1、总第268期2012年第2期计算机与数字工程ComputerDigital EngineeringVoL 40 No2124130MHz传输线变压器巴伦的设计刘苏苏占腊民戴洁雪(华中科技大学微波技术应用研究所武汉430074)摘要介绍了传输线变压器的丁作原理。应用电报方程分析它的阻抗变换特性得到负载阻抗、源阻抗与传输线特性阻抗之间满足的最佳传输条件给出传输线特性阻抗、传输线长度、磁芯材料、类型和导线匝数的确定方法，特别考虑了在选择磁芯材料的时候铁氧体磁导率随频率变化的影响，为传输线变压器巴伦的设计和优化提供了理论基础。关键词传输线变压器；电报方程；阻抗变换；设计步骤；磁导率中图分类号TN925
2、Design of 1-30MHz Transmission-line TransformerLIU S吣u ZHAN Lamin DAI Jiexue(Institute of Microwave Technology Application。Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074)脚晦t哺ct This paper introduces the pnciple of the transmissionIine transfo肌er，analyzes its characteristic5 of impedance
3、transfonnation by using the telegraph equation，and obtains the best transmission conditions between the load impedance，source impedance and characte ristic impedance of the transmission lineThe method is given to achieve characteristic impedance ofthe transfnjssion line，transmission lineleTlgth，mate
4、rial arId type of the core，tum number of the诵r己When selecting core materials，the effect of fe rrite pe肋eability change谢thfrequency is consideredThe paper pro“des a theoretical basis for the design and optimization of transmission-line transfome ry Wos transrnjs5ion-1ine transfo咖er，telegraph equation
5、。impedance transfo姗tion，design procedure，pemleabilityCIa鹞Nu恤rTN9251 引言根据设计要求，变压器可提供直流隔离、阻抗匹配以及特定的电压电流比等1。随着无线通信技术的发展。电子信息产品日益向小型化、宽带化、高频化方向发展。传统的集中参数变压器和分布参数的传输线段阻抗变换器由于其各自的缺点，已无法满足现代通信技术的要求。传输线变压器巴伦是将具有均匀分布参数的传输线绕在铁氧体磁芯上构成的，既保持了集中参数变压器尺寸小、相对带宽大的优点，又吸收分布参数的传输线段阻抗变换器能在高频工作的长处29叫，在通信器件中得到越来越广泛的应用。它是功率
6、分配一合成器、定向耦合器、双平衡混频器等射频宽带器件的理论基础L3，因此，对传输线变压器巴伦的分析是研究、分析射频宽带器件的关键。由于构成传输线变压器巴伦的不同变换电路对传输线长度和特性阻抗的要求是一致的，因此本文以l：4不平衡一不平衡传输线变压器巴伦为例，应用电报方程分析它的阻抗变换特性，得到负载阻抗、源阻抗与传输线特性阻抗之间的最佳传输条件，并给出传输线特性阻抗、传输线长度、磁芯材料、类型和导线匝数的确定方法。2传输线变压器巴伦工作原理图1所示为1：4不平衡一不平衡传输线变压器巴伦电路模型。图中E为电源电压，R为源阻抗，RL为负只， 载阻抗，Z0为传输线特性阻抗。根据传输线理论。可以得到图
