專利名稱：數(shù)字用戶線路調(diào)制解調(diào)器和變壓器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及數(shù)字用戶線路(DSL)調(diào)制解調(diào)器，在所述調(diào)制解調(diào)器中使用的變壓器，發(fā)送電子數(shù)據(jù)的方法，制造DSL調(diào)制解調(diào)器的方法以及無芯變壓器。
背景技術：
Michael Faraday在1831年發(fā)明了變壓器。要注意的是，變壓器的原始設計主要打算用于電力應用。這種設計體積大并且笨重，因為它包含多個被多圈銅線纏繞的鐵芯。這種設計一百年來一直幾乎沒有任何改變，盡管有從高電壓到精密微電子設備的多種使用。
近些年來，復雜的DSP技術和編碼已經(jīng)發(fā)展成利用現(xiàn)有電話網(wǎng)絡的電話線或簡易老式電話系統(tǒng)(POTS)來以高數(shù)據(jù)速率(每秒兆比特的級別)發(fā)送電子數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的電話傳輸線路一般包括一對將電話機連接到最近的中心局(CO或電話網(wǎng)絡操作者)的銅導體、數(shù)字環(huán)路載波設備、遠程切換單元或任何其他用作擴展CO提供的業(yè)務的設備。這對銅導體經(jīng)常被稱作“雙絞線”。一般將多個這種雙絞線一起捆綁在同一個電纜捆綁組中。
通過這種方式的電子數(shù)據(jù)的傳輸一般稱作數(shù)字用戶線路或“DSL”。DSL是建立在兩個通過雙絞銅線耦合的調(diào)制解調(diào)器之間的，一個調(diào)制解調(diào)器位于用戶(客戶預設設備-CPE)處，而另一個位于CO。在DSL下已經(jīng)發(fā)展了不同的標準族，一般稱作“xDSL”，并且新的標準正在研發(fā)中。所述族中的DSL技術的變化包括SHDSL(對稱高比特率DSL)、HDSL2(第二代高比特率DSL)、RADSL(速率適配DSL)、VDSL(超高比特率DSL)和ADSL(非對稱DSL)。使用DSL技術發(fā)送電子數(shù)據(jù)所使用的頻率范圍從大約25kHz直到幾MHz。
一些DSL技術，例如ADSL，其優(yōu)點是普通的語音數(shù)據(jù)傳輸，也就是POTS能夠與電子數(shù)據(jù)傳輸一起共享相同的雙絞線。圖1表示用于ADSL的頻譜是怎樣分割的。低頻帶(0-4kHz)被用于語音數(shù)據(jù)，而高頻帶(25kHz-1.1MHz)被用于電子數(shù)據(jù)。高頻帶還被進一步分成兩個頻帶，一個用于上行傳輸(也就是用戶到CO)，而另一個用于下行傳輸(也就是CO到用戶)。下行傳輸頻帶比上行傳輸頻帶大得多，因為大多數(shù)用戶從因特網(wǎng)上下載的數(shù)據(jù)比上傳的數(shù)據(jù)多。以4.3125kHz間隔設置的256個載頻為上行和下行傳輸頻帶提供了大約1.1MHz的帶寬。通過ADSL實現(xiàn)的實際下行數(shù)據(jù)速率依賴于大量的因素，包括雙絞線的長度，其線的規(guī)格，橋式分接頭以及交叉耦合干擾的存在。
雙絞線每個末端的調(diào)制解調(diào)器都采用濾波器來為后面的處理過程過濾數(shù)據(jù)傳輸頻帶或語音頻帶。
在POTS發(fā)展的多年中，線路接口變壓器被用作電話線和用戶家中或辦公室里的電子電路之間的接口。該接口通過把雙絞線與用戶隔離來為用戶提供安全，以防止引入雙絞線中的高電壓(例如雷擊)被傳送到用戶家中的電路上。
隨著DSL技術的出現(xiàn)，已經(jīng)對所述線路接口變壓器產(chǎn)生了一些額外的需求，包括在更寬的帶寬上提供平坦的頻率響應；極好的信號傳輸特性(理想的是1∶1)，阻抗匹配以及最小的插入損耗。鑒于DSL信號的靈敏特性，變壓器精確地重現(xiàn)輸入信號的能力是非常重要的。
直到今天，DSL調(diào)制解調(diào)器中使用的變壓器還是傳統(tǒng)類型的，其中使用鐵芯將磁通從初級銅線圈耦合到次級銅線圈。這是因為，在DSL頻率上，尤其是低頻率上，其中1/e或63％的初級繞組磁場被次級繞組吸收的趨膚深度的范圍從10kHz的0.667mm到1MHz的0.067mm。剩余的可用能量沒有被吸收并且通過這些各個厚度的導線傳送。因此為了獲得好的磁鏈或初級繞組和次級繞組之間的耦合系數(shù)，需要(1)在次級繞組中有足夠的材料從初級繞組中吸收能量以及(2)保證來自初級繞組的磁通在所述材料擴展或毀壞時切斷該材料。通常1∶1的繞組比在DSL變壓器中是非常重要的。非常不希望有任何磁漏，因為信號將不會沒有失真地重現(xiàn)。
