传输线变压器设计
设计要求
传输线变压器和其它元器件一样,其设计依据是用户提出技术要求,然而,假如用户对传输线变压器缺乏一定了解,那么要提出合理技术要求是困难.为此,在介绍设计方法之前有必需先对变压器技术要求作部分说明.
在通常情况下,电子变压器技术要求应包含这么部分内容:输入和输出阻抗大小,馈电方法,和讯号相关内容(比如频率范围,功率容量,脉冲波还是连续波)负载特点,许可波形或幅度和相位改变程度和许可失配程度等.现分述以下:
输入和输出阻抗
在变压器技术要求中,假如仅仅提阻抗比要求是不够,必需具体指明输入阻抗和输出阻抗大小.因为对于一定阻抗比,比如1:4,能够是50欧姆和200欧姆之比,等等.而在传输线变压器中,所用传输线最好特征阻抗和具体阻抗变换相关,即和输入阻抗和输出阻抗大小相关.对于50欧姆1:4双线传输线变压器,传输线最好特征阻抗为100欧姆1:4双线传输线变压器,传输线最好特征阻抗为100欧姆.而对于75欧姆和300欧姆变换,传输线最好阻抗为150欧姆.另外,为了确定变压器磁化电感大小,还必需知道输入阻抗或输出阻抗,国在磁化电感大小是和输入阻抗或输阻抗成正比.比如,有两个变压器,在其它条件相同情况下,一个变压器阻抗比为12.5欧姆/50欧姆,另一个变压器阻抗比为125欧姆/500欧姆,即使全部是1:4阻抗变压器,然而它们所要求磁化电感却有很大差异,后全部是前全部10倍.一个变变压器性能好坏在很大程度上取决于所要求磁化电感大小,传输线特征阻抗和最好特征阻抗之比,所以,设计变压器大小,首先要明确阻抗变换是从多少欧姆变到多少欧姆,比如,在晶体管电路中用于级间耦合变压器,必需知道前级输出阻抗和后一级输入阻抗,短波通讯中发射机和天线之间匹配变压器,就应该知道发射机输出阻抗和天线(或馈线)输入阻抗.
极性变换
极性变换本身可看作是广义阻抗变换,因为它也是使两个不一样网络间匹配一个手段.变压器极性变换通常有四种:全相变换,不平衡-不平衡变换,不平衡-平衡变换和平衡-平衡变换.对于一定阻抗变换,当所要求极性变换形式不一样时,刚变换电路和传输线最好特征阻抗就不完全相同.比如,1:4不平衡-不平衡变换,通常采取双线传输线变换电路,而1:4不平衡-平衡变换,通常采取成对双线传输线变换电路或三线传输线1:4变换电路.所以,在变压器技术要求中除说明输入端和输出端阻抗以外,还应指明输入和输出端极性(即馈电方法).
负载特点
当包含不平衡-平衡变换时,在技术要求中应说明平衡端负载是否许可有实在接地点.因为有实在接地点变换电路能够有较大差异.比如1:1不平衡-平衡变换,假如平衡负载中心(或平衡电源中心)许可有实在接地点,则用简单双线传输线变压器就能够完成,不然还要附加平衡绕组或全部采取三线传输线变压器电路.所以,在技术要求中指明平衡负载中心是否许可有实在接地点,这能够使变压器设计师取得更多自由,从而有利于提升设计质量.
直流影响
在电子线路中常常是交,真流混杂,所以变压器就应注意是否有隔离直流要求,当有直流存在进,不仅变压器变换电路形式不一样,而且在设计进还应该注意因直流引发饱和问题.在第二章曾指出,磁芯饱和问题---磁导率随直流场改变,和工作频率高低相关,在通常情况下,工作频率越低,磁芯饱和问题就越严重.所以,对于低频变压器,直流大小要尤其引发注意.
功率容量
习惯上,假如未指明功率容量要求全部是指低功率.假如有功率容量要求(对于短波为瓦级以上)应具体指明容量大小.变压器设计,尤其是磁芯材料厂,尺寸选择和传输线材料,尺寸选择和功率容量大小有亲密关系.
