本发明涉及射频电路技术领域，特别地涉及一种平面巴伦及形成有该平面巴伦的多层电路板。
背景技术：
在射频功放中，一般会使用到推挽式电路，诸如由两个晶体管以推挽方式工作的功放。在推挽式电路中，巴伦(平衡-不平衡变换器)是必须的组件，例如，其可在输入级将非平衡传输线上的信号转换成功率相等相位相反的两个平衡输入提供给功放晶体管，并在输出级以相反方式将功放的两个平衡输出转换为非平衡(单端)输出以提供给非平衡负载。
图1是一个典型推挽电路的电路示意图。在该电路中，输入巴伦1将非平衡传输线上的信号转换成功放的平衡输入，输出巴伦2将功放的平衡输出转换到非平衡负载上。图1中的每个巴伦由两个电感器构成，其中，一个电感器的两端作为巴伦的平衡端并与匹配网络相连，另一个电感器一端接地、另一端作为巴伦的非平衡端。经由巴伦的两个电感器之间的耦合效应，可以使得平衡端输入的差分信号转换为非平衡端的单端信号，并且反之亦然。
作为示例，图1中还示出了可选的、分别与每个巴伦的两个电感器并联的谐振电容器。通过适当地选择巴伦的电感器的电感值以及谐振电容器的电容值，可以调节巴伦的工作频率。注意，图1中的谐振电容器是可选元件，如果电感器的值够大，或者采用1/4波长传输线或磁芯类型的电感器来实现巴伦，则可省略谐振电容器。
在图1的电路中，还示出了为功放的晶体管提供直流供电的相关电路。如图1所示，栅源电压Vgs1和Vgs2可以分别经由扼流电感器和去耦电容器施加到两个晶体管的栅极，漏极电压Vdd1和Vdd2可以分别经由扼流电感器和去耦电容器施加到两个晶体管的漏极。
取决于工作频率的不同，诸如图1所示的巴伦可以采用不同的实现方式。在S波段以上，巴伦可以用1/4波长传输线来容易的实现。对于UHF(300MHz至3000MHz)、VHF(30MHz至300MHz)和更低的波段，受限于尺寸以及极高的功率，一般采用铁氧体材料来实现巴伦，其具有较高的磁通密度。
在MR(磁共振)检测系统的推挽放大器中，由于较低的工作频率(几十至几百MHz)以及较高的功率，因此通常采用铁氧体材料制成的巴伦。然而，由于铁氧体材料会形成磁场饱和，导致这种结构无法在MR检测系统的检测室(scan room)的强磁环境下使用，必须放置在检测室外并经由线缆与MR检测系统相连。这导致较高的传输损耗，也不利于系统的集成。
为此，需要一种巴伦，其适合于在诸如MR检测系统的检测室的强磁场环境下使用。
技术实现要素：
本发明的一个示例性实施例提供了一种形成在多层电路板上的平面巴伦，其包括：至少一个线匝的第一绕组，其形成在第一导电层中，并具有第一引线和第二引线，分别作为巴伦的第一平衡端和第二平衡端；至少一个线匝的第二绕组，其形成在由至少第一绝缘层与第一导电层分离的第二导电层中，并具有第三引线和第四引线，其中，第三引线接地电势，第四引线作为巴伦的非平衡端；以及第一平衡电容器，其连接在第一绕组的中心附近的选定部分与地电势之间体。
本发明的另一个示例性实施例提供了一种多层电路板，其上形成有如上所述的平面巴伦。
本发明实施例的平面巴伦及多层电路板适合于在诸如MR检测系统的检测室的强磁场环境下使用，并且可以具有改进的平衡度。
通过下面的详细描述、附图以及权利要求，其他特征和方面会变得清楚。
附图说明
通过结合附图对于本发明的示例性实施例进行描述，可以更好地理解本发明。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部件，其中：
