CN100350672C - 微型多层式平衡转非平衡信号转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微型多层式平衡转非平衡信号转换器。此转换器包括一对具有电容性元件、多节宽面耦合线，此宽面耦合线经由一对传输线串联至一非平衡端口及两平衡端口。每一节宽面耦合线备有第一和第二耦合线。接地连结位于中央的两条第二耦合线之间，且连接至一接地面。通过多层式结构和此接地连结，本发明的转换器可以用五个导体层制造完成。此不仅大为减小转换器的大小，也强化了转换器的稳度。从量测到的返回损耗与对频率响应的信号大小的差和相位差，说明了本发明的转换器具有好的阻抗匹配。

Description

微型多层式平衡转非平衡信号转换器

技术领域

本发明是关于用在无线通信的平衡转非平衡信号转换器(balance-to-unbalance transformer，Balun)，特别是一种微型多层式(miniaturized multi-layer)平衡转非平衡信号转换器。

背景技术

平衡转非平衡信号转换器是无线通信系统中常见的被动元件之一，其作用在于将无线通信收发模块中一个非平衡式的信号(unbalanced signal)转换成一对大小相同、相差180度的平衡式差模信号(balanced differential signal)，当然其电路特性反之亦然，便可由差模信号的传递来减少共模噪声(commonmode noise)的干扰，故在射频(radio frequency，RF)收发、功率放大器(poweramplifier，PA)、天线(antenna)和混合器(mixer)的电路设计中很常看到平衡转非平衡信号转换器的踪影。

平衡转非平衡信号转换器有多种类型，一般可以分为集总式(lumped-type)、绕线式(coil-type)及分布式(distributed-type)三种类型。集总式平衡转非平衡信号转换器是利用集总式电容及电感，作阻抗匹配和产生180度的相位差及相等信号大小的平衡。这种平衡转非平衡信号转换器的特点在于尺寸微小，所以非常轻巧，但缺点为操作频宽较小，而且不容易维持两信号之间相位差及信号大小的平衡。

绕线式平衡转非平衡信号转换器在较低频带及紫外高频(ultra highfrequency，UHF)频带最广泛被使用。但主要缺点是应用在超过UHF频带时会有过大的损耗，而且缩小化程度已达极限。

分布式平衡转非平衡信号转换器还分成180度-混成型(hybrid)和马式型(Marchand)。180度-混成型在微波频带常常被使用，也有很好的频率响应。然而应用在射频时，频率介于200MHz至数GHz之间，由于其由数节四分之一波长的传输线所构成，所以尺寸往往太大，即使利用曲折(meander)的方式亦很难大量缩小其面积。在另外一种技术中，利用一功率分配器再加上一对不同长度传输线以产生180度相位差的架构，来缩小其面积。然而，仍有尺寸过大的问题。

美国专利6,661,306揭示一种精致的集总式平衡转非平衡信号转换器。此转换器具有对偶的高通(highpass)和低通(lowpass)排列(layout)。如图1所示，转换器100是以交迭排列的集总式元件组合而成。根据频段(band)，此转换器100调整电容、电感值的大小，再利用基板上的金属传输线(metaltransmission line)与金属极板(metal electrode)，制作出相当容值与感值的平板(plate)与螺旋(spiral)结构。

此种设计的优点是结合多颗被动元件，甚可组合成π形的电路架构。甚且将转换器和滤波器电路整合在一起，构成具有一端非平衡式信号输出而另一端为平衡式信号输出的滤波器。然而，其缺点为需要多个被动元件来组成，若其中一个较灵敏的被动元件因制作工艺误差或材料的特性些微变动后，则将导致整个电路原有的功能特性大幅异动，且需要较大的设计空间来摆放此一电路设计。

美国专利6,483,415揭示一种多层式电感电容共振(LC resonance)平衡转非平衡信号转换器。如图2A所示，转换器200是利用一电容器201和多条耦合线202a-202d来形成电感电容共振结构，并且仅是单边可调节式(adjustable)传输线与电容。

再参考图2B所示的平衡转非平衡信号转换器。此转换器210是利用至少两个电容器211-212和多条耦合线213-214来形成一种等效的(equivalent)电感电容共振结构。将从输入端口输入的非平衡式信号耦合至平衡式信号，再从平衡式输出端输出。其耦合电感的长度与电容的面积大小与传输频段设计有关。优点是以立体堆叠结构整合电容电感，可大幅减少电路设计面积。缺点是此设计架构以半波长来取得等效于耦合线中心四分之一波长接地的效果，甚且需应用6～8层以上的金属层。所以，仅适用于可多层制作的基板制作工艺，而其制作工艺对位精准易影响元件制作结果。

