?了解磁耦合RF變壓器的非理想性輸電線變壓器和分支線圈介紹

了解如何使用雙線圈設計高頻射頻應用的變壓器。

實現射頻變壓器有兩種基本方法：磁耦合變壓器和傳輸線變壓器。磁耦合變壓器，我們在上一篇文章中已經討論過，使用磁通連接將能量傳輸到輸出。傳輸線變壓器依靠電磁波通過傳輸線傳輸能量至輸出。

今天的磁耦合變壓器在相對寬的頻率范圍內顯示出不超過1dB的損耗，從幾kHz到超過200MHz。傳輸線變壓器可以提供更寬的帶寬，其損耗僅為0.02至0.04dB。這使得它們成為RF功率放大器等應用的絕佳選擇，其中必須使用高帶寬、低損耗的變壓器。

我們將從輸電線路變壓器的基本概念概述開始本文。然后，我們將探討雙極線圈的特性，它是傳輸線變壓器的重要組成部分。然后我們將以Guanella 1:1平衡轉換器為例，說明如何設置雙極線圈來構建射頻變壓器。在本文的最后，我們將簡要回顧一些傳輸線巴倫在實際中的應用。

確定輸電線路變壓器

雖然有時被建模為集總組件，但實際上變壓器的寄生電容是分布的。圖1左側部分說明了繞組間電容的分布特性。當我們翻轉該圖的一側（圖1的右側部分）時，它開始類似于用于模擬射頻傳輸線的無限梯形網絡。

作為分布式組件的變壓器繞組間電容模型。模型側翻轉，就像一個無限梯形網絡。

圖1。繞組間電容為分布分量（左）。將變壓器視為傳輸線（右）。

為了進行比較，無限梯形網絡模型如圖2所示。

輸電無限網絡模型。

圖2。輸電無限網絡模型。

由于繞組間電容的分布性質，我們似乎可以將變壓器當作傳輸線處理。這樣做會更改輸入端口和輸出端口的定義。從這個角度來看，繞組間電容和漏感不再是非理想的。相反，它們是電路的關鍵部分。

在本文的后面，我們將使用這個結構來構建一個基本的平衡巴倫。然而，即使在這樣做之前，我們也可以認識到將繞組間電容和泄漏電感的組合效應建模為傳輸線的特性阻抗的優點，即特性阻抗不會限制電路的高頻響應。

將其繞組作為傳輸線處理的變壓器的類型被適當地稱為傳輸線變壓器。在深入研究之前，讓我們首先檢查一個常用的傳輸線變壓器的構建塊-雙線圈。

雙分支線圈

雙線圈（圖3）由兩條緊密間隔的平行電線組成。繞組可采用以下任意一種制造方法：

一對電線。

一對雙絞線。

一條同軸線。

電線通常纏繞在一個共同的磁芯上，磁芯可以是鐵氧體或非磁性的。傳輸線變壓器使用磁芯來增加輸入端口和輸出端口之間的低頻隔離，而不是作為能量傳輸的介質。

一個雙線圈。

圖3一個雙線圈

我們將使用圖3中的線圈來檢查兩種不同類型輸入的電路響應：

奇模激勵：也稱為差分勵磁。兩根導線中的電流大小相等但方向相反。

偶模激勵：又稱共模勵磁。電流大小相等，方向相同。

奇數模式勵磁

圖4展示了電流為io的奇數模式勵磁。

雙極線圈的奇模勵磁。

圖4雙極線圈的奇模勵磁

電流（io）施加到紅色繞組（點1）的左端。相同的電流從藍色繞組（點2）的左端抽取。雖然圖中未示出，但我們可以假設線圈的另一端（點3和點4）連接到適當的負載，這允許我們在整個線圈中具有奇數模式激勵。

為了確定堆芯內部感應磁場的方向，我們可以應用右手定律：如果我們右手的拇指指向電流的方向，我們的手指會向相應磁場的方向卷曲。在圖4中，紅色和藍色線圈產生的磁場（圖中分別用紅色和藍色線表示）朝向相反的方向。

因為這兩個線圈在相反的方向產生相等的磁場，所以理想情況下鐵芯內部不應有凈磁場。換句話說，對于奇數模式的電流，線圈之間沒有磁耦合。相反，雙線圈相當于與電線相同長度的傳輸線。

均勻模式勵磁

在均勻模式電流下，情況會有所不同。兩個繞組產生的磁場同相且大小相等。這會產生強磁場，導致線圈之間的強耦合。因此，對于均模勵磁，雙極線圈起到了大電感的作用。

圖5顯示了具有均模電流（即）的雙極線圈。該雙極線圈的共模輸入阻抗非常高，尤其是在低頻下，預期磁芯會提高電感。均勻模式信號為堆芯通電；。因此，在高頻下，共模信號的損耗要高得多。

