混合马尔昌(Marchand)/回波巴伦(balun)以及使用它的双平衡混频器

技术领域

本发明涉及一种混合马尔昌(Marchand)/回波巴伦(balun)并 且进一步涉及一种使用这样的混合巴伦的双平衡混频器。

背景技术

单端转差分(或单端转平衡)信号转换电路(巴伦)已经在多种射频 (RF)、微波和毫米频率的应用中被广泛使用。在先前关于巴伦的设计 工作中已经提出了多种方法和拓扑结构来满足不同的应用需求。N. Marchand于1944年在Electronics第17卷第142-145页发表的 “Transmission line conversion Transformers”中介绍的马尔昌 (Marchand)balun已经成为最常见的巴伦拓扑结构之一，用于提 供低损耗和频带宽的差分信号。第6292070号美国专利中介绍了一种 可选的拓扑结构，并且经常被称为回波巴伦。两种拓扑机构均可利用 分布元件或集总元件实现。并且在两种巴伦方案中，巴伦包括用于分 布式拓扑结构的第一对和第二对耦合传输线路部分或用于集总元件式 拓扑结构的一对耦合变压器部分。分布式拓扑结构与其对应的集总元 件式解决方案相比通常提供了更好的带宽性能，但代价是电路面积 大，这就对应于更高的制造成本。关于对上述两种巴伦拓扑结构使用 集总元件方案来减小尺寸已有若干公开文献：Gavela 2004年在 Proceedings of the European Microwave Conference第373-376页中 的“A small size LTCC balun for wireless applications；第6、819、 199号美国专利等。

现有技术中已知有多种形式的巴伦。参见：Gavela于2004年在 Proceedings of the European Microwave Conference第373-376页发 表的“A small size LTCC balun for wireless applications”；第6、 819、199号美国专利；Lin于2007年10月在IEEE Microwave and  wireless components letters第17卷第10期发表的“An Ultra- broadband Doubly Balanced Monolithic Ring Mixers for Ku-to Ka- band Applications”；Trifunovic于1994年8月在IEEE Transactions  on Microwave Theory and Techniques第42卷第8期发表的“Review  of Printed马尔昌and Double Y Baluns：Characteristics and  Application”；Chen于2006年在Microwave Symposium Digest、 IEEE MTT-S International的第1571-1574页发表的“Novel  Broadband Planar Balun Using Multiple Coupled Lines”；以及授予 Padilla的第6、683、510B1号美国专利，授予Erb的第7、250、 828 B2号美国专利，授予Weng的第7、068、122 B2号美国专利， 授予Gill的第6、275、689 B1号美国专利和授予Bouny的第5、 061、910号美国专利。通过引用将所有这些文献并入本文。

马尔昌巴伦的差分输出支路通过第二对耦合部分接地，而回波 巴伦的差分输出在第二对耦合部分则不接地。因此，在需要将差分端 口DC接地时，优选的是马尔昌巴伦方案，而在需要对差分输出端口 进行非零DC偏压时，优选的就是回波巴伦方案。另外，因为制造限 度和寄生效应限制了两种巴伦方案的带宽性能，所以两种巴伦拓扑结 构具有其自身的最优操作频带。针对每一种具体应用和可利用的制造 工艺要求，经常要根据对DC偏压和带宽性能的权衡而在马尔昌和回 波巴伦之间做出选择。另外，具有紧密宽边耦合的分布式带状线巴伦 经常被用于改善带宽。但是这些带状线巴伦需要具有严格控制的三维 轮廓的多个金属层，对于绝大多数平面和半导体集成电路制造工艺来 说，这会带来更大的制造难度和更高的成本。单端转平衡电路(巴伦) 理论上是双向的，也就是说，输入可以是单端输入并且能够被转化为 差分或平衡输出，或者输入可以是平衡或差分输入而输出是单端输 出。