美国专利5,497,137揭示一种五层式平衡转非平衡信号转换器。如图2C所示，转换器220包括一第一条纹线(strip line)222、一第二条纹线226、和一第三条纹线228。第一条纹线222由一第一部分224a和一第二224b部分所组成，两者分别与第二条纹线226和第三条纹线228耦合。此转换器220的缺点和上述转换器一样，以半波长来取得等效于耦合线中心四分之一波长接地的效果。

发明内容

本发明是为克服上述传统平衡转非平衡信号转换器的缺点。其主要目的是提供一种微型多层式平衡转非平衡信号转换器，此转换器具有一等效电路，此等效电路有一接地连结(ground connection)和一对具有电容性元件，此对具有电容性元件位于连接至平衡输入输出端口(balance I/O port)的耦合线的两端。此等效电路包含至少一节耦合线的第一群、至少一节耦合线的第二群、第一和第二传输线、一对具有电容性元件、和一接地连结。通过多层式的结构，大为减小转换器的大小。甚至，此转换器可以小层数来实现。所以此转换器制作工艺简单、成本减少(reduced cost)、且可改善生产率(improvedyield rate)。

根据本发明，相对于中心点(center)，该对具有电容性元件和耦合线皆有一对称结构(symmetric structure)。在本发明的较佳实施例中，这些至少一节的耦合线经由第一和第二传输线而串联一起，其中，连接至非平衡输入输出端口同边的耦合线经由第一传输线串联一起，连接至平衡输入输出端口同边的耦合线则经由第二传输线串联一起。接地连结定义于第一群耦合线和第二群耦合线之间，且与连接至平衡输入输出端口同边。接地连结是连接至地(ground)。每一传输线备有两端。第一传输线的一端连接至地，另一端连接至非平衡输入输出端口。第二传输线的两端分别连接至两个平衡输入输出端口。

在实际应用上，接地连结可用穿孔(via hole)或同层金属来形成。该对具有电容性元件可以是电容器、或是垂直耦合电极(vertical coupling electrode)、或是水平(horizontal)耦合线。

为达上述目的，本发明提供一种微型多层式平衡转非平衡信号转换器，包含有：一非平衡端口；第一和第二平衡端口；第一和第二具有电容性元件，每一具有电容性元件备有第一和第二端，该第一具有电容性元件的第一端连接至该非平衡端口，该第一具有电容性元件的第二端接地，该第二具有电容性元件的两端分别连接至该第一和第二平衡端口；第一和第二传输线，每一传输线备有第一和第二端，该第一传输线的第一端连接至该非平衡端口，该第一传输线的第二端连接至地，该第二传输线的两端分别连接至该第一和第二平衡端口；多节宽面耦合线，每一节宽面耦合线备有第一和第二耦合线，每一节宽面耦合线的第一耦合线经由该第一传输线串联在一起，每一节宽面耦合线的第二耦合线经由该第二传输线串联在一起，以及；一接地连结，备有第一和第二端，该第一端连接至中央的两条第二耦合线之间的第二传输线，且该第二端连接至地。

其中，该第一和第二具有电容性元件为电容器；该第一和第二具有电容性元件为垂直耦合电极；该第一和第二具有电容性元件为水平耦合线；该转换器是由相对于一中心点的一对称多层式结构形成的；该接地连结经由一金属片或穿孔连结至地。

其中，该多层式结构备有至少五层垂直堆叠的导体层，且包含有：一第一导体层，备有一主要表面，该主要表面是由该非平衡端口、该第一和第二平衡端口、所述多节宽面耦合线的该第一耦合线、和该第一和第二传输线所形成；一第二导体层，备有一主要表面，该主要表面是由所述多节宽面耦合线的第二耦合线、该接地连结、和至少两个穿孔所形成；一第三导体层，备有一主要表面，该主要表面是由该第一具有电容性元件的一电极帽、和至少一个穿孔所形成；一第四导体层，备有一主要表面，该主要表面是由该第二具有电容性元件的一第一电极帽、和至少一个穿孔所形成；以及一第五导体层，备有一主要表面，该主要表面是由该第二具有电容性元件的一第二电极帽、和至少一个穿孔所形成。

