多层结构的顶层上，多层结构包括至少两层信号传输导电层，所述信号传输导电层由一层介电材料分开；
在所述顶层下方的第一接地平面层；
在所述接地平面层下方的第三层上的耦合的一对带状线部分，所述一对耦合的带状线部分具有第一第二和第三连接节点，其中所述第一电容器和所述第一节点相连；
和所述一对耦合的带状线部分的所述第二节点相连的第一对称信号端口，其中在所述第二节点和所述第一对称信号端口之间提供有第一传输线部分、第二电容器和第二传输线部分的组合；以及
和所述一对耦合的带状线传输部分的所述第三节点相连的第二对称信号端口，其中在所述第三节点和所述第二对称信号端口之间提供有第三传输线部分、第三电容器和第四传输线部分的组合；
其中所述第二和第三电容器也被提供在所述多层结构的顶层上。
本发明还提供了一种平衡-不平衡变换器，包括：
包括至少两个被接地平面层相互分开的信号传输导电层的多层结构，所述导电层由一层介电材料分开，所述多层结构包括：
非对称端口，用于接收或输出被提供在所述多层结构的至少两个信号传输导电层之一的表面上的不平衡的输入信号；
两个对称端口，分别用于输出或接收被各自提供在所述多层结构的至少两个信号传输导电层之一的所述表面上的，幅值相同而相位相差180度的信号；
其中所述平衡-不平衡变换器的分布元件被设置在所述多层结构的所述至少两个信号传输导电层的下层中，所述平衡-不平衡变换器的分立元件被提供在所述多层结构的所述至少两个信号传输导电层之一的所述表面上。
本发明还提供了一种可以在第一操作频率和第二操作频率之一下操作的平衡-不平衡变换器，所述平衡-不平衡变换器包括：
包括至少两个被接地平面层相互分开的信号传输导电层的多层结构，所述导电层由一层介电材料分开；
非对称端口，用于接收或输出不平衡的输入信号，所述非对称端口被提供在所述多层结构的至少两个信号传输导电层之一的表面上；
两个对称端口，分别用于输出或接收被提供在所述多层结构的至少两个信号传输导电层之一的所述表面上的，幅值相同而相位相差180度的信号；以及
被设置在所述多层结构的至少两个信号传输导电层之一的所述表面上第一组元件，并且所述平衡-不平衡变换器的至少一个元件被设置在所述多层结构的至少两个信号传输导电层的另一层上，借以通过改变所述第一组元件的所述值使所述平衡-不平衡变换器的所述操作频率可以从所述第一操作频率改变为所述第二操作频率。
通过使用已知的印刷电路和分立元件集成技术来提供作为多层结构部分的平衡-不平衡变换器，产品质量提高了，并消除了平衡-不平衡变换器的人工安装。这可用于减少其中包括平衡-不平衡变换器的最终产品的成本。
通过制造作为多层结构的平衡-不平衡变换器，可以在被设置在安装分立元件的层下面的层中提供分布元件。这使得平衡-不平衡变换器所需的顶层表面积被减小，这又进一步有利于其中包括平衡-不平衡变换器的最终产品的小型化。
附图说明
本发明的上述的以及其它的目的、特点和优点通过阅读下面结合附图进行的详细说明将更加容易理解，其中：
图1是一个示例的多层结构的顶视图，在该结构中可以实现按照本发明的平衡-不平衡变换器；
图2是一个示例的多层结构的截面图，在该结构中可以实现按照本发明的平衡-不平衡变换器；以及
图3说明示例的按照本发明的平衡-不平衡变换器的电路结构。
具体实施方式
其中可以实现按照本发明的平衡-不平衡变换器的多层结构的一个例子如图1(顶视图)所示。其中，耦合的一对带状线S1和S2被隐蔽地示出了(即用虚线表示)，因为耦合的带状线被嵌在多层结构10的较下面的层中。带状线是熟知的传输线，其可以被制成置于电介质中的导电金属轨迹，在电介质表面的两侧具有两个平行的接地平面。耦合的带状线是一种使用其间具有恒定距离的两个带状线的结构。在多层结构中，耦合的带状线可被做成在同一层上的两个平行的轨迹，在具有轨迹的层的上下层上具有接地平面，或被做成在两个相邻层上的平行轨迹。图1中所示的其余的元件在多层结构10的表面上或顶层上。例如，多层结构10可以包括表面安装器件3和5。