CN1173054A - 平衡－不平衡变换器 - Google Patents

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Abstract

第一和第二个传输线耦合器(202,204),一个形成不对称开路结构,而另一个形成不对称的短路结构,耦合在一起以形成一个平衡－不平衡变换器(200)。平衡－不平衡变换器(200,400,500)可用三口的带通滤波器(800)或其它的微分电路制成,从而将一个平衡－不平衡变换器和一个二极的滤波器的功能结合到一个电路中。

Description

平衡-不平衡变换器
本发明一般地涉及微分电路，特别地涉及平衡-不平衡变换器。
众所周知，微分电路技术能提供较好的电路和电路间的隔离并能改善电路的动态范围。一个典型的前端采用微分电路布局的射频(RF)接收机如附图的图1所示。这个射频接收机100包含一个用来接收RF信号的平衡-不平衡变换器102。这个平衡-不平衡变换器接收不平衡(单端的)信号并将它变换成平衡(微分)的信号104。微分信号104涉及两个幅度相等但相位相差180度的信号。
这个微分信号104馈送到一个低噪声放大器(LNA)106。这个低噪声放大器可通过一个自动增益控制器(AGC)加以控制。然后一个放大了的微分信号108经一个带通滤波器(BPF)110滤波。这个经过滤波的信号112然后在混合器114中和一个本机振荡器(LO)信号混合。这个本机振荡器信号是从正交相位***器116***出来的。于是混合器114产生了一个正交输出信号QIQI。
可携带的和可移动的无线电产品的电路设计者正在不断地寻找能简化接收机设计和减少元件数量，尺寸和价格的途径。人们希望有一种简化的RF接收机，它能达到这些目的而同时能保持对隔离，动态范围，灵敏度和频率选择性的要求。
图1是射频接收机的一个现有技术的方框图。
图2是根据本发明制作的传输线平衡-不平衡变换器。
图3是图2中电路的模拟频率响应图。
图4是根据本发明制作的平衡-不平衡变换器的另一个实施方案。
图5是根据本发明制作的平衡-不平衡变换器的又一个实施方案。
图6是根据本发明制作的带通滤波器。
图7根据本发明制作的图6的滤波器的模拟频率响应图。
图8是根据本发明制作的射频接收机。
虽然本说明以定义本发明的被看作新奇的特点的权利要求结束语，我们相信结合所附的图形，其中标有参照的数字，考察下列的描述，就能较好地理解本发明。
一个传输线耦合器是一个四端，四口网络，它可由在一个特定频率上的它的耦合因子，K，它的阻抗Z。和电长度θ完全予以表征。许多可能的两口网络可以由将终端中的两个或者开路或者短路来形成以提供两极带通滤波器，它也称为四分之一波长耦合器。
根据本发明，两个传输线耦合器，一个是终端开路结构，一个是短路结构，耦合在一起以形成不对称的一对组合。当结合在一起时，它们显示出一个平衡-不平衡变换器的独特的性能。现在参照图2，那里画出了根据本发明制作的平衡-不平衡变换器200。这个平衡-不平衡变换器200包含第一和第二个传输线耦合器202，204。传输线耦合器的接地尽管没有画出来，但是我们已隐含假定它是接地的，每个传输线耦合器202，204构成一个两极带通滤波器，一个形成开路结构，而另一个形成短路结构。这些传输线耦合器也称为四分之一波长耦合器，202，204。这两个传输线耦合器202，204耦合在一起以形成一个三口的平衡-不平衡变换器，它有一个输入口1和第一和第二输出口，2，3。这个平衡-不平衡变换器200在输入口206接收一个射频(RF)信号并在第一和第二输出口，2，3产生一个微分输出信号。
这个传输线耦合器202是由第一和第二个相邻的传输线206，208组成的，这两个传输线是通过在一个特定频率上3分贝的耦合因子和90度的电长度耦合在一起的。这两个耦合的传输线提供了第一，第二，第三和第四个终端210，212，214，216。第一和第四个终端210，216是对角相反和开路的。第三个终端214起着输入终端的作用，而第二个终端212起着输出终端的作用。
这第二个传输线耦合器204是由第三和第四个相邻的传输线218，220组成的，这两个传输线是通过在一个特定频率上3分贝的耦合因子和90度的电长度耦合在一起的。这些耦合的传输线218，220提供了第一，第二，第三和第四个终端222，224，226，228。第一个终端222起着输入终端的作用，而第二和第三个终端224，226是对角相反和短路到地电位的。第四个终端228起着输出终端的作用。第一个传输线耦合器202的输入端214和第二个传输线耦合器204的输入端222耦合在一起，形成接收射频信号的输入口1。第一个传输线耦合器202的输出端212和第二个传输线耦合器204的输出端228提供了为响应RF信号而产生一个微分输出信号的第一和第二个输出口2，3。
本发明的平衡-不平衡变换器可以构成许多不同的形式，但是必须在一个传输线耦合器中保持对角相反和短路到地电位的终端，而在另一个传输线耦合器中保持对角相反和开路的终端。
现在参照图3，那里标出了对于画在图2中的平衡-不平衡变换器的模拟频率响应图300。对于这个模拟，每个四分之一波长耦合器都由在频率f为850兆赫兹(MHz)时的耦合因子为3分贝，阻抗Z0近似为70欧姆和电长度为90度予以表征。这个电路模拟是在0.65千兆赫兹(GHz)到1.05GHz的频率范围内进行的。在输入口的反射损耗，S11，其大小由标志符302显示。在输入口和第一输出口之间的***损耗，S2P由标志符304表示。在第一口和第一输出口之间的***损耗S31，由标志符306表示。这个窄带响应导致非常好的微分相位响应，对于在微分相位角中2度的非常严格的容差，已得到近似为百分之三十的带宽。
