专利名称：宽带巴伦结构的制作方法
宽带巴伦结构本申请要求于2011年7月19日提交的美国临时申请No. 61/509，365的优先权，并且通过引用将美国临时申请No. 61/509, 365的内容并入本文，如同这样的内容在本文
中全部被陈述一样。
背景技术：
出于诸如电源(及其他共模)噪声抗扰度、偶次谐波失真消除、直流偏置项消除、由于两个输出上的摆幅所引起的增大的动态范围等原因，通常将宽带直流耦合放大器设计为带有差分输入和输出。对于在 一个小片、一个封装或甚至在一个电路板上的放大器之间的互连而言，差分互连的花费与差分设计的优势相比是小的。然而，对于模块之间的互连、诸如有源探头与示波器之间的互连而言，差分互连的成本常常是非常高的。不仅需要两个同轴电缆而不是一个(增加成本和体积并且降低灵活性)，而且这两个同轴电缆还需要紧密匹配以防止从差模到共模的模式转换以及从共模到差模的模式转换。已知在单端信号与差分信号之间转换的各种无源互连结构，在时域应用中常被称为“巴伦(balun)”和/或在频域应用中常被称为“180°混合器(hybrid)”。宽带直流耦合无源巴伦受限于至少3dB的损失，这是由于在直流上没有能量可以与对“反向”输出的电容或电感耦合相耦合，并且因此半数的单端输入功率表现为差分输出上“被浪费的”共模能量。(等同地，对于将差分输入转换为单端输出的巴伦而言，“反向”输入中半数的差分功率不能与输出耦合并且因而被损失。)这种对称性也可以从无源元件的可逆性推出，其中无源巴伦结构的功率损失与其是被用于将平衡转换为不平衡还是被用于将不平衡转换为平衡无关。通常，巴伦被设计用于RF应用，并且很少或不对巴伦的瞬态响应给予考虑。这样的装置中的瞬态响应可具有可观的预冲(pre-shoot)或预冲和过冲(over shoot)。然而，在某些应用中，诸如在具有与示波器耦合的差分信号采集探头的信号采集系统中，巴伦的瞬态响应应具有很少的预冲或者没有预冲。此外，巴伦需要具有向下扩展至直流的宽的带宽以用于使宽范围的差分信号与示波器耦合。另外，巴伦应为信号采集探测系统的信号线缆中的信号损失提供补偿。
发明内容
本发明的宽带巴伦补偿了由信号采集探测系统中的信号线缆引起的信号损失，将宽带巴伦的带宽从直流扩展为至少15GHz的系统响应，并且具有预冲不多于10%的瞬态响应。所述宽带巴伦具有用于正向差分信号的第一信号路径和用于负向差分信号的第二信号路径。90度混合器与所述第一信号路径耦合以在第一端口上接收所述正向差分信号并且与所述第二信号路径耦合以在第三端口上接收所述负向差分信号。所述第一端口与所述90度混合器的第二端口耦合并且充当输出端口，而所述90度混合器的第四端口与所述第三端口耦合并且经由终端电阻器与信号地耦合。信号线缆与所述90度混合器的输出端口耦合，其中具有一阶相位整形器(phase shaper)的所述第一信号路径和具有二阶相位整形器的所述第二信号路径用于补偿由所述信号线缆引起的信号损失并且提供从直流到至少15GHz的频带以及预冲少于10%的瞬态响应。所述宽带巴伦的第一信号路径具有提供λ/2相移的电路迹线和提供λ/2相移的一阶相位整形器，从而在所述90度混合器的第一端口上产生360度相移。所述第二信号具有提供λ/4相移的电路迹线和提供λ/2相移的二阶相位整形器，从而在所述二阶移相器的输出上产生270度相移，所述270度相移在被加到所述负向差分信号的180度相移上时在所述90度混合器的第三端口上产生450度相移。所述宽带巴伦优选地被形成为带状线结构。当结合所附权利要求和附图阅读以下详细说明时，本发明的目的、优点以及新颖性特征将从中显而易见。
