了解磁耦合RF变压器的非理想性输电线变压器和分支线圈介绍

了解如何使用双线圈设计高频射频应用的变压器。

实现射频变压器有两种基本方法：磁耦合变压器和传输线变压器。磁耦合变压器，我们在上一篇文章中已经讨论过，使用磁通连接将能量传输到输出。传输线变压器依靠电磁波通过传输线传输能量至输出。

今天的磁耦合变压器在相对宽的频率范围内显示出不超过1dB的损耗，从几kHz到超过200MHz。传输线变压器可以提供更宽的带宽，其损耗仅为0.02至0.04dB。这使得它们成为RF功率放大器等应用的绝佳选择，其中必须使用高带宽、低损耗的变压器。

我们将从输电线路变压器的基本概念概述开始本文。然后，我们将探讨双极线圈的特性，它是传输线变压器的重要组成部分。然后我们将以Guanella 1:1平衡转换器为例，说明如何设置双极线圈来构建射频变压器。在本文的最后，我们将简要回顾一些传输线巴伦在实际中的应用。

确定输电线路变压器

虽然有时被建模为集总组件，但实际上变压器的寄生电容是分布的。图1左侧部分说明了绕组间电容的分布特性。当我们翻转该图的一侧（图1的右侧部分）时，它开始类似于用于模拟射频传输线的无限梯形网络。

作为分布式组件的变压器绕组间电容模型。模型侧翻转，就像一个无限梯形网络。

图1。绕组间电容为分布分量（左）。将变压器视为传输线（右）。

为了进行比较，无限梯形网络模型如图2所示。

输电无限网络模型。

图2。输电无限网络模型。

由于绕组间电容的分布性质，我们似乎可以将变压器当作传输线处理。这样做会更改输入端口和输出端口的定义。从这个角度来看，绕组间电容和漏感不再是非理想的。相反，它们是电路的关键部分。

在本文的后面，我们将使用这个结构来构建一个基本的平衡巴伦。然而，即使在这样做之前，我们也可以认识到将绕组间电容和泄漏电感的组合效应建模为传输线的特性阻抗的优点，即特性阻抗不会限制电路的高频响应。

将其绕组作为传输线处理的变压器的类型被适当地称为传输线变压器。在深入研究之前，让我们首先检查一个常用的传输线变压器的构建块-双线圈。

双分支线圈

双线圈（图3）由两条紧密间隔的平行电线组成。绕组可采用以下任意一种制造方法：

一对电线。

一对双绞线。

一条同轴线。

电线通常缠绕在一个共同的磁芯上，磁芯可以是铁氧体或非磁性的。传输线变压器使用磁芯来增加输入端口和输出端口之间的低频隔离，而不是作为能量传输的介质。

一个双线圈。

图3一个双线圈

我们将使用图3中的线圈来检查两种不同类型输入的电路响应：

奇模激励：也称为差分励磁。两根导线中的电流大小相等但方向相反。

偶模激励：又称共模励磁。电流大小相等，方向相同。

奇数模式励磁

图4展示了电流为io的奇数模式励磁。

双极线圈的奇模励磁。

图4双极线圈的奇模励磁

电流（io）施加到红色绕组（点1）的左端。相同的电流从蓝色绕组（点2）的左端抽取。虽然图中未示出，但我们可以假设线圈的另一端（点3和点4）连接到适当的负载，这允许我们在整个线圈中具有奇数模式激励。

为了确定堆芯内部感应磁场的方向，我们可以应用右手定律：如果我们右手的拇指指向电流的方向，我们的手指会向相应磁场的方向卷曲。在图4中，红色和蓝色线圈产生的磁场（图中分别用红色和蓝色线表示）朝向相反的方向。

因为这两个线圈在相反的方向产生相等的磁场，所以理想情况下铁芯内部不应有净磁场。换句话说，对于奇数模式的电流，线圈之间没有磁耦合。相反，双线圈相当于与电线相同长度的传输线。

均匀模式励磁

在均匀模式电流下，情况会有所不同。两个绕组产生的磁场同相且大小相等。这会产生强磁场，导致线圈之间的强耦合。因此，对于均模励磁，双极线圈起到了大电感的作用。

图5显示了具有均模电流（即）的双极线圈。该双极线圈的共模输入阻抗非常高，尤其是在低频下，预期磁芯会提高电感。均匀模式信号为堆芯通电；。因此，在高频下，共模信号的损耗要高得多。