如上所述，對于DSL調(diào)制解調(diào)器中使用的變壓器領域的該問題的傳統(tǒng)的且很好地被接受的解決方案是使用鐵芯變壓器。這樣的ADSL變壓器具有從幾百微亨到幾毫亨的線路側電感。它們不需要攜帶DC；但是它們的缺陷在于將其電感控制在±5％到±10％的范圍內(nèi)。漏電感大概與線路側電感成比例，其范圍從幾微亨到幾十微亨。在ADSL系統(tǒng)中的上游和下游信號重疊的頻率范圍內(nèi)采用回波抵消，使得失真成為關鍵因素。一般的失真要求是對于CPE端最大是-85dBTHD，對于CO端是-80dB THD；兩者都是用100KHz的15Vp-p信號測量的。
DSL在商業(yè)和客戶用于高速通信和因特網(wǎng)接入方面變成非常流行的選項。世界范圍內(nèi)的DSL技術的主要成功之處在于讓所有的電信生產(chǎn)商都承擔下一代DSL產(chǎn)品的壓力。為了維持和改善DSL的普遍適用性、服務質量和性能，主要的優(yōu)先事情是設計具有高信號可靠性和低電壓操作的模擬電路。因此，模擬設計組面臨著要求模擬前端構件塊的新挑戰(zhàn)，所述構件塊包括重要元件，線路接口變壓器。所有這些參數(shù)都密切影響著傳輸?shù)恼w性能和服務質量。
但是一般的ADSL變壓器尺寸是1cm乘1cm乘1cm，也就是設備的整體縱橫比接近1∶1(具有類似于立方體形狀的三維物體)。不幸的是這種設置對于需要大量的原材料和技術工人來組裝部件來說是笨重而且昂貴的。有關較小電子設備的連續(xù)壓力使得生產(chǎn)商找尋DSL調(diào)制解調(diào)器中使用的傳統(tǒng)變壓器的較小以及較輕的替換方式，其不依賴于鐵芯，但是這不會導致性能低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的優(yōu)選實施例基于這樣一種理解，即可以用基本上沒有性能劣化的幾何線圈結構來替換設計成在DSL頻率上操作的線路接口變壓器中的鐵氧體磁芯。具體的優(yōu)點是幾何結構比相同的傳統(tǒng)DSL鐵氧體磁芯變壓器更小(至少在一維上)和更輕。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種包括初級電路和次級電路的變壓器，其中每個電路都由連續(xù)的可導電材料形成，并且其中初級電路和次級電路基本上是平行的并且基本上在相同的平面內(nèi)。
在這樣一種配置中，所述電路有時候也可以被稱為混雜的和交織的。
電導體可以是任何可導電材料，例如金屬、導電塑料等，并且一般是導線、印刷電路板上的導體跡線、導電等形式。
在這樣一種變壓器中不存在鐵磁體(通常是鐵氧體)元件并且變壓器具有很大的縱橫比。初級和次級電路主要經(jīng)由相鄰導體之間相當好的局部磁鏈來實現(xiàn)變壓器作用，而不是象標準變壓器例子中所述的通過低磁阻鐵磁體路徑的全局磁通量轉換。
所述變壓器最好包括初級電路和次級電路，并且每個電路都由螺旋線形式的連續(xù)可導電材料形成，并且形成初級和次級電路的導線并排放置以形成兩個交叉的單獨螺旋。所述螺旋可以是圓形的、橢圓形的、正方形的、矩形的、卵形的或不規(guī)則的。
傳統(tǒng)的對該電路的設計是極化方程是r(θ)＝αθ的阿基米德螺旋，其中θ是極坐標中的角度，r是半徑以及α是規(guī)定了圈數(shù)和間距的常數(shù)。隨著角度的增加，半徑也增加。所述(任何形狀的)螺旋的圈數(shù)優(yōu)選地是至少10圈，其中每個電路優(yōu)選地是20和40圈之間。
本發(fā)明還提供一種包括多個層的準平面變壓器，每個層都包括上述的變壓器，并且其中每層的初級電路連接在一起，每層的次級電路連接在一起；在一個實施例中，所述層基本上是平行的，也就是說所述結構包括在彼此之上堆疊的多個平面變壓器?；蛘?，所述變壓器可以被并排放置并且優(yōu)選的在同一個平面內(nèi)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)以這種方式堆疊變壓器在DSL頻率范圍內(nèi)的信號傳送中提供了特殊的改進。“準平面”可能意味著變壓器是三維的其中一維相對于其他兩維來說相對小一些。這在電路變小方面特別有用，并且因此PCB間隔非常有價值。在一個實施例中，這樣一種準平面變壓器分別具有其高度5倍和20倍之間的寬度和深度。
實現(xiàn)這種磁鏈的一個方式是通過一個壓縮螺旋安排，也就是，如果每個變壓器的初級和次級電路都在同一個平面內(nèi)。這導致兩個平行的螺旋(因此其名稱是“雙線”變壓器)。雙線無感線圈的串聯(lián)連接改善了信號傳輸。所述安排增加了設備的高度。但是整體的縱橫比保持相對地大，所述縱橫比定義為設備直徑與高度的比，為此，它代表一個準平面變壓器(QPT)。所述層可以被串聯(lián)或并聯(lián)連接。