发明内容

根据本发明在至少一个实施例中的不同应用，本发明提出了一 种用于巴伦的解决方案，其提供了多倍频带宽并且能够利用常见的半 导体和其他的平面制造工艺以紧凑的电路尺寸实现。对于某些应用， 本发明可以提供仅使用马尔昌型巴伦或回波型巴伦无法获得的期望 DC阻断和偏压特征。本发明提供了用于混频器和其他应用的具有平 衡振幅和相位的多倍频带宽，其中单端转差分的转换对整体电路性能 来说是关键。在本文给出的混频器示例中，使用提出的巴伦拓扑结构 的双平衡混频器表现为3分贝转换损耗的覆盖了4.5～28.5GHz的 24GHz带宽。本发明可以用分布式耦合线路或集总元件实现。两种 可选方式在绝大多数半导体和其他的平面制造工艺中均可轻易制成。 集总元件方法需要的空间最小并且针对射频和微波频率应用给出了具 有最紧凑电路图的解决方案。在常规的马尔昌巴伦中，差分输出通过 接地耦合线路接地，而在回波巴伦中，差分输出与地面DC隔离。因 此，马尔昌巴伦对于需要将差分输出端口DC接地的设计方案来说是 优选的，而回波巴伦对于需要将差分输出端口DC阻断的设计方案来 说是优选的。在本发明中，我们能够获得回波巴伦的RF性能并且享 受马尔昌巴伦的DC接地特征，或者实现马尔昌巴伦的RF性能并且 享受回波巴伦的DC阻断特征。

本发明部分源于实现了能够在各种应用中获得一种改进的混合 马尔昌/回波巴伦，包括具有第一主部和第一副部的第一对耦合部 分；具有第二主部和第二副部的第二对耦合部分，还有互连第一和第 二主部的第一电抗以及互连第一和第二副部的第二电抗；由此使电抗 之一在高频下开路并在低频下短路，使另一电抗在高频下短路并在低 频下开路，用于选择性地提供低频马尔昌/高频回波功能和高频马尔 昌/低频回波功能。

但是，本主题发明在其他的实施例中无需实现所有的这些目标 并且其权利要求不应被限制为能够实现这些目标的结构和方法。

本发明介绍了一种混合马尔昌/回波巴伦，包括具有第一主部和 第一副部的第一对耦合部分以及具有第二主部和第二副部的第二对耦 合部分。还有互连第一和第二主部的第一电抗以及互连第一和第二副 部的第二电抗。电抗之一在高频下开路并在低频下短路，另一电抗在 高频下短路并在低频下开路，用于选择性地提供低频马尔昌/高频回 波功能和高频马尔昌/低频回波功能。

在一个优选实施例中，第一电抗可以是感性电抗，第二电抗可 以是容性电抗，并且巴伦可以在低频下用作马尔昌巴伦并在高频下用 作回波巴伦。第一电抗可以是容性电抗，第二电抗可以是感性电抗， 并且巴伦可以在高频下用作马尔昌巴伦并在低频下用作回波巴伦。在 第一和第二主部与地面之间可以连接有接地容性电抗。接地容性电抗 可以包括从感性电抗的每一端接地的第一和第二电容以及从第二主部 的自由端接地的第三电容，并且第一主部的自由端可以被连接至巴伦 的单端口。接地感性电抗可以从第一和第二副部接地。接地感性电抗 可以包括从每一个副部的一端接地的第一和第二电容；副部的另一端 可以是平衡巴伦端口。接地感性电抗可以被连接在第一和第二主部与 地面之间。接地感性电抗可以包括从容性电抗的每一端接地的第一和 第二电感以及从第二主部的自由端接地的第三电感，并且第一主部的 自由端可以被连接至巴伦的单端口。可以设有从第一和第二副部接地 的接地容性电抗。接地容性电抗可以包括从每一个副部的一端接地的 第一和第二电容。副部的另一端可以是平衡巴伦端口。巴伦可以是分 布式巴伦并且耦合部分可以是传输线部分。巴伦可以是集总式巴伦并 且耦合部分可以是变压器部分。第一和第二电抗之一可以是容性电抗 并且另一个可以是感性电抗，而且它们可以分别由耦合部分中的寄生 电容和寄生电感实现。接地容性电抗可以由耦合部分中的寄生电容实 现。接地感性电抗可以由耦合部分中的寄生电感实现。