图1为典型推挽电路的电路原理的示意图；
图2是本发明实施例的巴伦的第一绕组及相关部件的平面示意图；
图3是本发明实施例的巴伦的第二绕组及相关部件的平面示意图；
图4是本发明实施例的巴伦的等效电路图；
图5是优选实施例的巴伦的第一绕组及相关部件的平面示意图；
图6是优选实施例的巴伦的等效电路图；
图7是具有外围接地焊垫的第一绕组及相关部件的平面示意图；
图8是具有外围接地焊垫的第二绕组及相关部件的平面示意图；
图9是第一绕组和第二绕组的整体布局的示意图；
图10示意性地示出了具有金属地的巴伦的第一示例分层结构；
图11示意性地示出了具有金属地的巴伦的第二示例分层结构；
图12至图17示出了本发明的一个优选实施例的仿真结果。
具体实施方式
以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。
除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。
根据本发明的一方面的实施例，提供了一种平面巴伦。本实施例的巴伦形成在多层电路板上，其包括：至少一个线匝的第一绕组，其形成在第一导电层中，并具有第一引线和第二引线，分别作为巴伦的第一平衡端和第二平衡端；至少一个线匝的第二绕组，其形成在由至少第一绝缘层与第一导电层分离的第二导电层中，并具有第三引线和第四引线，其中，第三引线接地电势，第四引线作为巴伦的非平衡端；以及第一平衡电容器，其连接在第一绕组的中心附近的选定部分与地电势之间。
图2和图3示意性地示出了本实施例的巴伦的示例结构，其中，图2示出了第一绕组及相关部件的平面示意图，图3示出了第二绕组及相关部件的平面示意图。
图2示出了形成在第一导电层中的第一绕组，其在本示例中为单匝绕组。该绕组具有第一引线和第二引线，分别作为巴伦的第一平衡端Tb1和第二平衡端Tb2。作为示例，在第一绕组布局中心的空白部分，形成有接地焊垫，以用于将第一导电层中的期望部件接地。如图2所示，在第一绕组的中心附近的选定部分与接地焊垫(即地电势)之间，连接有第一平衡电容器Cb1。利用该平衡电容器Cb1，可以在第一绕组L1的选定位置设置虚拟地，以设置将第一绕组L1划分为的两部分的比例，从而改善两个平衡端Tb1和Tb2之间的不平衡。
优选地，在图2的示例中，第一平衡电容器Cb1连接在作为单匝绕组的第一绕组内侧中心附近的选定部分与地电势之间。此外，可选地，如图2所示，该单匝绕组的外侧中心具有中心抽头，该中心抽头经由第二平衡电容器Cb2连接至地电势。由于平面布局的绕组的布线具有一定宽度，导致绕组内侧与外侧的对应位置的实际电势不一定是一致的。因此，将绕组外侧的中心抽头经由第二平衡电容器Cb2连接至地电势，有利于进一步改进巴伦的平衡度。
图3示出了形成在第二导电层中的第二绕组的平面示意图，该第二导电层应该由至少第一绝缘层与第一导电层分离。作为示例，图3中示出了三匝的第二绕组，并且在第二绕组布局中心的空白部分形成了接地焊垫，以用于将第二导电层中的期望部件接地。第二绕组具有第三引线和第四引线，其中，第三引线接地电势，并且第四引线作为巴伦的非平衡端Tun。在本示例中，第二绕组最内匝的端子作为第三引线连接至接地焊垫(地电势)，最外匝的端子作为第四引线或巴伦的非平衡端Tun。
