專利名稱：：微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明是關于用在無線通信的平衡轉非平衡信號轉換器(balance-to-unbalancetransformer，Balun)，特別是一種微型多層式(miniaturizedmulti-layer)平衡轉非平衡信號轉換器。
背景技術：
：平衡轉非平衡信號轉換器是無線通信系統(tǒng)中常見的被動元件之一，其作用在于將無線通信收發(fā)模塊中一個非平衡式的信號(unbalancedsignal)轉換成一對大小相同、相差180度的平衡式差模信號(balanceddifferentialsignal)，當然其電路特性反之亦然，便可由差模信號的傳遞來減少共模噪聲(commonmodenoise)的干擾，故在射頻(radiofrequency，RF)收發(fā)、功率放大器(poweramplifier，PA)、天線(antenna)和混合器(mixer)的電路設計中很常看到平衡轉非平衡信號轉換器的蹤影。平衡轉非平衡信號轉換器有多種類型，一般可以分為集總式(lumped-type)、繞線式(coil-type)及分布式(distributed-type)三種類型。集總式平衡轉非平衡信號轉換器是利用集總式電容及電感，作阻抗匹配和產生180度的相位差及相等信號大小的平衡。這種平衡轉非平衡信號轉換器的特點在于尺寸微小，所以非常輕巧，但缺點為操作頻寬較小，而且不容易維持兩信號之間相位差及信號大小的平衡。繞線式平衡轉非平衡信號轉換器在較低頻帶及紫外高頻(ultrahighfrequency，UHF)頻帶最廣泛被使用。但主要缺點是應用在超過UHF頻帶時會有過大的損耗，而且縮小化程度已達極限。分布式平衡轉非平衡信號轉換器還分成180度-混成型(hybrid)和馬式型(Marchand)。180度-混成型在微波頻帶常常被使用，也有很好的頻率響應。然而應用在射頻時，頻率介于200MHz至數(shù)GHz之間，由于其由數(shù)節(jié)四分之一波長的傳輸線所構成，所以尺寸往往太大，即使利用曲折(meander)的方式亦很難大量縮小其面積。在另外一種技術中，利用一功率分配器再加上一對不同長度傳輸線以產生180度相位差的架構，來縮小其面積。然而，仍有尺寸過大的問題。美國專利6,661,306揭示一種精致的集總式平衡轉非平衡信號轉換器。此轉換器具有對偶的高通(highpass)和低通(lowpass)排列(layout)。如圖1所示，轉換器100是以交迭排列的集總式元件組合而成。根據(jù)頻段(band)，此轉換器100調整電容、電感值的大小，再利用基板上的金屬傳輸線(metaltransmissionline)與金屬極板(metalelectrode)，制作出相當容值與感值的平板(plate)與螺旋(spiral)結構。此種設計的優(yōu)點是結合多顆被動元件，甚可組合成形的電路架構。甚且將轉換器和濾波器電路整合在一起，構成具有一端非平衡式信號輸出而另一端為平衡式信號輸出的濾波器。然而，其缺點為需要多個被動元件來組成，若其中一個較靈敏的被動元件因制作工藝誤差或材料的特性些微變動后，則將導致整個電路原有的功能特性大幅異動，且需要較大的設計空間來擺放此一電路設計。美國專利6,483,415揭示一種多層式電感電容共振(LCresonance)平衡轉非平衡信號轉換器。如圖2A所示，轉換器200是利用一電容器201和多條耦合線202a-202d來形成電感電容共振結構，并且僅是單邊可調節(jié)式(adjustable)傳輸線與電容。再參考圖2B所示的平衡轉非平衡信號轉換器。此轉換器210是利用至少兩個電容器211-212和多條耦合線213-214來形成一種等效的(equivalent)電感電容共振結構。將從輸入端口輸入的非平衡式信號耦合至平衡式信號，再從平衡式輸出端輸出。其耦合電感的長度與電容的面積大小與傳輸頻段設計有關。優(yōu)點是以立體堆疊結構整合電容電感，可大幅減少電路設計面積。