寬帶RF阻抗變壓器的設(shè)計(jì)

　阻抗匹配器件常常用于高頻電路中，一般用來(lái)匹配元器件的阻抗和電路或系統(tǒng)的特性阻抗。在某些電路中，希望阻抗匹配能夠 實(shí)現(xiàn)多個(gè)八度音階頻率覆蓋范圍，同時(shí)插損很低。為了幫助阻抗變壓器設(shè)計(jì)人員，本文對(duì)阻抗比為1:4的不平衡到不平衡（unun）寬帶阻抗變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。這種變壓器在無(wú)線通信系統(tǒng)（一般是混合電路、信號(hào)合分路器）中很有用，對(duì)放大器鏈路的級(jí)間耦合也很有益。

　　這種寬帶unun阻抗變壓器對(duì)測(cè)試電路、光接收器系統(tǒng)、帶寬帶阻抗匹配的微波電路，以及天線耦合也很有用。可用于高頻電路設(shè)計(jì)及 仿真的現(xiàn)代計(jì)算程序在自己的工具箱里就收納了這種器件。寬帶unun阻抗變壓器包含了一個(gè)纏繞了雙絞傳輸線的環(huán)形鐵氧體磁芯，繞線間通過(guò)釉質(zhì)膜隔離。結(jié)合 常規(guī)傳輸線阻抗變壓器的設(shè)計(jì)元件，有可能建立起一個(gè)真正的寬帶組件。對(duì)1:4阻抗轉(zhuǎn)換比而言，這種設(shè)計(jì)方式可提供很高的效率。

　 　在常規(guī)阻抗變壓器中，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的能量轉(zhuǎn)移主要通過(guò)磁耦合發(fā)生，這也是變壓器提供良好低頻響應(yīng)能力的原因。假設(shè)鐵氧體磁芯無(wú)損，負(fù)載和源阻 抗是純電阻性的，而且只考慮其磁化電感的影響，由此獲得的變壓器低頻簡(jiǎn)化模型可表示為圖2中的結(jié)構(gòu)。在最大能量轉(zhuǎn)移條件下，該低頻模型的響應(yīng)由器件的插損 決定：

　　這里：Pg=源的最大可用功率、Pc=負(fù)載功率、Rg=源阻抗、Xm=磁抗。最后這個(gè)參數(shù)可通過(guò)下式由工作頻率f和磁芯的磁化電感Lm求得：

　　Lm的值取決于初級(jí)線圈的匝數(shù)和磁芯的電感因子Al。通常，這個(gè)因子是由鐵氧體磁芯制造商規(guī)定的，單位為納亨/平方匝數(shù)（nH/turns2）。因此，以nH為單位的磁化電感可表示為：

　　把該參數(shù)帶入對(duì)應(yīng)的磁抗公式中，再將計(jì)算結(jié)果帶入插損公式中，即可求得變壓器的低端截止頻率。因此：

　　這個(gè)值隨初級(jí)線圈匝數(shù)增加而降低。給定截止頻率，通過(guò)上式也可計(jì)算出正確的初級(jí)線圈匝數(shù)。為了讓電感的單位為nH，這里使用了109因子。

　 　傳輸線變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的電耦合增強(qiáng)了高頻能量的轉(zhuǎn)移。圖3所示為一個(gè)傳輸線1:4 unun變壓器的高頻模型，鑒于其長(zhǎng)度很短，沒有考慮損耗。在這種理想模型中，源和負(fù)載阻抗都假設(shè)是純電阻性的。該高頻模型響應(yīng)也由它的插損來(lái)確定。此 外，源功率和二次負(fù)載功率間的比率為：

　　這里：Rg=源阻抗、Rc=負(fù)載阻抗、Zo=傳輸線特性阻抗、βl=相位因子、l=kλ=傳輸線長(zhǎng)度（這里λ是波長(zhǎng)，k是小數(shù)值）。

　 　由公式5可看出，要獲得良好的寬帶高頻響應(yīng)，Zo值的優(yōu)化十分重要。對(duì)二分之一波長(zhǎng)（λ/2）的傳輸線長(zhǎng)度，能量轉(zhuǎn)移是無(wú)效的，并比四分之一波長(zhǎng)（λ /4）長(zhǎng)度的傳輸線的最大值小1dB。由此可看出，傳輸線的長(zhǎng)度越短，其高頻響應(yīng)的帶寬越大。對(duì)最大功率傳輸而言，最佳傳輸線特性阻抗和負(fù)載阻抗分別為：

　　源和負(fù)載阻抗之間必需有1:4的轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。因此，傳輸線特性阻抗和源及負(fù)載阻抗之間的關(guān)系可表示為：