多層不平衡變壓器沖突尺寸障礙

阻抗變換器是高頻設計的必要部分之一。然而，對于小型化問(wèn)題，代表傳統阻抗變換器的繞線(xiàn)型鐵氧體部分帶來(lái)了三個(gè)主要設計難點(diǎn)：首先，拱頂狀鐵氧體磁芯不是非常適合大批量貼裝制造，必須配合使用一個(gè)塑料罩。第二，尤其是相對于小尺寸的典型表面貼(SMT)部件，這種相對大尺寸的繞線(xiàn)型阻抗變換器常常不滿(mǎn)足現代商業(yè)設計中的高度限制，比如移動(dòng)電話(huà)和其他便攜式電子設備。最后，繞線(xiàn)型不平衡變壓器受到和非線(xiàn)性鐵氧體聯(lián)合時(shí)產(chǎn)生的固有性能的限制。幸好，阻抗變換器一直在改進(jìn)，設計者可以采用一些方案代替傳統的繞線(xiàn)方法。

對于窄帶應用，比如在無(wú)線(xiàn)消費產(chǎn)品中，或者中等帶寬應用，比如衛星電視，發(fā)體積比傳統繞線(xiàn)型變換器小的非鐵氧體平衡-不平衡(Balun)阻抗變換器已開(kāi)發(fā)以節省空間。實(shí)現可以采用LATTICE、Marchand或者Anaren開(kāi)發(fā)和注冊專(zhuān)利的Merrill結構，當設計任務(wù)需要不超過(guò)100%帶寬時(shí)這些方案比較實(shí)用，但是當需要更寬帶寬時(shí)這些方案不再適用，比如帶寬超過(guò)150%的地面廣播應用。表1提供了幾種窄帶不平衡變壓器典型帶寬的比較。

繞線(xiàn)轉換器也在逐漸變小，一些廠(chǎng)商提供4×4mm高不超過(guò)4mm的部件。即使目前產(chǎn)品的尺寸有所減小，然而傳統繞線(xiàn)不平衡變壓器仍然存在一些缺點(diǎn)：他們不是非常適合用于大批量貼裝操作，傳統繞線(xiàn)轉換器的高度不太適用于外形小巧的電子產(chǎn)品，而且繞線(xiàn)不平衡變壓器受限于鐵氧體結構對于重用性、溫度穩定性和互調失真的材料限制。

為了克服這些限制，Anaren基于多層方式(專(zhuān)利申請中)開(kāi)發(fā)了一種新型非鐵氧體轉換器。該設計結合了最先由Guanella和Ruthroff描述的用于繞線(xiàn)不平衡變壓器的基本阻抗轉換原理。但是這種新產(chǎn)品的外形類(lèi)似于陶瓷SMT不平衡變壓器。

這種新型設計根據Guanella和Ruthroff阻抗轉換器結構，利用一個(gè)多層電路構造方式以達到史無(wú)前例的小尺寸。圖1顯示了Guanella 1:1不平衡變壓器(左)外形和Ruthroff變換(右)，圖2顯示了Guanella 1:4轉換器外形。

這種新型多層不平衡變壓器的優(yōu)勢是較小的外形高度和“真正”SMT封裝。這些改進(jìn)不僅首次使這些部件更容易融入一個(gè)完全自動(dòng)化的貼裝裝配的環(huán)境，而且這種設計使得在超薄消費手持產(chǎn)品(比如最新手持微型電腦和移動(dòng)電話(huà))的設計階段可以考慮使用低頻率不平衡變壓器。

一個(gè)典型繞線(xiàn)1:4不平衡變壓器和一個(gè)用于地面廣播的Anaren最新1:4小型不平衡變壓器之間的顯著(zhù)外形差異見(jiàn)圖3，可見(jiàn)這種新產(chǎn)品可以節省PCB空間。這2個(gè)部件的插入損耗和共模抑制比(CMRR)見(jiàn)圖5，以供比較。曲線(xiàn)表明：相對于繞線(xiàn)部件，這種小型多層不平衡變壓器插入損耗性能的顯著(zhù)優(yōu)勢，兩者的CMRR性能接近。

由于其提高的插入損耗和可比擬的共模抑制比性能，Anaren多層不平衡變壓器可以直接取代地面廣播系統中的繞線(xiàn)部件。而且，因為其更加緊湊的外形(多層不平衡變壓器使用的PCB面積比繞線(xiàn)部分減小40%)，可以構造一個(gè)同時(shí)滿(mǎn)足繞線(xiàn)或者Anaren多層不平衡變壓器的設計，以促進(jìn)簡(jiǎn)單的系統內性能比較和測試。一個(gè)用于比較傳統繞線(xiàn)不平衡變壓器和新型多層不平衡變壓器性能的參考設計見(jiàn)圖6。