传输参数
变压器功效能够归结为能在电源和负载之间提供匹配级联.而且为了衡量匹配程度,由它引
发损耗大小和相位改变,需要引入部分参数,这些参数是
传输损耗(有效损耗)
（分贝）
式中T为传输参数.
插入损耗
（分贝）
对比以上两式不难看出,当电源输出阻抗和负载电阻相同时,插入损耗和传输损耗意义不一
样.变压器是用来做阻抗变换,在通常情况下变比或阻抗比不等于一,此时,若仍用插入损耗
来衡量变压器损耗,那么变压器损耗(用分贝表示)可能出现负载(现有增益).变压器是无源网
络,不可能有功率增益,所以,在衡量变压器损耗时用传输损耗比较合理,而用插入损耗表示
则轻易产生混淆.
反射损耗(回归损耗)
式中电压反射系数
其中Z和Z为在网络某处分别向电源和负载端看输入阻抗,若用电压驻波系数ρ表示,则反射
损耗
反射损耗、电压驻波系数和电压反射系数全部是表征失配程度参数,因为这些参数相互间
全部有一定关系,故在通常技术要求中只给出其中一个就能够了。
在通常设计手册中给出电压驻波系数、电压反射系数和传输损耗列线图,传输损耗仅指因为反射引发损耗,不包含因传输网络内存在有功损耗元件所引发损耗。所以用户在给出传输线变压器技术指标时应注意其合理性。
相移是指信号经过变压器网络后相位改变。射初始信号相位为零,则经过变压器网络后相移角φ由下式确定:
在不平衡-平衡变换中还有相位平衡度和幅度平衡度要求。幅度平衡度
相位平衡度通常不用分贝表示,而直接用平衡端相移角差表示。
以上所讨论变压器四种关键参数,即传输损耗（或插入损耗）,反射损耗（或电压反射系数、或电压驻波系数）,相移和平衡度,在变压器使用过程中,有对这四个参数全部有所要求,有只对其中多个有要求。假如不是必需,无须对所以参数全部提要求,不然有可能会使关键指标水平降低。
变换电路选择
设计传输线变压器,首先要依据设计要求选择变换电路。表3-1是十多个可供使用变换电路聚集。每一个变换电路全部有各自特点。 现就多种电路特点分别加以说明。
表1基础变换电路聚集
实际传输线变压器传输损耗关键由两部分组成,变换电路本身传输损耗和因为并联电感（磁化电感）不等于无穷大所引发损耗。所谓变换电路本身传输损耗是指没有电损耗和磁损耗
时,由变压器电路频率特征所造成损耗。实际应用中传输线变压器,要求传输损耗比较小,
也即变换电路本身传输损耗和并联电感损耗全部必需较小,这种情况下实际变压器传输系
数和传输损耗可分别表示为:
T= T1T2 (4-8)
AT= 10lgT1+ 10lgT2 （4-9）
式中 T1-----并联电感传输系数
T2-----变换电路本身传输系数
多个变换电路T1值和T2值列在表3-1中。
表3-1中序号1是1:1 隔直变换,传输线最好特征阻抗为,因为该变换初级或次级绕组内
有直流经过,直流产生磁场有可能使磁芯可逆磁导率下降,所以有可能使电感值下降。
序号2是1:-1（倒相）变换,其中上图为传输线（扭绞双线或同轴线）绕在磁芯上结构形
式,下图为磁环套在同轴线上结构形式。相对而言,后一个形式适适用于高频率,如几百兆
连续波、毫微秒量级脉冲波。
序号3有两种变换电路,其上图多半是作不平衡-平衡变换,负载中心不一定要有实在接地
点。比如,不平衡电源输出和平衡天线之间匹配,因平衡天线中心没有实在接地点,所以能
够用这种电路来完成匹配。下图通常是用来作平衡—不平衡变换,比如平衡接收天线和不