本发明还介绍了一种混合马尔昌/回波巴伦，包括具有第一主部 和第一副部的第一对耦合部分以及具有第二主部和第二副部的第二对 耦合部分。设有互连至第一和第二副部IF端口的第一感性电抗。第 一感性电抗可以包括从每一个副部的一端连接至IF端口的第一和第 二电感。第二感性电抗可以被连接在第一和第二主部之间。第一和第 二感性电抗在高频下开路并在低频下短路，用于选择性地提供低频马 尔昌功能和高频回波功能以及可存取的IF端口。

在一个优选实施例中，可以设有被连接在接至第一和第二副部 的第一感性电抗和地面之间的第一接地容性电抗。第一接地容性电抗 可以包括从地面连接至IF端口和第一感性电抗中与第一和第二副部 串联的一端的第一和第二电容。可以设有从第一和第二主部接地的第 二容性电抗。第二接地容性电抗可以包括从第二感性电抗的每一端接 地的第一和第二电容以及从第二主部的自由端接地的第三电容。

本发明还介绍了一种装有混合马尔昌/回波巴伦的双平衡混频 器，包括用于接收第一单输入并提供第一平衡输出的第一混合马尔昌 /回波巴伦以及用于接收第二单输入并提供第二平衡输出的第二混合 马尔昌/回波巴伦。设有平衡混频器核心，响应于第一和第二平衡输 出以提供来自第一和第二单输入的混合信号。每一个混合马尔昌/回 波巴伦都可以包括具有第一主部和第一副部的第一对耦合部分以及具 有第二主部和第二副部的第二对耦合部分。设有互连第一和第二主部 的第一电抗以及互连第一和第二副部的第二电抗。电抗之一可以在高 频下开路并在低频下短路，另一电抗可以在高频下短路并在低频下开 路，用于选择性地提供低频马尔昌/高频回波功能和高频马尔昌/低频 回波功能。

在一个优选实施例中，可以设有互连在平衡混频器核心和每一 个混合巴伦的平衡输出之间的阻抗变换/匹配网络。第一电抗可以是 感性电抗；第二电抗可以是容性电抗并且巴伦可以在低频下用作马尔 昌巴伦并在高频下用作回波巴伦。第一电抗可以是容性电抗，并且第 二电抗可以是感性电抗，而且巴伦可以在高频下用作马尔昌巴伦并在 低频下用作回波巴伦。第一和第二电抗之一可以是容性电抗并且另一 个可以是感性电抗，而且它们可以分别由耦合部分中的寄生电容和寄 生电感实现。

附图说明

本领域技术人员根据以下对优选实施例的说明和附图可以得出 其他的目标、特征和优点，在附图中：

图1和图2分别是现有技术中的集总式和分布式马尔昌巴伦的 示意图；

图3和图4分别是现有技术中的集总式和分布式回波巴伦的示 意图；

图5是根据本发明的混合马尔昌/回波巴伦在巴伦结构方面的框 图；

图6是根据本发明在低频下用作马尔昌巴伦并在高频下用作回 波巴伦的集总式混合马尔昌/回波巴伦的示意图；

图7是根据本发明在低频下用作马尔昌巴伦并在高频下用作回 波巴伦的分布式混合马尔昌/回波巴伦的示意图；

图8是根据本发明在低频下用作回波巴伦并在高频下用作马尔 昌巴伦的集总式混合马尔昌/回波巴伦的示意图；

图9是根据本发明在低频下用作回波巴伦并在高频下用作马尔 昌巴伦的分布式混合马尔昌/回波巴伦的示意图；

图10是根据本发明的50欧姆到50欧姆的单端转平衡或转差分 巴伦的实验电路示例；

图11是示出了被发射和反射的用于图10中巴伦的绝对功率的 曲线图；

图12是示出了用于图10中巴伦的差分输出的相对功率和相位 平衡的曲线图；

图13是使用根据本发明的巴伦的双平衡混频器的框图；

图14是示出了用于图13中混频器的发射功率比的曲线图；

图15是示出了用于图13中混频器的端口间隔离的曲线图；以 及

图16和图17是示出了用于图13中的每一个巴伦输入的反射功 率的曲线图；

图18是使用根据本发明的巴伦的双平衡混频器的示意图；

图19是使用根据本发明的巴伦的双平衡混频器的示意图。

具体实施方式

除了以下公开的一个或多个优选实施例以外，本发明还可以有 其他的实施例并且能够以不同的方式实现或完成。因此，应该理解本 发明并不将其应用限制为在以下说明中列举的或者在附图中示出的结 构和部件设置方式的细节。如果在本文中仅介绍了一个实施例，那么 本发明的权利要求并不局限于该实施例。而且，除非是有清楚和令人 信服的证据表明确定的排除、限制或放弃，否则本发明的权利要求不 应被限制性地理解。