概略地说，本发明的平衡-不平衡变换器包括有对角相反和开路的终端和对角相反短路到地的终端，然而一个熟练的技术人员能估计到这个物理装置可以采取许多形式。
现在参照图4，那里画出了本发明的平衡-不平衡变换器的另一种实施方式。在这个等距剖开的示意图中，平衡-不平衡变换器400是用第一和第二个传输线耦合器402，404组成的，在那里每个耦合器402，404包含有相邻的或位于同一地点的传输线，这些传输线在一个基片401的平行平面上相互耦合。耦合器402由位于同一地点的传输线406，408组成，而耦合器404由位于同一地点的传输线410，412组成。在第一个耦合器402中，一对相对的位于平行平面上的终端414，416短路到地418，而在第二个耦合器404中，一对相对的终端420，422是开路的。终端424，426耦合在一起以提供输入口1，而终端428，430提供第一和第二个输出口2，3。
所以，当概略地画出对角相反时，一个熟练的技术人员可以估计到在这个物理装置中，不对称接地可将在相对平面上的平行传输线的相对终端短路到地(和开路)来实现。
图5画出了本发明的平衡-不平衡变换器的又一种实施方式500，它用的是一个螺旋传输线耦合器装置。在这个暴露的示图中，画出了两个位于外边的基片层502，504，它们提供了接地平面501，503和第一和第二个镶嵌在其间的内部基片层506，508。第一基片层506包含有第一和第二个耦合螺旋部分512，514的传输线510。第二基片层508包含有第一和第二个螺旋传输线516，518，它们基本上是在平行平面中的第一基片层的镜像。第一基片层506上，一个结点，或终端，520连接第一和第二个螺旋部分512，514并起着平衡-不平衡变换器的一个输入口1的作用。在第一个螺旋512的一端是开路的，终端522，而在第二个螺旋512的另一端是短路到地的，终端524。
在第二基片层508上，二个螺旋部分516，518和一个终端526断开，这个终端是短路到地的，而另一个终端528是开路的。第二基片层的第一和第二个螺旋部分的外终端提供第一和第二个输出口2，3。
概略地说，所有这些平衡-不平衡变换器的实施方式的布局仍然有对角相反和开路的终端和对角相反短路到地的终端的不对称特性。然而一个熟练的技术人员可以估计到在这个物理装置中可以采用许多不同的布局，就象前面所描述过的实施方式所演示的。
通过加入调谐元件，如电容或电感，可以容易地在本发明的平衡-不平衡变换器中加入频率灵敏度。现在参照图6，那里画出了加入如图2所示的平衡-不平衡变换器200的一个带通滤波器600。带通滤波器600包含有第一和第二个四分之一波长耦合器202，204以及数个调谐元件。这些调谐元件在这里由安置在基片601上的电容CS1，CS2，CS3，CP1，CP2和CP3表示。这些调谐元件耦合到输入口1和第一和第二个输出口2，3。这些调谐元件CS1，CS2，CS3，CP1，CP2和CP3为带通滤波器600提供了频率选择性。
现在参照图7，那里画出了根据本发明制作的如图6所示的滤波器的模拟频率响应图。在这个模拟中，用到在频率850兆赫兹上的耦合因子，K，为3分贝，阻抗Z近似为70欧姆和电长度为90度。电容的近似值选择为CS1＝1.48微微法(pF)，CS2＝2.2pF，CS3＝2.2pF，CP1＝2.5pF，CP2＝5.6pF，和CP35.6pF。图700显示出非常好的微分相位响应和对于两个输出口的一个两极滤波器的特性。输入口的反射损耗，S11由标志符702表示。在第一输出口和输入口之间的***损耗，S21，由标志符704表示，在第二输出口和输入口之间的***损耗，S31由标志符706表示。
频率选择性可类似地加到根据本发明制作的平衡-不平衡变换器的所有实施方式中。这样，不管布局如何，可以通过加入调谐元件很容易地制作出各种不同的带通滤波器。
接收机电路前端可以用本发明描述的带通滤波器大大地加以简化。本发明描述的带通滤波器600可以很容易地在许多材料上，如印刷电路板和陶瓷上制成。将带通滤波器的作用加到平衡-不平衡变换器200上去可消除无线电接收机中对分开的带通滤波器的需要。
现在参照图8，那里画出了一个根据本发明制作的采用微分电路布局的无线电。无线电接收机800包含有带通滤波器(BPF)600，它结合了根据本发明制作的一个平衡-不平衡变换器和一个双级带通滤波器的功能。带通滤波器600接收不平衡(单端的)信号并将它变换成经过滤波的平衡的(微分)信号802。将这个经过滤波的微分信号802馈送到一个低噪声放大器(LNA)804中，这个放大器是由一个自动增益控制器(AGC)控制的。然后这个放大了的微分信号806在混合器808中和一个本机振荡器(LO)信号混合，这个本机振荡器信号是从一个正交相位***器***出来的。于是这个混合器808产生出一个正交输出信号QIQI。所以本发明描述的带通滤波器通过将平衡-不平衡变换器和滤波器的功能结合到一个电路中简化了接收机的设计。消除现有技术的滤波器而仍然保留电路的微分特点就可用较少的元件提供优越的抗扰性。现在接收机电路的元件数目和整个尺寸可以减少了，这就提供了使价格降低的优点。
制成本发明描述的平衡-不平衡变换器有微分输出的带通滤波器可以从微波频率扩展到800-900兆赫兹，超高频(UHF)和甚高频(VHF)，基本上覆盖了全部可携带和可移动的无线电产品的频谱。除了滤波器外，由本发明描述的传输线平衡-不平衡变换器可在各种不同的其它的无线电电路中找到应用，在这些电路中希望利用微分拓扑学，例如混合器或简单到一种改进的变换器。由本发明描述的传输线平衡-不平衡变换器可以采用各种不同的布局拓扑学，使它能很容易地在单层和多层基片上实现。
当阐明和描述了本发明优先选用的实施方式后，显而易见本发明并不仅限于此。对于那些熟练技术的人员来说，可以有许多修改，改动，变化，替换和等效的电路，而不脱离本发明的精神和范畴，如下面附加的要求所定义的。

