传输线变压器.doc

. 传输线阻抗变换器又称为传输线变压器，它以传输线绕制在磁芯上而得名。这种阻抗变换器兼备了集总参数变压器和传输线的优点，因而可以做得体积小、功率容量大、工作频带相当宽(fmax：fmin10)。它除具有阻抗变换作用外，采用适当的连接方式还可以完成平衡一平衡、不平衡一不平衡、平衡一不平衡、不平衡一平衡的转换，在长、中、短波及超短波波段获得了广泛的应用。基本类型的传输线变压器阻抗变换比为1：N2或N2：1，N为整数。通常是用一对双线传输线或扭纹的三线传输线绕在一个磁芯上，或是用两对传输线分别绕在两个磁芯上，经过适当的连接得到不同阻抗变换比的平衡或不平衡输出的阻抗变换器，其工作原理基本相同，本节只对典型的传输线变压器进行分析。一、 1：1不平衡一平衡传输线变压器 图622为1：1不平衡一平衡传输线变压器的结构示意图，它是将一对传输线绕制在一个适当型号的磁芯上而构成。为改善低频端特性，有时又增加一个平衡绕组，如图中的“56”绕组。图623为其原理图。设传输线特性阻抗为ZC，其输出端接负载阻抗RL，输入端接信号源(E为电动势，Rg为内阻)。Vl、I1和V2、I2分别表示输入和输出端复数电压、电流。令负载开路时的初级阻抗以Zp()表示，此时，绕组AO中的电流为称为激磁电流或磁化电流。在有载的情况下，由于“12”和“34”是一对紧耦合的平衡传输线，因此，“34”线将通过与“12”线的耦合从电源获取电流。若耦合电流为IC，则由传输线方程可得其中，l为传输线长度，为相位常数。因为电源输出电流I1，是激磁电流IP，与耦合电流IC之和，故有ICI1IP。由以上关系式，可以求出Vl、I1和V2、I2的方程式为其中上式表明，一个1：1不平衡一平衡传输线变压器的传输矩阵A，是由3个子矩阵组成的：第一个是1：1理想变压器的传输矩阵，第二个是阻抗为ZP的四端网络的传输矩阵，第三个是特性阻抗为ZC、长度为l的传输线的传输矩阵。与A矩阵对应的等效电路示于图623(b)中。由图可见，1：1理想变压器是无耗的，且与频率无关，对阻抗变换是无作用的。ZP是负载开路时初级两端所呈现的阻抗，磁芯的作用主要表现在它对并联阻抗ZP或磁化电感LP的影响上，对工作频带及传输效率都有一定影响。为突出研究传输线的工作原理，暂不考虑ZP-的影响即假定IP0，则(642)式可改写为端接条件为解上述方程式，得因假设传输线无耗，则电源输出功率为为使电源输出功率最大选择传输线特性阻抗ZC，以使(618)式分母中sin2l的系数愈小愈好。令由出M取极小值的条件为并以Z0表示之，即Z0称为最佳特性阻抗。取RgRl，ZCZ0，则电源最大输出功率为相应的初级输入阻抗为以上说明，当满足最佳传输条件时，P0Pmax，此时无幅频限制。 需要进一步说明的是：这种传输线变压器的传输机理，主要是利用传输线的分布电感、分布电容来传递电磁能量的。确定传输线最佳特性阻抗Z0值，以使分布电感、分布电容得到最佳利用，从根本上克服了集总参数变压器因分布电容和漏感的影响而使工作频带高频端受限的痼疾，从而使传输线变压器得到了宽频带的应用。但在低频端时，若l1，显然不再满足传输线的条件，而且实测也表明低频端电特性恶化。为了改善低频端特性，通常采用附加平衡绕组，如图623中的“56”绕组，即在高频磁环上，除一对双线并绕的绕组外，还有一个用相同线长反向绕制的绕组。当传输线变压器始端加上高频电源后，由于磁耦合效应，将在“56”绕组内感应高频电压，输出端子B与地之间的电压和输出端子C与地之间的电压大小相等，相位相反，其集总参数等效电路如图624所示。这种结构对扩展下限工作频率有较明显的效果，而在高频端，绕组“56”的作用因感抗增大而逐步退化。另外，前面所讨论的最佳传输条件只是保证电源有最大功率输出，并不能保证一定是平衡输出，因而可以通过调整平衡绕组来改善输出端的平衡度。图625是另一种结构的1：1传输线变压器，它是由两对相同的传输线绕在一个高频磁芯上构成的。实际制作时，可用一对传输线先在磁芯上绕一定匝数，然后在传输线中心处剪开并按图625连接即可。通过不同的接地点，可以得到几种平衡不平衡的变换方式。例如A和B点接地，B为输出端，则电路为不平衡一不平衡变换，如果A和B接地，B为输出端则为1：1的倒相变换，如果C和C接地，A和A为平衡输入端，B和B为平衡输出端，则为平衡一平衡变换。这种电路的最佳传输条件为满足上述条件时，电源输出功率最大，PmaxE24Rg。对此可作如下解释：图625中，上下两对传输线的输入端和输出端都是串联的，因此每对传输线的特性阻抗Z0必须是RL2(或Rg2)时才能保证匹配，从而获得宽频带特性。