缺點是此設計架構以半波長來取得等效于耦合線中心四分之一波長接地的效果，甚且需應用6～8層以上的金屬層。所以，僅適用于可多層制作的基板制作工藝，而其制作工藝對位精準易影響元件制作結果。美國專利5,497,137揭示一種五層式平衡轉非平衡信號轉換器。如圖2C所示，轉換器220包括一第一條紋線(stripline)222、一第二條紋線226、和一第三條紋線228。第一條紋線222由一第一部分224a和一第二224b部分所組成，兩者分別與第二條紋線226和第三條紋線228耦合。此轉換器220的缺點和上述轉換器一樣，以半波長來取得等效于耦合線中心四分之一波長接地的效果。
發(fā)明內容本發(fā)明是為克服上述傳統(tǒng)平衡轉非平衡信號轉換器的缺點。其主要目的是提供一種微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器，此轉換器具有一等效電路，此等效電路有一接地連結(groundconnection)和一對具有電容性元件，此對具有電容性元件位于連接至平衡輸入輸出端口(balanceI/Oport)的耦合線的兩端。此等效電路包含至少一節(jié)耦合線的第一群、至少一節(jié)耦合線的第二群、第一和第二傳輸線、一對具有電容性元件、和一接地連結。通過多層式的結構，大為減小轉換器的大小。甚至，此轉換器可以小層數(shù)來實現(xiàn)。所以此轉換器制作工藝簡單、成本減少(reducedcost)、且可改善生產率(improvedyieldrate)。根據(jù)本發(fā)明，相對于中心點(center)，該對具有電容性元件和耦合線皆有一對稱結構(symmetricstructure)。在本發(fā)明的較佳實施例中，這些至少一節(jié)的耦合線經由第一和第二傳輸線而串聯(lián)一起，其中，連接至非平衡輸入輸出端口同邊的耦合線經由第一傳輸線串聯(lián)一起，連接至平衡輸入輸出端口同邊的耦合線則經由第二傳輸線串聯(lián)一起。接地連結定義于第一群耦合線和第二群耦合線之間，且與連接至平衡輸入輸出端口同邊。接地連結是連接至地(ground)。每一傳輸線備有兩端。第一傳輸線的一端連接至地，另一端連接至非平衡輸入輸出端口。第二傳輸線的兩端分別連接至兩個平衡輸入輸出端口。在實際應用上，接地連結可用穿孔(viahole)或同層金屬來形成。該對具有電容性元件可以是電容器、或是垂直耦合電極(verticalcouplingelectrode)、或是水平(horizontal)耦合線。為達上述目的，本發(fā)明提供一種微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器，包含有一非平衡端口；第一和第二平衡端口；第一和第二具有電容性元件，每一具有電容性元件備有第一和第二端，該第一具有電容性元件的第一端連接至該非平衡端口，該第一具有電容性元件的第二端接地，該第二具有電容性元件的兩端分別連接至該第一和第二平衡端口；第一和第二傳輸線，每一傳輸線備有第一和第二端，該第一傳輸線的第一端連接至該非平衡端口，該第一傳輸線的第二端連接至地，該第二傳輸線的兩端分別連接至該第一和第二平衡端口；至少一節(jié)寬面耦合線，每一節(jié)寬面耦合線備有第一和第二耦合線，每一節(jié)寬面耦合線的第一耦合線在該第一傳輸線的兩端之間串聯(lián)一起，每一節(jié)寬面耦合線的第二耦合線在該第二傳輸線的兩端之間串聯(lián)一起，以及；一接地連結，備有第一和第二端，該第一端連接至中央的兩條第二耦合線之間的第二傳輸線，且該第二端連接至地。其中，該第一和第二具有電容性元件為電容器；該第一和第二具有電容性元件為垂直耦合電極；該第一和第二具有電容性元件為水平耦合線；該轉換器是由相對于一中心點的一對稱多層式結構形成的；該接地連結經由一金屬片或穿孔連結至地。