双股线圈的均匀励磁。

图5双股线圈的均匀励磁。

分支线圈的等效电路模型

图6显示了我们所检查的双极线圈的等效电路。它使用两个理想的变压器来模拟偶模和奇模电流的响应。

双线等效电路模型。

图6双线圈的等效电路模型。

奇模电流：

通过变压器T2在输出端出现差分信号。

均模电流：

流出中心的流量。

流过电感L流过流过流过流过电感L流过流过流过流过流过流过电感L流过。

退出变压器T2作为共模信号。

如果偶模励磁的电感足够大，我们可以假设偶模电流可以忽略不计，只有奇模电流可以流过双极线圈。观察结果是了解某些输电线路变压器类型运行的关键。

传输线变压器的频率范围下限由其绕组的自感确定。根据经验，绕组在最低运行频率下产生的电抗应比源阻抗或负载阻抗大3-5倍，以较大者为准。

传统变压器和输电线路变压器的比较

传统的变压器需要一次线圈和二次线圈之间的磁耦合。这就是为什么在这种类型的变压器中，能量传输依赖于线圈之间的互感和磁通量的联系。由于传输线变压器是通过传输线的作用而不是通过磁通链传递能量的，所以能量的传递取决于传输线的特性阻抗和传播常数。这代表了两种变压器运行的根本差异。

输电线路变压器和传统变压器都通常使用磁芯，但有不同的原因。在传输线变压器中，核心的目的在于增加输入端口和输出端口之间的低频隔离。与传统的变压器不同，传输线变压器不能在输入和输出之间提供任何直流隔离。

基于双分支线圈的传输线平衡子

现在我们已经有了相关的概念，让我们来看一个如何使用双极线圈来构建射频平衡转换器的实际例子。图7中的电路可以追溯到1944年古斯塔夫·古内拉（Gustav Guanella）的一篇论文，被称为古内拉1:1巴伦。

图7一种基本的传输线巴伦（关涅拉1:1巴伦）。

理想情况下，只有奇数模式的电流能够流过电路的绕组。这意味着在输出端出现差分电流，导致两个负载电阻之间产生相同的电压。注意，总负载电阻（RL）分为两个RL/2电阻，并且中心点接地。这在输出之间产生了180度的相位差，这是平衡变换器功能所需的。

我们也可以使用浮动负载（图8），而不是在负载的中心点接地负载。

1:1带浮动负载的传输线平衡平衡转换器。

图8带负载的传输线平衡平衡转换器。

任何一种电路都用作3dB功率分配器，输出之间具有180度的相位差，这就是为什么这种结构有时被称为“逆相功率分配器”。为了避免反射，必须满足阻抗匹配条件：

式中Z0为用于双线圈的传输线的特性阻抗。

射频应用中的传输线平衡子

平衡摆在推挽式功率放大器（PA）的工作中起着至关重要的作用，如图9所示。这种拓扑结构要求两个晶体管工作180度异相；施加到晶体管并且由晶体管产生的信号因此是差分的（平衡的）。然而，信号源和最终输出为单端（不平衡）。

一种变压器耦合推挽式功率放大器。

图9一种基本的变压器耦合推挽式功率放大器。

为了在平衡和不平衡信号之间进行转换，我们使用平衡-不平衡转换器。推挽式配置需要输入巴伦以产生馈送到晶体管的差分信号，并且需要输出巴伦以重新组合由晶体管产生的信号。平衡-不平衡变换器需要具有与正在实施的推挽式PA的带宽相当或甚至更宽的带宽。由于我们在上一篇文章中讨论的非理想行为，这意味着使用传输线平衡-不平衡转换器。

平衡摆也用于许多其他类型的装置，包括：

•天线。

•倍频器。

•混合器。

差分ADC驱动电路。

巴伦的哪些性能最重要取决于用途。例如，推挽式PA需要具有低损耗的巴伦，但具有良好相位平衡的巴伦对于平衡式混合器可能更重要。

传输线变压器为实现射频变压器（包括平衡不平衡转换器）提供了一个智能的解决方案。本文介绍了如何应用双线圈来创建一个简单的传输线变压器。我们将在后面的文章中探讨传输线变压器的几种其他配置。