為執(zhí)行DSL變壓器功能提供一個基本上是二維的解決方案是本發(fā)明的一個特點，所述變壓器包括具有兩個雙線設計的線圈的平面結構，其特征在于沒有鐵氧體磁芯元件。
在典型變壓器中至少有10層，其中每層都是平面變壓器的形式。
本發(fā)明的特點在于沒有鐵氧體磁芯并且其產(chǎn)生一個縱橫比非常大的變壓器設備，例如1∶5的縱橫比或者更大，并且優(yōu)選地具有大于1∶10或大于1∶20的縱橫比。其附加優(yōu)點在于制造過程可以由平面膜技術和多層制造技術修改。本發(fā)明的實質在于基于三維鐵氧體磁芯的設計已經(jīng)被基本上是二維的多層設計所取代，在所述二維的多層設計中所有的平面層都互相串聯(lián)連接。本發(fā)明在非對稱數(shù)字用戶線路(ADSL)、ADSL2+和超高數(shù)據(jù)速率DSL(VDSL)的應用中非常有用，但并不局限于此。令人驚訝地是，發(fā)現(xiàn)去除鐵磁體元件和設備中大的物理縱橫比是可能的，并且觀察到變壓器作用。另外，鐵磁體元件(例如鐵氧體)的去除消減了構建操作和費用。
與傳統(tǒng)變壓器的對比如下所示

為了連接多層雙線變壓器，許多螺旋層被串聯(lián)連接；這將在下面舉例說明。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種包括線路接口變壓器的數(shù)據(jù)用戶線路(DSL)調(diào)制解調(diào)器，所述線路接口變壓器具有用于耦合到傳輸線路的初級電路和用于輸出在所述傳輸線路上發(fā)送的信號的次級電路，每個電路都由連續(xù)可導電材料形成，并且其中初級電路和次級電路基本上是平行的并且基本上在同一個平面內(nèi)。這里使用“平面”是為了方便理解并且其意味著位于同一平面內(nèi)的電路，盡管可以理解成它們不只位于那個平面內(nèi)。所述DSL調(diào)制解調(diào)器可以是任何設計成連接到可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的電話插口或其他傳輸線路插口的合適的調(diào)制解調(diào)器。例如，DSL調(diào)制解調(diào)器可以作為插入到個人計算機中的卡或者用于陸地電話和個人計算機的適配器來銷售。傳輸線可以是雙絞銅線或者例如是ISDN線?？蓪щ姴牧峡梢允沁m于攜帶DSL信號的任何材料。初級電路圈數(shù)與次級電路圈數(shù)的比值優(yōu)選地是1∶1。
所述初級電路和所述次級電路優(yōu)選地是基本上在同一平面內(nèi)的基本上平行的導電材料的螺旋的形式。所述螺旋可以是基本上圓形的、橢圓形的、正方形的、矩形的、卵形的或不規(guī)則的。
有利地是，所述螺旋基本上符合由極化方程r(θ)＝αθ形成的螺旋，其中θ是極坐標中的角度，r是半徑以及α是規(guī)定了圈數(shù)和間距的常數(shù)。
優(yōu)選地，每個電路的圈數(shù)最少是10。用這樣一種配置已經(jīng)獲得了良好的結果。
有利地是，有多個平面，每個平面形成層，并且其中每層的所述初級電路都被連接在一起，每層的所述次級電路也都被連接在一起。
優(yōu)選地，所述層基本上是平行的。
有利地是，所述層之間的間隔不超過0.5mm。這有助于在關心的頻帶上保證良好的變壓器作用。
優(yōu)選地，將初級電路相互并聯(lián)或串聯(lián)連接，將次級電路相互并聯(lián)或串聯(lián)連接。每層中的各個電路的串聯(lián)連接是優(yōu)選的，因為這有助于增強電感。
有利地是，至少有10層。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這對變壓器上的信號傳輸能產(chǎn)生良好的結果。
優(yōu)選地，所述變壓器具有1∶5或更大的直徑與寬度的縱橫比。因此，與現(xiàn)有的DSL變壓器相比，可以大大地降低變壓器的高度。