其中，该第二导体层上的穿孔是用来将该第一具有电容性元件的电极帽连接至所述第一耦合线和所述非平衡端口，以及连接该接地连结至该地；该第三导体层上的穿孔是用来连接该第二具有电容性元件的第一电极帽以及第二耦合线至该第一平衡端口；该第四导体层上的穿孔是用来连接第二具有电容性元件的第二电极帽以及第二耦合线至第二平衡端口。

采用本发明，不仅大为减小转换器装置的大小，也强化了此转换器装置的稳度。如此可得到精确的调整和更高的合格率。另外，此转换器装置可使用于多种基板，包括介质(dielectric)基板、陶瓷(ceramics)基板、奈米材质(nami-material)基板、和集成电路(IC)基板等。此转换器装置也可应用在制造IC、微机电(Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS)、被动元件、或是奈米技术(nami-technologies)里。此转换器装置也可应用在无线通信(wirelesscommunication)的领域里。现结合下列附图、实施例的详细说明及权利要求，将上述及本发明的其它目的与优点详述于后。

附图说明

图1为一传统的集总式平衡转非平衡信号转换器。

图2A为一传统的多层式电感电容共振平衡转非平衡信号转换器。

图2B为另一传统的多层式电感电容共振平衡转非平衡信号转换器。

图2C为一传统的五层式平衡转非平衡信号转换器。

图3A为根据本发明，微型多层式平衡转非平衡信号转换器的一较佳实施例的等效电路图。

图3B为从图3A中再含括多节的宽面耦合线，延伸后的电路图。图4为具有图3A的等效电路图的平衡转非平衡信号转换器的多层式装置结构的一个示意图。

图5A为本发明的平衡转非平衡信号转换器仿真振幅对频率的一个响应图。

图5B说明本发明的平衡转非平衡信号转换器的信号大小的差和相位差对频率响应的仿真结果。

其中，附图标记说明如下：

100转换器

200转换器                 201电容器

202a-202d耦合线

210转换器                 电容器211-212

213-214耦合线

220转换器                 222第一条纹线

226第二条纹线             228第三条纹线

224a第一部分              224b第二部分

300等效电路               301a、301b具有电容性元件

302、303宽面耦合线                       304接地连结

306a、306b平衡输入输出端口               312、第一传输线

313第二传输线                            333、322地

305非平衡输入输出端口                    302a、303a第一耦合线

302b、303b第二耦合线                     308连接点

31i左边的中间节                          31j右边的中间节

311最左边的节                            310最右边的节

310a、311a第一耦合线                     310b、311b第二耦合线

401～405第一～第五导体层                 407a～407d穿孔

414～416电极帽

具体实施方式

图3A为根据本发明，微型多层式平衡转非平衡信号转换器的一较佳实施例的等效电路图。此等效电路300包含一对具有电容性元件301a与301b、一节宽面耦合线302、另一节宽面耦合线303、一对传输线312与313、和一接地连结304，此对具有电容性元件301a与301b分别和连接至平衡与非平衡输入输出端口同边，且接地连结304和连接至两平衡输入输出端306a与306b同边。

如图3A所示，每一具有电容性元件备有两端。具有电容性元件301a的一端连接至地(ground)333，另一端连接至非平衡输入输出端口305。具有电容性元件301b的两端分别连接至两平衡输入输出端306a与306b。此节宽面耦合线302还包括一第一耦合线302a与一第二耦合线302b。此节宽面耦合线303更包括一第一耦合线303a与一第二耦合线303b。宽面耦合线302的第一耦合线302a与宽面耦合线303的第一耦合线303a经由第一传输线312串联一起。类似地，宽面耦合线302的第二耦合线302b与宽面耦合线303的第二耦合线303b经由第二传输线313串联一起。每一传输线备有两端。第一传输线312的一端连接至地333，另一端连接至非平衡输入输出端305。第二传输线313的两端分别连接至两个平衡输入输出端306a与306b。接地连结304与连接至平衡输入输出端口同边。接地连结304的一端连接至两条第二耦合线302b与303b之间的连接点(connection point)308，另一端连接至地322。