7、1中V和J满足的方程组。图1 1 z 4不平衡一不平衡 y1 2y2co彤十j2厶slr秽传输线变压器电路模型 (1)JlJ2co与彤+歹等si唯 (2)E=(f1+j2)R+Vl (3)Vl+、，z=J2RL (4)其中，Z为传输线长度，p为传输线上的相位常数，卢=御j=万一2霄k，砧为传输线上的波长。解方程组得Vt=坠舞磊咝fz (5)K=等学，z(6)卜绌杀滗蒜艘J。 (7)垆而面篇鬻氟2 21r百_-(子J2R(1+co啦)+RLco秽+歹si唯(芎些+磊)电源输出功率：收稿日期：20n年8月17日，修回日期：2011年9月23日作者简介：刘苏苏女硕士研究生。研究方向：射频宽带变压器、
8、耦合器的结构设计及应用。占腊民，男副教授，研究方向：RF与微波电路的分析与设计。戴洁雪，女，硕士研究生，研究方向：定向耦合器设计。万方数据2012年第2期 计算机与数字工程 125=lf2I 2RLE2(1+cos彤)2RL2R(1+co辎)慨c0卿z+Sin2彤(警+Z0)2(9)21传输线变压器巴伦的最佳传输条件由式(9)，根据最大输出功率原则得出负载阻抗、源阻抗与传输线特性阻抗之间的最佳传输条件。当频率较低时，彤1，co啦埒1，siH彤O，此时P： !曼鱼“(R+4R)2输出功率极大值的条件为RL=4R，此时取极大值P一一彘，实际中彤不可能为零，需要传输线长度F尽可能地小，以使彤1。当频
9、率较高时。胀：1条件不能满足，式(9)中sin2彤项不能忽略。在保证低频区响应的同时，为使高频区响应好，须使式(9)中sin2辟项系数RRtZo+Z0取极小值。由求极值方法得出极小值条件为Z0一RRL。不难看出，1；4不平衡一不平衡传输线变压器巴伦的最佳传输条件为RL一4Rg Zj一R。RL22传输线变压器巴伦的阻抗变换关系把传输线变压器巴伦看作一个二端口网络根据传输线方程式(1)、式(2)可以写出其Z参数矩阵形式。进而町求得其输人阻抗和输出阻抗。由式(1)、式(2)写fj其Z参数矩阵为厂V， f Z0厂co哗 1+co啦1 rj+JzlflI、lLU+K-| I歹si哗L1+co秽2(1+c
10、o秽)LJ：-l根据网络原理，其输入阻抗和输fj阻抗分别为 乙确t撬乙一易一撬圈2 1：4传输线变压器巴伦的输入阻抗Ij+|1i l，圈3 1；4传输线变压器巴伦的输出阻抗因此，1；4传输线变压器巴伦的输入阻抗和输出阻抗分别为7：圣!鱼!Q咝圣!i马筐!“220(1+cos彤)+冰L sin彤7：圣；!Q邋!圣!i翌幽6“ 乙co秽+jR si畔当传输线长度远小于。【作波长gk时，满足彤1，此时，cos彤l。si哗o则乙一RL4，Z0=4R，因此可以实现1：4的阻抗变换。综上所述，为了获得传输线变压器巴伦宽频带的目的，绕制变压器用的传输线的特性阻抗应尽可能地满足最佳特性阻抗值，即Z0=砭鬲。；
11、传输线长度z应尽可能地小，工程设计中一般取陛三k8。3传输线变压器巴伦设计步骤与实例传输线变压器巴伦的设计内容主要包括确定变换电路、计算传输线特性阻抗、确定传输线长度、选择磁芯材料、确定磁芯类型以及计算导线匝数等。31传输线变压器巴伦设计步骤1)确定变换电路。根据具体的技术要求选择变换电路。技术要求主要包括：输人输l叶阻抗的大小、极性变换(倒相变换、不平衡一不平衡变换、不平衡一平衡变换、平衡一平衡变换)、负载的特点、功率容量、频率范围等，根据这些影响因素选取合适的变换电路。2)计算传输线特性阻抗、确定传输线长度。由本论文第二部分可以看出，传输线的特性阻抗应尽可能地满足最佳特性阻抗值，即Zo=、
12、露爵一；传输线长度应尽可能地小，工程设计中一般取座：k8。3)选择磁芯材料、确定磁芯类型。为了使传输线变压器巴伦有较宽的工作频率范围和较低的传输损耗合理选择磁芯材料和尺寸是非常关键的。根据传输线变压器巴伦的两个主要指标传输损耗和反射损耗与磁芯材料参数之间的关系。确定磁芯材料的选择原则。传输损耗公式为At 2 10191+j=7石辛石孑丽(ta哦+瓦主)(10)反射损耗公式为护g(+警)2+(掣)2(11)式中。R为源阻抗。L0为空芯绕组电感，芦7为磁导率实部，为磁导率虚部。磁损耗角正切ta峨。一产7。对于传输损耗，首先应选择卢高的材料，在7一定时。低损耗(户7)和高损耗(p7)的传输损耗都比兰
