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宽带RF阻抗变压器的设计

宽带RF 阻抗变压器的设计 抗匹配器件常常用于高频电路中,一般用来匹配元器件的 抗和电路或系统的特性阻抗。在某些电路中,希望 抗匹 配能够实现多个八度音阶频率覆盖范围,同时插损很低。为了帮助 抗变压器设计人员,本文对 抗比为1:4 的不平衡到不 平衡(unun)宽带 抗变压器的设计进行了探讨。这种变压器在无线通信系统(一般是混合电路、信号合分路器)中很有用,对 放大器链路的级间耦合 很有益。 这种宽带 unun 抗变压器对测试电路、光接收器系统、带宽带 抗匹配的微波电路,以及天线耦合 很有用。可用 于高频电路设计及仿真的现代计算程序在自己的工具箱里就收纳了这种器件。宽带unun 抗变压器包含了一个缠绕了双绞 传输线的环形铁氧体磁芯,绕线间通过釉质膜隔离。结合常规传输线 抗变压器的设计元件,有可能建立起一个真正的宽带 组件。对1:4 阻抗转换比而言,这种设计方式可提供很高的效率。 本帖包含图片: 在常规 抗变压器中,初级线圈和次级线圈之间的能量转移主要通过磁耦合发生,这 是变压器提供良好低频响应能 力的原因。假设铁氧体磁芯无损,负载和源 抗是纯电 性的,而且只考虑其磁化电感的 响,由此获得的变压器低频简化 模型可表示为图2 中的结构。在最大能量转移条件下,该低频模型的响应由器件的插损决定: 本帖包含图片: 这里:Pg=源的最大可用功率、Pc=负载功率、Rg=源阻抗、Xm=磁抗。最后这个参数可通过下式由工作频率f 和磁芯 的磁化电感Lm 求得: 本帖包含图片: Lm 的值取决于初级线圈的匝数和磁芯的电感因子Al 。通常,这个因子是由铁氧体磁芯制造商规定的,单位为纳亨/平 方匝数(nH/turns2)。因此,以nH 为单位的磁化电感可表示为: 本帖包含图片: 把该参数带入对应的磁抗公式中,再将计算结果带入插损公式中,即可求得变压器的低端截止频率。因此: 本帖包含图片: 这个值随初级线圈匝数增加而降低。给定截止频率,通过上式也可计算出正确的初级线圈匝数。为了让电感的单位为 nH,这里使用了109 因子。 本帖包含图片: 传输线变压器初级线圈和次级线圈之间的电耦合增强了高频能量的转移。图3 所示为一个传输线1:4 unun 变压器的高 频模型,鉴于其长度很短,没有考虑损耗。在这种理想模型中,源和负载阻抗都假设是纯电阻性的。该高频模型响应 由它 的插损来确定。此外,源功率和二次负载功率间的比率为: 本帖包含图片: 这里:Rg=源 抗、Rc=负载 抗、Zo=传输线特性阻抗、 l=相位因子、l=kλ=传输线长度(这里λ 是波长,k 是小数 值)。 本帖包含图片: 由公式5 可看出,要获得良好的宽带高频响应,Zo 值的优化十分重要。对二分之一波长(λ/2)的传输线长度,能量转移 是无效的,并比四分之一波长(λ/4)长度的传输线的最大值小 1dB。由此可看出,传输线的长度越短,其高频响应的带宽越 大。对最大功率传输而言,最佳传输线特性 抗和负载 抗分别为 本帖包含图片: 本帖包含图片: 源和负载阻抗之间必需有1:4 的转换以实现 抗匹配。因此,传输线特性 抗和源及负载阻抗之间的关系可表示为: 本帖包含图片: 若在变压器中使用绞合传输线,通过改变传输线单元长度的绞合次数,可以调节特性 抗,使之最适合于所需要的通 带。单位长度绞合次数增加,特性阻抗将减小。 图4 中,对于优化和非优化的特性阻抗值,都把插损看作k 的函数。相比采用了优化特性 抗的情况,特性阻抗非优 化时,插损增加,带宽减小。于是,使用绞合传输线很容易获得最佳特性阻抗值。 本帖包含图片: 为了比较,我 使用了Agilent Technologies 公司的ADS(Advanced Design System)计算机辅助工程(CAE)软件套件对 性能进行仿真,同时用商用微波矢量网络分析仪(VNA)对设计原型进行测量。分析结果显示了负载功率和源功率之间的关系。 为了测定变压器的低频响应,必需知道铁氧体磁芯的特性,因为电感因子Al 与特定频率有关。除此之外,还需获知源 的内部阻抗(Rg),这样设计人员可以求得低频截止频率(fi),然后运用公式4 就能够计算出所需要的初级线圈匝数(Np)。要 确定高频响应,需要知道传输线在所需要的工作频率上的一些特性值,比如特性阻抗(Zo),传播速度(vp),以及相位因子( ) 。 有了源阻抗值(Rg)和负载阻抗

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