有利地是，所述線路接口變壓器不包括鐵磁體芯。這種部件的去除大大地減少了線路接口變壓器以及DSL調(diào)制解調(diào)器的重量、尺寸和費用。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于DSL調(diào)制解調(diào)器中的具有前述的任一權利要求中的任何線路接口變壓器特征的線路接口變壓器。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種在傳輸線上發(fā)送電子數(shù)據(jù)的方法，所述方法包括包括經(jīng)由前述的任一權利要求所述的線路接口變壓器在所述傳輸線上放置所述電子數(shù)據(jù)的步驟。該方法可以由利用DSL連接發(fā)送數(shù)據(jù)(例如網(wǎng)頁、電子郵件，文件)給用戶的電話公司來執(zhí)行。所述數(shù)據(jù)可以是數(shù)字數(shù)據(jù)并且所述方法還可以包括經(jīng)由線路接口變壓器以調(diào)制方式發(fā)送該數(shù)據(jù)的步驟，例如通過DMT和/或QAM。所述方法還可以包括經(jīng)由線路接口變壓器在許多載頻上發(fā)送數(shù)據(jù)的步驟。在一個實施例中，在帶寬上將載頻間隔開，其可能接近1MHz，從大約26kHz到1.1MHz。最好利用xDSL信號經(jīng)由變壓器發(fā)送數(shù)字數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造DSL調(diào)制解調(diào)器的方法，所述方法包括插入一個上面所述的線路接口變壓器并電連接所述變壓器的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于傳送大約10kHz和2MHz之間的低頻帶數(shù)據(jù)信號的無芯變壓器，所述變壓器包括具有多個線圈的初級電路和次級電路，使得所述變壓器包括多個層，每個層都具有交替的相互相鄰的初級和次級導體，有所述多個線圈和多個層的組合，其足以獲得從所述初級電路向所述次級電路傳送所述數(shù)據(jù)信號的變壓器作用。
有利地是，所述層從所述變壓器的中心向外放射狀地延伸。因此所述層可被認為是定義了一個平面，盡管當然可理解成初級和次級電路是三維的并且包含所述平面，但不是只位于所述平面內(nèi)。
優(yōu)選地，所述層繞著所述變壓器的軸形成環(huán)。在一個實施例中，所述線圈就是這樣以便初級和次級電路形成三維的結構，使得初級電路周圍的磁通在任一側上以及在初級電路的每個部分的上面和下面切斷次級電路。這種幾何結構提供了對信號傳送應用有用的變壓器作用，其中傳送基本上沒有失真、沒有幅度損失、沒有相位偏移等的信號是重要的，但是其不需要鐵氧體磁芯的存在。而且所述結構可以比現(xiàn)有的用于信號傳送應用的變壓器更小。
有利地是，所述初級和次級導體之間的間隔在大約0.02mm和0.075mm之間，以獲得局部磁通鏈?！熬植俊笨梢哉J為是初級和次級電路的相鄰部分之間的磁鏈。
有利地是，所述層之間的間隔在大約0.02mm和0.2mm之間，以獲得全局磁通鏈?！叭帧笨梢哉J為是變壓器的整體能量傳送特性，也就是如實傳送輸入的DSL信號的能力。
最好是，有至少10層并且每個電路大約有20圈。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這能在DSL頻帶、電流和電壓內(nèi)提供有用的信號傳送特性?？梢岳斫?，所述圈數(shù)和層數(shù)可以由本領域技術人員改變，同時仍能實現(xiàn)傳送DSL信號所需的變壓器作用。但是，DSL調(diào)制解調(diào)器中好的信號過濾技術可以允許減少圈數(shù)/層數(shù)，在關心的DSL頻帶上保持提供基本上線性的傳送特性。另外，不同的制造技術可能導致實現(xiàn)相同的結果需要不同的圈數(shù)/層數(shù)。例如利用絕緣導線的手繞或機器纏繞技術可以允許有相對少的圈數(shù)和層數(shù)，因為與PCB制造技術相比，所述導線相對靠近一些。在PCB中，由于導體跡線不是絕緣的，所以導體跡線之間的間距需要更大一些，以便禁止短路的機會。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種包括上述無芯變壓器的電子電路。所述電路可以是嵌入在獨立單元或例如PC卡中的DSL調(diào)制解調(diào)器電路。


為了更好的理解本發(fā)明，下面將通過附圖的例子來進行參照說明，其中圖1是表示POTS和ADSL使用的頻帶的頻率與幅度示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明通過雙絞線連接的兩個ADSL調(diào)制解調(diào)器的框圖；圖3A表示圖2中其中一個ADSL調(diào)制解調(diào)器的進一步的細節(jié)；圖3B是表示線路接口變壓器位置的DSL調(diào)制解調(diào)器電路的部分示意性電路圖；圖4是標準ADSL變壓器的頻率與幅度圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的變壓器的第一實施例的示意性平面圖；圖6a是連接到電源端子的圖1的變壓器的示意性平面圖；圖6b是圖2a的變壓器的側視圖；圖7是標準ADSL變壓器和圖5的變壓器的頻率與幅度圖；圖8根據(jù)本發(fā)明的變壓器的第二實施例的示意性側視圖；圖9是穿過兩個PCB模塊的示意性截面圖，每個PCB模塊都包括與圖8的變壓器類似的變壓器；圖10是表示PCB層之間的電連接點的圖14的PCB模塊的示意性透視圖；圖11根據(jù)本發(fā)明穿過兩個導體結構的示意性截面圖；圖12是圖9的變壓器直到ADSL2+的高頻端的頻率與幅度圖；圖13是手繞變壓器在ADSL上行帶寬中的頻率與幅度圖；圖14是手繞變壓器在ADSL下行帶寬中的頻率與幅度圖；圖15是手繞變壓器跨過整個ADSL帶寬的頻率與幅度圖；圖16表示標準ADSL變壓器和手繞變壓器比較的兩個頻率與幅度圖；以及圖17是圖9的PCB變壓器的照片。
具體實施例方式
參照圖2和3A，在兩個調(diào)制解調(diào)器12、14之間通過銅線的雙絞線16建立如附圖標記10所示的ADSL。在功能方面調(diào)制解調(diào)器12、14是相同的，因此只詳細描述一個。調(diào)制解調(diào)器12包括用于過濾POTS語音頻帶(～0-4kHz)的低通濾波器18和用于過濾ADSL頻帶(～26kHz-1.1MHz)的高通濾波器20。包括線繞三維鐵芯的寬帶變壓器22位于高通濾波器20的下游并用于將雙絞線16與剩余的下游電路隔離，如上所述。ADSL芯片組24從寬帶變壓器22的次級繞組(未示出)接收ADSL信號(也就是高于～26kHz的頻率)。ADSL芯片組24用于放大和解碼ADSL信號以用于后續(xù)的處理過程。ADSL芯片組24依據(jù)調(diào)制解調(diào)器的位置將處理的ADSL信號傳送給因特網(wǎng)業(yè)務供應商(ISP)或個人計算機(PC)。低通濾波器18依據(jù)調(diào)制解調(diào)器是在CO還是在CP，將低頻率POTS信號傳送給公共交換電話網(wǎng)絡(PSTN)或電話。圖3B表示作為兩個調(diào)制解調(diào)器12、14的一部分的典型ADSL電路26中的寬帶變壓器22的位置。
參照圖3C，通過兩個圖29和29，來說明DSL信號的特性。ADSL依賴于離散多頻(DMT)調(diào)制在電話線路上攜帶數(shù)字數(shù)據(jù)。ADSL頻譜占據(jù)了從～26kHz到1.1MHz的頻率，但是保留了20kHz以下的空間用于語音信號(參見圖1)。在時域中出現(xiàn)的DMT信號表現(xiàn)為偽隨機噪聲信號并且圖29說明DMT信號一般產(chǎn)生低rms電壓電平。但是，xDSL線路驅動放大器(參見圖3C)必須能夠傳送由幾個子頻帶中的很多載波或音調(diào)相位對準的有限概率引起的峰值電壓。為了在這些大波峰出現(xiàn)時重現(xiàn)它們，必須做出動態(tài)峰值儲備容差。
DMT調(diào)制出現(xiàn)在頻域中，因為功率被包含在幾個單獨的頻率子頻帶中，有時稱作音調(diào)或箱(bin)，其中每個都以頻率4.3125kHz間隔均勻分布(參見圖29’)。一個唯一編碼的類似正交幅度調(diào)制(QAM)的信號出現(xiàn)在每個子頻帶或音調(diào)的中心頻率上。在上述頻域中上行DMT信號在每個大概-1dBm的子頻帶上產(chǎn)生波峰。在每個子頻帶中組合功率，將13dBm的總功率傳送給負載。保持足夠的電壓峰值儲備(headroom)，以便放大器能夠傳遞無失真的峰值是具有挑戰(zhàn)性的。DMT波形中的這些稀少峰值和rms電平的比值是眾所周知的峰值與平均值之比(PAR)或“波峰因數(shù)”。當設計用于ADSL調(diào)制解調(diào)器的線路驅動混合時一般使用5.3的波峰因數(shù)。
如果來自一個子頻帶的QAM信號被來自其它子頻帶的一個或多個QAM信號破壞，當對DMT子頻帶中包含的信息解碼時，就會存在困難。交叉調(diào)制失真是主要的關系，因為一般的xDSL下行DMT信號可能包含多達256個QAM信號的載波(子頻帶或音調(diào))。在xDSL調(diào)制解調(diào)器中，要求DMT信號保真度以便解調(diào)器能夠準確地檢測模擬信號的幅度。然后ADC能夠準確地將每個子頻帶中包含幅度和符號信息轉換成相應的數(shù)字比特流。當糾錯方案不能恢復一條可能由于缺乏DMT信號保真度而引起的受損數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)比特誤差。簡而言之，為了保證性能，最小化數(shù)據(jù)受損并且提高DSL調(diào)制解調(diào)器中的數(shù)據(jù)傳送速率，必須通過ADSL線路驅動器和橋形混合電路保持DMT信號保真度。
