基于傳輸線變壓器四路功率分配器的設計

郭灑

摘 要：基于傳輸線變壓器的功率分配器具有頻帶寬、應用體積小、損耗小等優點，在短波、超短波通信中占有重要地位。文中基于傳輸線變壓器基本理論，通過分析阻抗變換網絡和功率分配網絡，利用鐵氧體磁芯設計一款頻率為

3～400 MHz超寬頻帶的四路功率分配器，插入損耗<1.2 dB，電壓駐波比≤1.2，隔離度>20 dB。研究結果對傳輸線變壓器系列器件設計具有一定的參考價值。

關鍵詞：傳輸線變壓器；功率分配；阻抗變換；超寬頻帶

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）08-00-02

0 引 言

傳輸線變壓器可分為兩類：一類是由片上電感構成的片上集成傳輸線變壓器；另一類由傳輸線（扭絞雙線、三線和同軸線）繞在磁芯上構成。傳輸線變壓器是集中參數變壓器和分布參數傳輸線段阻抗變換器結合的產物[1-2]，既吸收了分布參數傳輸線段變換器能在高頻工作的長處，又保持了集中參數變壓器尺寸小、相對帶寬大的優點，在射頻和微波器件中得到越來越廣泛的應用[3]。

本文基于傳輸線變壓器基本理論，設計和實現了一款基于鐵氧體磁芯的超寬帶四路功率分配器（以下傳輸線變壓器結構均為磁芯繞制）。

由于該類器件尺寸、成本以及電特性都優于分布參數功率分配器，同時在饋電網絡和功率放大電路中有著廣泛的應用，因此具有很高的商業價值和軍事價值。

1 功率分配器的工作原理

傳輸線變壓器是一種較為理想的寬帶耦合及匹配器件，在高頻磁環上纏繞一組或幾組傳輸線，能量通過傳輸線的分布電容、分布電感以及電磁能量交換的形式傳送，改善了高頻特性，同時具有較大的功率容量[4]。

根據傳輸線變壓器原理分析可知，功率分配器可由阻抗變換單元和功率分配單元組成。

阻抗變換單元采用基本的傳輸線變壓器結構——Ruthroff結構的雙線傳輸線變壓器[4-5]。本文設計主要分析4∶1阻抗變換器，該變換器將雙線繞制在高頻鐵氧體磁環上而構成，等效電路如圖1所示。

根據傳輸線理論以及基爾霍夫定律可知，該雙線傳輸線變壓器高頻最佳傳輸條件如下：

（1）

功率分配單元采用雙線功率分配，功率分配單元電路如圖2所示。

為了獲得最大的隔離度，需滿足以下關系：

（2）

式中：Rba為隔離電阻；Lba為分離端之間（孤立）的電感；fmin為下限頻率；T為分離端隔離度（隔離度一般大于20 dB）。

同時需要滿足傳輸線變壓器的最佳傳輸條件，在實現阻抗匹配的同時減小反射損耗。傳輸線最佳傳輸條件如下

所示：

（3）

式中：Z0為傳輸線特性阻抗；l為傳輸線的長度；λ為傳輸的信號波長。

2 四路功率分配器設計

輸入端和分配端均采用50 Ω SMA接頭作為端口。輸入端口阻抗為50 Ω，經4∶1阻抗變換器后，阻抗變為12.5 Ω，待經過第一個功率分配單元后阻抗變為25 Ω，兩個端口各自加一個功率分配單元阻抗，變為50 Ω，以此實現四路功率分配器。電路結構如圖3所示。

其中：Rba1，Rba2為隔離電阻；C1，C2為補償電容。

添加補償電容可顯著改善電路的高頻特性[8]。在ADS仿真中可發現，加入補償電容后高頻時功率分配器的隔離度和電壓駐波比都能得到明顯改善。

設計采用NiZn低損耗鐵氧體環形磁芯，μt=800，磁芯外直徑d2=4 mm，內直徑d1=2 mm，高度h=3 mm。絞扭雙線外徑為0.14 mm，內徑為0.13 mm。所以磁芯的截面積Ae=（d2-d1）·h/2=3 mm2，平均磁路長度le=π（d2+d1）/2=9.42 mm。

在相對較低的頻率下，傳輸線變壓器以普通變壓器模式工作[1]。根據基本電路理論，磁芯的磁導率對傳輸損耗和反射損耗的影響如下：

（4）

（5）

通過磁芯的插入損耗和電壓駐波比可計算出阻抗變換單元中的線圈匝數。由傳輸損耗小于1.5可知ωL0μ'≥38.923；由電壓駐波比小于1.2可知ωL0μ'≥140。可近似計算出N≈4.1=4。因此所需線圈匝數為4匝，傳輸線的長度

l=N（d2-d1+2h）=32 mm，滿足傳輸線的最佳傳輸條件，進而計算功率分配單元中的線圈匝數：

（6）

式中：Rba為平衡電阻；fmin為頻率下限值；T為分離端隔離比。由此可知，對于第一個功率分配單元可計算Lba≈

3.4×10-6 H，匝數N=3；對于第二個功率分配單元可計算Lba≈6.8×10-6 H，匝數N=4。通過驗算，傳輸線長度均滿足傳輸線最佳傳輸條件。實測中測得的電壓駐波比和隔離度也滿足要求，分別如圖4、圖5所示。

3 結 語

本文從傳輸線變壓器的理論出發，分析功率分配器的結構和基本原理。通過對功率分配器的組成、所需磁芯的尺寸、功率分配器中線圈的匝數等進行具體分析，設計了一款超寬帶四路功率分配器，性能穩定，效果良好。

參考文獻

[1]張紀綱.射頻鐵氧體寬帶器件[M].北京：科學出版社，1986：90-95.

[2] ROTHOLZ E. Transmission-Line transformers[J]. Microwave theory and techniques，IEEE transactions on，1981，29（4）：327-331.

[3] GUANELLA G. New method of impedance matching in radio frequency circuit[J]. Brown-Boveri review，1944，31：125-127.

[4] WALKER J L B. Classic works in RF engineering combiners，Couplers，Transformers and magnetic materials[M].London，Boston：Artech House，2006.

[5]張嘉毫，孟進，李毅.基于傳輸線變壓器的超短波功分器電容補償原理[J].強激光與粒子束，2015，27（7）：115-121.

[6] ORAIZI H，SHARIFI A R. Design and optimization of broadband asymmetrical multisection wilkinson power divider[J].IEEE，2006，54（5）：2220-2231.

[7] RUTHROFF C L. Some broad-band transformers[J]. Proceedings of the IRE，1959，47（8）： 1337-1342.

[8] SEVICK J.A simplified analysis of the broadband transmission line transformer[J]. High frequency electronics，2004，3（2）：48-53.

[9]牛忠霞，張秀鋼，杜曉燕.三種傳輸線變壓器巴侖的最佳傳輸條件和傳輸損耗的分析[J].現代電子技術，2003，26（17）：94-97.

[10]陳肖燕.短波寬帶高功率傳輸線變壓器設計[J].無線電工程，2006，36（10）：51-53.