其中，該多層式結構備有至少五層垂直堆疊的導體層，且包含有一第一導體層，備有一主要表面，該主要表面是由該非平衡端口、該第一和第二平衡端口、該至少一節(jié)寬面耦合線的該第一耦合線、和該第一和第二傳輸線所形成；一第二導體層，備有一主要表面，該主要表面是由該至少一節(jié)寬面耦合線的第二耦合線、該接地連結、和至少兩個穿孔所形成；一第三導體層，備有一主要表面，該主要表面是由該第一具有電容性元件的一電極帽、和至少一個穿孔所形成；一第四導體層，備有一主要表面，該主要表面是由該第二具有電容性元件的一第一電極帽、和至少一個穿孔所形成；以及一第五導體層，備有一主要表面，該主要表面是由該第二具有電容性元件的一第二電極帽、和至少一個穿孔所形成。其中，該第二導體層上的穿孔是用來連接該至少一節(jié)寬面耦合線的第二耦合線至該第一和第二平衡端口，以及連接該接地連結至該地；該第三導體層上的穿孔是用來連接該第一具有電容性元件的該電極帽至該非平衡端口；該第四和第五導體層上的穿孔分別是用來連接該第一和第二電極帽至該第一和第二平衡端口，或是至該第二和第一平衡端口。采用本發(fā)明，不僅大為減小轉換器裝置的大小，也強化了此轉換器裝置的穩(wěn)度。如此可得到精確的調整和更高的合格率。另外，此轉換器裝置可使用于多種基板，包括介質(dielectric)基板、陶瓷(ceramics)基板、奈米材質(nami-material)基板、和集成電路(IC)基板等。此轉換器裝置也可應用在制造IC、微機電(Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS)、被動元件、或是奈米技術(nami-technologies)里。此轉換器裝置也可應用在無線通信(wirelesscommunication)的領域里?，F(xiàn)結合下列附圖、實施例的詳細說明及權利要求，將上述及本發(fā)明的其它目的與優(yōu)點詳述于后。圖1為一傳統(tǒng)的集總式平衡轉非平衡信號轉換器。圖2A為一傳統(tǒng)的多層式電感電容共振平衡轉非平衡信號轉換器。圖2B為另一傳統(tǒng)的多層式電感電容共振平衡轉非平衡信號轉換器。圖2C為一傳統(tǒng)的五層式平衡轉非平衡信號轉換器。圖3A為根據(jù)本發(fā)明，微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器的一較佳實施例的等效電路圖。圖3B為從圖3A中再含括多節(jié)的寬面耦合線，延伸后的電路圖。圖4為具有圖3A的等效電路圖的平衡轉非平衡信號轉換器的多層式裝置結構的一個示意圖。圖5A為本發(fā)明的平衡轉非平衡信號轉換器仿真振幅對頻率的一個響應圖。圖5B說明本發(fā)明的平衡轉非平衡信號轉換器的信號大小的差和相位差對頻率響應的仿真結果。其中，附圖標記說明如下100轉換器200轉換器201電容器202a-202d耦合線210轉換器電容器211-212213-214耦合線220轉換器222第一條紋線226第二條紋線228第三條紋線224a第一部分224b第二部分300等效電路301a、301b具有電容性元件302、303寬面耦合線304接地連結306a、306b平衡輸入輸出端口312、第一傳輸線313第二傳輸線333、322地305非平衡輸入輸出端口302a、303a第一耦合線302b、303b第二耦合線308連接點31i左邊的中間節(jié)31j右邊的中間節(jié)311最左邊的節(jié)310最右邊的節(jié)310a、311a第一耦合線310b、311b第二耦合線401～405第一～第五導體層407a～407d穿孔414～416電極帽具體實施方式圖3A為根據(jù)本發(fā)明，微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器的一較佳實施例的等效電路圖。此等效電路300包含一對具有電容性元件301a與301b、一節(jié)寬面耦合線302、另一節(jié)寬面耦合線303、一對傳輸線312與313、和一接地連結304，此對具有電容性元件301a與301b分別和連接至平衡與非平衡輸入輸出端口同邊，且接地連結304和連接至兩平衡輸入輸出端口306a與306b同邊。