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寬帶RF阻抗變壓器的設計

作者: 時間:2014-03-04 來源:網絡 收藏

若在變壓器中使用絞合傳輸線,通過改變傳輸線單元長度的絞合次數,可以調節特性阻抗,使之最適合于所需要的通帶。單位長度絞合次數增加,特性阻抗將減小。

本文引用地址:http://www.cqxgywz.com/article/259555.htm

  圖4中,對于優化和非優化的特性阻抗值,都把插損看作k的函數。相比采用了優化特性阻抗的情況,特性阻抗非優化時,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(Advanced Design System)計算機輔助工程(CAE)軟件套件對性能進行仿真,同時用商用微波矢量網絡分析儀(VNA)對設計原型進行測量。分析結果顯示了負載功率和 源功率之間的關系。

  為了測定變壓器的低頻響應,必需知道鐵氧體磁芯的特性,因為電感因子Al與特定頻率有關。除此之外,還需獲知源的內 部阻抗(Rg),這樣設計人員可以求得低頻截止頻率(fi),然后運用公式4就能夠計算出所需要的初級線圈匝數(Np)。要確定高頻響應,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)和負載阻抗(Rc)值,就可以根 據公式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)和傳輸線的實際特性阻抗Zo,就有可能計算出傳播速度 (vp)和相位因子(β)。利用實際的特性阻抗值Zo,它和Zopt之間的差就可以確定,最后求出fs下的插損。圖4顯示了如何通過實際特性阻抗(Zo) 和插損求得k值。已知k、vp和fs值,就可以可通過下式計算出達到以往規格所需的傳輸線長度(l):

  

   MathWorks的MATLAB數學分析軟件曾被用來分析這種變壓器器件模型的響應。分析中,把單獨的低頻(公式1)響應和高頻(公式5)響應的插損 響應結合在了一起。將所需的目標值代入MATLAB公式,可獲得寬帶變壓器的最終響應。為了執行MATLAB模型數值響應的電氣仿真,使用了建模軟件。該軟件有一個很有用的內部源模型,稱為XFERRUTH,其變量參數包括匝數(N)、電感因子(AL)、傳輸線特性阻抗(Z)、傳輸線電氣長度 (E),以及計算傳輸線長度所需要的參考頻率(F)。

  

  為了對變壓器響應進行散射參數(S參數)仿真,采用它的S_Param建模器,按照規定的步長和刻度步長調節初始(開始)的和最終(停止)的掃頻頻率。源和負載阻抗由一個阻抗值為Z的、被稱為Term的特殊終端表示。圖5所示為ADS仿真中所用的電路。

   測量在Advantest的一個商用VNA,300kHz至3.8GHz模型R3765CG上進行。這個分析儀配有50Ω端接阻抗的非平衡測試端口。由 于寬帶unun阻抗變壓器具有非平衡終端,轉換比率為1:4,為了讓該器件與測試設備相匹配,需要另一個轉換比率為4:1的器件來執行阻抗轉換。圖6和圖 7顯示了所有的終端連接。測試終端和所有用于VNA的線纜都經過校準,以最大限度地減少它們出現錯誤的可能性。插損和通帶響應利用表示為對數幅值形式的傳 輸系數S21來分析。

  

  

   我們對幾種測量條件下的分析式(MATLAB)、數值式(ADS)和實驗模型的結果進行了比較。實驗中采用了Sontag Componentes Eletronicos的環形鐵氧體磁芯模型E1003C5。它的幾何和電磁數據包括10mm的外直徑、5mm的內直徑,3mm的寬度,11的相對磁導率 (μr),以及4.2nH/匝數2的電感因子(Al)。該模型專門用于500kHz~50MHz的頻率范圍。每厘米傳輸線長度絞合次數為5,使用 30AWG導體傳輸線。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。對于50Ω的源阻抗,根據公式8,最佳特性阻抗值必然為100Ω,意味著0.38倍的關系。這種偏差和3dB插損下的k值為0.2207。

  

  



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