专利名称：平衡-不平衡变换装置及其设计方法
技术领域：
本发明涉及平衡—不平衡变换，具体涉及平衡—不平衡变换装置及其设计方法。
在射频(RF)通信系统中，使用平衡式天线通常是有利的。平衡式天线可减小无线电设备的外壳和其它部件上的射频电流，并且对于由操作人员引起的失谐或遮挡较不敏感。当平衡式天线与不平衡式射频电路相连接时，平衡式天线与不平衡式射频电路之间的接口，需要一个称为“平衡—不平衡变换’的装置。
在电路学上，不平衡式系统被定义为一种这样的系统，亦即其内两个导体相对于地处在不同的电位上。两个导体之一往往处在地电位上。于是，两个导体之中每一个对地的电容量是不同的，因而，两个导体中的电流也不同。平衡式系统是一种这样的系统，亦即其内两个导体的每个导体的电位分别比地电位高出和低下一个同等值。图2示例一个简化图，示明在平衡和不平衡模式下电流是怎样定义的。在射频传输通信系统中，源是发射机，负载是天线。电流Ia和Ib的任何组态可表示成为共模电流和差模电流的组合。是共模电流还是差模电流由平衡式源或不平衡式源所产生的电流来决定。图2所示的共模电流Ica和Icb具有相同的幅度和相同的相位，因此，共模电流对负载(即天线)的预定工作无影响，通常以热的形式耗散掉功率。IDa和IDb为差模电流，它们幅度相等但相位相反，因此，它们表现出给预定负载提供了功率。共模和差模(或差分模式)的源和负载损耗可表示成为一个电路如图3所示。对于平衡式天线之类的平衡式负载，预定的或所需的模式是差分模式，而非预定或非所需的模式是共模模式。使共模负载的阻抗最大化，电流及伴随着共模电流的损耗将最小。
平衡—不平衡变换器允许平衡系统与不平衡系统之间相连接，以使平衡结构的两部分的对地电位和电流在幅度上是相等的，但相位相反。过去，在射频通信系统所用的通信装置中业已使用了平衡—不平衡变换器和传输线或超高频平衡—不平衡变换器为天线馈线实现平衡—不平衡变换功能。虽然平衡—不平衡变换器有效地实现平衡—不平衡变换功能，但在便携式无线电话之类的装置中使用时，该种变换器显得体积大，并吸收功率。通常，由一个平衡—不平衡变换器损失功率约0.7dB，这就显著地降低了收发信机与天线之间传送的信号的幅度。此外，超高频平衡—不平衡变换器或传输线需要两个以上的导体，或两个导体和环绕这两个导体的一个套管，来实现平衡—不平衡变换功能。这种超高频平衡—不平衡变换器在通信装置内需要很大的物理空间供套管占用。
便携式无线电话之类的通信装置比其它非便携式或固定式通信装置通常要求小的物理空间和较少的功耗。据此，现在希望在便携式无线电话机中在收发信机与天线之间具有高效率的功率传输，并希望具有小的物理尺寸。为此，现在希望具有一个效率高且体积小的平衡—不平衡变换器装置，以在通信装置中在收发信机内在平衡式天线与不平衡式电路之间传输信号。
图1示出一种先有技术的电路方框图。
图2示出一种理论上的信号源和负载，以及它们的有关电流。
图3示出具有一个共模负载和一个差模负载的理论上的信号源和负载。
图4示出按照本发明的一种电路的方框图。
图5示出按照本发明的一种无线电通信系统的方框图。
图6示出差模负载的共模电流的周期性循环图。
图7示出偶极子天线的共模电流的周期性循环图。
图8示出说明共模阻抗和电流的史密斯图。
图9示出按照本发明的一种设计平衡—不平衡变换装置的方法的流程图。
本发明的优选实施例包括一个射频通信装置，具体地说，一个具有分集天线的无线电话机，例如从摩托罗拉公司购得的TH541型。在这种具体的无线电话中，物理尺寸的限制是严格的，尤其是收发信机与天线之间可利用的空间。无线电接收机是一个不平衡型负载电路，天线是一个平衡式源电路。因接收机与天线之间的电连接是“不平衡式对平衡式”连接，故需要一个平衡—不平衡变换器。如在先有技术中所讨论的，一种传统的平衡—不平衡变换器因物理尺寸上的限制而是不可行的。为此，平衡—不平衡变换功能是利用了接收机与天线之间的一个具有最小横向尺寸和预定长度的传输线来实现的。
图4示出按照本发明的一种电路的方框图。电路400含有一个不平衡式电路401、一条具有长度“L”的传输线403和一个平衡式电路405。这里，不平衡式电路401通过长度为“L”的传输线403耦合到平衡式电路405上，传输线403被确定为本发明的一部分，是在便携式无线电话中本发明的一个实施。
图5示出应用本发明的一个无线电通信系统的方框图。在该系统中，远地收发信机513往和从位于该固定站收发信机513所服务的固定地理区域内的移动和便携式无线电话机发送和接收射频信号。无线电话机500是一种由固定站收发信机513提供服务的无线电话机。