在实际应用上，接地连结可用穿孔或同层金属来形成。具有电容性元件可以是电容器、或是垂直耦合电极、或是水平耦合线。在此较佳实施例中的宽面耦合线有一对称结构相对于中心点。此较佳实施例中的电路可以再包括多节的宽面耦合线，以此中心点平行地向两边延伸，如图3B所示。

从图3B可以看出，中心点的左右两边延伸出多节的宽面耦合线，分别连接至宽面耦合线302和303。每节宽面耦合线还包括一第一耦合线与一第二耦合线。左边的中间节31i上方的每一第一耦合线以串联方式连接。左边的中间节31i下方的每一第二耦合线也是以串联方式连接。右边的中间节31j也以类似方式串联。最左边的节311的第一耦合线311a经由第一传输线312连接至非平衡输入输出端口305，且其第二耦合线311b经由第二传输线313连接至平衡输入输出端口306a。最右边的节310的第一耦合线310a经由第一传输线312连接至地333，且其第二耦合线310b经由第二传输线313连接至平衡输入输出端口306b。

如前所述，通过多层式的结构，可大为减小转换器的大小。甚至，此转换器可以小层数来实现。此可以图4来说明。图4说明具有图3A的等效电路的平衡转非平衡信号转换器的一多层式装置结构(device structure)。

图4中的平衡转非平衡信号转换器包含五层导体层401-405，垂直堆叠而成。在第一导体层401的主要表面上形成了非平衡输入输出端口305、地333、两平衡输入输出端口306a与306b、两第一耦合线302a与303a和两传输线312与313(未示于图上)。两第二耦合线302b与303b以及接地连结304是制造在第二导体层402上。第三导体层403实施了金属-绝缘体-金属metal-insulator-metal，MIM)的具有电容性元件301a的一电极帽414。因为具有电容性元件301a的一端连接至地333，因此只要一导体层即足可实施具有电容性元件的电极帽。相对的，第四和第五导体层404与405实施了金属-绝缘体-金属的具有电容性元件301b的电极帽415与416。

在此多层式装置结构里，导体层被钻了多个穿孔，以提供形成在导体层上电性元件之间的连结。例如，第三导体层403上的穿孔407a是提供从第四导体层404，穿过第二导体层402至第一导体层401之间的连结，以形成具有电容性元件301b、第二耦合线302b、和平衡输入输出端口306a之间的电性连结。类似地，第四导体层404上的穿孔407b是提供从第五导体层405，穿过第二导体层402至第一导体层401之间的连结，以形成具有电容性元件301b、第二耦合线302b、和平衡输入输出端口306b的间的电性连结。第二导体层402上的穿孔407c是提供从第三导体层403至第一导体层401之间的连结，以形成具有电容性元件301a、第一耦合线302a、和非平衡输入输出端口305之间的电性连结。第二导体层402上的穿孔407d是提供在不同的导体层里的所有地连结。

根据本发明，可使用不同的电容值来达到此平衡转非平衡信号转换器在运作频率范围(operating frequency range)内的目标实现成果。图5A是本发明的平衡转非平衡信号转换器仿真振幅对频率的响应(amplitude to frequencyresponse)图。横轴为此转换器的运作频率，单位为GHz。纵轴说明在单一端点(at single end)的返回损耗，以及差模(differential mode)与共模(commonmode)的振幅，单位为dB。在单一端点的返回损耗是指从非平衡输入端口305来的输入信号的反射阻抗(reflected impedance)，其值在设计的频率范围(2.34-2.54GHz)里应小于-10dB。差模的振幅值是从平衡输入端口输入的差模信号至非平衡端口的传输能量(energy)，其值在运作频率范围里应至少为-2dB。共模的振幅值是从平衡输入端口输入的共模信号至非平衡端口的传输能量，其值在运作频率范围里应小于-10dB。

从图5A可以看出，返回损耗的值小于-10dB。差模信号的传输能量相当高于-2dB。共模信号的传输能量相当低于-10dB。此指出平衡输入端口接收输入信号的大部分的能量，并且此能量也被均匀分配。所以，本发明的平衡转非平衡信号转换器有好的阻抗匹配。