图I是适用于根据本发明的宽带巴伦结构的电气系统的框图。图2是使用根据本发明的宽带巴伦结构的信号采集探测系统的框图。图3示出了根据本发明的宽带巴伦结构的一个实施例。图4示出了根据本发明的宽带巴伦结构的一个实施例的物理布局。图5示出了典型巴伦与根据本发明的宽带巴伦的相对相位。图6示出了典型巴伦和根据本发明的宽带巴伦的瞬态响应曲线。图7示出了信号线缆、根据本发明的巴伦以及具有宽带巴伦与所述信号线缆的组合的系统的瞬态响应。图8示出了信号线缆、根据本发明的巴伦以及具有宽带巴伦与所述信号线缆的组合的系统的频率响应。
具体实施例方式本发明的宽带巴伦使用移相器、相位整形器和90°混合器以使90°混合器的输出上的差分信号的负向信号相移180°。当使用90°混合器使差分放大器输出通过单端线缆与单端输入耦合或者等同地使单端放大器输出通过单端线缆与差分输入耦合时，直流上的3dB功率损失可被用于补偿由线缆中的高频衰减所引起的多达3dB的线缆损失，线缆中的高频衰减产生自集肤效应和/或介电吸收。换句话说，其他方面浪费的高频功率可被用在其他方面未被使用的输出侧，通过混合器耦合，以弥补线缆损失，并且因而保持总体平坦的响应而不存在有源线缆补偿电路的额外噪音或动态范围损失。由移相器和相位整形器构成的相移网络可被用在一个或两个支路(leg)中以拓宽或缩窄90°混合器的频率范围。在这种情况下，该范围被调谐以匹配线缆中的损失，以便使系统的幅度对频率响应平坦。同样地，相移网络可被用在单端路径中或者被用在差分路径的两个支路中以调谐系统的相位对频率响应。参考图1，其示出了具有输入电路12、巴伦14以及输出电路16的电气系统10的框图。为了本公开内容的目的，电路可以是具有诸如幅度对频率特性和相位对频率特性等电气特性的任何电气装置。系统10具有由输入电路12和输出电路16以及巴伦14定义的总体系统特性。根据本发明的巴伦14具有由用户定义以设定系统10的总体特性的幅度和相位特性。图2是信号采集探测系统20的框图，该信号采集探测系统20用于从被测装置(DUT) 22采集信号并且使测试信号与诸如示波器、逻辑分析仪等的测量测试仪器耦合。探测系统20具有探头24，该探头24具有探测尖端或从其延伸以连接至DUT 22上的测试点的探测线缆。被测差分信号与探头24中的放大器电路26耦合，该放大器电路26为了至测量测试仪器的传输而放大和调节测试信号。放大器电路26的输出与巴伦28的差分输入f禹合。巴伦28将差分输入信号转换为单端输出信号。该输出信号与连接到测量测试仪器的探测线缆30耦合。信号采集探测系统20具有未经校正的频率响应，该频率响应随被测信号频率的升高而滚降。这种滚降主要由归因于线缆的集肤效应和介电效应的损耗所引起。巴伦28的相移和瞬态响应可以被调节以补偿线缆损失并且拓宽该巴伦的频率响应。图3和图4示出了可与信号采集探测系统20 —起使用的宽带巴伦结构40的一个实施例。图3是宽带巴伦结构40的示意性表示，并且图4是宽带巴伦结构40在介电衬底 42上的物理布局。在图3中将正向差分信号表示为具有0°相移，并且其被输入至宽带巴伦结构40的其中一个信号路径44。在图3中将负向差分信号表示为具有180°相移，并且其被输入至宽带巴伦结构40的另一信号路径46。正向差分信号经由具有λ/2或180°相移的电路迹线48与具有λ /2或180°相移的一阶相位整形器50的一端稱合。一阶相位整形器50的另一端与90°混合器52的端口 I输入耦合。在内部，90°混合器52将端口I与充当输出端口的端口 2耦合。如相位圆54所表示的那样，到90°混合器52的端口 I输入上的正向差分信号已从输入信号路径44的输入相移了 4 λ/4或360°。负向差分信号经由具有λ/4或90°相移的电路迹线56与λ/2或180° 二阶相位整形器58的一端耦合。二阶相位整形器58的另一端与90°混合器52的端口 3输入耦合。在内部，90°混合器52将端口 3与端口 4耦合。端口 4经由终端电阻器60与地耦合。