Ruthroff輸電線路變壓器簡介

了解這些典型的射頻變壓器如何實現寬帶阻抗轉換。

傳輸線變壓器的寬帶功能使其在射頻應用中具有高度的實用性。根據所用傳輸線的類型、數量和布置，這些變壓器有多種配置。本系列之前的文章探討了關內拉1:1和關內拉1:4巴倫，這兩個經典電路于1944年由古斯塔夫·關內拉首次提出。

15年后，C·L·Ruthroff的一篇論文向世界介紹了一種新型寬帶傳輸線變壓器。在這篇文章中，我們將通過進行一個簡單的分析來獲得對Ruthroff變壓器的基本理解——平衡到不平衡和不平衡到不平衡。

Ruthroff1:4不平衡對不平衡變壓器

圖1展示了我們已經熟悉的配置——Guanella 1:4巴倫，它包括兩條傳輸線。

?圖1 Guanella 1:4巴倫。

當不需要巴倫功能時，我們可以重新安排一個單獨的雙線圈，以提供1:4的阻抗轉換比。圖2描述了這種電路，稱為Ruthroff 1:4不平衡到不平衡的變壓器。你也可以看到它被稱為Ruthroff 1:4“unun”，這與我們將“平衡到不平衡的變壓器”縮寫為“balun”的方式相同。我和許多其他人一樣，認為“unun”這個詞不雅觀，沒有吸引力，所以選擇不使用它。

Ruthroff1:4不平衡到不平衡變壓器。

?圖2。Ruthroff1:4不平衡到不平衡變壓器。

利用前面文章介紹的集總電感方法，我們來分析這個電路。

假設通過上部繞組的電流為I1，其兩端的電壓降為V1。由于變壓器的作用，V1的電壓差也施加在下繞組上，I1的電流在所示的方向流過該繞組。因此，通過負載的電流等于2I1。

由于下繞組與負載并聯，所以負載兩端的電壓（Vout）也等于V1。通過將上部繞組和負載電阻兩端的電壓相加，可以很容易地確定輸入端的電壓，得出：

?方程式1。

對于負載電阻（RL），歐姆定律定義了V1和I1之間的另一個關系：

?方程式2。

我們現在用V1和I1表示輸入電阻（Rin），使用方程式2進行簡化：

?方程式3。

等效輸入電阻為負載電阻的四倍。要更快地分析上述電路，請注意以下幾點：

輸入電壓等于兩個繞組兩端電壓降的總和（Vin＝V1+V2）。

由于變壓器的作用，兩個電壓降相等（V1=V2）。

輸出電壓等于其中一個繞組兩端的電壓降（Vout＝V1＝V2）。

因此，輸入電壓是輸出電壓的兩倍（Vin＝Vout+Vout＝2Vout）。

以2倍的因子改變電壓的無損網絡產生1:4的阻抗變換比。

與Guanella配置一樣，Rutherroff變壓器不提供直流隔離。在奇數模式勵磁期間，這兩種類型的變壓器理想地在芯材料中誘導零凈通量。這大大減少了鐵芯的頻率相關磁滯損耗，這通常是設定變壓器帶寬上端的因素。

圖3展示了Ruthroff電路的同軸實施方式。注意，盡管圖中未示出，但同軸線通常會加載鐵氧體磁珠。

Ruthroff1:4不平衡到不平衡變壓器的同軸實現。

?圖3。Ruthroff1:4不平衡到不平衡變壓器的同軸實現。

對于最小的泄漏電感，A點和B點之間的距離應盡可能短。這可能需要彎曲電線以使連接點緊密相連。還應注意，在Ruthroff變壓器中，線路的特性阻抗（Z0）等于輸入和輸出阻抗的幾何平均值：

?方程式4。

Ruthroff1:4巴倫變壓器

圖4顯示了Ruthroff1:4巴杉木。就像不平衡到不平衡的變壓器一樣，它圍繞著單個雙線圈構建。

拉1:4巴倫。

?圖4。拉1:4巴倫。

由于變壓器的作用，兩個繞組再次出現相同的電壓。通過將繞組的適當端子接地，在負載電阻端子處產生具有相反極性的電壓。換句話說，節點A和節點B具有相同的電壓，具有相反的極性。

從電路圖中很容易看出，輸入電壓等于一個繞組兩端的電壓降（Vin＝V1），而負載兩端的電壓為Vout＝2V1。因此，該電路將輸入電壓加倍，產生1:4的阻抗變換比。由于負載兩端不接地，所以輸出為平衡信號。

下一篇

與Guanella變壓器相比，Ruthroff配置提供相對較低的帶寬。當我們對這些電路進行更嚴格的分析時，我們將在本系列的下一篇文章中對此進行更詳細的討論。我們還將研究一些簡單的修改，當應用時，可以提高Ruthroff變壓器的帶寬。