本发明涉及一种无源巴伦，其在单端以及差分或平衡电路之间 或者相反地在平衡或差分以及单端电路之间变换功率，并且具体而非 排他性地涉及用于在射频(RF)和微波频率混频器、推挽式倍频器、平 衡放大器等内使用的巴伦电路。为了克服马尔昌和回波巴伦的局限 性，本发明结合了马尔昌与回波巴伦的DC偏压优势和频带宽的优 点。另外，本发明克服了带状线巴伦的制造难题并且能够容易地用十 分常见的平面和半导体集成电路(IC)制造工艺实现。由于在绝大多数 RF和微波应用中，功率是从50欧姆的源被单端变换为加载有非线性 设备(例如平衡混频器或推挽式放大器设计)的复杂阻抗的差分或平 衡支路，因此还与巴伦一起示出了阻抗变换/匹配网络。

图1中示出了现有技术中使用集总元件的常规马尔昌巴伦10。 巴伦10包括第一对耦合部分12和第二对耦合部分14。耦合部分12 包括第一主部16和第一副部18。耦合部分14包括第二主部20和第 二副部22。主部16有一端被连接至输入端口24，而另一端通过线路 26被直接连接至第二主部20，第二主部20的另一端在28处开路。 第一副部18有一端被连接至地30，而另一端32被连接至其中一个 平衡或差分输出端口34。第二副部22也有一端36被连接至另一个 差分或平衡输出端口38。第二副部22的另一端40被接地。尽管单 端端口24被称作输入端口且差分或平衡端口34和38被称作输出端 口，但这并非本发明的必要限制，常规的巴伦和本文中介绍的本发明 所涉及的巴伦通常都是这样的情况。巴伦在理论上可以是双向的，也 就是说，单端端口可以是输入且平衡或差分端口可以是输出，正如本 公开通篇所示的那样，但是平衡或差分端口也可以是输入且单端端口 也可以是输出。在图1中，耦合部分12和14分别由集总元件16、 18和20、22构成。在此情况下，各部分16和18以及20和22可以 被称作变压器部分。图1的现有技术中的巴伦10也可以被实施为图 2中的分布式巴伦10′，其中各部分16′、18′、20′和22′被称作传输线 部分。

与现有技术中的常规马尔昌巴伦相比，图3的现有技术中的常 规回波巴伦10a将其第一主部16a连接至端口24a，但是其另一端并 没有被直接连接至第二主部20a而是在42a处被接地，并且第二主部 20a的两端在44a和28a处均被接地。每一个副部18a和20a在32a 和36a处示出的端部被连接至端口34a和36a。但是，另一端30a和 46a并不像马尔昌巴伦中的情况那样被接地而是通过线路48a被彼此 连接。由于图3中的巴伦10a是集总元件方案，因此各部分16a、 18a、20a和22a可以被称作变压器部分。相比之下，在图4的分布 式传输线方案中，那些标记为16′a、18′a、20′a和22′a的部分可以 被称作传输线部分。此外，图4中的巴伦10′a具有与图3中的巴伦 10a相同的连接。

在一种应用中，图5中本发明的混合巴伦50可以被包括在巴伦 结构52内，巴伦结构52包括匹配网络54和阻抗变换网络56。混合 巴伦50可以在其单端端口58接收来自匹配网络54的输入，匹配网 络54则在端子60和62处接收50欧姆输入。混合巴伦50的端口64 和66处的差分或平衡输出被提供给阻抗变换网络56，阻抗变换网络 56在端子68和70处为通常为无源的负载或非线性设备72提供最终 输出。