平衡接收机之间匹配就可由它来完成。
序号5和6全部是双线1:4 变换,它们在结构上差异仅仅是接地点不一样。但看成不平衡—
平衡变换时,其平衡度不如三线和成正确1:4 不平衡-平衡变换好,它优点是结构简单,制
作方便,尺寸小。双线1:4 变换多半用来作不平衡电路级间耦合。
序号7和8全部是成对双线1:4 平衡-平衡变换,其中7是传输线绕在同一磁芯上（只用一个
磁芯）,序号8是磁芯分别套在两根同轴线上结构形式。
序号9也是成对双线1:4 变换,和序号7比较多了一接地点,而且是由两根传输线分别绕
在两个磁芯（或双孔磁芯）上组成,其并联电感为序号71/4。所以在其它条件相同情况下,
序号9低频响应和并联电感损耗不如序号7,不过序号7只能用来做平衡-平衡变换,而不
能作不平衡-平衡变换,调整序号9接地点,则能够用来做多种极性1:4 变换。它关键优点
是在作不平衡-平衡变换时有很好平衡度。
序号10、12和序号4、11、13、15全部是三线传输线变压器,其中序号10和12为偶模
变换,其它四种为奇模变换。它们中一些变换,其功效和双线传输线变压器相同,但这些相
同功效变换之间仍是有差异,关键表现在以下多个方面:
在磁芯和传输线相同情况下,并联电感不一样,所以并联电感传输系数。
最好传输条件不一样。
传输线长度不一样。比如序号14和15全部是1:9 不平衡-不平衡变换,前者许可用
较长传输线,以后者许可使用传输线较短。或说,当传输线长度相同时,前者上限频率较高,
后者上限频率较低。但序号14要用两个磁芯,而序号15只需用一个磁芯。
表3-1中还有是将磁环套在传输线上结构形式,也有是传输线绕在磁环上结构形式。这两
种结构在本质上没有太大差异,因为磁环套在传输线上可看成是传输线在磁环上绕一匝结
构形式。当然它们之间还有一定差异,比如将磁环套在传输线上结构形式,传输线绕组分
布电容小,而传输线绕在磁环上,因为传输线形成了线圈所以绕组分布电容大。分布电容
小是取得较高上限频率关键条件,所以,将磁环套在传输线上结构形式适适用于作较高频率
阻抗变换,不过因为较难取得较大并联电感,所以不适于低频应用。
以上列举了传输线变压器多种变换电路和关键差异,具体不一样参考《射频铁氧体宽带器件》
【1】读者可依据具体设计要求做出选择。
传输线特征阻抗计算
概述
为了达成宽频带目标,绕制变压器用传输线特征阻抗应尽可能地满足最好值要求,假如偏离
最好值,那么多种传输线变压器将受传输线长度或工作频率,偏离越大则越厉害。
所以,设计传输线变压器关键是选择或设计适宜传输线。
绕制传输线变压器传输线关键有同轴电缆、扭绞双线、 平行双线、 带状线,她们全部是双
线传输线。还有一个是多股扭绞线,如由三根单线扭绞成三线传输线,这类线称为耦合传
输线。
a.无损耗同轴电缆特征阻抗
式中,D, d 分别是同轴电缆外导体内径、内导体外径;为内外导体间介质相对磁导率; 是
介质相对介电常数。
b.带状传输线阻抗
式中,h-带状线支撑介质厚度,b-带状线宽度
c.扭绞双线特征阻抗
式中,D-单线直径; d-单线导体直径
下表给出了常见扭绞双线部分基础参数:
磁芯选择