与正向输入信号具有180°相位差的负向差分信号已从输入信号路径46的输入相移了 3 λ/4或270°。结果，如相位圆62所表不的那样,90°混合器的端口 3输入上的信号相对于正向差分信号相移了450° (180° +270° )。使用带状线结构来实现图4的宽带巴伦结构40。微带结构也可以被用于实现宽带巴伦结构40。宽带巴伦结构40被布置在两个平行的地平面之间，通过介电层42将宽带巴伦结构40与平行的地平面隔开，介电层42中的一个被示出。介电层42优选地用介电材料Arlon 350形成，而所述带状线结构用铜来形成。平行的地平面通过形成在介电层中的通孔72电稱合在一起。带状线宽带巴伦结构40被沉积在介电层42中的一个的表面上。输入焊盘74形成在介电层42上以使被测信号与信号路径44和46耦合。携载正向差分信号的信号路径44具有略微呈U型的电路迹线48，该电路迹线48具有180°的相移。电路迹线48与180° —阶相位整形器50的一端耦合。该180° —阶相位整形器的另一端与90°混合器52的端口 I耦合。携载负向差分信号的信号路径46具有直的电路迹线56，该电路迹线56具有90°的相移。电路迹线56与二阶相位整形器58的一端耦合。二阶相位整形器58的另一端与90°混合器的端口 3耦合。90°混合器的端口 3与90°混合器的端口 4耦合，该端口 4进而通过终端电阻器60与地耦合。90°混合器的端口 I与90°混合器的端口 2耦合，并且充当宽带巴伦40的输出端口。已将宽带巴伦结构40描述为接收差分信号并且输出单端输出信号。宽带巴伦结构的信号流动可同样地被用于接收单端输入信号并且输出差分输出信号。90°混合器52从其端口 3输入(90°输入)到其端口 2输出具有S型相位响应。90°混合器52的相位响应从其端口 I输入(0°输入)到其端口 2输出是直线型的。一阶移相器50提供相反的S型相位响应以补偿通过90°混合器52从其端口 3输入到其端口 2输出的S型相位响应。一阶相位整形器50与二阶相位整形器58的组合通过跨更宽的频带保留差分输入信号的180°相位差而扩展了宽带巴伦结构40的带宽。这通过减少正向差分信号与反向的负向输入信号之间通过90°混合器的异相差从而增加正向差分信号与负向差分信号之间在90°混合器的正常带宽之外的信号耦合来实现。此外，一阶相位整形器50和二阶相位整形器58校正相移来改善宽带巴伦40的瞬态响应以为线缆损失对信号采集探测系统20进行补偿。参考图5，其示出了虚线80和实线82，虚线80表示具有带90°相移线的90°混合器的巴伦的相对相位，实线82表示校正后的宽带巴伦结构40的相对相位。虚线80示出了 沿负向频率增加的差分信号对的相对相位。这产生了带90°相移线的90°混合器的瞬态响应，该瞬态响应如图6中的虚线88所表示的那样在瞬态响应曲线中的上升沿86之前具有预冲84。预冲84由90°混合器中超前于正向差分信号的负向差分信号引起，其使90°混合器在其端口 2输出上产生初始负输出。实线82示出了沿正向的差分信号对的相对相位，其中正向相对相位的形状被一阶相位整形器50和二阶相位整形器58修正以如图6中的实线92所表示的那样大体上减少在校正后的宽带巴伦40的瞬态响应曲线中的上升沿90之前的预冲。沿正向的差分对的相对相位的结果大体上减少了瞬态响应曲线中的预冲并且在校正后的宽带巴伦40的瞬态响应曲线中引起过冲94。过冲94由在90°混合器中超前于负向差分信号的正向差分信号引起，其使90°混合器在其端口 2输出上产生初始正输出。图7示出了诸如信号采集探测系统20中的线缆30的有代表性的线缆、本发明的宽带巴伦40以及具有宽带巴伦40与线缆30的组合的系统的瞬态响应。虚线96表示宽带巴伦40的瞬态响应，其示出在上升沿100底部的小异常98和在上升沿100顶部的过冲102。