如圖3A所示，每一具有電容性元件備有兩端。具有電容性元件301a的一端連接至地(ground)333，另一端連接至非平衡輸入輸出端口305。具有電容性元件301b的兩端分別連接至兩平衡輸入輸出端口306a與306b。此節(jié)寬面耦合線302還包括一第一耦合線302a與一第二耦合線302b。此節(jié)寬面耦合線303更包括一第一耦合線303a與一第二耦合線303b。寬面耦合線302的第一耦合線302a與寬面耦合線303的第一耦合線303a經由第一傳輸線312串聯(lián)一起。類似地，寬面耦合線302的第二耦合線302b與寬面耦合線303的第二耦合線303b經由第二傳輸線313串聯(lián)一起。每一傳輸線備有兩端。第一傳輸線312的一端連接至地333，另一端連接至非平衡輸入輸出端口305。第二傳輸線313的兩端分別連接至兩個平衡輸入輸出端口306a與306b。接地連結304與連接至平衡輸入輸出端口同邊。接地連結304的一端連接至兩條第二耦合線302b與303b之間的連接點(connectionpoint)308，另一端連接至地322。在實際應用上，接地連結可用穿孔或同層金屬來形成。具有電容性元件可以是電容器、或是垂直耦合電極、或是水平耦合線。在此較佳實施例中的寬面耦合線有一對稱結構相對于中心點。此較佳實施例中的電路可以再包括多節(jié)的寬面耦合線，以此中心點平行地向兩邊延伸，如圖3B所示。從圖3B可以看出，中心點的左右兩邊延伸出多節(jié)的寬面耦合線，分別連接至寬面耦合線302和303。每節(jié)寬面耦合線還包括一第一耦合線與一第二耦合線。左邊的中間節(jié)31i上方的每一第一耦合線以串聯(lián)方式連接。左邊的中間節(jié)31i下方的每一第二耦合線也是以串聯(lián)方式連接。右邊的中間節(jié)31j也以類似方式串聯(lián)。最左邊的節(jié)311的第一耦合線311a經由第一傳輸線312連接至非平衡輸入輸出端口305，且其第二耦合線311b經由第二傳輸線313連接至平衡輸入輸出端口306a。最右邊的節(jié)310的第一耦合線310a經由第一傳輸線312連接至地333，且其第二耦合線310b經由第二傳輸線313連接至平衡輸入輸出端口306b。如前所述，通過多層式的結構，可大為減小轉換器的大小。甚至，此轉換器可以小層數(shù)來實現(xiàn)。此可以圖4來說明。圖4說明具有圖3A的等效電路的平衡轉非平衡信號轉換器的一多層式裝置結構(devicestructure)。圖4中的平衡轉非平衡信號轉換器包含五層導體層401-405，垂直堆疊而成。在第一導體層401的主要表面上形成了非平衡輸入輸出端口305、地333、兩平衡輸入輸出端口306a與306b、和兩傳輸線312與313(未示于圖上)。兩第二耦合線302b與303b以及接地連結304是制造在第二導體層402上。第三導體層403實施了金屬-絕緣體-金屬metal-insulator-metal，MIM)的具有電容性元件301a的一電極帽414。因為具有電容性元件301a的一端連接至地333，因此只要一導體層即足可實施具有電容性元件的電極帽。相對的，第四和第五導體層404與405實施了金屬-絕緣體-金屬的具有電容性元件301b的電極帽415與416。在此多層式裝置結構里，導體層被鉆了多個穿孔，以提供形成在導體層上電性元件之間的連結。例如，第三導體層403上的穿孔407a是提供從第四導體層404，穿過第二導體層402至第一導體層401之間的連結，以形成具有電容性元件301b、第二耦合線302b、和平衡輸入輸出端口306a之間的電性連結。類似地，第四導體層404上的穿孔407b是提供從第五導體層405，穿過第二導體層402至第一導體層401之間的連結，以形成具有電容性元件301b、第二耦合線302b、和平衡輸入輸出端口306b的間的電性連結。第二導體層402上的穿孔407c是提供從第三導體層403至第一導體層401之間的連結，以形成具有電容性元件301a、第一耦合線302a、和非平衡輸入輸出端口305之間的電性連結。