本领域技术人员可以理解，尽管图3中示出了三匝的第二绕组，但第二绕组可以具有其他的匝数，例如单匝、二匝或四匝等。相应地，当以巴伦的平衡端作为输入、非平衡端作为输出时，除了1：9的阻抗变换比之外，巴伦还可以具有例如1：1、1：4或1：16等的阻抗变换比。
可以根据应用需要和各种设计因素决定第二绕组的匝数。例如，可以通过合理设置绕组的匝数，实现期望的阻抗变换比。当将具有期望阻抗变换比的巴伦用作例如图1的推挽电路中的输入巴伦和/或输出巴伦时，可省略该图中的匹配网络，从而简化电路结构。
此外，本领域技术人员可以理解，尽管图2、图3以及后续的附图中示出了方形的第一绕组和第二绕组，但这样的绕组形状仅作为示例，绕组的形状可以采用诸如圆形的其他适当形状。
第一绕组和第二绕组可以采用诸如蚀刻的方式形成在例如PCB基板的导电层(诸如铜层)中。本领域技术人员可以理解，可以采用现有技术中任意适当方式或工艺来形成第一绕组和第二绕组，在此不进行详细说明。
为了使得巴伦工作在期望频率，在本示例中，如图2和图3所示，还在在第一引线和第二引线之间连接了第一调谐电容器C1，并在第四引线和地电势之间连接了第二调谐电容器C2。通过合理地设置绕组L1、L2的长度、宽度、各匝间隔以及电容器C1、C2的电容值等参数，可以设置变压器巴伦两边的谐振频率，从而使得巴伦工作在期望频率。注意，图2中示出了第一引线和第二引线之间的多对备选位置以供连接第一调谐电容器C1。可以根据电路的测试及优化结果，选择在适当的位置处连接该调谐电容器C1，在此不再详细说明。
为了改进巴伦的平衡度，优选地，将第一绕组和第二绕组各自形成为基本对称的图案或布局。图2和图3及后续的图5、图7至图9中均示出了xy坐标轴，以示意性地示出第一绕组和第二绕组布局的对称性，在此不进行详细说明。
通过合理地设计第一绕组和第二绕组的布线图案(如布线长度、宽度、各匝间隔等)，可以使得在选择调谐电容器C1、C2的不同电容值的情况下，巴伦能够工作在不同的工作频率。即，在不改变布线图案的前提下，仅通过选择不同电容值的调谐电容器C1、C2，就能使巴伦工作在不同的工作频率。例如，对于MR检测系统中1.5T(特斯拉)和3T的不同应用，本实施例的巴伦可以通过选择不同电容值的调谐电容器C1、C2而分别工作在63.86MHz和127.72MHz(或128MHz)附近。这样的巴伦利于批量生产以及提高生产效率。
在优选实施例中，可以在第一绕组的中心附近设置多个备选部分，例如，图2中示出了第一绕组内侧中心附近的备选部分的位置。由于巴伦的插入损耗以及平衡度随着工作频率改变而改变，因此，可以根据巴伦的工作频率，从这些备选部分当中确定要经由第一平衡电容器Cb1连接到地电势的选定部分。作为示例，图2中示出了第一平衡电容器Cb1连接在第一绕组中心的上侧备选位置与接地焊垫的对应位置之间。随着工作频率的改变，可以将第一平衡电容器Cb1连接在中央或下侧的备选位置与接地焊垫的对应位置之间。这样，在不同的工作频率处，可根据测试或优化结果来改变第一绕组L1的虚拟地的位置、进而改变将第一绕组L1划分为的两部分的比例，从而有利于改善两个平衡端Tb1和Tb2之间的幅度和/或相位不平衡。可以通过预先的设计合理确定各个备选部分的具体位置。
类似地，图2中还示出了第一绕组的外侧中心抽头的多个备选位置，并示出了第二平衡电容器Cb2在最上侧的备选位置连接到地电势。可选地，随着工作频率的改变，可以将第二平衡电容器Cb2连接在另外三个备选位置之一与地电势之间。