雙股線圈的均勻勵磁。

圖5雙股線圈的均勻勵磁。

分支線圈的等效電路模型

圖6顯示了我們所檢查的雙極線圈的等效電路。它使用兩個理想的變壓器來模擬偶模和奇模電流的響應。

雙線等效電路模型。

圖6雙線圈的等效電路模型。

奇模電流：

通過變壓器T2在輸出端出現差分信號。

均模電流：

流出中心的流量。

流過電感L流過流過流過流過電感L流過流過流過流過流過流過電感L流過。

退出變壓器T2作為共模信號。

如果偶模勵磁的電感足夠大，我們可以假設偶模電流可以忽略不計，只有奇模電流可以流過雙極線圈。觀察結果是了解某些輸電線路變壓器類型運行的關鍵。

傳輸線變壓器的頻率范圍下限由其繞組的自感確定。根據經驗，繞組在最低運行頻率下產生的電抗應比源阻抗或負載阻抗大3-5倍，以較大者為準。

傳統變壓器和輸電線路變壓器的比較

傳統的變壓器需要一次線圈和二次線圈之間的磁耦合。這就是為什么在這種類型的變壓器中，能量傳輸依賴于線圈之間的互感和磁通量的聯系。由于傳輸線變壓器是通過傳輸線的作用而不是通過磁通鏈傳遞能量的，所以能量的傳遞取決于傳輸線的特性阻抗和傳播常數。這代表了兩種變壓器運行的根本差異。

輸電線路變壓器和傳統變壓器都通常使用磁芯，但有不同的原因。在傳輸線變壓器中，核心的目的在于增加輸入端口和輸出端口之間的低頻隔離。與傳統的變壓器不同，傳輸線變壓器不能在輸入和輸出之間提供任何直流隔離。

基于雙分支線圈的傳輸線平衡子

現在我們已經有了相關的概念，讓我們來看一個如何使用雙極線圈來構建射頻平衡轉換器的實際例子。圖7中的電路可以追溯到1944年古斯塔夫·古內拉（Gustav Guanella）的一篇論文，被稱為古內拉1:1巴倫。

圖7一種基本的傳輸線巴倫（關涅拉1:1巴倫）。

理想情況下，只有奇數模式的電流能夠流過電路的繞組。這意味著在輸出端出現差分電流，導致兩個負載電阻之間產生相同的電壓。注意，總負載電阻（RL）分為兩個RL/2電阻，并且中心點接地。這在輸出之間產生了180度的相位差，這是平衡變換器功能所需的。

我們也可以使用浮動負載（圖8），而不是在負載的中心點接地負載。

1:1帶浮動負載的傳輸線平衡平衡轉換器。

圖8帶負載的傳輸線平衡平衡轉換器。

任何一種電路都用作3dB功率分配器，輸出之間具有180度的相位差，這就是為什么這種結構有時被稱為“逆相功率分配器”。為了避免反射，必須滿足阻抗匹配條件：

式中Z0為用于雙線圈的傳輸線的特性阻抗。

射頻應用中的傳輸線平衡子

平衡擺在推挽式功率放大器（PA）的工作中起著至關重要的作用，如圖9所示。這種拓撲結構要求兩個晶體管工作180度異相；施加到晶體管并且由晶體管產生的信號因此是差分的（平衡的）。然而，信號源和最終輸出為單端（不平衡）。

一種變壓器耦合推挽式功率放大器。

圖9一種基本的變壓器耦合推挽式功率放大器。

為了在平衡和不平衡信號之間進行轉換，我們使用平衡-不平衡轉換器。推挽式配置需要輸入巴倫以產生饋送到晶體管的差分信號，并且需要輸出巴倫以重新組合由晶體管產生的信號。平衡-不平衡變換器需要具有與正在實施的推挽式PA的帶寬相當或甚至更寬的帶寬。由于我們在上一篇文章中討論的非理想行為，這意味著使用傳輸線平衡-不平衡轉換器。

平衡擺也用于許多其他類型的裝置，包括：

?天線。

?倍頻器。

?混合器。

差分ADC驅動電路。

巴倫的哪些性能最重要取決于用途。例如，推挽式PA需要具有低損耗的巴倫，但具有良好相位平衡的巴倫對于平衡式混合器可能更重要。

傳輸線變壓器為實現射頻變壓器（包括平衡不平衡轉換器）提供了一個智能的解決方案。本文介紹了如何應用雙線圈來創建一個簡單的傳輸線變壓器。我們將在后面的文章中探討傳輸線變壓器的幾種其他配置。