宽带RF阻抗变压器的设计

1、宽带 RF 阻抗变压器的设计阻抗匹配器件常常用于高频电路中, 一般用来匹配元器件的阻抗和电路或系统的特性阻抗。 在某些电路中, 希望阻抗匹 配能够实现多个八度音阶频率覆盖范围, 同时插损很低。 为了帮助阻抗变压器设计人员, 本文对阻抗比为 1:4的不平衡到不 平衡 (unun宽带阻抗变压器的设计进行了探讨。这种变压器在无线通信系统 (一般是混合电路、信号合分路器 中很有用,对 放大器链路的级间耦合 也 很有 益 。这种宽带 unun 阻抗变压器对 测试 电路、 光接收 器系统、带宽带阻抗匹配的 微波 电路, 以及天 线耦合 也 很有用。 可 用 于高频电路设计 及仿真 的现 代 计 算程序 在

2、 自己 的 工具箱里就收纳 了这种器件。 宽带 unun 阻抗变压器 包含 了一个 缠绕 了 双绞 传输 线的 环形铁氧体磁芯 , 绕 线间通 过釉质膜隔离 。 结 合常 规传输 线阻抗变压器的设计元件, 有 可 能 建立起 一个 真正 的宽带 组 件。对 1:4阻抗 转换 比 而言 ,这种设计 方式可提供 很高的 效 率。本 帖包含图片 : 这 里 :Pg=源 的 最 大 可 用 功 率、 Pc=负载 功 率、 Rg=源 阻抗、 Xm=磁 抗。 最后 这个 参数 可 通 过 下 式 由 工 作 频率 f 和 磁芯 的 磁化 电 感 Lm 求得:本 帖包含图片 : 把该参数 带 入 对 应 的

3、 磁 抗 公 式 中, 再将 计 算结 果 带 入 插损 公 式 中, 即 可 求得 变压器的低 端截止 频率。 因 此:本 帖包含图片 : 传输 线变压器 初 级线 圈 和 次 级线 圈之 间的电耦合 增强 了高频能 量 的 转移 。 图 3所示 为一个 传输 线 1:4 unun变压器的高 频 模型 , 鉴 于 其 长 度很 短 , 没 有 考虑 损 耗 。在这种 理想模型 中, 源 和 负载 阻抗 都 假 设是 纯 电阻性的。 该 高频 模型 响应也 由它 的插损来 确定 。 此外 , 源 功 率和 二 次负载 功 率间的比率为 :本 帖包含图片 : 由公 式 5可 看出 , 要 获得

4、良好 的宽带高频 响应 , Zo 值 的 优 化 十 分 重 要 。对 二 分 之 一 波 长 (/2的 传输 线 长 度,能 量转移 是无 效 的, 并 比 四 分 之 一 波 长 (/4长 度的 传输 线的 最 大 值小 1dB 。 由此 可 看出 , 传输 线的 长 度 越短 , 其 高频 响应 的带宽 越 大。对 最 大 功 率 传输而言 , 最佳 传输 线特性阻抗和 负载 阻抗分 别 为本 帖包含图片 : 本 帖包含图片 : 源 和 负载 阻抗 之 间 必需 有 1:4的 转换以 实现阻抗匹配。 因 此 , 传输 线特性阻抗和 源及负载 阻抗 之 间的 关 系 可 表示 为 :本 帖

5、包含图片 : 为了比 较 , 我 们 使 用了 Agilent Technologies公 司 的 ADS(Advanced Design System计 算 机辅 助 工程 (CAE软 件 套 件对 性能进行 仿真 , 同时用 商 用 微波 矢 量 网络 分 析仪 (VNA对设计 原 型 进行 测量 。 分 析 结 果 显 示 了 负载 功 率和 源 功 率 之 间的 关 系。为了 测 定 变压器的低频 响应 , 必需 知道 铁氧体磁芯 的特性, 因 为电 感因 子 Al 与 特 定 频率有 关 。 除 此 之 外 , 还 需获 知 源 的 内部 阻抗 (Rg,这 样 设计人员 可以 求得

6、低频 截止 频率 (fi, 然 后 运 用 公 式 4就 能够计 算 出所需 要 的 初 级线 圈 匝数 (Np。 要 确定 高频 响应 , 需 要 知道 传输 线在 所需 要 的 工 作 频率 上 的一些特性 值 , 比 如 特性阻抗 (Zo, 传 播速 度 (vp, 以及 相位 因 子 ( 。 有了 源 阻抗 值 (Rg和 负载 阻抗 (Rc值 , 就可以 根据 公 式 6求出 特性阻抗 (Zopt的 最佳理 论 值 。 知道 了 传输 线的 各 特性 值 ,高 频 截止 频率 (fs和 传输 线的实 际 特性阻抗 Zo , 就 有 可 能计 算 出 传 播速 度 (vp和 相位 因 子

7、( 。 利 用实 际 的特性阻抗 值 Zo , 它 和 Zopt 之 间的 差 就可以 确定 , 最后求出 fs 下 的插损。 图 4显 示 了 如何 通 过 实 际 特性阻抗 (Zo和插损 求得 k 值 。 已知 k 、 vp 和 fs 值 , 就可以可 通 过 下 式 计 算 出 达 到 以 往 规 格 所需 的 传输 线 长 度 (l:本 帖包含图片 : MathWorks 的 MATLAB 数 学 分 析软 件 曾被 用来分 析 这种变压器器件 模型 的 响应 。分 析 中, 把单 独 的低频 (公 式 1 响应 和高频 (公 式 5 响应 的插损 响应结 合在了一 起 。 将所需 的