无线电话机500从固定站收发信机513接收信号时，使用主天线511和分集天线515来耦合射频信号，并将该射频信号转换成电射频信号。该电射频信号由无线电接收机503接收，以在无线电话机500内使用。接收机503输出一个符号信号，供控制器505使用。控制器505将该符号信号格式化成为话音或数据，供用户接口507使用。用户接口507通常含有一个话筒、一个扬声器和一个键盘。
射频信号从无线电话机500传送到远地收发信机513，控制器505就对用户接口507来的话音和/或数据信号格式化。经格式化的信号输入到发射机501。发射机501将数据转换成为电射频信号。电射频信号由天线511转换成为射频信号并发射出去。该射频信号由远地收发信机513接收。
如前所述，为了说明本发明的目的，接收机503是一个不平衡式负载电路，而分集天线515可认为是一个平衡式源电路。长度为“L”的传输线517设计得共模阻抗很高，而差模阻抗等于接收机电路503和天线电路515的阻抗。高效率天线的要求是共模阻抗最大化和差模阻抗与源和负载相匹配。在维持差模阻抗与源相匹配时，有两个基本参数影响共模阻抗，即传输线的侧向尺寸和长度。传输线的侧向尺寸或模向尺寸(宽度和厚度)应当减低到最小尺寸，以使传输线的有效共模电感和阻抗尽量高。如果侧向尺寸标定得合适，则对于任何的尺寸的集合都能维持差模阻抗。对这种途径的限制在于，该尺寸会变得不可制造，并且差模中的电损失会变得不可接受。
在维持差模阻抗时增大共模阻抗的第二种方法是选择传输线的长度等于自开路端计算起的半波长的整数倍。参看图6，共模电流被示为波601，沿着传输线长度周期性循环。在端点603、点B605和点D607处共模电流最小。同理，在点A609、点C611和点E613处共模电流最大。在诸如传输线517之类的传输线终接着一个偶极子天线。(诸如图5的分集天线515)时，呈现出类似的共模电流图型。参看图7，该图示出传输线终接着一个偶极子天线时的共模电流。在点B701、点D703处共模电流还最小。同理，在点A705、点C707和点E709处共模电流最大。当一个偶极子天线加到该传输线上时，共模电流图型如图7所示有偏移，以使第一个共模电流最小点处在自天线馈点计算起的四分之一波长的一个点上，并可确定出其它的电流最小点的位置。如果将有效共模阻抗画成自传输线终端计算起的长度的一个函数曲线，如图8所示，则也可看出这种效果。图8示出点A、C和E为短路点或很低阻抗点，它们直接地从高阻抗点B和D跨过来。图8的史密斯图呈现螺旋状，绕该图几次。如果传输线517选择得其长度终结于点B或D，则共模阻抗很高，进入共模阻抗的功率将很小，这正是优选实施例所希望的情况。
工作效率和相位速度决定了传输线上的波长。波长等于相位速度除以频率。对于空气来说，相位速度等于光速。对于其它媒体，相位速度等于光速除以媒体有效介电常数εr的方根值Sqr()。对于共模情况，相位速度近似于自由空间内的相应速度；对于差模情况，媒体是挠性的印刷电路板材料，介电常数为3.4。这将使相位速度减小到自由空间中光速的1/Sqrt(εr)或即0.55倍。对于这两种情况，它们的相位速度确实截然不同。对于差模，希望降低传输线上的反射，以使阻抗实质上与传输线长度无关。然而，对于共模，特意使阻抗特别依赖于传输线长度。因此，长度选取得具有最大阻抗。
为将这些现象用来实现传输线上的平衡—不平衡变换功能。传输线的设计必须利用图9所示的设计流程图对每一个具体应用来设计。首先，在步骤903，设计一个不平衡电路和一个平衡电路，而不考虑它们之间的任何连接。在优选实施例中，平衡电路是一个偶极子天线用以作为如图5所示的分集天线515。在设计偶极子天线时，可在无馈线的情况下针对所需的频段来设计进行设计。在优选实施例中，该天线所需频段是810—830MHz。其次，在步骤905，提供一个不平衡电路。在优选实施例中，图5的接收机503被考虑为该不平衡电路。第三，在步骤907，选择一个平衡式传输线，用以在平衡电路与不平衡电路之间进行耦合。该传输线所具有的差模阻抗等于源的阻抗，并具有很高的共模电感值。差模阻抗往往标记为Z0，通常由下式子限定Z0＝377×厚度/(宽度×Sqrt(εr))如果源阻抗Z3与负载阻抗相等，则使差模阻抗相等它们。对于源阻抗与负载阻抗不相等的情况，传输线较为复杂，我们的优选实施例就是这样的情况。