Claims (5)

1.一个平衡-不平衡变换器，包括：
第一个四分之一波长耦合器，它有两个对角相反短路到地电位的终端，一个输入终端和一个输出终端；
第二个四分之一波长耦合器，它有两个对角相反开路的终端，一个输入终端和一个输出终端，第一个四分之一波长耦合器输入终端和第二个四分之一波长耦合器的输入终端耦合形成为接收射频信号的第一个输入口；
第一个四分之一波长耦合器的输出终端和第二个四分之一波长耦合器的输出终端提供了为产生和射频信号相应的微分输出信号的第一个和第二个输出口。
2.在权利要求1中描述的平衡-不平衡变换器进一步包括耦合到这个输入口和第一个和第二个输出口的多个调谐元件，例如控制带通滤波器频率选择性的多个调谐元件。
3.在权利要求2中描述的平衡-不平衡变换器，其中第一个和第二个四分之一波长耦合器是安置在单个基片平面上的。
4.在权利要求2中描述的平衡-不平衡变换器，其中第一个四分之一波长耦合器安置在第一和第二个基片平面上，和第二个分四分之一波长耦合器也安置在第一和第二个基片平面上。
5.一个带通滤波器，包括：
一个传输线平衡-不平衡变换器，包括：
第一个四分之一波长耦合器，它有两个对角相反短路到地的终端，一个输入终端和一个输出终端；
第二个四分之一波长耦合器，它有两个对角相反开路的终端，一个输入终端和一个输出终端，第一个四分之一波长耦合器的输入终端和第二个四分之一波长耦合器的输入终端耦合形成为接收射频信号的第一个输入口；
第一个四分之一波长耦合器的输出终端和第二个四分之一波长耦合器的输出终端提供了为产生和射频信号相应的微分输出信号的第一个和第二个输出口；
为了控制带通滤波器的频率选择性，这些调谐元件耦合到输入口和第一和第二个输出口。
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