寬帶RF阻抗變壓器的設(shè)計(jì)

若在變壓器中使用絞合傳輸線，通過改變傳輸線單元長(zhǎng)度的絞合次數(shù)，可以調(diào)節(jié)特性阻抗，使之最適合于所需要的通帶。單位長(zhǎng)度絞合次數(shù)增加，特性阻抗將減小。

　　圖4中，對(duì)于優(yōu)化和非優(yōu)化的特性阻抗值，都把插損看作k的函數(shù)。相比采用了優(yōu)化特性阻抗的情況，特性阻抗非優(yōu)化時(shí)，插損增加，帶寬減小。于是，使用絞合傳輸線很容易獲得最佳特性阻抗值。

　 　為了比較，我們使用了Agilent Technologies公司的ADS（Advanced Design System）計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件套件對(duì)性能進(jìn)行仿真，同時(shí)用商用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）對(duì)設(shè)計(jì)原型進(jìn)行測(cè)量。分析結(jié)果顯示了負(fù)載功率和 源功率之間的關(guān)系。

　　為了測(cè)定變壓器的低頻響應(yīng)，必需知道鐵氧體磁芯的特性，因?yàn)殡姼幸蜃覣l與特定頻率有關(guān)。除此之外，還需獲知源的內(nèi) 部阻抗（Rg），這樣設(shè)計(jì)人員可以求得低頻截止頻率（fi），然后運(yùn)用公式4就能夠計(jì)算出所需要的初級(jí)線圈匝數(shù)（Np）。要確定高頻響應(yīng)，需要知道傳輸線 在所需要的工作頻率上的一些特性值，比如特性阻抗（Zo），傳播速度（vp），以及相位因子（β）。有了源阻抗值（Rg）和負(fù)載阻抗（Rc）值，就可以根 據(jù)公式6求出特性阻抗（Zopt）的最佳理論值。知道了傳輸線的各特性值，高頻截止頻率（fs）和傳輸線的實(shí)際特性阻抗Zo，就有可能計(jì)算出傳播速度 （vp）和相位因子（β）。利用實(shí)際的特性阻抗值Zo，它和Zopt之間的差就可以確定，最后求出fs下的插損。圖4顯示了如何通過實(shí)際特性阻抗（Zo） 和插損求得k值。已知k、vp和fs值，就可以可通過下式計(jì)算出達(dá)到以往規(guī)格所需的傳輸線長(zhǎng)度（l）：

　 　MathWorks的MATLAB數(shù)學(xué)分析軟件曾被用來分析這種變壓器器件模型的響應(yīng)。分析中，把單獨(dú)的低頻（公式1）響應(yīng)和高頻（公式5）響應(yīng)的插損 響應(yīng)結(jié)合在了一起。將所需的目標(biāo)值代入MATLAB公式，可獲得寬帶變壓器的最終響應(yīng)。為了執(zhí)行MATLAB模型數(shù)值響應(yīng)的電氣仿真，使用了ADS建模軟件。該軟件有一個(gè)很有用的內(nèi)部源模型，稱為XFERRUTH，其變量參數(shù)包括匝數(shù)（N）、電感因子（AL）、傳輸線特性阻抗（Z）、傳輸線電氣長(zhǎng)度 （E），以及計(jì)算傳輸線長(zhǎng)度所需要的參考頻率（F）。

　　為了對(duì)變壓器響應(yīng)進(jìn)行散射參數(shù)（S參數(shù)）仿真，ADS采用它的S_Param建模器，按照規(guī)定的步長(zhǎng)和刻度步長(zhǎng)調(diào)節(jié)初始（開始）的和最終（停止）的掃頻頻率。源和負(fù)載阻抗由一個(gè)阻抗值為Z的、被稱為Term的特殊終端表示。圖5所示為ADS仿真中所用的電路。

　 　測(cè)量在Advantest的一個(gè)商用VNA，300kHz至3.8GHz模型R3765CG上進(jìn)行。這個(gè)分析儀配有50Ω端接阻抗的非平衡測(cè)試端口。由 于寬帶unun阻抗變壓器具有非平衡終端，轉(zhuǎn)換比率為1:4，為了讓該器件與測(cè)試設(shè)備相匹配，需要另一個(gè)轉(zhuǎn)換比率為4:1的器件來執(zhí)行阻抗轉(zhuǎn)換。圖6和圖 7顯示了所有的終端連接。測(cè)試終端和所有用于VNA的線纜都經(jīng)過校準(zhǔn)，以最大限度地減少它們出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性。插損和通帶響應(yīng)利用表示為對(duì)數(shù)幅值形式的傳 輸系數(shù)S21來分析。

　 　我們對(duì)幾種測(cè)量條件下的分析式（MATLAB）、數(shù)值式（ADS）和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)果進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)中采用了Sontag Componentes Eletronicos的環(huán)形鐵氧體磁芯模型E1003C5。它的幾何和電磁數(shù)據(jù)包括10mm的外直徑、5mm的內(nèi)直徑，3mm的寬度，11的相對(duì)磁導(dǎo)率 （μr），以及4.2nH/匝數(shù)2的電感因子（Al）。該模型專門用于500kHz~50MHz的頻率范圍。每厘米傳輸線長(zhǎng)度絞合次數(shù)為5，使用 30AWG導(dǎo)體傳輸線。在130MHz，傳輸線的特性阻抗為38Ω，相位因子（β）為4.5501rad/m，傳播速度（vp）為1.7952x108m /s。對(duì)于50Ω的源阻抗，根據(jù)公式8，最佳特性阻抗值必然為100Ω，意味著0.38倍的關(guān)系。這種偏差和3dB插損下的k值為0.2207。