【導(dǎo)讀】實(shí)現(xiàn)射頻變壓器有兩種基本方法：磁耦合變壓器和傳輸線變壓器。磁耦合變壓器，我們?cè)谏弦黄恼轮幸呀?jīng)討論過(guò)，使用磁通連接將能量傳輸?shù)捷敵?。傳輸線變壓器依靠電磁波通過(guò)傳輸線傳輸能量至輸出。
了解如何使用雙線圈設(shè)計(jì)高頻射頻應(yīng)用的變壓器。
實(shí)現(xiàn)射頻變壓器有兩種基本方法：磁耦合變壓器和傳輸線變壓器。磁耦合變壓器，我們?cè)谏弦黄恼轮幸呀?jīng)討論過(guò)，使用磁通連接將能量傳輸?shù)捷敵?。傳輸線變壓器依靠電磁波通過(guò)傳輸線傳輸能量至輸出。
今天的磁耦合變壓器在相對(duì)寬的頻率范圍內(nèi)顯示出不超過(guò)1dB的損耗，從幾kHz到超過(guò)200MHz。傳輸線變壓器可以提供更寬的帶寬，其損耗僅為0.02至0.04dB。這使得它們成為RF功率放大器等應(yīng)用的絕佳選擇，其中必須使用高帶寬、低損耗的變壓器。
我們將從輸電線路變壓器的基本概念概述開(kāi)始本文。然后，我們將探討雙極線圈的特性，它是傳輸線變壓器的重要組成部分。然后我們將以Guanella 1:1平衡轉(zhuǎn)換器為例，說(shuō)明如何設(shè)置雙極線圈來(lái)構(gòu)建射頻變壓器。在本文的最后，我們將簡(jiǎn)要回顧一些傳輸線巴倫在實(shí)際中的應(yīng)用。
確定輸電線路變壓器
雖然有時(shí)被建模為集總組件，但實(shí)際上變壓器的寄生電容是分布的。圖1左側(cè)部分說(shuō)明了繞組間電容的分布特性。當(dāng)我們翻轉(zhuǎn)該圖的一側(cè)（圖1的右側(cè)部分）時(shí)，它開(kāi)始類似于用于模擬射頻傳輸線的無(wú)限梯形網(wǎng)絡(luò)。
作為分布式組件的變壓器繞組間電容模型。模型側(cè)翻轉(zhuǎn)，就像一個(gè)無(wú)限梯形網(wǎng)絡(luò)。
圖1。繞組間電容為分布分量（左）。將變壓器視為傳輸線（右）。
為了進(jìn)行比較，無(wú)限梯形網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。
輸電無(wú)限網(wǎng)絡(luò)模型。
圖2。輸電無(wú)限網(wǎng)絡(luò)模型。
由于繞組間電容的分布性質(zhì)，我們似乎可以將變壓器當(dāng)作傳輸線處理。這樣做會(huì)更改輸入端口和輸出端口的定義。從這個(gè)角度來(lái)看，繞組間電容和漏感不再是非理想的。相反，它們是電路的關(guān)鍵部分。
在本文的后面，我們將使用這個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建一個(gè)基本的平衡巴倫。然而，即使在這樣做之前，我們也可以認(rèn)識(shí)到將繞組間電容和泄漏電感的組合效應(yīng)建模為傳輸線的特性阻抗的優(yōu)點(diǎn)，即特性阻抗不會(huì)限制電路的高頻響應(yīng)。
將其繞組作為傳輸線處理的變壓器的類型被適當(dāng)?shù)胤Q為傳輸線變壓器。在深入研究之前，讓我們首先檢查一個(gè)常用的傳輸線變壓器的構(gòu)建塊-雙線圈。
雙分支線圈
雙線圈（圖3）由兩條緊密間隔的平行電線組成。繞組可采用以下任意一種制造方法：
一對(duì)電線。
一對(duì)雙絞線。
一條同軸線。
電線通常纏繞在一個(gè)共同的磁芯上，磁芯可以是鐵氧體或非磁性的。傳輸線變壓器使用磁芯來(lái)增加輸入端口和輸出端口之間的低頻隔離，而不是作為能量傳輸?shù)慕橘|(zhì)。
一個(gè)雙線圈。
圖3一個(gè)雙線圈
我們將使用圖3中的線圈來(lái)檢查兩種不同類型輸入的電路響應(yīng)：
奇模激勵(lì)：也稱為差分勵(lì)磁。兩根導(dǎo)線中的電流大小相等但方向相反。