表面安装器件3和5可以分别使用通路(通孔)7和9和耦合带状线S1，S2电气相连。如现有技术中熟知的那样，通路是形成在多层结构中的小孔，其被电镀上导电材料，用于在多层结构中的不同层之间所需的点建立电连接。此外，图1所示的示例的多层结构10包括在表面上或顶层上的微波传输带11和13。如现有技术中熟知的那样，微波传输带是一种受控阻抗的微波频率传输线，其被制成在介电表面的一侧上的导电金属轨迹，在介电表面的另一侧上具有接地平面。微波传输带11和13通过通孔15和17分别和耦合带状线之一S2相连。图1还示出了通路19，其使耦合带状线S1和S2和接地平面相连。
图2是示例的多层结构的侧视图用这种多层结构可以实现按照本发明的平衡-不平衡变换器。虽然这侧视图表示的元件配置和图1的多层结构中的略有不同，但对相似的元件还是使用了相同的标号。例如，顶层(图2中用层1表示)包括表面安装器件3。表面安装器件3和已被制造在层N-1中的耦合带状线之一S2相连。在这个例子中，多层结构具有4层，但可以使用等于或大于4层的层数。使表面安装器件3和耦合带状线S1，S2互连的通道7和接地表面是绝缘的，如图所示，例如在层N的点20，其说明在通道7和金属化的接地平面部分22之间是分开的。另一个导电通道24提供接地平面层N和N-2之间的连接。
图2所示的4个导电层中的每一个由介电材料构成的层分开。此外，在多层结构的层1上提供的分立的电元件和在层N-1上提供的电元件例如耦合带状线S1、S2，通过接地平面电气绝缘，接地平面是作为层N-2而提供的。接地平面例如可以是厚度大约为17.5mm的铜层。这有助于保证在层1上提供的元件的操作不受电脉冲的影响，电脉冲是例如通过电容或电感耦合效应提供给层N-1上的元件的。
平衡-不平衡变换器的操作频率被在多层结构中提供的介电层的电参数(例如介电常数，介电损失(损失角正切)和介电厚度)所限制。例如，如果使用一般的玻璃纤维树脂材料(例如介电常数为4.25，损失角正切为0.02，层厚为0.5mm)作为图2的介电层，则按照本发明的平衡-不平衡变换器的操作频率可以被设置在100MHz和2.5GHz之间。实际上，较低的值被带状线结构的长度所限制。较高的频率值被介电层中的损失和与增加的频率(假定介电层厚度恒定)相关的较高的波长传输方式所限制。本发明的主要特征在于，平衡-不平衡变换器的操作频率可以通过改变分立元件的值在被限制的范围内改变，而不用改变多层结构本身。在阅读下面给出的示例的平衡-不平衡变换器电路结构的详细说明之后，按照本发明的平衡-不平衡变换器的这些和其它的优点将更加明显。
按照本发明的平衡-不平衡变换器的一个例子如图3所示，在图3中，使用有阴影的圆圈代表通路。由本图所示的例子可见，一些通孔和接地平面相连(例如层N-2和层N)，而另一些则连接在多层结构的顶面和嵌入层之间。端口30是平衡-不平衡变换器的非对称端口，而端口32和34是对称输出。因而，端口32和34各自提供一个具有相同幅值的输出，但是这些输出的相位相差180度(如果平衡-不平衡变换器完全对称)。当要连接外部偏压使端口32和34偏置时，端口36被选择地提供(传输线S7也如此)。例如端口36可用于连接有源器件(例如有源放大器和有源混频器)，以便使对称端口32和34偏置。传输线S7在公共节点38和端口36之间提供电绝缘。当连接无源器件时，端口36(以及传输线S7)可以被省略。
平衡-不平衡变换器的分布元件部分包括耦合传输带状线的两个部分S1和S2。部分S1包括带状线S11和S12，而部分S2包括S21和S22。对于偶数模式和奇数模式部分S1和S2可以具有相同的特征阻抗，并且可以在公共节点38连在一起(在图3中用虚线表示)。这可以通过使每个带状线S11，S12，S21，S22具有相同长度(例如6.4mm)，相同宽度(例如0.2mm)，相同厚度，并在部分S1和S2之间提供均匀的空间(例如0.15mm)来实现。