图6中根据本发明的混合巴伦50a的集总元件方案在低频下用 作马尔昌型巴伦并在高频下用作回波巴伦。设有一对耦合部分80和 一对耦合部分82。耦合部分80包括第一主部84和第一副部86。另 一对耦合部分包括第二主部88和第二副部90。主部84和88通过电 抗92互连。副部86和90均有一端94、96被连接至端口98和 100。另一端102、104一起被连接至第二电抗106。在图6中，电抗 92被示出为感性电抗108，而电抗106被示出为容性电抗110。电抗 108在低频下短路以使巴伦50a的作用类似于马尔昌巴伦，而电抗 108在高频下开路以使巴伦50a因此用作回波巴伦。另一方面，容性 电抗110表现为在高频下短路以使该设备用作回波巴伦，而且在低频 下开路以使该设备用作马尔昌巴伦。还可以有接地电抗112与主部 84和88相关联，其可以包括容性电抗114、116和118。容性电抗 114和116从感性电抗108的任一侧接地，而容性电抗118从第二主 部86的另一端接地。第一主部84的自由端被连接至端口120。还可 以有感性接地电抗124，包括与第一副部86和第二副部90相关联的 感性电抗126和128。容性电抗114和116以马尔昌巴伦的性质在低 频下开路并且以回波巴伦的性质在高频下短路。感性电抗126和128 以马尔昌巴伦的性质在低频下短路并且以回波巴伦的性质在高频下开 路。在此，同样地，尽管端口120被示出为输入端口，但是它可以是 输出端口，并且尽管端口98和100被示出为输出端口，但是它们可 以是输入端口。由于这是本发明中混合巴伦的集总元件方案，因此各 部分84、86、88和90可以被称作变压器部分。电抗92、92′、92a， 92′a以及106、106′、106a和106′a可以选择性地由耦合部分中的寄 生容性电抗和寄生感性电抗实施。

图7中示出了本发明的混合巴伦50′a的分布式方案，其中它同 样是在低频下用作马尔昌型巴伦并在高频下用作回波巴伦。在此，除 了部分84′、86′、88′和90′被示出为传输线部分以外，其他的连接都 是相同的。

通过交换与主部和副部相关联的电抗类型，图8中根据本发明 的混合巴伦50b可以被构建为使其中它在高频下用作马尔昌型巴伦并 在低频下用作回波巴伦。混合巴伦50b类似于混合巴伦50a，不过在 此电抗92a是用容性电抗108a实施而电抗106a是用感性电抗110a 实施。除了交换电抗92a和106a关于其感性和容性方面的性质以 外，接地电抗112a和124a也以相同的方式被交换，以使接地电抗 114a、116a和118a现在是感性电抗而接地电抗126a和128a现在是 容性电抗。在此，感性电抗114a、116a和118a以回波巴伦的性质在 低频下提供短路并且以马尔昌巴伦的性质在高频下提供开路。这样就 给出了马尔昌型巴伦在高频下所需的开路并且提供了回波巴伦在低频 下所需的接地。电容126a和128a以马尔昌巴伦的性质在高频下提供 短路并且以回波巴伦的性质在低频下提供开路。因此，它们给出了回 波巴伦在低频下所需的开路和马尔昌巴伦在高频下所需的短路。混合 巴伦50b被示出为集总元件方案，但是它当然也可以被实施为图9中 的分布式方案50′b，其中主部84′a、86′b以及副部88′a和90′a被示 出为传输线部分。

图10中本发明的混合巴伦50c在端口120c(端口1)处配有50欧 姆输入150并且在端口98c和100c(分别是端口2和3)上提供也为50 欧姆的差分或平衡输出152、154。图11和图12示出了改进的结 果。在图11中，巴伦50c的性能表明在图11中端口3和1之间的发 射功率160以及端口2和1之间的发射功率162具有的宽的在4到 36GHz之间的带宽，同时端口1处的反射功率164是相当好的。图 12中在1到2的输出端口和1到3的端口之间的相对功率平衡166 平均值接近于零，这也是相当好的，并且在168处1到2的端口和1 到3的端口之间表现为180度的相位差。

