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(tǒng)的特性阻抗。在某些電路中,希望阻抗匹配能夠?qū)崿F(xiàn)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(shè)計(jì)人員,本文對(duì)阻抗比為1:4的不平衡到不平衡(unun)寬帶阻抗變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。這種變壓器在無(wú)線通信系統(tǒng)(一般是混合電路、信號(hào)合分路器)中很有用,對(duì)放大器鏈路的級(jí)間耦合也很有益。
這種寬帶unun阻抗變壓器對(duì)測(cè)試電路、光接收器系統(tǒng)、帶寬帶阻抗匹配的微波電路,以及天線耦合也很有用。可用于高頻電路設(shè)計(jì)及仿真的現(xiàn)代計(jì)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)纏繞了雙絞傳輸線的環(huán)形鐵氧體磁芯,繞線間通過(guò)釉質(zhì)膜隔離。結(jié)合常規(guī)傳輸線阻抗變壓器的設(shè)計(jì)元件,有可能建立起一個(gè)真正的寬帶組件。對(duì)1:4阻抗轉(zhuǎn)換比而言,這種設(shè)計(jì)方式可提供很高的效率。
在常規(guī)阻抗變壓器中,初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的能量轉(zhuǎn)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(yīng)能力的原因。假設(shè)鐵氧體磁芯無(wú)損,負(fù)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(jié)構(gòu)。在最大能量轉(zhuǎn)移條件下,該低頻模型的響應(yīng)由器件的插損決定:
這里:Pg=源的最大可用功率、Pc=負(fù)載功率、Rg=源阻抗、Xm=磁抗。最后這個(gè)參數(shù)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(jí)線圈的匝數(shù)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(guī)定的,單位為納亨/平方匝數(shù)(nH/turns2)。因此,以nH為單位的磁化電感可表示為:
把該參數(shù)帶入對(duì)應(yīng)的磁抗公式中,再將計(jì)算結(jié)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(jí)線圈匝數(shù)增加而降低。給定截止頻率,通過(guò)上式也可計(jì)算出正確的初級(jí)線圈匝數(shù)。為了讓電感的單位為nH,這里使用了109因子。
傳輸線變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的電耦合增強(qiáng)了高頻能量的轉(zhuǎn)移。圖3所示為一個(gè)傳輸線1:4 unun變壓器的高頻模型,鑒于其長(zhǎng)度很短,沒(méi)有考慮損耗。在這種理想模型中,源和負(fù)載阻抗都假設(shè)是純電阻性的。該高頻模型響應(yīng)也由它的插損來(lái)確定。此外,源功率和二次負(fù)載功率間的比率為:
這里:Rg=源阻抗、Rc=負(fù)載阻抗、Zo=傳輸線特性阻抗、βl=相位因子、l=kλ=傳輸線長(zhǎng)度(這里λ是波長(zhǎng),k是小數(shù)值)。
由公式5可看出,要獲得良好的寬帶高頻響應(yīng),Zo值的優(yōu)化十分重要。對(duì)二分之一波長(zhǎng)(λ/2)的傳輸線長(zhǎng)度,能量轉(zhuǎn)移是無(wú)效的,并比四分之一波長(zhǎng)(λ/4)長(zhǎng)度的傳輸線的最大值小1dB。由此可看出,傳輸線的長(zhǎng)度越短,其高頻響應(yīng)的帶寬越大。對(duì)最大功率傳輸而言,最佳傳輸線特性阻抗和負(fù)載阻抗分別為:
源和負(fù)載阻抗之間必需有1:4的轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。因此,傳輸線特性阻抗和源及負(fù)載阻抗之間的關(guān)系可表示為:
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(tǒng)的特性阻抗。在某些電路中,希望阻抗匹配能夠?qū)崿F(xiàn)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(shè)計(jì)人員,本文對(duì)阻抗比為1:4的不平衡到不平衡(unun)寬帶阻抗變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。這種變壓器在無(wú)線通信系統(tǒng)(一般是混合電路、信號(hào)合分路器)中很有用,對(duì)放大器鏈路的級(jí)間耦合也很有益。
這種寬帶unun阻抗變壓器對(duì)測(cè)試電路、光接收器系統(tǒng)、帶寬帶阻抗匹配的微波電路,以及天線耦合也很有用??捎糜诟哳l電路設(shè)計(jì)及仿真的現(xiàn)代計(jì)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)纏繞了雙絞傳輸線的環(huán)形鐵氧體磁芯,繞線間通過(guò)釉質(zhì)膜隔離。結(jié)合常規(guī)傳輸線阻抗變壓器的設(shè)計(jì)元件,有可能建立起一個(gè)真正的寬帶組件。對(duì)1:4阻抗轉(zhuǎn)換比而言,這種設(shè)計(jì)方式可提供很高的效率。
在常規(guī)阻抗變壓器中,初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的能量轉(zhuǎn)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(yīng)能力的原因。假設(shè)鐵氧體磁芯無(wú)損,負(fù)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(jié)構(gòu)。在最大能量轉(zhuǎn)移條件下,該低頻模型的響應(yīng)由器件的插損決定:
這里:Pg=源的最大可用功率、Pc=負(fù)載功率、Rg=源阻抗、Xm=磁抗。最后這個(gè)參數(shù)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(jí)線圈的匝數(shù)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(guī)定的,單位為納亨/平方匝數(shù)(nH/turns2)。因此,以nH為單位的磁化電感可表示為:
把該參數(shù)帶入對(duì)應(yīng)的磁抗公式中,再將計(jì)算結(jié)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(jí)線圈匝數(shù)增加而降低。給定截止頻率,通過(guò)上式也可計(jì)算出正確的初級(jí)線圈匝數(shù)。為了讓電感的單位為nH,這里使用了109因子。
傳輸線變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的電耦合增強(qiáng)了高頻能量的轉(zhuǎn)移。圖3所示為一個(gè)傳輸線1:4 unun變壓器的高頻模型,鑒于其長(zhǎng)度很短,沒(méi)有考慮損耗。在這種理想模型中,源和負(fù)載阻抗都假設(shè)是純電阻性的。該高頻模型響應(yīng)也由它的插損來(lái)確定。此外,源功率和二次負(fù)載功率間的比率為:
這里:Rg=源阻抗、Rc=負(fù)載阻抗、Zo=傳輸線特性阻抗、βl=相位因子、l=kλ=傳輸線長(zhǎng)度(這里λ是波長(zhǎng),k是小數(shù)值)。
由公式5可看出,要獲得良好的寬帶高頻響應(yīng),Zo值的優(yōu)化十分重要。對(duì)二分之一波長(zhǎng)(λ/2)的傳輸線長(zhǎng)度,能量轉(zhuǎn)移是無(wú)效的,并比四分之一波長(zhǎng)(λ/4)長(zhǎng)度的傳輸線的最大值小1dB。由此可看出,傳輸線的長(zhǎng)度越短,其高頻響應(yīng)的帶寬越大。對(duì)最大功率傳輸而言,最佳傳輸線特性阻抗和負(fù)載阻抗分別為:
源和負(fù)載阻抗之間必需有1:4的轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。因此,傳輸線特性阻抗和源及負(fù)載阻抗之間的關(guān)系可表示為:
若在變壓器中使用絞合傳輸線,通過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(kāi)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T(mén)erm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(lái)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(guò)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(lái)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(mén)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。
構(gòu)建的第一個(gè)器件線圈匝數(shù)為4,因此傳輸線長(zhǎng)度為9cm。圖8、9和10分別顯示了分析、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)三種情況下的頻率插損行為。表中總結(jié)了主要的參數(shù)值,包括最大幅值、-3dB頻率(fmax、fi-3dB和fs-3dB)、適當(dāng)?shù)膸挘˙W),以及相比模型值頻率偏差百分比下的各種插損結(jié)果。通過(guò)分析、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法獲得的結(jié)果間的偏差非常小,信號(hào)頻率最大時(shí)例外。這都是由于測(cè)量設(shè)置中噪聲和其它寄生效應(yīng)造成的測(cè)試系統(tǒng)的局限性。在幅度基本穩(wěn)定的測(cè)試頻帶上,信號(hào)電平的變化是幾乎察覺(jué)不到的,也許這就是最大信號(hào)幅度頻率的報(bào)告中出現(xiàn)偏差的原因。
構(gòu)建的第二個(gè)器件線圈匝數(shù)為6,傳輸線長(zhǎng)度11cm。隨匝數(shù)的增加,低端截止頻率降低,高端截止頻率也因傳輸線長(zhǎng)度的增加而降低。對(duì)于低端截止頻率,分析方法和數(shù)值方法的結(jié)果和預(yù)期值一樣。但實(shí)驗(yàn)響應(yīng)與理論模型卻非完全吻合。但高頻響應(yīng)的值正如預(yù)期,三種方法獲得的結(jié)果吻合良好。
由圖11、12和13可看出,在分析、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)三種情況下,插損都是頻率的函數(shù)(也可從表中看出)。由于模型本身的不完善性,分析和數(shù)值結(jié)果間有微小偏差。另一方面,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了模型的正確性,但低頻限值處例外,這里出現(xiàn)的誤差最大。其原因在于理論模型沒(méi)有考慮到變壓器中各元件的所有寄生因素。
為了進(jìn)行進(jìn)一步的比較,我們構(gòu)建一個(gè)匝數(shù)為8,傳輸線長(zhǎng)度為14cm的變壓器。圖14、15和16分別總結(jié)了利用分析、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法獲得的結(jié)果。在低端截止頻率上,分析方法和數(shù)值方法的結(jié)果一致,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型不吻合。不過(guò),在高端截止頻率獲得的值彼此相近,也接近預(yù)期值。隨著匝數(shù)增加,低端截止頻率降低;類似地,隨傳輸線長(zhǎng)度增加,高端截止頻率也降低。
盡管三組結(jié)果是由不同的方法求出的,但它們彼此吻合良好。分析(MATLAB)和數(shù)值(ADS)模型獲得的響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)獲得的響應(yīng)(VNA測(cè)量值)比較起來(lái)十分接近。利用分析和數(shù)值方法獲得的值近似相等,但與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比有少許差異。最好的解釋是,理論模型沒(méi)有把變壓器結(jié)構(gòu)中所采用的各元件的復(fù)雜特性完全考慮在內(nèi),而是按照幾乎“理想”的元件來(lái)建模的。
這些模型公式代表了一個(gè)線圈變壓器的等效電路簡(jiǎn)化模型。最新研究表明,我們需要采用一種能夠把電阻性和電抗性效應(yīng)隨頻率和匝數(shù)增加的變化考慮在內(nèi)的更精密的模型。
這些先進(jìn)的模型還考慮到了匝間電容的影響,這種影響會(huì)降低電感的自諧頻率。不過(guò),盡管如此,本文中的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)公式仍可以給出很有意義的結(jié)果,能夠取代1:4阻抗變壓器設(shè)計(jì)中常常涉及到的更麻煩的經(jīng)驗(yàn)式處理方法。正如這些簡(jiǎn)化公式所示,它們可用來(lái)設(shè)計(jì)頻率范圍很寬的(三個(gè)八度音階)低插損、低成本變壓器。