第二導體層402上的穿孔407d是提供在不同的導體層里的所有地連結。根據(jù)本發(fā)明，可使用不同的電容值來達到此平衡轉非平衡信號轉換器在運作頻率范圍(operatingfrequencyrange)內的目標實現(xiàn)成果。圖5A是本發(fā)明的平衡轉非平衡信號轉換器仿真振幅對頻率的響應(amplitudetofrequencyresponse)圖。橫軸為此轉換器的運作頻率，單位為GHz?？v軸說明在單一端點(atsingleend)的返回損耗，以及差模(differentialmode)與共模(commonmode)的振幅，單位為dB。在單一端點的返回損耗是指從非平衡輸入端口305來的輸入信號的反射阻抗(reflectedimpedance)，其值在設計的頻率范圍(2.34-2.54GHz)里應小于-10dB。差模的振幅值是從平衡輸入端口輸入的差模信號至非平衡端口的傳輸能量(energy)，其值在運作頻率范圍里應至少為-2dB。共模的振幅值是從平衡輸入端口輸入的共模信號至非平衡端口的傳輸能量，其值在運作頻率范圍里應小于-10dB。從圖5A可以看出，返回損耗的值小于-10dB。差模信號的傳輸能量相當高于-2dB。共模信號的傳輸能量相當?shù)陀?10dB。此指出平衡輸入端口接收輸入信號的大部分的能量，并且此能量也被均勻分配。所以，本發(fā)明的平衡轉非平衡信號轉換器有好的阻抗匹配。圖5B說明本發(fā)明的平衡轉非平衡信號轉換器的信號大小的差和相位差對頻率響應的仿真結果。橫軸為此轉換器的運作頻率，單位為GHz?？v軸分別為信號大小差(單位為dB)和相位差(單位為度)。信號大小差值是從非平衡輸入端口傳輸至平衡輸出入端口的兩輸出入端口的信號大小差值，必須小于2dB。相位差值是從非平衡輸入端口傳輸至兩平衡輸出入端口的兩輸出入端口的相位差值，必須保持在約180°±10°。從圖5B可以看出，本發(fā)明的平衡轉非平衡信號轉換器的信號大小差值介于0.25dB和0.75dB之間，而相位差值介于178°和182°之間。相較于傳統(tǒng)的垂直耦合的平衡轉非平衡信號轉換器，通常需要至少6-8層導體層來制造該轉換器。而本發(fā)明的微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器僅需要5層導體層來制造，這是因為在連接至地的耦合線里加上接地連接。此不僅大為減小轉換器裝置的大小，也強化了此轉換器裝置的穩(wěn)度。如此可得到精確的調整和更高的合格率。另外，此轉換器裝置可使用于多種基板，包括介質(dielectric)基板、陶瓷(ceramics)基板、奈米材質(nami-material)基板、和集成電路(IC)基板等。此轉換器裝置也可應用在制造IC、微機電(Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS)、被動元件、或是奈米技術(nami-technologies)里。此轉換器裝置也可應用在無線通信(wirelesscommunication)的領域里。然而，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，當不能以此限定本發(fā)明實施的范圍。即大凡依本發(fā)明權利要求所作的均等變化與修飾，皆應仍屬本發(fā)明專利涵蓋的范圍內。權利要求1.一種微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器，包含有一非平衡端口；第一和第二平衡端口；第一和第二具有電容性元件，每一具有電容性元件備有第一和第二端，該第一具有電容性元件的第一端連接至該非平衡端口，該第一具有電容性元件的第二端接地，該第二具有電容性元件的兩端分別連接至該第一和第二平衡端口；第一和第二傳輸線，每一傳輸線備有第一和第二端，該第一傳輸線的第一端連接至該非平衡端口，該第一傳輸線的第二端接地，該第二傳輸線的兩端分別連接至該第一和第二平衡端口；至少一節(jié)寬面耦合線，每一節(jié)寬面耦合線備有第一和第二耦合線，每一節(jié)寬面耦合線的第一耦合線在該第一傳輸線的兩端之間串聯(lián)一起，每一節(jié)寬面耦合線的第二耦合線在該第二傳輸線的兩端之間串聯(lián)一起，以及；一接地連結，備有第一和第二端，該第一端連接至中央的兩條第二耦合線之間的第二傳輸線，且該第二端接地。