高频变压器和传输线变压器

二 高频变压器和传输线变压器 高频变压器及其特点 变压器是靠磁通交链 或者说是靠互感进行耦合的 1 为了减少损耗 高频变压器常用导磁率 高 高频损耗小的软磁材料作磁芯 2 高频变压器一般用于小信号场合 尺寸小 线圈的匝数较少 高频变压器中环形和罐形磁芯示意图如图2 12所示 图2 12高频变压器的磁芯结构 a 环形磁芯 b 罐形磁芯 c 双孔磁芯 图2 13高频变压器及其等效电路 a 电路符号 b 等效电路 图2 14 a 是一中心抽头变压器的示意图 初级为两个等匝数的线圈串联 极性相同 设初次级匝比为 作为理想变压器看待 线圈间的电压和电流关系分别为 2 38 2 37 图2 14中心抽头变压器电路 a 中心抽头变压器电路 b 作四端口器件应用 2 传输线变压器 传输线变压器就是利用绕制在磁环上的传输线而构成的高频变压器 图2 15为其典型的结构和电路图 图2 15传输线变压器的典型结构和电路 a 结构示意图 b 电路图 2 39 2 40 图2 16传输线变压器的工作方式 a 传输线方式 b 变压器方式 波速 波长 传输线的特性阻抗Zc决定于传输线的横向尺寸 导线的粗细 导线间的距离 介质常数 当传输线端接的负载电阻值与特性阻抗相等时 传输线上传输行波 此时有最大的传输带宽 因此 传输线工作方式的特点是 在传输线的任一点上 两导线上流过的电流大小相等 方向相反 两导线上电流所产生的磁通只存在于两导线间 磁芯中没有磁通和损耗 当负载电阻RL与Zc相等而匹配时 两导线间的电压沿线均匀分布 谐振 这种方式传输特性的频率范围很宽 传输线变压器可以看作是双线并绕的1 1和1 4阻抗变压器 用两个或两个以上的传输线变压器组合可以得到其他阻抗变换器 也可以做平衡 不平衡变换器及3dB耦合器 如图2 17所示 图2 17传输线变压器的应用举例 a 高频反相器 b 不平衡 平衡变换器 c 1 4阻抗变换器 d 3分贝耦合器 作宽带高频反相器在实际应用中 有些场合需要得到一个与信号源电压大小相等相位相反的对地电压 这时需要用到高频反相器 而传输变压器就能实现此功能 图2 17 a 所示的是利用传输变压器实现高频反相器的示意图 图中 信号加在1 3端 2 4端接上与传输线匹配的负载电阻RL 由于传输线匹配 负载上得到的电压UL与激励电压U1相等 若将传输变压器的 2 端接地 则负载RL上的对地电压正好与激励电压大小相等 相位相反 不平衡 平衡变换器实际应用中 有时需要从一个信号源上得到两个大小相等 对地完全反相的电压 在这种情况下 要采用不平衡 平衡变换器 图2 17 b 所示的就是利用传输变压器构成的这种变换器 由于负载电阻分为两个 中间接地 所以两端对地电压相等并反相 信号源对地是不平衡的 一端接地 由于3端及负载中点接地 信号源有一个附加电流流过1 2线圈 但是附加电流很小 因L0较大 只是在低频段对信号有一点分流作用 此变换器的高频特性较好 因为传输线上的相移 并不影响两输出电压之间的反相关系 1 4阻抗变换器传输变压器的一个主要应用 就是构成4 1 1 4等宽带阻抗变换器 图2 17 c 就是1 4阻抗变换传输变压器 对于2 17 c 所示的1 4传输变压器 设流过负载电阻RL的电流为I 信号源两端呈现的电压为U1 则在RL上产生的电压为2U1 信号源提供的电流为2I 因此 信号源端呈现的输入阻抗为 上式表明 传输线变压器将负载RL变换为RL 4 实现了1 4的阻抗变换 1 3滤波器 一 石英晶体的物理特性石英是矿物质硅石的一种 也可人工制造 化学成分是SiO2 其形状为结晶的六角锥体 图 a 表示自然结晶体 图 b 表示晶体的横截面 图2 18石英晶体的形状示意图 沿着不同的轴切下 有不同的切型 X切型 Y切型 AT切型 BT CT 等等 石英晶体具有正 反两种压电效应 当石英晶体沿某一电轴受到交变电场作用时 就能沿机械轴产生机械振动 反过来 当机械轴受力时 就能在电轴方向产生电场 且换能性能具有谐振特性 在谐振频率上 换能效率最高 石英晶体和其他弹性体一样 具有惯性和弹性 因而存在着固有振动频率 当晶体片的固有频率与外加电源频率相等时 晶体片就产生谐振 二 石英晶体振谐器的等效电路和符号 石英片相当一个串联谐振电路 可用集中参数Lq Cq rq来模拟 Lq为晶体的质量 惯性 Cq为等效弹性模数 rg为机械振动中的摩擦损耗 右图表示石英谐振器的基频等效电路 电容C0称为石英谐振器的静电容 其容量主要决定于石英片尺寸和电极面积 一般C0在几PF 几十PF 式中 石英介电常数 s 极板面积 d 石英片厚度 C 0 r q C q L q J T b a 三 石英晶体的特点 等效电感Lq特别大 等效电容Cq特别小 因此 石英晶体的Q值很大 一般为几万到几百万 这是普通LC电路无法比拟的 由于 这意味着等效电路中的接入系数p很小 因此外电路对其的影响很小 四 石英谐振器的等效电抗 阻抗特性 石英晶体有两个谐振角频率 一个是左边支路的串联谐振角频率 q 