二、 1：4传输线阻抗变换器传输线变压器的一个主要应用，就是构成1：4或4：1宽带阻抗变换器。图626为1：4阻抗变换电路，其中(a)为不平衡一平衡变换，(b)为不平衡一不平衡变换。现以(a)图为例，分析其最佳传输条件。按图示的符号规定，列出传输线方程为端接条件为解方程组，得若传输线无耗，则电源输出功率为当频率较低时，将此条件代入(6419)式中，再对RL求导，而当频率较高时，l1条件不满足，(6419)式分母中sin2l项不能忽略。在保证低频特性的同时，为使高频段响应好，sin2l-的系数-愈小愈好。由求极值的方法得 0称为最佳特性阻抗，(6120)和(6121)式就称为最佳传输条件。此时电源输出功率为根据(6416)和(6417)式，求出低阻端输入阻抗为同理得出高阻端输入阻抗为由上式可见，当不满足l1的条件时，输入阻抗Zin和Zin分别偏离RL4和4Rg。此外，当传输线特性阻抗ZC偏离最佳值Z0，即kl时，也将使阻抗特性恶化。图627给出了以传输线特性阻抗ZC为参数，归一化输入阻抗(ZinZ0)随传输线电长度lg的变化曲线，g是传输线绕组中的实际波长。其中(a)图为阻抗的模值，(b)图为阻抗的相角；实线为理论计算值虚线为实测值。在低频端，实测的归一化阻抗模位严重下降且相位急剧增加，这主要是由于磁化电感在低频端电抗下降引起的。 定义电源最大输出功率Pmax（E24Rg）与一般情况下送至传输线变压器功率P0之比为传输系数T1，即若将满足最佳传输条件时的电源输出功率P0表示式代入上式中，则得对上式进行数值计算，得表63所示的数据。由表可见，若传输损耗限制为1dB，则传榆线最大长度应限制在g4以内。这种损耗仅仅是在l1条件不满足时，由于阻抗失配而引起的反射损耗，并未计入磁芯材料的损耗等。因此，实用的传输线长度还应取得小些，工程中以取lg1/8为宜。 图628给出了传输线特性阻抗ZC不等于最佳值Z0，传输损耗与lg的关系曲线。它是将(6419)式代入(6426)式中计算得出的。由图可见，在设计与制作传输线变压器时，应保证ZCZ0值，这一点是至关重要的。这种形式的传输线变压器的主要优点是结构简单、体积小，一对传输线只需绕在一个磁芯上，并可获得较好的宽领带特性。主要问题是：当l不是很小时，其输出端电压平衡度不太理想。由传输线方程可以求出参看固626(a)输出端子B与A点的电位相同，对地的电位为V1，而输出端子C对地的电位为一V2。当l和 都是获得较小磁芯损耗的条件。 在某些应用中，必须考虑传输线阻抗变换器相移的大小。根据相移的定义(tg等于负载电压的虚部与实部之比)，并由图633的等效电路可以推出通常要求相移很小，故可取显然，若从减小传输线阻抗变换器相移的角度考虑，在磁芯材料的一定时，愈大愈好。综合以上讨论，一船地说，若对传输损耗、反射损耗和相移同时都有较高要求时，最优的磁芯材料应该是tgm1的材料；提高值对改善传输损耗、反射损耗和相移等指标都是有利的，磁芯材料的选择要根据具体情况特别是功率大小，作具体分析。 关于磁芯尺寸的选择，在宽频带、大功率、上限工作频率较高以及制作中传输线持性阻抗偏离最佳值较远的不利条件下，特别要注意磁芯尺寸的确定。要考虑到磁芯所能承受的功率容量、磁芯最大磁感应强度Bmax的限制、所需磁化电感LP的大小以及绕组匝数N、传输线长度限制等因素，还有实际制作中散热等问题。可参考有关资料进行设计计算。 作为一个实例，介绍253型传输线阻抗变换器。主要技术指标：完成50 450阻抗变换及不平衡一平衡的转换；当平衡端接450 负载电阻时，在轴入端同轴线上驻波比要求小于1.1；工作频段为230 MHz功率容量为1kw，结构上要求水密封，在+50一-40环境中能正常工作。该阻抗变换器的结构图、原理固和线路固分别示于图634中。整个结构防水密封于外径为150 MM、高为250 mm的铝制圆筒中，筒的上、下两面各置有1701706mm。的铝板以作固定用。上顶板没有对称输出的端子两端子与导体板(地)之间装有缝隙可调的避雷装置。下顶板有输入端口，接50的同轴电缆。其内部结构如图634(d)所示，它是用射频同轴线和多匝双线传输线共同绕在4层905013mm3：的高频磁环上，组成宽频带传输线变压器，完成1:9阻抗变换及不平衡一平衡的转换作用。高频磁环的外侧用玻璃纤维板作支架具有机械强度高、耐热、绝缘性能好的优点。面积和高频磁环相当的铝支架，置于4层磁环的中心位置，加强支撑强度，也便于散热。(b)图为原理图，它是用1：1不平衡一平衡变换