由上一章传输线变压器原理可知,由磁芯引发传输损耗总是随频率上升而下降,最终趋于仅和克常数相关恒定值。所以,假如在频带低端能满足传输损耗要求,那么在高于这一下限频率下传输损耗也一定能满足要求。由此得出对磁芯基础要求是初始磁导率高,也高。为便于工程设计,本节将给出不一样指标对材料技术要求差异,方便依据不一样应用、不一样要求去合理地选择需要铁氧体材料。 本节另一个内容,是依据变压器设计要求及既定材料参数（和）μ来确定磁化电感大小,并给出部分设计参考图表,最终将对宽带变压器磁芯最好尺寸做一简明介绍。
磁芯材料选择
对磁芯材料要求关键取决于变压器容量,同时考虑其相关传输损耗、反射损耗、 相移及磁芯材料磁导率和 、 损耗角正切 (/ )。
宽带变压器传输损耗为:
式中, —电源内阻;L0—空心线圈电感;
式中,N--匝数;h--磁环高度;d1、d2—磁环内、外径尺寸（cm）
宽带变压器反射损耗为:
3．宽带变压器相移为:
（弧度）
需要说明三点:
其一,提升磁芯磁导率对于改善传输损耗、反射损耗和相移全部是有宜。
其二,对磁芯材料以上讨论仅仅适适用于低功率,对高功率不完全适用。
其三,同时满足传输损耗、反射损耗和相移技术要求最好材料是损耗很大（）材料而不是低
损耗（）材料,因为传输损耗在工程应用中,相差几十倍是能够接收,然而在匹配和相移有
要求应用中,损耗小材料显著比损耗大材料差,后者足以满足应用要求,而前者是勉强,甚
至无法使用。
所以,在传输损耗、反射损耗和相移同时有要求时,最优变压器磁芯材料是材料。
磁芯尺寸选择
在下列情况下,传输线变压器磁芯尺寸有一定要求:
1.频带尤其宽,比如相对带宽为10倍频程以上;
2.功率容量较大时,比如在短波段连续波功率为1千瓦以上;
3.上限工作频率较高,在几百兆以上,或脉冲很窄,为毫微秒量级;
4.实际传输线特征阻抗偏离要求最好值要求较远。
在以上章节指出,传输线变压器带通上限频率受传输线长度l,这种可表示为:
下限频率受并联电感 ,表示为
带宽系数
/
上式表示变压器带宽系数大小和绕组单位线电感大小成百分比。当绕组线长和磁芯材料一
定时,以电感量最大磁芯尺寸为最好,当材料一定时,以达成相同电感量最短线磁芯尺寸为
最好。这是检验设计、 比较磁芯好坏一个关键标准。
磁芯磁路中气隙将使磁导率（和）下降,尤其是高磁导率材料下降得更厉害。所以,从宽
频带考虑宜采取无气隙闭磁路磁芯。常见是矩形截面环形（单孔）磁芯和双孔磁芯,下面
就这两种磁芯最好尺寸作下介绍。
矩形截面环形磁芯电感
式中d2、d1和h分别为磁环外径、内径和高度,μ为磁导率,N 为匝数。绕一匝线长为
设绕组线长为l,则这种磁芯电感为
将上式代入式
/能够看出,当d1趋于零时,带宽系数/趋于无穷大,但这是不可能,所以磁芯必
需穿线。故磁芯内径d1要有一定大小。假如(d2/d1)是一定,则由上式可得/取极大值条
件为
这表示当磁环内外径一定时,若磁环高是能够调整,那么以环高等于环壁厚度时尺寸为最好,也即单位线长电感最大。这是因为当环高等于壁厚时,磁路截面是正方形,在矩形截面中以正方形单位周长面积最大,而电感大小是和磁路截面大小成正比。
双孔磁芯电感为
式中N为绕在双孔磁芯中心臂上绕组匝数。绕一匝线长
不难看出,在尺寸相同条件下,双孔磁芯电感两量比单孔磁芯大一倍,而绕一匝线长增加不到一倍。所以双孔磁芯单位线长电感量要比单孔大,所以在理论上双孔磁芯变压器有可能取得更大带宽。