图5B说明本发明的平衡转非平衡信号转换器的信号大小的差和相位差对频率响应的仿真结果。横轴为此转换器的运作频率，单位为GHz。纵轴分别为信号大小差(单位为dB)和相位差(单位为度)。信号大小差值是从非平衡输入端口传输至平衡输出入端口的两输出入端口的信号大小差值，必须小于2dB。相位差值是从非平衡输入端口传输至两平衡输出入端口的两输出入端口的相位差值，必须保持在约180°±10°。从图5B可以看出，本发明的平衡转非平衡信号转换器的信号大小差值介于0.25dB和0.75dB之间，而相位差值介于178°和182°之间。

相较于传统的垂直耦合的平衡转非平衡信号转换器，通常需要至少6-8层导体层来制造该转换器。而本发明的微型多层式平衡转非平衡信号转换器仅需要5层导体层来制造，这是因为在连接至地的耦合线里加上接地连接。此不仅大为减小转换器装置的大小，也强化了此转换器装置的稳度。如此可得到精确的调整和更高的合格率。另外，此转换器装置可使用于多种基板，包括介质(dielectric)基板、陶瓷(ceramics)基板、奈米材质(nami-material)基板、和集成电路(IC)基板等。此转换器装置也可应用在制造IC、微机电(Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS)、被动元件、或是奈米技术(nami-technologies)里。此转换器装置也可应用在无线通信(wirelesscommunication)的领域里。

然而，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围。即大凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种微型多层式平衡转非平衡信号转换器，包含有：

一非平衡端口；

第一和第二平衡端口；

第一和第二具有电容性元件，每一具有电容性元件备有第一和第二端，该第一具有电容性元件的第一端连接至该非平衡端口，该第一具有电容性元件的第二端接地，该第二具有电容性元件的两端分别连接至该第一和第二平衡端口；

第一和第二传输线，每一传输线备有第一和第二端，该第一传输线的第一端连接至该非平衡端口，该第一传输线的第二端接地，该第二传输线的两端分别连接至该第一和第二平衡端口；

多节宽面耦合线，每一节宽面耦合线备有第一和第二耦合线，每一节宽面耦合线的第一耦合线经由该第一传输线串联在一起，每一节宽面耦合线的第二耦合线经由该第二传输线串联在一起，以及；

一接地连结，备有第一和第二端，该第一端连接至中央的两条第二耦合线之间的第二传输线，且该第二端接地。

2.如权利要求1所述的微型多层式平衡转非平衡信号转换器，其中该第一和第二具有电容性元件为电容器。

3.如权利要求1所述的微型多层式平衡转非平衡信号转换器，其中该第一和第二具有电容性元件为垂直耦合电极。

4.如权利要求1所述的微型多层式平衡转非平衡信号转换器，其中该第一和第二具有电容性元件为水平耦合线。

5.如权利要求1所述的微型多层式平衡转非平衡信号转换器，其中该转换器是由相对于一中心点的一对称多层式结构形成的。

6.如权利要求1所述的微型多层式平衡转非平衡信号转换器，其中该接地连结经由一金属片或穿孔接地。

7.如权利要求5所述的微型多层式平衡转非平衡信号转换器，其中该多层式结构备有至少五层垂直堆叠的导体层，且包含有：

一第一导体层，备有一主要表面，该主要表面是由该非平衡端口、该第一和第二平衡端口、所述多节宽面耦合线的该第一耦合线、和该第一和第二传输线所形成；

一第二导体层，备有一主要表面，该主要表面是由所述多节宽面耦合线的第二耦合线、该接地连结、和至少两个穿孔所形成；

一第三导体层，备有一主要表面，该主要表面是由该第一具有电容性元件的一电极帽、和至少一个穿孔所形成；

一第四导体层，备有一主要表面，该主要表面是由该第二具有电容性元件的一第一电极帽、和至少一个穿孔所形成；以及

一第五导体层，备有一主要表面，该主要表面由该第二具有电容性元件的一第二电极帽形成。

8.如权利要求7所述的微型多层式平衡转非平衡信号转换器，其中该第二导体层上的穿孔是用来将该第一具有电容性元件的电极帽连接至所述第一耦合线和所述非平衡端口，以及连接该接地连结至该地。

9.如权利要求7所述的微型多层式平衡转非平衡信号转换器，其中该第三导体层上的穿孔是用来连接该第二具有电容性元件的第一电极帽以及第二耦合线至该第一平衡端口。

10.如权利要求7所述的微型多层式平衡转非平衡信号转换器，其中该第四导体层上的穿孔是用来连接第二具有电容性元件的第二电极帽以及第二耦合线至第二平衡端口。

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