寬帶RF阻抗變壓器的設計

　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的特性阻抗。在某些電路中，希望阻抗匹配能夠 實(shí)現多個(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計進(jìn)行了探討。這種變壓器在無(wú)線(xiàn)通信系統（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、帶寬帶阻抗匹配的微波電路，以及天線(xiàn)耦合也很有用?？捎糜诟哳l電路設計及 仿真的現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(gè)纏繞了雙絞傳輸線(xiàn)的環(huán)形鐵氧體磁芯，繞線(xiàn)間通過(guò)釉質(zhì)膜隔離。結合 常規傳輸線(xiàn)阻抗變壓器的設計元件，有可能建立起一個(gè)真正的寬帶組件。對1:4阻抗轉換比而言，這種設計方式可提供很高的效率。

　 　在常規阻抗變壓器中，初級線(xiàn)圈和次級線(xiàn)圈之間的能量轉移主要通過(guò)磁耦合發(fā)生，這也是變壓器提供良好低頻響應能力的原因。假設鐵氧體磁芯無(wú)損，負載和源阻 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中的結構。在最大能量轉移條件下，該低頻模型的響應由器件的插損 決定：

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

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

　　把該參數帶入對應的磁抗公式中，再將計算結果帶入插損公式中，即可求得變壓器的低端截止頻率。因此：

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

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

　　這里：Rg=源阻抗、Rc=負載阻抗、Zo=傳輸線(xiàn)特性阻抗、βl=相位因子、l=kλ=傳輸線(xiàn)長(cháng)度（這里λ是波長(cháng)，k是小數值）。

　 　由公式5可看出，要獲得良好的寬帶高頻響應，Zo值的優(yōu)化十分重要。對二分之一波長(cháng)（λ/2）的傳輸線(xiàn)長(cháng)度，能量轉移是無(wú)效的，并比四分之一波長(cháng)（λ /4）長(cháng)度的傳輸線(xiàn)的最大值小1dB。由此可看出，傳輸線(xiàn)的長(cháng)度越短，其高頻響應的帶寬越大。對最大功率傳輸而言，最佳傳輸線(xiàn)特性阻抗和負載阻抗分別為：

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