图4示出了本实施例的巴伦的等效电路图，其中电感器L1、L2分别表示例如图2中的第一绕组和图3中的第二绕组。如图4所示，通过调节主平衡电容器Cb(等效于图2中的第一主平衡电容器Cb1和第二主平衡电容器Cb2两者)连接在第一绕组L1的位置，可以调节第一绕组L1的虚拟地的位置、进而改变将第一绕组L1划分为的两部分L11和L12的比例，从而调节两个平衡端之间的不平衡。
本实施例的巴伦特别适合用于诸如MR检测系统中的推挽放大器。由于例如图2所示的第一平衡电容器Cb1的存在，当本实施例的巴伦如图1所示那样连接在推挽功放的输入级或输出级时，可以同时通过第一绕组实现给晶体管提供直流供电(即图1中的Vgs1和Vgs2或者Vdd1和Vdd2)的附加功能。具体地，可以在图2所示的第一绕组的外侧中心抽头处施加直流电压，该直流电压经由第一绕组而在第一平衡端Tb1和第二平衡端Tb2对晶体管提供图1中的直流供电Vgs1和Vgs2或者Vdd1和Vdd2。
更具体地，当本实施例的巴伦用作图1中的输入巴伦1(第二绕组作为初级线圈、第一绕组用作次级线圈)时，可以在图2所示的第一绕组的外侧中心抽头处施加直流电压，并将第一平衡端Tb1和第二平衡端Tb2处的直流电压作为图1中的栅源电压Vgs1和Vgs2。类似地，当本实施例的巴伦用作图1中的输出巴伦2(第一绕组用作初级线圈、第二绕组作为次级线圈)时，可以在图2所示的第一绕组的外侧中心抽头处施加直流电压，并将第一平衡端Tb1和第二平衡端Tb2处的直流电压作为图1中的漏极电压Vdd1和Vdd2。
利用以上参照图2至图4描述的结构，本发明采用多层电路板实现了平面巴伦而避免了铁氧体磁芯结构以及同轴传输线的绕线结构，因而有利于在诸如MR检测系统的扫描室的强磁环境下使用。另外，由于采用了平衡电容器来设置第一绕组的虚拟地的位置，可以调节巴伦的平衡度。当将巴伦应用在例如图1所示的推挽电路中时，还可以为电路中的晶体管提供直流供电。
在一个优选实施例中，可以在图2的第一绕组的第一引线和第二引线与地电势之间连接调节电容器，以进一步调节巴伦的平衡度。图5示出了本优选实施例的第一绕组及相关部件的布局。图5与图2的区别在于还包括第一调节电容器Ca1和第二调节电容器Ca2，第一调节电容器Ca1连接在第一绕组的第一引线附近的部分与地电势之间，第二调节电容器Ca2连接在第一绕组的第二引线附近的部分与地电势之间。通过合理地设置电容器Ca1和Ca2的电容值，可以进一步改善巴伦的平衡度。
图6示出了本优选实施例的巴伦的等效电路图，其中电感器L1、L2分别表示图5中的第一绕组和图3中的第二绕组。如图6所示，除了与图4中类似的调节主平衡电容器Cb(等效于图5中的第一主平衡电容器Cb1和第二主平衡电容器Cb2两者)连接在第一绕组的位置可以调节外，还可以合理地设置调节电容器Ca1和Ca2的电容值，从而进一步改善巴伦的平衡度。
可选地，为了屏蔽周围电路部件的干扰，可以在第一绕组和第二绕组外围设置与绕组外轮廓匹配的接地焊垫。作为示例，图7和图8分别示出了具有外围接地焊垫的第一绕组和第二绕组，其分别具有与图5和图3对应的部件和连接关系，这里不再重复说明。外围接地焊垫的设置不仅利于屏蔽周围电路部件的干扰，从图7和图8中可以看出，其也可以将相应绕组所在导电层的相关部件方便地接地。