带状线S12的节点40和接地平面相连，带状线S11的节点42和电容器C1、C2相连，电容器C1和C2具有根据平衡-不平衡变换器的所需的操作频率而选择的值，以便对于平衡-不平衡变换器的非对称输出提供合适的匹配和阻抗变换。带状线S21和S22的节点44和46和带状线S3以及S5相连，带状线S3以及S5分别和电容器C3与C4连接在一起，从而在节点48和50分别给出正确的阻抗变换。对称输出端口32和34利用导线S4、S6和节点48、50相连。最终的平衡-不平衡变换器电路的输出阻抗决定于下述参数的正确选择：传输线部分S3和S4的阻抗值和电气长度、在一侧上的电容器C3的值、传输线部分S5和S6基本相同的阻抗值与电气长度、以及在另一侧上电容器C4的值。本领域的技术人员应该理解，可以改变输出阻抗，使得对称端口提供最大增益(功率匹配)、最小噪声(噪声匹配)或根据应用而提供两者之间的折中。对电容器C5选择的值确定平衡-不平衡变换器的适合的对称性，使得对称的输出具有基本相同的幅值并尽量接近180度的相位差。这一电容值取决于用于奇数和偶数模式的耦合带状线的特性阻抗和在平衡-不平衡变换器的操作频率下部分S1、S2的电气长度。如果使用传输线S7，则必须考虑其特性阻抗和电气长度以及端口36的阻抗，以便确定用于维持平衡-不平衡变换器对称性的C5的合适的电容值。
如上所述，耦合带状线部分S1和S2被嵌入多层结构例如结构10内，而分立元件(例如C1-C5)被提供在层1或结构的上表面上。根据平衡-不平衡变换器的设计限制，带状线(在嵌入的层中)或微波传输线(在表面层上)可用于传输线元件S3，S4，S5，S6和S7。图3所示的例子中，S3和S5和耦合带状线S1、S2一道被制成在嵌入层中的带状线(例如层N-1)。传输线部分S4和S6被和电容器C1-C5一道制成在表面层上的微波传输线。
按照本发明的一个示例的实施例，使用分布和分立元件，以多层结构构成平衡-不平衡变换器，使得平衡-不平衡变换器的操作频率可以容易调节。例如，通过调节电容器C1-C5的值，平衡-不平衡变换器电路的操作频率可在所用的电介质限定的范围内改变(例如至少在原始设计的操作频率100MHz和2.5MHz之间的一个倍频程内)，而不用改变多层结构或调节嵌入在多层中的耦合带状线。例如，使用下面表1中的值，按照图3的示例的实施例的平衡-不平衡变换器可以在935-960MHz的范围内操作。通过把电容器C1-C5的值改变为表2中所示的值，相同的平衡-不平衡变换器结构可以在425-430MHz之间操作。本领域的技术人员应该理解，可以使用其它的电容值达到其它的操作频率范围。
表1
C1  1.8Pf
C2  0.47pF
C3  4.7pF
C4  4.7pF
C5  3.3pF
表2
C1 8.2Pf
C2 12pF
C3 27pF
C4  27pF
C5  33pF
上述的示例的实施例旨在从各方面说明本发明而不是限制本发明。因而，本领域的技术人员在具体的实现中根据以上的说明可以得到许多改型。例如，可以使用对称端口分别作为输入或输出端口。所有这些改型都被认为落在以下权利要求限定的本发明的构思和范围内。

Claims (19)

1.一种平衡-不平衡变换器，包括：
和第一电容器耦合的非对称信号端口，所述第一电容器被提供在多层结构的顶层上，多层结构包括至少两层信号传输导电层，所述信号传输导电层由一层介电材料分开；
在所述顶层下方的第一接地平面层；
在所述第一接地平面层下方的第三层上的一对耦合的带状线部分，所述一对耦合的带状线部分具有第一第二和第三连接节点，其中所述第一电容器和所述第一节点相连；
和所述一对耦合的带状线部分的所述第二节点相连的第一对称信号端口，其中在所述第二节点和所述第一对称信号端口之间提供有第一传输线部分、第二电容器和第二传输线部分的组合；以及
和所述一对耦合的带状线部分的所述第三节点相连的第二对称信号端口，其中在所述第三节点和所述第二对称信号端口之间提供有第三传输线部分、第三电容器和第四传输线部分的组合；
其中所述第二和第三电容器也被提供在所述多层结构的顶层上。