13、p7的小。对于反射损耗，p7越大，反射损耗越大，在p7一定时，反射损耗随的增大而增大。因此，选择p7高、损耗大(P7)的材料能够同时满足传输损耗、反射损耗的指标要求。另外传输线变压器巴伦的r作频率范围很宽，应考虑铁氧体磁芯磁导率随频率变化的影响一7。磁导率随频率变化的公式为p7一l+靳(+尸)，=s(+尸)。式中，S为斯诺克常数，r为截Jf=频率。将上式代人传输损耗公式进行分析町知应选择截止频率低、斯诺克常数高的磁芯材料。综l：所述，可以得出磁芯材料的选取原则是要求低频初始磁导率肫高、截止频率f低、斯诺克常数S高、损耗大(卢7)的材料。对于磁芯外形，由于磁芯磁路中的气隙会导致磁导率下降，所以应
14、选择闭合磁路磁芯，常用的有矩形截面的环形磁芯和双孔磁芯：引。4)计算导线匝数。初步确定磁芯以后，根据传输损耗、反射损耗的指标要求算出并联电感，进而计算出传输线万方数据126 刘苏苏等：130MHz传输线变压器巴伦的设计 第40卷的匝数和长度。32传输线变压器巴伦设计实例设计一个工作频率为lMHz30MHz，传输损耗o25，电压驻波系数13的1：4不平衡一不平衡传输线变压器巴伦，输入、输l叶J阻抗变换为50Q200n。根据设计要求，基本电路结构如图1。由最佳传输条件磊=川习i，算出传输线最佳特性阻抗Zo=丽丽=100Q。选用矩形截面的NiZn铁氧体环形磁芯，磁芯材料为低损耗(，p7)材料型号为T
15、DK公司的HF70，初始磁导率脚=1500，磁环的外径d2=29mm，内径dl=19mm，高度=75眦，磁芯磁路截面积A=(d2一d。)2375mm2，平均磁路长度匕=，c(凶+如)2=7536mm。传输损耗o25，且，弘7，ta蛾1，由式(10)推出“lLo卢R205。电压驻波系数13，查表可知要求反射损耗A，177，且卢7。由式(11)推出(E，k岸7R384。故取c止。肛R。384 (12)式中，c，一2o=628106Hz，R=50Q，卢7=500，k为空芯绕组电感上帕=47cN2A，10_9匕 (13)其中，A的单位为cmz，以的单位为锄，N为匝数。由式(12)和式(13)可得，99
16、取N=10，则传输线长度Z=N(如一dl+2)=1250mm。工程设计中。=等一F=1250mm，传输线 u”J TTIal长度z302520l 51005OO frcq，MHz图5实测的传输线变压器的电压驻波比本文以1：4不平衡一不平衡传输线变压器巴伦为例，得到负载阻抗、源阻抗与传输线特性阻抗之间的最佳传输条件，给出了传输线特性阻抗、传输线长度、磁芯材料、类型和导线匝数的确定方法，特别考虑了在选择磁芯材料的时候铁氧体磁导率随频率变化的影响。最后根据设计实例给出了传输线变压器巴伦的一般设计步骤。参考文献1Ian Hickrnan实用射频技术手册M张弘华伟，陈倩，等译北京：人民邮电出版社，200
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24、igital Engineering年，卷(期)： 2012,40(2)参考文献(10条)1.Ian Hickman;张弘;华伟;陈倩 实用射频技术手册 20092.杜晓燕;牛忠霞;周东方 传输线变压器巴伦的设计口期刊论文-信息工程大学学报 2003(02)3.张纪纲 射频铁氧体宽带器件 19864.詹伟华;周运;张瑜 应用NiZn铁氧体的宽带传输线变压器性能分析期刊论文-强激光与粒子束 2010(02)5.张峰;王东峰;纪奕才 1-30MHz传输线变压器的实频设计期刊论文-强激光与粒子束 2011(04)6.覃荣震;刘颖力;张怀武 射频宽带变压器两种实现方式的研究期刊论文-压电与声光 2008(05)7.VW 卡姆普曲克;E 勒斯;冯怀涵;沈执良,池玉清 铁氧体磁芯 19868.陈肖燕 短波宽带高功率传输线变压器设计期刊论文-无线电工程 2006(10)9.Ruthroff C T Some broad-band transformers 195910.Roberts W K A new wide-band balun 1957引用本文格式：刘苏苏.占腊民.戴洁雪.LIU Susu.ZHAN Lamin.DAI Jiexue 1-30MHz传输线变压器巴伦的设计期刊论文-计算机与数字工程 2012(2)