图9示出了第一绕组和第二绕组的整体布局的一个示例，其中阴影部分表示例如图7中的第一绕组以及接地焊垫，空心框部分表示例如图8中的第二绕组以及接地焊垫。优选地，如图9所示，第一绕组和第二绕组形成在第一导电层和第二导电层的对应位置并且彼此重叠。这样的布局有利于加强第一绕组和第二绕组之间的耦合，并且有利于巴伦的平衡。此外，优选地，第一绕组的第一引线和第二引线定向在第一方向，第二绕组的第四引线定向在与第一方向相反的第二方向。这样的布局有利于巴伦的平衡，并且可以将巴伦的输入和输出间隔开，以避免输入和输出之间的干扰。
在一个优选实施例中，形成在多层电路板上的巴伦还可以包括用作地电势的金属地，其形成在与第一绕组的第一导电层、第二绕组的第二导电层相分离的第三导电层中。
作为示例，第一导电层和第二导电层可以由第一绝缘层和第二绝缘层间隔开，形成有金属地的第三导电层可以位于第一绝缘层和第二绝缘层之间。即，形成巴伦的多层电路板可以从上到下(或从下到上)依次包括第一导电层、第一绝缘层、第三导电层、第二绝缘层、第二导电层。
再例如，第一导电层和第二导电层可以以第一绝缘层间隔开，形成有金属地的第三导电层可以形成于由至少第二绝缘层与第一导电层或第二导电层分离的第三导电层中。图10和图11示意性地示出了具有这种结构的巴伦的示例分层结构。
在图10的第一示例结构中，多层电路板从上到下依次包括第一绕组L1所在的第一导电层、第一绝缘层INS1、第二绕组L2所在的第二导电层、第二绝缘层INS2、以及经由第二绝缘层INS2与第二导电层分离的第三导电层，该第三导电层中形成了金属地GND。图11示出了另一个示例结构，其与图10的区别在于金属地GND所在的第三导电层的位置不同。即，在图11的第二示例中，金属地GND所在的第三导电层经由第二绝缘层INS2与第一绕组L1所在的第一导电层(而非第二绕组L2所在的第二导电层)分离。
注意，为了图示简明起见，在图10和图11的各导电层中仅示意性地示出了单匝的第一绕组L1、三匝的第二绕组L2、金属地GND，而并未示出图2、图3、图5、图7、图8中的中心或外围接地焊垫。可以理解，本示例的巴伦中可以具有此前参照图2、图3、图5、图7、图8描述的中心和/或外围接地焊垫，其可位于第一绕组L1和第二绕组L2布局的中央和/或外围，并通过导电通孔(via)连接至金属地GND。
优选地，如图10和图11所示，金属地的覆盖区域大于或等于第一绕组L1和第二绕组L2各自的覆盖区域。利用这样的结构，当本示例的巴伦与其他电路部分重叠安装在一起时，金属地可以用作屏蔽层，以使得巴伦避免受到其他电路部分的干扰。因此，本示例的巴伦有利于与不同电路部件集成并降低电路尺寸。
例如，当将巴伦安装至用于散热的水冷板上时，一般需要在水冷板上开槽以避开巴伦位置，从而避免金属水冷板与巴伦之间的电磁干扰。然而，利用本实施例，具有图10和图11所示的金属地的巴伦可以直接安装在水冷板上方而无需对水冷板开槽，并借由金属地的屏蔽作用免受电磁干扰。
图12至图17示出了本发明的一个优选实施例的仿真结果，该优选实施例可以具有例如此前参照图3、图5和图6描述的电路结构。在这些图中，图12至图14示出了针对63.86MHz的工作频率的仿真结果，图15至图17示出了针对128MHz的工作频率的仿真结果。
针对63.86MHz的工作频率，图12示出了巴伦的插入损耗，横坐标为频率，纵坐标为插入损耗，其中dB(s(2，1))和dB(s(3，1))分别表示从例如图6所示的巴伦的第一平衡端Tb1到非平衡端Tun的插入损耗以及从巴伦的第二平衡端Tb2到非平衡端Tun的插入损耗。从该图可以看出，在63.86MHz的工作频率(即，标记m1)处，两个插入损耗相等，均接近-3dB，这表示整个巴伦的插入损耗很小，并且在63.86MHz的工作频率处的幅度是平衡的。