2.如權利要求1所述的微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器，其中該第一和第二具有電容性元件為電容器。3.如權利要求1所述的微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器，其中該第一和第二具有電容性元件為垂直耦合電極。4.如權利要求1所述的微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器，其中該第一和第二具有電容性元件為水平耦合線。5.如權利要求1所述的微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器，其中該轉換器是由相對于一中心點的一對稱多層式結構形成的。6.如權利要求1所述的微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器，其中該接地連結經由一金屬片或穿孔接地。7.如權利要求5所述的微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器，其中該多層式結構備有至少五層垂直堆疊的導體層，且包含有一第一導體層，備有一主要表面，該主要表面是由該非平衡端口、該第一和第二平衡端口、該至少一節(jié)寬面耦合線的該第一耦合線、和該第一和第二傳輸線所形成；一第二導體層，備有一主要表面，該主要表面是由該至少一節(jié)寬面耦合線的第二耦合線、該接地連結、和至少兩個穿孔所形成；一第三導體層，備有一主要表面，該主要表面是由該第一具有電容性元件的一電極帽、和至少一個穿孔所形成；一第四導體層，備有一主要表面，該主要表面是由該第二具有電容性元件的一第一電極帽、和至少一個穿孔所形成；以及一第五導體層，備有一主要表面，該主要表面是由該第二具有電容性元件的一第二電極帽、和至少一個穿孔所形成。8.如權利要求7所述的微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器，其中該第二導體層上的穿孔是用來連接該至少一節(jié)寬面耦合線的第二耦合線至該第一和第二平衡端口，以及連接該接地連結至該地。9.如權利要求7所述的微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器，其中該第三導體層上的穿孔是用來連接該第一具有電容性元件的該電極帽至該非平衡端口。10.如權利要求7所述的微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器，其中該第四和第五導體層上的穿孔分別是用來連接該第一和第二電極帽至該第一和第二平衡端口，或是至該第二和第一平衡端口。全文摘要本發(fā)明提供一種微型多層式平衡轉非平衡信號轉換器。此轉換器包括一對具有電容性元件、至少一節(jié)寬面耦合線，此寬面耦合線經由一對傳輸線串聯(lián)至一非平衡端口及兩平衡端口。每一節(jié)寬面耦合線備有第一和第二耦合線。接地連結位于中央的兩條第二耦合線之間，且連接至一接地面。通過多層式結構和此接地連結，本發(fā)明的轉換器可以用五個導體層制造完成。此不僅大為減小轉換器的大小，也強化了轉換器的穩(wěn)度。從量測到的返回損耗與對頻率響應的信號大小的差和相位差，說明了本發(fā)明的轉換器具有好的阻抗匹配。文檔編號H03H7/00GK1783579SQ20041009784公開日2006年6月7日申請日期2004年12月1日優(yōu)先權日2004年12月1日發(fā)明者翁卿亮,陳昌升,賴穎俊,卓威明,徐欽山申請人:財團法人工業(yè)技術研究院