2.如权利要求1所述的平衡-不平衡变换器，还包括：
第四电容器，被提供在所述多层结构的所述顶层上，和所述第一节点相连。
3.如权利要求2所述的平衡-不平衡变换器，其中所述第一和第四电容器的电容值被选择，以便对所述非对称信号端口提供阻抗匹配和阻抗变换
4.如权利要求1所述的平衡-不平衡变换器，还包括：
和互连所述一对耦合的带状线部分的公共节点相连的第五电容器，所述第五电容器具有用于维持所述第一和第二对称信号端口的输入幅值相同而相位相差180度的电容值。
5.如权利要求1所述的平衡-不平衡变换器，其中所述第一传输线部分、所述第二电容器和所述第二传输线部分的所述组合阻抗值被如此选择，使得对所述第一和第二对称端口提供在功率匹配和噪声匹配之间所需的折中。
6.如权利要求5所述的平衡-不平衡变换器，其中所述所需的折中是最佳的噪声匹配。
7.如权利要求5所述的平衡-不平衡变换器，其中所述所需的折中是最佳的功率匹配。
8.如权利要求1所述的平衡-不平衡变换器，还包括：
在所述第三层下方的接地平面。
9.如权利要求1所述的平衡-不平衡变换器，还包括：
用于通过外部装置使第一和第二对称信号端口偏置的偏置端口。
10.如权利要求1所述的平衡-不平衡变换器，其中所述第一和第三传输线部分作为带状线被提供在所述第三层上，所述第二和第四传输线部分作为传输线被提供在所述顶层上。
11.如权利要求1所述的平衡-不平衡变换器，其中所述一对耦合的带状线部分具有和所述第一接地平面层相连的第四节点。
12.如权利要求1所述的平衡-不平衡变换器，其中所述第一、第二和第三电容器也和所述第一接地平面层相连。
13.一种平衡-不平衡变换器，包括：
包括至少两个被接地平面层相互分开的信号传输导电层的多层结构，所述导电层由一层介电材料分开，所述多层结构包括：
非对称端口，用于接收或输出被提供在所述多层结构的至少两个信号传输导电层之一的表面上的不平衡的输入信号；
两个对称端口，分别用于输出或接收被各自提供在所述多层结构的至少两个信号传输导电层之一的所述表面上的，幅值相同而相位相差180度的信号；
其中所述平衡-不平衡变换器的分布元件被设置在所述多层结构的所述至少两个信号传输导电层的下层中，所述平衡-不平衡变换器的分立元件被提供在所述多层结构的所述至少两个信号传输导电层之一的所述表面上。
14.如权利要求13所述的平衡-不平衡变换器，其中所述分布元件包括具有对于偶数和奇数模式相同的特性阻抗和电气长度的一对耦合的带状线。
15.如权利要求13所述的平衡-不平衡变换器，其中所述分立元件包括被安装在所述多层结构的所述至少两个信号传输导电层之一的所述表面上的多个电容器。
16.如权利要求13所述的平衡-不平衡变换器，还包括：
用于通过外部装置使两个对称端口偏置的偏置端口。
17.一种可以在第一操作频率和第二操作频率之一下操作的平衡-不平衡变换器，所述平衡-不平衡变换器包括：
包括至少两个被接地平面层相互分开的信号传输导电层的多层结构，所述导电层由一层介电材料分开；
非对称端口，用于接收或输出不平衡的输入信号，所述非对称端口被提供在所述多层结构的至少两个信号传输导电层之一的表面上；
两个对称端口，分别用于输出或接收被提供在所述多层结构的至少两个信号传输导电层之一的所述表面上的，幅值相同而相位相差180度的信号；以及
被设置在所述多层结构的至少两个信号传输导电层之一的所述表面上第一组元件，并且所述平衡-不平衡变换器的至少一个元件被设置在所述多层结构的至少两个信号传输导电层的另一层上，借以通过改变所述第一组元件的所述值使所述平衡-不平衡变换器的所述操作频率可以从所述第一操作频率改变为所述第二操作频率。
18.如权利要求17所述的平衡-不平衡变换器，其中所述第一组元件包括多个电容器。
19.如权利要求17所述的平衡-不平衡变换器，其中所述至少一个元件包括一对耦合的带状线。
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