寬帶RF阻抗變壓器的設(shè)計

　阻抗匹配器件常常用于高頻電路中，一般用來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 實現(xiàn)多個八度音階頻率覆蓋范圍，同時插損很低。為了幫助阻抗變壓器設(shè)計人員，本文對阻抗比為1:4的不平衡到不平衡（unun）寬帶阻抗變壓器的設(shè)計進(jìn)行了探討。這種變壓器在無線通信系統(tǒng)（一般是混合電路、信號合分路器）中很有用，對放大器鏈路的級間耦合也很有益。

　　這種寬帶unun阻抗變壓器對測試電路、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?？捎糜诟哳l電路設(shè)計及 仿真的現(xiàn)代計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纏繞了雙絞傳輸線的環(huán)形鐵氧體磁芯，繞線間通過釉質(zhì)膜隔離。結(jié)合 常規(guī)傳輸線阻抗變壓器的設(shè)計元件，有可能建立起一個真正的寬帶組件。對1:4阻抗轉(zhuǎn)換比而言，這種設(shè)計方式可提供很高的效率。

　 　在常規(guī)阻抗變壓器中，初級線圈和次級線圈之間的能量轉(zhuǎn)移主要通過磁耦合發(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。最后這個參數(shù)可通過下式由工作頻率f和磁芯的磁化電感Lm求得：

　　Lm的值取決于初級線圈的匝數(shù)和磁芯的電感因子Al。通常，這個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)帶入對應(yīng)的磁抗公式中，再將計算結(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：

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

　 　傳輸線變壓器初級線圈和次級線圈之間的電耦合增強了高頻能量的轉(zhuǎn)移。圖3所示為一個傳輸線1:4 unun變壓器的高頻模型，鑒于其長度很短，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=傳輸線長度（這里λ是波長，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。對二分之一波長（λ/2）的傳輸線長度，能量轉(zhuǎn)移是無效的，并比四分之一波長（λ /4）長度的傳輸線的最大值小1dB。由此可看出，傳輸線的長度越短，其高頻響應(yīng)的帶寬越大。對最大功率傳輸而言，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：