偶模激勵(lì)：又稱共模勵(lì)磁。電流大小相等，方向相同。
奇數(shù)模式勵(lì)磁
圖4展示了電流為io的奇數(shù)模式勵(lì)磁。
雙極線圈的奇模勵(lì)磁。
圖4雙極線圈的奇模勵(lì)磁
電流（io）施加到紅色繞組（點(diǎn)1）的左端。相同的電流從藍(lán)色繞組（點(diǎn)2）的左端抽取。雖然圖中未示出，但我們可以假設(shè)線圈的另一端（點(diǎn)3和點(diǎn)4）連接到適當(dāng)?shù)呢?fù)載，這允許我們?cè)谡麄€(gè)線圈中具有奇數(shù)模式激勵(lì)。
為了確定堆芯內(nèi)部感應(yīng)磁場(chǎng)的方向，我們可以應(yīng)用右手定律：如果我們右手的拇指指向電流的方向，我們的手指會(huì)向相應(yīng)磁場(chǎng)的方向卷曲。在圖4中，紅色和藍(lán)色線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)（圖中分別用紅色和藍(lán)色線表示）朝向相反的方向。
因?yàn)檫@兩個(gè)線圈在相反的方向產(chǎn)生相等的磁場(chǎng)，所以理想情況下鐵芯內(nèi)部不應(yīng)有凈磁場(chǎng)。換句話說(shuō)，對(duì)于奇數(shù)模式的電流，線圈之間沒(méi)有磁耦合。相反，雙線圈相當(dāng)于與電線相同長(zhǎng)度的傳輸線。
均勻模式勵(lì)磁
在均勻模式電流下，情況會(huì)有所不同。兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)同相且大小相等。這會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，導(dǎo)致線圈之間的強(qiáng)耦合。因此，對(duì)于均模勵(lì)磁，雙極線圈起到了大電感的作用。
圖5顯示了具有均模電流（即）的雙極線圈。該雙極線圈的共模輸入阻抗非常高，尤其是在低頻下，預(yù)期磁芯會(huì)提高電感。均勻模式信號(hào)為堆芯通電；。因此，在高頻下，共模信號(hào)的損耗要高得多。
雙股線圈的均勻勵(lì)磁。
圖5雙股線圈的均勻勵(lì)磁。
分支線圈的等效電路模型
圖6顯示了我們所檢查的雙極線圈的等效電路。它使用兩個(gè)理想的變壓器來(lái)模擬偶模和奇模電流的響應(yīng)。
雙線等效電路模型。
圖6雙線圈的等效電路模型。
奇模電流：
通過(guò)變壓器T2在輸出端出現(xiàn)差分信號(hào)。
均模電流：
流出中心的流量。
流過(guò)電感L流過(guò)流過(guò)流過(guò)流過(guò)電感L流過(guò)流過(guò)流過(guò)流過(guò)流過(guò)流過(guò)電感L流過(guò)。
退出變壓器T2作為共模信號(hào)。
如果偶模勵(lì)磁的電感足夠大，我們可以假設(shè)偶模電流可以忽略不計(jì)，只有奇模電流可以流過(guò)雙極線圈。觀察結(jié)果是了解某些輸電線路變壓器類型運(yùn)行的關(guān)鍵。
傳輸線變壓器的頻率范圍下限由其繞組的自感確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，繞組在最低運(yùn)行頻率下產(chǎn)生的電抗應(yīng)比源阻抗或負(fù)載阻抗大3-5倍，以較大者為準(zhǔn)。
傳統(tǒng)變壓器和輸電線路變壓器的比較
傳統(tǒng)的變壓器需要一次線圈和二次線圈之間的磁耦合。這就是為什么在這種類型的變壓器中，能量傳輸依賴于線圈之間的互感和磁通量的聯(lián)系。由于傳輸線變壓器是通過(guò)傳輸線的作用而不是通過(guò)磁通鏈傳遞能量的，所以能量的傳遞取決于傳輸線的特性阻抗和傳播常數(shù)。這代表了兩種變壓器運(yùn)行的根本差異。