进一步根据本发明，混合巴伦可以更有利地与双平衡混频器一 起使用。图13中这样的双平衡混频器200包括由根据本发明的两个 混合巴伦204、206提供的平衡混合器核心202。也可以有按常规使 用的阻抗变换网络208、210。常规设计的平衡混频器核心可以是基 于二极管的或者是基于场效应晶体管的。一个输入LO被设置在端口 212处；另一个要被混频的输入RF被设置在端口214处。这些在本 实施例中都是单端端口。混合巴伦204提供被输送至平衡混频器核心 202的差分或平衡输出LO+和LO-。在端口214处接收输入RF的混 合巴伦206提供差分或平衡输出RF+和RF-。该混频器200根据本发 明通过使用混合巴伦提供了LO和RF的良好隔离并且它还提供了改 进的宽频带混频信号输出LO-RF或IF。在混合巴伦206处提供的IF 输出通常是共模信号并且能够在别处被提取。也就是说，IF端口216 的位置可以根据应用要求进行改变。从巴伦的LO侧或者从阻抗变换 网络208或210或者从混频器核心202提取IF信号都是可行的。IF 信号也可以是单端或平衡或差分信号。

图14至图17示出了图13中平衡混频器的信号转换效率和其他 性能。图14在230处公开了从RF到IF/LO-RF端口的信号转换信 号，其示出了从4GHz到30GHz的宽频带特性。端口到端口的隔离 也在图15中表现出色，图15在232处示出了从RF到IF/LO-RF的 隔离、在234处示出了从LO到IF/LO-RF的隔离并且在236处示出 了从LO到RF的隔离，同样是从4GHz到30GHz。图16在240处 示出了LO端口的回波损耗或反射功率，表现出从4GHz到30GHz 的良好特性，并且RF端口的反射功率曲线242也表现出从4GHz到 30GHz的良好特性。

图18示出了基于本发明的混合巴伦设计的一种双平衡混频器方 案的详细示意图。这样的双平衡混频器200a在图18中包括由根据本 发明的两个混合巴伦204a和206a驱动的平衡二极管混频器核心 202a。LO侧的阻抗变换网络208a利用包括电感250、252、256、 258和电容254的低通网络实现。RF侧的阻抗变换网络210a利用包 括电容266、268和电感260、262的高通网络实现。电感260和262 的中间公共节点270被用作IF端口272以提取LO和RF信号的低 频混合积(LO-RF)。滤波电容264有助于在IF端口272处滤除高阶 混合积以及LO和RF泄漏。

图19示出了基于本发明的混合巴伦设计的另一种双平衡混频器 方案的详细示意图。这样的双平衡混频器200b在图19中包括由根据 本发明的两个混合巴伦204b和206b驱动的平衡二极管混频器核心 202b。LO侧的阻抗变换网络208b利用包括电感280、282和电容 284的低通网络实现。RF侧的阻抗变换网络210b利用包括电感 286、288和电容290的低通网络实现。在图19中，RF侧的巴伦 206b是通过将电容296、292用作电感302和306的AC地而由图6 中的混合巴伦50a修改得到的。用这种方式，RF巴伦仍然是在低端 频带下用作马尔昌巴伦并在高频下用作回波巴伦，并在节点300处提 供了用于混合积(298处的IF端口)的便捷提取点。类似于图18中的 电容264，电容296、292和电感294有助于在IF端口298滤除高阶 混合积以及LO和RF泄漏。这种修改的RF巴伦206b给出了在混频 器应用中用于混频信号提取的一种有效的拓扑结构。

尽管本发明的特定特征在某些附图中被示出而在其他的附图中 未被示出，但是这仅仅是为了方便，原因在于根据本发明，每一种特 征都可以与任意或全部其他的特征相组合。如本文中所用的词语“包 含”、“包括”、“具有”和“装有”应被广泛和全面地解读而不应被限制 为任何物理互连。而且，本主题申请中公开的任何实施例都不应被认 为是唯一可行的实施例。

另外，在本专利申请过程期间对本专利进行的任何修改都不是 对提交时已存在于本申请中的任何权利要求要素的放弃：本领域技术 人员无法合理地预期起草的权利要求可以在文字上涵盖所有可行的等 价方案，多种等价方案可能在修改时无法预见并且会超出应被放弃的 合理解读(如果有的话)，修改依赖的理论基础可能仅仅是与多种等价 方案略有关联的关系，和/或是有申请人无法预期的多种其他的理由 以描述用于任何被修改权利要求要素的确定的非实质代换。

其他的实施例可以由本领域技术人员得出并且落在所附权利要 求以内。