變壓器有很多應用，其中有效設備的電流和電壓性能需要被匹配不同的負載阻抗。由于變壓器通過匝數(shù)比的平方將次級負載阻抗反射回初級，所以電流驅動需要增大而電壓驅動降低。
ADSL調(diào)制解調(diào)器需要模擬橋形混合電路來提供幾個重要的功能。所述橋形混合電路在電話線路上發(fā)送和接收模擬信號中包含的數(shù)據(jù)，從發(fā)送的信號中分離出接收信號，提供正確的線路終端阻抗并將調(diào)制解調(diào)器與線路隔離。也可以設計成優(yōu)選傳送到線路上的功率。
該內(nèi)容中的寬帶變壓器22的功能需求是在ADSL標準中提出的。下面的表中給出了所述需求
表ADSL需求

尤其是，寬帶變壓器22必須在ADSL頻帶上在基本上無失真、無幅度損失、無相位偏移以及諧波的情況下從雙絞線16傳送信號。尤其是，調(diào)制解調(diào)器14在26kHz和138kHz之間向電話公司調(diào)制解調(diào)器12發(fā)送表示電子數(shù)據(jù)的信號，并接收從138kHz到1.1MHz的信號。參照圖4，由附圖標記30所示的寬帶變壓器22(APC有限模型411990040C)的頻率響應曲線包括變壓器的初級繞組的響應曲線32和變壓器的次級繞組的響應曲線34，其在整個ADSL帶寬上具有7.5V的測試信號。次級繞組的頻率響應在大約100kHz到1MHz之間相對平坦。但是，在大約20kHz到100kHz之間從次級繞組的輸出電壓就隨著頻率降低而滾降。這是因為在前文所述的低頻率處的磁鏈問題引起的。尤其是，隨著頻率降低，趨映深度增加，也就是假設其它的任何事情都保持恒定，需要被吸收掉磁通中包含的63％的可用能量的線圈中的材料量增加。如果在該較低頻率上需要傳送更多比例的能量，本領域中可接受的解決方案是增加次級繞組的材料量或增大鐵芯的尺寸來擴大磁通。本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種在基本上不損失磁鏈的情況下去除傳統(tǒng)DSL變壓器的鐵芯的方式。
參照圖5和6，由附圖標記40所示的變壓器包括兩個螺旋電路初級電路42和次級電路44。要注意的是這里沒有鐵氧體磁芯。兩個電路互相平行并且基本上在同一個平面內(nèi)互相纏繞以形成阿基米得螺旋。每個電路都被蝕刻在分層電路板41上并且在電路板41之上包括有大約0.075mm寬、0.05mm厚的銅跡線45。每個電路都有30圈并且直徑大約是18.44mm。初級電路42和次級電路45的跡線之間的距離(在最近的邊緣測量的)是0.075mm。線圈的整個直徑是20mm。雖然為了感應的目的，優(yōu)選的，讓跡線盡可能地靠近在一起，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該寬度在獲得變壓器功能和減少例如由灰塵引起的短路機會之間提供了有利的平衡。
初級電路42和次級電路44的這種幾何設置的目的是主要經(jīng)由相連導體跡線之間的局部磁通鏈來實現(xiàn)變壓器功能，而不是如標準變壓器情況下的通過低磁阻鐵磁路徑的全局磁通轉化。
參照圖7，附圖標記60所示的圖表示變壓器40與寬帶變壓器22的頻率響應的比較。變壓器40的響應由附圖標記62表示，寬帶變壓器22的響應由附圖標記64表示。可以看出在ADSL頻率范圍內(nèi)，變壓器40操作相對差一些。這是因為從初級電路42有大部分的磁漏引起低電感值。這是由趨膚深度問題和上面所述的低頻率混合引起的。結果在次級電路44中只感應出較少的電壓，尤其是在低頻率處，這對于要求1∶1的信號傳送的DSL應用來說是非常不希望的。寬帶變壓器22按上面所述地進行操作。
如下所述，申請人已經(jīng)努力在不借助鐵氧體磁芯的情況改善變壓器40的電感。
參照圖8，由附圖標記70所示的變壓器的第二實施例包括4個層71、72、73、74，每個層都與變壓器40類似，也就是包括有具有上述尺寸的初級和次級電路。為了清楚起見，每個層71、72、73、74都表示成間隔設置。每個層的每個電路都連接到相應的下層的電路以便在它們各個端子75、76之間，所有的初級電路都并聯(lián)連接以及所有的次級電路也分別并聯(lián)連接。
參照圖9，變壓器70以PCB電路的形式表示。每個PCB層都保留有一個初級電路有30圈以及次級電路有30圈的變壓器40；它尺寸為20mm乘20mm并且其厚度是0.2mm(在按壓之前)，也就是它具有縱橫比(直徑高度)。在制造過程中6個PCB層被堆疊、加熱并擠壓成模塊77。變壓器70包括5個模塊，并因此包括30層。在每個模塊77中，初級電路42和次級電路44都經(jīng)由鉆孔78連接到在PCB中心附近或者在PCB邊緣附近的下層相應的電路。而且每個PCB層之間的連接79如圖10所示，在中心位置和邊緣位置之間交替。每個模塊77之間的間隔是0.2mm并且具有PCB薄層以便將一個模塊的上層電路與另一個的下層電路隔離。圖17中表示了PCB變壓器70的照片，其中清楚地看到它是“準平面的”。很明顯是小尺寸的，尤其是在高度方面。圖17中的PCB變壓器70與6.3g的傳統(tǒng)ADSL變壓器相比僅重1.9g。這樣一種重量節(jié)省(將近70％)為制造和運輸費用方面提供了大量的優(yōu)勢。