如可由虚线看到的那样，在宽带巴伦40的瞬态响应中大体上没有预冲。在实际的实现中，宽带巴伦40的瞬态响应具有允许10%的预冲的规格。这是宽带巴伦40的制造过程变化的结果。点线104表示线缆的瞬态响应，其示出了上升沿108顶部的圆角106。实线110表示宽带巴伦40与线缆30的组合。在上升沿112之前没有预冲。在上升沿112顶部的瞬态响应具有初始过冲114，并且进而下降以遵循线缆30的瞬态响应。参考图8，其示出了线缆30、宽带巴伦40以及由宽带巴伦40和线缆30构成的系统的频率响应。虚线116表示宽带巴伦40的频率响应。虚线118表示线缆30的频率响应。实线120表示宽带巴伦40和线缆30系统的频率响应。宽带巴伦40的频率响应116从直流到大约8GHz略微下降并且进而到30GHz升高大约I. 6dBV。频率响应从30GHz到40GHz下降大约O. 2dBV并且进而从40GHz到50GHz下降大约I. 8dBV。线缆30的频率响应118从直流到30GHz下降大约2. 7dBV并且进而从30GHz到39GHz进一步下降I. 6dBV,由此到45GHz其升高大约O. 6dBV。宽带巴伦40的升高的频率响应116补偿了线缆30的下降的频率响应118以产生巴伦和线缆系统响应120，其从直流到30GHz具有大约I. 2dBV的损失并且从30GHz到44. 5GHz具有大约I. 8dBV的额外损失。
对于本领域的技术人员将显而易见的是，可以对本发明的上述实施例的细节进做许多改变而不背离本发明的根本原则。因此，本发明的范围应仅由下述权利要求确定。·
权利要求
1.一种宽带巴伦结构，其包括 用于正向差分信号的第一信号路径和用于负向差分信号的第二信号路径； 90度混合器，其与所述第一信号路径耦合以在第一端口上接收所述正向差分信号以及与所述第二信号路径耦合以在第二端口上接收所述负向差分信号，其中所述90度混合器的第三端口与所述第一端口耦合并且充当输出端口，而所述90度混合器的第四端口与所述第二端口耦合并且经终端电阻器与信号地耦合；以及 信号线缆，其与所述输出端口耦合； 其中所述第一信号路径具有一阶相位整形器并且所述第二信号路径具有二阶相位整形器，用于补偿由所述信号线缆引起的信号损失并且提供从直流到至少15GHz的频带以及预冲少于10%的瞬态响应。
2.根据权利要求I所述的宽带宽巴伦结构，其中所述第一信号路径具有提供λ/2相移的电路迹线和提供λ/2相移的一阶相位整形器，从而在所述90度混合器的端口 I上产生360度相移。
3.根据权利要求I所述的宽带宽巴伦结构，其中所述第二信号路径具有提供λ/4相移的电路迹线和提供λ/2相移的二阶相位整形器，从而在所述二阶移相器的输出上产生270度相移，所述270度相移在被加到所述负向差分信号的180度相移上时在所述90度混合器的端口 2上产生450度相移。
4.根据权利要求I所述的宽带宽巴伦结构，其中所述巴伦结构被形成为带状线结构。
全文摘要
本发明的名称为宽带巴伦结构。本发明公开了一种具有与90度混合器耦合的正向和负向信号路径的巴伦结构。正向信号路径具有在混合器的端口1上提供360度相移的电路迹线和相位整形器结构。负向信号路径具有在混合器的端口2上提供450度相移的电路迹线和二阶相位整形器。端口1与混合器的端口3耦合并且充当输出端口。一阶相位整形器和二阶相位整形器补偿由与输出端口耦合的信号线缆引起的信号损失并且提供从直流到至少15GHz的频带以及预冲少于10%的瞬态响应。
文档编号H03K19/0175GK102891676SQ20121024690
公开日2013年1月23日 申请日期2012年7月17日 优先权日2011年7月19日
发明者D.G.克尼林, J.S.兰布, J.A.巴特莱特 申请人:特克特朗尼克公司