图13示出了巴伦的反射损耗，横坐标为频率，纵坐标为反射损耗，其中，dB(s(1，1))、dB(s(2，2))、dB(s(3，3))分别表示从例如图6所示的巴伦的非平衡端Tun到该非平衡端Tun的反射损耗、从巴伦的第一平衡端Tb1到该第一平衡端Tb1的反射损耗、从巴伦的第二平衡端Tb2到该第二平衡端Tb2的反射损耗。从该图可以看出，两个平衡端各自的反射损耗dB(s(2，2))、dB(s(3，3))基本重合，即基本相等。在63.8 6MHz的工作频率(即，标记m2)处，这两个反射损耗均很小，接近-6dB，而非平衡端的反射损耗更是接近-59dB。
图14示出了巴伦的相位平衡情况，横坐标为频率，纵坐标为相位差，其中，phase(s(2，1))、phase(s(3，1))分别表示例如图6所示的巴伦的第一平衡端Tb1与非平衡端Tun的相位差以及第二平衡端Tb2与非平衡端Tun的相位差。从该图可以看出，在63.86MHz的工作频率(即，标记m3)处，这两个相位差之间的差接近180度，从而较好地实现了相位平衡。
类似地，针对128MHz的工作频率，图15示出了巴伦的插入损耗，横坐标为频率，纵坐标为插入损耗，其中dB(s(2，1))和dB(s(3，1))分别表示从例如图6所示的巴伦的第一平衡端Tb1到非平衡端Tun的插入损耗以及从第二平衡端Tb2到非平衡端Tun的插入损耗。从该图可以看出，在128MHz的工作频率(即，标记m1)处，两个插入损耗相等，均接近-3dB，这表示整个巴伦的插入损耗很小，并且在128MHz的工作频率处的幅度是平衡的。
图16示出了巴伦的反射损耗，横坐标为频率，纵坐标为反射损耗，其中，dB(s(1，1))、dB(s(2，2))、dB(s(3，3))分别表示从例如图6所示的巴伦的非平衡端Tun到该非平衡端Tun的反射损耗、从巴伦的第一平衡端Tb1到该第一平衡端Tb1的反射损耗、从巴伦的第二平衡端Tb2到该第二平衡端Tb2的反射损耗。从该图可以看出，两个平衡端各自的反射损耗dB(s(2，2))、dB(s(3，3))基本重合，即基本相等。在128MHz的工作频率(即，标记m2)处，这两个反射损耗均很小，接近-6dB，而非平衡端的反射损耗更是在-27dB附近。
图17示出了巴伦的相位平衡情况，横坐标为频率，纵坐标为相位差，其中，phase(s(2，1))、phase(s(3，1))分别表示例如图6所示的巴伦的第一平衡端Tb1与非平衡端Tun的相位差以及第二平衡端Tb2与非平衡端Tun的相位差。从该图可以看出，在128MHz的工作频率(即，标记m3)处，这两个相位差之间的差接近180度，从而较好地实现了相位平衡。
从图12至图17的仿真结果可以看出，本发明实施例的巴伦在不同的工作频率下具有良好的幅度平衡度和相位平衡度。
根据本发明的另一方面，提供了一种多层电路板，其上形成有以上参照图1至图17描述的平面巴伦。该多层电路板可以具有以上描述的平面巴伦的各种特性和优点，在此不再重复描述。
上面已经描述了一些示例性实施例。然而，应该理解的是，可以做出各种修改。例如，如果所描述的技术以不同的顺序执行和/或如果所描述的系统、架构、设备或电路中的组件以不同方式被组合和/或被另外的组件或其等同物替代或补充，则可以实现合适的结果。相应地，其他实施方式也落入权利要求的保护范围内。