即石英片本身的自然角频率 另一个为石英谐振器的并联谐振角频率 p 由于 所以 0与 q很接近 串联谐振频率 并联谐振频率 上式忽略rq后可简化为当 q时z0 0 Lq Cq串谐谐振 当 p z0 回路并谐谐振 当时 jx0为容性 当时 jx0为感性 电抗曲线如上图所示 并不等于石英晶体片本身的等效电感Lq 石英晶体滤波器工作时 石英晶体两个谐振频率之间感性区的宽度决定了滤波器的通带宽度 必须指出 在 q与 p的角频率之间 谐振器所呈现的等效电感 1 陶瓷滤波器利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器 称为陶瓷滤波器 它常用锆钛酸铅 Pb zrTi O3 压电陶瓷材料 简称PZT 制成 这种陶瓷片的两面用银作为电极 经过直流高压极化之后具有和石英晶体相类似的压电效应 优点 容易焙烧 可制成各种形状 适于小型化 且耐热耐湿性好 它的等效品质因数QL为几百 比石英晶体低 但比LC滤波高 集中滤波器 符号及等效电路 图中C0等效为压电陶瓷谐振子的固定电容 Lq 为机械振动的等效质量 Cq 为机械振动的等效弹性模数 Rq 为机械振动的等效阻尼 其等效电路与晶体相同 并联谐振频率式中 C 为C0和Cq 串联后的电容 其串联谐振频率 2 陶瓷滤波器电路四端陶瓷滤波器 如将陶瓷滤波器连成如图所示的形式 a 是陶瓷片的阻抗频率特性曲线 图 b 是两个谐振子或者是九个谐振子连接成的四端陶瓷谐振器 图 c 是陶瓷谐振器的电路符号 谐振子数目越多 滤波器的性能越好 声表面波滤波器SAWF SurfaceAcousticWaveFilter 是一种以铌酸锂 石英或锆钛酸铅等压电材料为衬底 基体 的一种电声换能元件 结构与原理 声表面波滤器是在经过研磨抛光的极薄的压电材料基片上 用蒸发 光刻 腐蚀等工艺制成两组叉指状电极 其中与信号源连接的一组称为发送叉指换能器 与负载连接的一组称为接收叉指换能器 当把输入电信号加到发送换能器上时 叉指间便会产生交变电场 3 声表面波滤波器 声表面波滤器的滤波特性 如中心频率 频带宽度 频响特性等一般由叉指换能器的几何形状和尺寸决定 这些几何尺寸包括叉指对数 指条宽度a 指条间隔b 指条有效长度B和周期长度M等 上图是声表面波滤波器的基本结构图 严格地说 传输的声波有表面波和体波 但主要是声面波 在压电衬底的另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电信号 声表面波滤波器的符号如图 a 所示 图 b 为它的等效电路 其左边为发送换能器 is和Gs表示信号源 G中消耗的功率相当于转换为声能的功率 右边为接收换能器 GL为负载电导 GL中消耗的功率相当于再转换为电能的功率 声表面滤波器的符号与等效电路 符号及等效电路 声表面滤波器特性 图2 21一种用于通信机中的声表面滤波器的幅频特性曲线 工作频率高 中心频率在10MHz 1GHz之间 且频带宽 相对带宽为0 5 25 尺寸小 重量轻 动态范围大 可达100dB 由于利用晶体表面的弹性波传送 不涉及电子的迁移过程 所以抗辐射能力强 温度稳定性好 选择性好 矩形系数可达1 2 声表面滤波器的特点 1 3 3衰减器与匹配器 1 高频衰减器利用高频衰减器可以调整信号传输通道上的信号电平 高频衰减器分为固定衰减器和高频可变 调 衰减器两种 除了微波衰减器可以用其他形式构成外 高频衰减器通常都用电阻网络 开关电路或PIN二极管实现 2 高频匹配器如果相连接的两部分高频电路阻抗匹配 则可以直接相连 但如果阻抗不匹配 就需要用高频匹配器或阻抗变换器来连接 1 LC并联谐振回路幅频曲线所显示的选频特性在高频电路中有非常重要的作用 其选频性能的好坏可由通频带和选择性 回路Q值 这两个相互矛盾的指标来衡量 矩形系数则是综合说明这两个指标的一个参数 可以衡量实际幅频特性接近理想幅频特性的程度 矩形系数越小 则幅频特性越理想 小结 2 LC并联谐振回路阻抗的相频特性是具有斜率的单调变化曲线 这一点在分析LC正弦波振荡电路的稳定性时有很大作用 而且可以利用曲线的线性部分进行频率与相位的线性转换 这在相位鉴频电路中得到了应用 同样 LC并联谐振回路阻抗的幅频特性曲线中的线性部分也为频率与幅度转换提供了依据 这在斜率鉴频电路里得到了应用 3 LC串联谐振回路的选频特性在高频电路中也有应用 比如在LC正弦波电路里可作为短路元件工作于振荡频率点 但其用途不如并联回路广泛 LC并联回路与串联谐振回路的参数具有对偶关系 在分析和应用时要注意这一点 4 用双谐振回路能够解决选择性与带宽之间的矛盾 在允许频带内有一定凹陷性起伏时 可以采用双调谐回路得到更大的带宽 这时 频带之外的曲线边沿下降也比单回路更陡峭 用矩形系数可以衡量回路对邻近频率的抑制能力 5 利用双耦合回路或带抽头的并联谐振回路 还可以完成阻抗变换功能 由第一章给出的图1 2可以看出 任何高频电子线路都不是孤立存在的 都必须能够 承前启后 即有效接收前一级电路