這種初級電路42和次級電路44的幾何配置的目的在于主要經(jīng)由相鄰導體跡線之間的局部三維磁通鏈來實現(xiàn)變壓器作用，而不是標準變壓器例子中的通過低磁抗鐵磁路徑的全局磁通轉換。尤其是，參照圖11，兩個初級電路和次級電路導體模型被表示成“雙線-1”和“雙線-2”。每個這種配置都包括三維的結構，所述的三維結構在橫截面上看時具有交替的初級和次級電路層。在雙線-1的例子中，這個層可以說成是定義了一個水平面。在雙線-2的例子中，這個層可以說成是定義了一個環(huán)。三維繞組結構的特殊優(yōu)點是即使在DSL的低頻率上，初級電路的感應系數(shù)也增加，以及到次級電路磁鏈提高。而且所述結構提供了低的Q因數(shù)，由此在整個ADSL頻率范圍上都表現(xiàn)出良好的頻率響應。雙線-2結構的特殊優(yōu)點是每個初級導線都有到每個側面以及上面和下面的次級導線。初級導線靠得如此近以致于獲得一個非常好得局部磁通鏈。而且從較大的尺度來看所述結構有助于減少初級導線和次級導線之間的寄生電容。當導線被纏繞成這種結構時，導線之間的距離僅僅是兩個導體之間的絕緣體寬度(一般是～0.2mm)。當使用PCB制造技術時，所述間隔將會稍大一些(～0.075mm)，因為導體跡線并沒有被絕緣體包圍。必須對短路采取預防措施，因為線路接口變壓器的絕緣體安全功能是極為重要的。
參照圖12，表示了PCB變壓器70的電壓與頻率圖。對初級電路在20kHz到2.25MHz的頻率范圍上采用7.5V的電壓。變壓器70在整個范圍內(nèi)以及未來形式的DSL(例如ADSL2+)的頻率內(nèi)都表現(xiàn)出極好的線性響應，除了由于電路之間的磁鏈的缺陷引起的次級電路中的信號幅度上有一些損耗。
可以用手或用機器來纏繞變壓器40和變壓器70，以獲得圖10所示的導線結構。申請人用手纏繞了一個特例變壓器70。這包括在保證絕緣的情況下(也就是0.02mm的導線間距)，盡可能相互靠近的具有0.01mm絕緣體的0.19mm的銅線(road runner RRW-P-105)，被纏繞成每個電路具有30圈的螺旋。每個層被單獨構造以便產(chǎn)生與變壓器40的結構類似的變壓器。使用SELLOTAPE(大約0.05mm厚)來將變壓器支持在一起。然后在彼此的頂部堆疊10層并且將每個初級電路和次級電路的末端連接在一起以便變壓器如圖7那樣串聯(lián)在一起。因此每個層之間的間距接近于0.1mm。然后測試最后產(chǎn)生的10層、30圈的變壓器。
參照圖13到15，變壓器的頻率與電壓圖示出單層形式上的性能的顯著改善。對初級電路采用7.5V的電壓。次級電路表示出ADSL帶寬上施加電壓的基本上1∶1的變換。而且次級電路的響應在帶寬上基本上示平坦的，由此提供所需的線性響應。上述的導線的三維結構在初級和次級電路之間的局部范圍上(也就是少于0.1mm)提供了磁鏈，這就降低了對鐵氧體磁芯的需求。而且堆疊變壓器導致不希望的能量傳送的增加，在次級電路中的信號幅度只是稍有損失。這種三維結構利用了磁場強度從每個初級繞組處快速滾降的事實。因此通過將初級和次級電路相互纏繞以及在彼此的頂部堆疊，可以在原先沒有鐵氧體磁芯時不可能獲得所需的信號傳輸?shù)念l率上看到所需的變壓器作用。
參照圖16，兩個圖比較了前面所述的ADSL變壓器與上述手繞變壓器的性能。對初級電路施加10V的電壓。手繞變壓器在ADSL帶寬上表現(xiàn)良好并且甚至避免了跨過ADSL變壓器的次級電路在800kHz上開始出現(xiàn)的共振。ADSL頻帶的上限由附圖標記80表示。
該變壓器的電學規(guī)格如下所示規(guī)格(在25℃的電規(guī)格，工作溫度是-40℃到+80℃)

從表1中可以看出初級電路的電感和漏電感都是DSL調(diào)制解調(diào)器中使用的正確數(shù)量級。而且插入損耗在ADSL的頻率范圍內(nèi)是低的。
可以理解的是這里所述的變壓器可以對包括蝕刻、印刷電路板、薄膜淀積以及自動機器纏繞等各種制造過程進行修改。
導線的直徑和材料(或跡線的寬度)的變化、導線之間的間距的變化、層間距的變化、每個電路的圈數(shù)變化以及層數(shù)的變化都會影響這里所述的變壓器的性能。但是，借助于利用基本上同一平面內(nèi)的導體的雙線結構來形成變壓器以及堆疊導體來形成三維結構的原理，本領域技術人員能夠調(diào)整上述的各種參數(shù)以便在減少重量和空間的同時獲得期望的低頻率寬帶信號傳輸。