横跨天线与接收机之间距离的长度L具有一个差模相位长度，它大于实施一个阻抗变换器所需的长度Lt。该长度为四分之一波长(λ/4)。为此，我们业已设计了一个插入式(inline)(串接)传输线对，以实现所需的两个功能，即1)拒斥共模负载；2)变换天线源阻抗Zs，以匹配接收机负载阻抗Zl。
在将传输线耦合到负载电路之前，选择传输线517的合适长度“Lr”，以给出比源阻抗大得多的共模阻抗。在优选实施例中，来拒斥共模所需的长度L标记为Lr，它大于变换所需的长度Lt。鉴此，需要一个附加长度或额外长度Le。这可由下面式子表示Lt＋Le＝Lr该额外长度具有源特性阻抗或负载阻抗。为此，额外长度被选择得具有特性阻抗Zs或Zl中较高阻抗的特性阻抗。
传输线的变换器部分具有长度Lt，它由所关心的频率来限定，它具有相位长度为四分之一波长，可表示成λ/4，90°。这个相位波长可利用早期提供的文本得出。在优选实施例中，负载阻抗Zl为50Ω，偶极子天线的阻抗为12Ω。据此，传输线选择得具有差模阻抗Le为50Ω，变换器部分Lt的阻抗为25Ω。这个变换器可以与12Ω的天线源阻抗Zs和50Ω的接收机负载阻抗相匹配。
通过选择传输线的合适长度“Lr”，可实现平衡—不平衡变换功能。虽然现已限制了传输线为一个预定长度“Lr”，但附加的电路或元件例如晶体管、附加的传输线或同轴电缆就再不需要了，为此，减小了为实现平衡—不平衡变换功能所需的物理尺寸的限制。
权利要求
1.一种平衡—不平衡变换装置，耦合在平衡式电路与不平衡式电路之间该平衡式和不平衡式电路以共模和差模形式发射和接收信号，其特征在于，该平衡—不平衡变换装置包括一个第一导体具有第一长度；一个第二导体具有与第一长度相等的第二长度，该第二导体与第一导体相平行，两者相间一个第一距离，利用第一导体和第二异体用来组成一个第一传输线，该传输线具有第一阻抗，用于差模传输，利用该第一导体和第二导体形成一个第二阻抗，用于共模传输。
2.权利要求1的平衡—不平衡变换装置，其特征在于，将平面金属条用于第一导体和第二导体。
3.权利要求2的平衡—不平衡变换装置，其特征在于，利用挠性的塑料材料来提供出第一导体与第二导体的间隔。
4.权利要求1的平衡—不平衡变换装置，其特征在于，第一和第二导体还包括一个阻抗变换器具有任意变换比，该阻抗变换器是利用四分之一波长的变换器来实现的。
5.一种无线电通信装置，其特征在于，它包括一个平衡式天线，具有第一共模阻抗和第一差模阻抗；一个不平衡式无线电接收机，具有一个差模负载阻抗；及一个传输线，耦合在平衡式天线一端与不平衡型无线电接收机一端之间，该传输线具有一个第一导体和一个第二导体，每个导体具有一个预定长度，并两导体相互间隔开一个第一距离，另外，该传输线具有一个第二共模阻抗和一个第二差模阻抗，第一共模阻抗和第二共模阻抗形成一个共模输入阻抗，而第一差模阻抗和第二差模阻抗形成一个差模输入阻抗，该共模输入阻抗基本上大于源阻抗，而差模输入阻抗基本上与源阻抗匹配。
6.权利要求5的无线电通信装置，其特征在于，将平面金属条用于第一导体和第二导体。
7.权利要求6的无线电通信装置，其特征在于，利用挠性的塑料材料来提供第一导体与第二导体之间的第一距离。
8.权利要求5的无线电通信装置，其特征在于，第一导体和第二导体还包括一个阻抗变换器，它具有任意变换比。
9.权利要求8的无线电通信装置，其特征在于，阻抗变换器是利用四分之一波长的变换器来实现的。
10.一种用以设计天线系统的方法，其特征在于，包括以下步骤提供一个天线，该天线具有一个第一共模阻抗和一个第一差模阻抗；提供一个不平衡式电路，该电路具有一个第一源阻抗；选择一个平衡式传输线，用以耦合在天线与不平衡式电路之间，该平衡传输线具有一个第一长度、一个第二共模阻抗和一个第二差模阻抗，可使第一和第二共模阻抗一起形成的阻抗基本上大于源阻抗，而第一和第二差模阻抗一起形成的阻抗基本上与源阻抗相匹配。
全文摘要
在无线电接收机之类的不平衡式电路与天线之类的平衡式电路之间的电连接需要一个平衡一不平衡变换器。在无线电话机之类的小型电子装置中，因物理尺寸的限制使传统的平衡-不平衡变换器不实用。该平衡-不平衡变换功能是利用了无线电接收机与天线之间的一个传输线来实现的，它具有最小的横向尺寸和一个预定的长度。
文档编号H01P5/10GK1127571SQ95190180
公开日1996年7月24日 申请日期1995年1月30日 优先权日1994年3月11日
发明者路易斯·J·范纳拉, 詹姆斯·P·菲利普斯 申请人:摩托罗拉公司