輸電線路變壓器和傳統(tǒng)變壓器都通常使用磁芯，但有不同的原因。在傳輸線變壓器中，核心的目的在于增加輸入端口和輸出端口之間的低頻隔離。與傳統(tǒng)的變壓器不同，傳輸線變壓器不能在輸入和輸出之間提供任何直流隔離。
基于雙分支線圈的傳輸線平衡子
現(xiàn)在我們已經(jīng)有了相關(guān)的概念，讓我們來(lái)看一個(gè)如何使用雙極線圈來(lái)構(gòu)建射頻平衡轉(zhuǎn)換器的實(shí)際例子。圖7中的電路可以追溯到1944年古斯塔夫·古內(nèi)拉（Gustav Guanella）的一篇論文，被稱為古內(nèi)拉1:1巴倫。
圖7一種基本的傳輸線巴倫（關(guān)涅拉1:1巴倫）。
理想情況下，只有奇數(shù)模式的電流能夠流過(guò)電路的繞組。這意味著在輸出端出現(xiàn)差分電流，導(dǎo)致兩個(gè)負(fù)載電阻之間產(chǎn)生相同的電壓。注意，總負(fù)載電阻（RL）分為兩個(gè)RL/2電阻，并且中心點(diǎn)接地。這在輸出之間產(chǎn)生了180度的相位差，這是平衡變換器功能所需的。
我們也可以使用浮動(dòng)負(fù)載（圖8），而不是在負(fù)載的中心點(diǎn)接地負(fù)載。
1:1帶浮動(dòng)負(fù)載的傳輸線平衡平衡轉(zhuǎn)換器。
圖8帶負(fù)載的傳輸線平衡平衡轉(zhuǎn)換器。
任何一種電路都用作3dB功率分配器，輸出之間具有180度的相位差，這就是為什么這種結(jié)構(gòu)有時(shí)被稱為“逆相功率分配器”。為了避免反射，必須滿足阻抗匹配條件：
式中Z0為用于雙線圈的傳輸線的特性阻抗。
射頻應(yīng)用中的傳輸線平衡子
平衡擺在推挽式功率放大器（PA）的工作中起著至關(guān)重要的作用，如圖9所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求兩個(gè)晶體管工作180度異相；施加到晶體管并且由晶體管產(chǎn)生的信號(hào)因此是差分的（平衡的）。然而，信號(hào)源和最終輸出為單端（不平衡）。
一種變壓器耦合推挽式功率放大器。
圖9一種基本的變壓器耦合推挽式功率放大器。
為了在平衡和不平衡信號(hào)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，我們使用平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。推挽式配置需要輸入巴倫以產(chǎn)生饋送到晶體管的差分信號(hào)，并且需要輸出巴倫以重新組合由晶體管產(chǎn)生的信號(hào)。平衡-不平衡變換器需要具有與正在實(shí)施的推挽式PA的帶寬相當(dāng)或甚至更寬的帶寬。由于我們?cè)谏弦黄恼轮杏懻摰姆抢硐胄袨?，這意味著使用傳輸線平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。
平衡擺也用于許多其他類型的裝置，包括：
?天線。
?倍頻器。
?混合器。
差分ADC驅(qū)動(dòng)電路。
巴倫的哪些性能最重要取決于用途。例如，推挽式PA需要具有低損耗的巴倫，但具有良好相位平衡的巴倫對(duì)于平衡式混合器可能更重要。
傳輸線變壓器為實(shí)現(xiàn)射頻變壓器（包括平衡不平衡轉(zhuǎn)換器）提供了一個(gè)智能的解決方案。本文介紹了如何應(yīng)用雙線圈來(lái)創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的傳輸線變壓器。我們將在后面的文章中探討傳輸線變壓器的幾種其他配置。
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