權利要求
1.一種數(shù)據(jù)用戶線路(DSL)調(diào)制解調(diào)器，包括線路接口變壓器，所述線路接口變壓器具有用于耦合到傳輸線路的初級電路和用于輸出在所述傳輸線路上發(fā)送的信號的次級電路，每個電路都由連續(xù)可導電材料形成，并且其中初級電路和次級電路基本上是平行的并且基本上在同一個平面內(nèi)。
2.如權利要求1所述的DSL調(diào)制解調(diào)器，其中所述初級電路和所述次級電路是基本上在同一平面內(nèi)的基本上平行的導電材料的螺旋的形式。
3.如權利要求2所述的DSL調(diào)制解調(diào)器，其中所述螺旋基本上是圓形的、橢圓形的、正方形的、矩形的、卵形的或不規(guī)則的。
4.如權利要求2或3所述的DSL調(diào)制解調(diào)器，其中所述螺旋基本上符合由極化方程r(θ)＝αθ形成的螺旋，其中θ是極坐標中的角度，r是半徑以及α是規(guī)定了圈數(shù)和間距的常數(shù)。
5.如前述任一權利要求所述的DSL調(diào)制解調(diào)器，其中每個電路的圈數(shù)最少是10。
6.如前述任一權利要求所述的DSL調(diào)制解調(diào)器，其中有多個平面，每個平面形成層，并且其中每層的所述初級電路都被連接在一起，每層的所述次級電路也都被連接在一起。
7.如權利要求6所述的DSL調(diào)制解調(diào)器，其中所述層基本上是平行的。
8.如權利要求7所述的DSL調(diào)制解調(diào)器，其中所述層之間的間隔不超過0.5mm。
9.如權利要求6、7或8所述的DSL調(diào)制解調(diào)器，其中將初級電路相互并聯(lián)或串聯(lián)連接，將次級電路相互并聯(lián)或串聯(lián)連接。
10.如權利要求6到9中任一個所述的DSL調(diào)制解調(diào)器，其中至少有10層。
11.如權利要求6到10中任一個所述的DSL調(diào)制解調(diào)器，其具有1∶5或更大的定義為直徑與寬度之比的縱橫比。
12.如前述任一權利要求所述的DSL調(diào)制解調(diào)器，其中所述線路接口變壓器不包括鐵磁體芯。
13.一種用于DSL調(diào)制解調(diào)器中的、具有前面任一權利要求所述的線路接口變壓器特征的線路接口變壓器。
14.一種在傳輸線上發(fā)送電子數(shù)據(jù)的方法，所述方法包括利用前述的任一權利要求所述的線路接口變壓器在所述傳輸線上放置所述電子數(shù)據(jù)的步驟。
15.一種制造DSL調(diào)制解調(diào)器的方法，所述方法包括插入如權利要求15所述的線路接口變壓器并電連接所述變壓器的步驟。
16.一種無芯變壓器，用于傳送大約10kHz和2MHz之間的低頻帶數(shù)字數(shù)據(jù)信號，所述變壓器包括具有多個圈的初級電路和次級電路，使得所述變壓器包括多個層，每個層都具有交替的相互相鄰的初級和次級導體，具有所述多個圈和多個層的組合，其足以獲得從所述初級電路向所述次級電路傳送所述數(shù)字數(shù)據(jù)信號的變壓器作用。
17.如權利要求16所述的無芯變壓器，其中所述層從所述變壓器的中心向外放射狀地延伸。
18.如權利要求16或17所述的無芯變壓器，其中所述層繞著所述變壓器的軸形成一個環(huán)。
19.如權利要求16、17或18所述的無芯變壓器，其中所述初級和次級導體之間的間隔在大約0.02mm和0.075mm之間。
20.如權利要求16到19中任一個所述的無芯變壓器，其中所述層之間的間隔在大約0.02mm和0.2mm之間。
21.如權利要求16到20中任一個所述的無芯變壓器，其中有至少10層。
22.一種包括如權利要求16到21中任一個所述的無芯變壓器的電子電路。
23.一種包括如權利要求22所述的電子電路的DSL調(diào)制解調(diào)器。
全文摘要
數(shù)字用戶線路(DSL)調(diào)制解調(diào)器(12，14)包括線路接口變壓器(22)，所述線路接口變壓器具有耦合到傳輸線路的初級電路和用于輸出在所述傳輸線路上發(fā)送的信號的次級電路，每個電路都由連續(xù)的導電材料組成，并且其中初級電路和次級電路基本上是平行的，并且基本上在同一個平面內(nèi)。
文檔編號H01F19/00GK1868009SQ200480030117
公開日2006年11月22日 申請日期2004年9月16日 優(yōu)先權日2003年9月16日
發(fā)明者尼爾·M.·艾爾弗德, 恩納·O.·薩林納斯弗洛利斯, 斯塔弗羅斯·迪米特利歐 申請人:南岸大學企業(yè)有限公司