8、 目标 值 代 入 MATLAB 公 式 , 可 获得 宽带变压器的 最 终 响应 。为了 执 行 MATLAB 模型数值 响应 的电 气 仿真 , 使 用了 ADS 建 模 软 件。 该 软 件有一个很有用的 内部 源 模型 , 称 为 XFERRUTH , 其 变 量 参数 包 括 匝数 (N、电 感因 子 (AL、 传输 线特性阻抗 (Z、 传输 线电 气 长 度 (E, 以及 计 算传输 线 长 度 所需 要 的 参 考 频率 (F。 为了对变压器 响应 进行 散射 参数 (S参数 仿真 , ADS 采 用 它 的 S_Param建 模 器, 按照 规 定 的 步 长 和 刻 度 步

9、长调节 初 始 (开 始 的和 最 终 (停 止 的 扫 频频率。 源 和 负载 阻抗 由 一个阻抗 值 为 Z 的、 被称 为 T erm 的特 殊终 端表示 。 图 5所示 为 ADS 仿真 中 所 用的电路。测量 在 Advantest 的一个 商 用 VNA , 300kHz 至 3.8GHz 模型 R3765CG 上 进行。这个分 析仪 配有 50端 接 阻抗的 非 平 衡 测试 端 口 。 由 于宽带 unun 阻抗变压器 具 有 非 平衡 终 端 , 转换 比率为 1:4,为了 让该 器件 与 测试 设 备 相 匹配, 需 要 另 一个 转换 比率为 4:1的器件来 执 行阻抗

10、转换 。 图 6和 图 7显 示 了 所 有的 终 端 连 接 。 测试 终 端 和 所 有用于 VNA 的线 缆 都 经 过 校准 , 以 最 大 限 度 地 减 少 它 们 出 现 错误 的 可 能性。插损和通带 响应 利 用 表示 为对 数 幅 值 形式 的 传输 系 数 S21来分 析 。本 帖包含图片 : 我 们 对 几 种 测量 条 件 下 的分 析 式 (MATLAB、 数值 式 (ADS和实 验 模型 的 结 果 进行了比 较 。实 验 中 采 用了 Sontag Componentes Eletronicos 的 环形铁氧体磁芯 模型 E1003C5。 它 的 几何 和电 磁

11、 数 据 包 括 10mm 的 外 直径 、 5mm 的 内直径 , 3mm 的宽度, 11的 相 对 磁 导 率 (r , 以及 4.2nH/匝数 2的电 感因 子 (Al。 该模型 专门 用于 500kHz50MHz的频率范围。 每 厘米 传输 线 长 度 绞 合 次 数 为 5, 使 用 30AWG 导 体传输 线。 在 130MHz , 传输 线的特性阻抗为 38, 相位 因 子 ( 为 4.5501rad/m, 传 播速 度 (vp为 1.7952x108m/s。对于 50的 源 阻抗, 根据 公 式 8, 最佳 特性阻抗 值必 然 为 100, 意味着 0.38倍 的 关 系。 这

12、种 偏差 和 3dB 插损 下 的 k 值 为 0.2207。本 帖包含图片 : 构 建 的 第 一个器件线 圈 匝数 为 4, 因 此 传输 线 长 度为 9cm 。 图 8、 9和 10分 别 显 示 了分 析 、 数值 和实 验三 种 情况下 的 频率插损行为。 表 中 总 结 了 主要 的 参数值 , 包 括 最 大 幅 值 、 -3dB 频率 (fmax、 fi-3dB 和 fs-3dB 、 适 当 的带宽 (BW, 以及 相 比 模型值 频率 偏差百 分比 下 的 各 种插损 结 果 。 通 过 分 析 、 数值 和实 验 方 法 获得 的 结 果 间的 偏差 非 常 小 , 信号

13、频率 最 大时 例 外 。 这 都 是 由 于 测量 设 置 中 噪声 和 其 它 寄 生效应 造 成 的 测试 系统的 局 限 性。 在 幅 度 基 本 稳 定 的 测试 频带 上 , 信号电平的变 化 是 几 乎察觉 不到的, 也 许 这 就 是 最 大信号 幅 度频率的 报告 中 出 现 偏差 的 原因 。 本 帖包含图片 : 本 帖包含图片 : 为了进行进一 步 的比 较 , 我 们 构 建 一个 匝数 为 8, 传输 线 长 度为 14cm 的变压器。 图 14、 15和 16分 别 总 结 了 利 用分 析 、 数值 和实 验 方 法 获得 的 结 果 。在低 端截止 频率 上 ,分 析 方 法 和 数值 方 法 的 结 果 一 致 , 但 实 验 结 果 与 理 论 模型 不 吻 合。不 过 ,在高 端截止 频率 获得 的 值 彼 此相 近 , 也接 近预期 值 。 随 着 匝数增加 ,低 端截止 频率 降 低 ;类似 地 , 随 传输 线 长 度 增加 , 高 端截止 频率 也 降 低。 这些模型公式代表了一个线圈变压器的等效电