在理论上双孔磁芯含有单位长电感量大优点,或说,满足既定电感量要求线长可短些。这意味着,对于一定下限频率,双孔磁芯变压器上限频率能够做更高些。不过在实际选择双孔磁芯时要注意一个问题,变压器绕组只有绕在双孔磁芯公共臂上才含有上述优点,而公共臂尺寸是很小,所能绕匝数也不多,电感量上不去,所以,双孔磁芯通常只适宜作下限频率较高宽带变压器磁芯。应该指出是,在有场所采取双孔磁芯并不是利用它单位线长电感大优点,而是把它看成两个磁芯用,其目标是为了节省空间和便于固定,和确保两个磁芯性能一致。
实际设计制作过程
依据参考文件[2]中设计一个用于脉冲调制短波功率变压器中给出技术指标要求
阻抗变换:75 欧姆-300欧姆（均为不平衡）
频率范围:5MHz-60MHz
传输损耗:小于0.2
电压驻波系数:小于等于1.4
平均功率:200W
因为本设计有多个变换电路可选择,所以作者设计两种方案:一是根据文件所提供采样最简
单双线绞绕方法进行设计制作,二是采取三线并绕以取得正确电感量方法。
方法一
变换电路选择:
由技术指标要求可见它是一个1:4 不平衡变换。在图3中序号5、10、13等电路全部能
够完成这种变换,这里选择最简单序号5电路。
变压器参数计算:
特征阻抗Z
技术指标要求=75欧姆, =300 欧姆,故双线传输线含有最好特征阻抗
Z= 150 欧姆
B．计算传输线长度L
由传输损耗,双线长度大致限定在1/8λ之内。而上限频率为 =60MHz,所以
=62.5cm
式,C=3×1010cm/s 电磁波传输速率。
C．计算平均电压
因为平均功率P=200W,可计算出和联络波等效平均电压V
D．计算磁芯磁路截面积和匝数N最小乘积
E．选择磁芯和计算电感值和匝数N
依据≥7.8cm2和经验,本设计可初步选择d2=5cm,d1=3cm,h=1cm 矩形截面磁环。该磁环磁
路截面积=1cm2,平均磁路长度=12.6cm.而磁芯材料选择低损耗镍锌铁氧体。
计算电感值需要查表取得传输损耗、电压驻波系数等。 经查表可见,传输损耗在0.2dB以
下时要求
式中,ω=2π×5×106; =75 欧姆; =100
其空心电感L0为
所以,依据并联电感要求匝数N为
N≥8.7匝
为使和连续波等效平均磁感强度在70高斯以下,要求≥7.8,已知磁芯截面积=1cm2,
故N≥7.8匝.此匝数应低于由并联电感确定8.7匝.故本设计取匝数N=9,按磁芯尺寸,绕9
匝传输线长度为36cm,没有超出最大传输线长度.
方法二
变换电路选择:
由技术指标可知,阻抗变换比为1:4, 采取三线传输线绕制,本文采取序号10绕制方法,在
磁芯上采取并绕,引线是将线扭绞后引出。
变压器参数计算:
特征阻抗Z
技术指标要求=75欧姆, =300欧姆,故三线传输线偶模特征阻抗含有和序号5相同最好特
征阻抗
Z0e= 150 欧姆
B．计算传输线长度L
依据所计算得到电感值L=1.42μH,无须刻意套用公式,而是以电感值为准,利用万用
表测量,当取得对应电感时剪断传输线。
C．计算平均电压
因为平均功率P=200W,可计算出和联络波等效平均电压V
D．选择磁芯和计算电感值和匝数N
本文中采取磁芯材料选择低损耗镍锌铁氧体,磁导率为10k,这能够确保愈加好频带要求。
磁芯尺寸为内、外径分别为4cm、6cm,高为1cm。
匝数N为96匝。
测试
传输线变压器经过一段同轴线和网络分析仪探头相连,因为同轴线很短,所以变压器输入阻
抗近似为同轴线始端输入阻抗,误差能够忽略不计,在传输线变压器输出端接300欧姆负载,
试验测试,此传输线变压器能够完成75欧姆到300欧姆阻抗变换