除了微小的外形，該新型多層不平衡變壓器得益于這種用于多層結構的非鐵氧體軟質(zhì)電路板材料。這種相對滲透性為1的材料對溫度敏感性低于高滲透性的鐵氧體材料。對于溫度的穩定性簡(jiǎn)化了系統和電路設計，這是因為在一個(gè)寬溫度范圍內需要較小的性能容限。

傳統上用于繞線(xiàn)不平衡變壓器構造的高滲透性材料也可能是系統設計者的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)，因為這種材料具有內在的非線(xiàn)性性，而且在足夠高的功率時(shí)可能生成降低系統性能的互調干擾。相反，這種新型低滲透性多層不平衡變壓器只造成由不同金屬引起的互調干擾，這種干擾被稱(chēng)為被動(dòng)互調(PIM)，在-100dBc范圍內比較典型。而且，Anaren多層不平衡變壓器的互調干擾獨立于電路中任何偏置電流。

這種多層不平衡變壓器軟質(zhì)板構造的另外一個(gè)好處是與PCB材料中典型的熱膨脹系數(CTE)相兼容，所以PCB和不平衡變壓器材料趨向于以相同速度(一個(gè)關(guān)于溫度的函數)膨脹和收縮。當然，由于這種新不平衡變壓器采用低滲透性材料，所以對設計存在一個(gè)更低頻率的應用限制，通常大約為50MHz。對低于50MHz的頻率，繞線(xiàn)鐵氧體不平衡變壓器仍然是最優(yōu)方案。

利用一個(gè)簡(jiǎn)單離散網(wǎng)絡(luò )，這種新型多層不平衡變壓器可以滿(mǎn)足特定頻率帶應用的需要。一個(gè)推薦的電容網(wǎng)絡(luò )(圖7)在頻率帶的較低端提高了插入損耗。一個(gè)感應網(wǎng)絡(luò )(圖8)在高端提高了平衡性能。如果需要，這兩種網(wǎng)絡(luò )可以被同時(shí)應用。然而，與任何性能調整一樣這是一個(gè)折衷，需要根據實(shí)際應用進(jìn)行實(shí)施。圖9對有/沒(méi)有無(wú)源電路器件的不平衡變壓器的性能進(jìn)行比較。這種新1：4多層不平衡變壓器也可以被用作一個(gè)單端-單端電阻轉換器(unun)，如圖10所示。

總之，這些性能和外形的改進(jìn)激發(fā)了在類(lèi)似地面廣播系統設計市場(chǎng)領(lǐng)域的工程師們，這種廣播系統一直受限于繞線(xiàn)技術(shù)的局限。面對在其他電子產(chǎn)品市場(chǎng)中普遍的相同頂層設計挑戰(比如，小型化、降低PCB成本的趨勢，等)，當今地面廣播系統設計者們需要面對來(lái)自?xún)热莺头?wù)提供商的特定的市場(chǎng)需求和功能要求。這些包括因特網(wǎng)協(xié)議電視(Internet Protocol Television, IPTV)、額外硬件驅動(dòng)以及融合多個(gè)調諧器以提供觀(guān)看/錄像、畫(huà)中畫(huà)和其他有價(jià)值的功能。利用這種真正SMT的新系列產(chǎn)品—Anaren小型非鐵氧體寬帶不平衡變壓器，從事地面廣播電子方案的設計工程師不需要再認為轉換器是一個(gè)緊密設計的限制因素。

在幾乎完全移植到表面封裝和小型化部件的設計環(huán)境中，繞線(xiàn)不平衡變壓器使得系統設計者面臨一些限制，尤其在地面廣播領(lǐng)域。Anaren新型多層不平衡變壓器消除了很多這些限制，給設計工程師提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)適合當今實(shí)際應用的緊密設計的新選擇。

對于寬帶通信市場(chǎng)，這種新系列多層不平衡變壓器是繞線(xiàn)鐵氧體轉換器的合理替代產(chǎn)品。該新型產(chǎn)品提供20:1的帶寬、理想的溫度穩定性、在整個(gè)頻率范圍內低插入損耗、較好的幅度和相位平衡以及支持最新移動(dòng)電話(huà)和其他輕薄電子設計(包括數字電視機頂盒和液晶顯示電視)的外形特點(diǎn)?？梢缘卿浌揪W(wǎng)站或者聯(lián)系Anaren公司消費產(chǎn)品部件的唯一經(jīng)銷(xiāo)合作商Richardson Electronics申請這種多層不平衡變壓器的樣品。