三种1:4传输线变压器巴伦的分析

满足多模多馈天线系统匹配要求的传输线变压器巴仑有:双线传输线变压器( 见图1) 、三线传输线变压器( 见图4) 和四线传输线变压器( 见图5) 。尽管3 者的结构不同, 但都可实现1∶4 阻抗变换和不平衡-平衡转换。下面就应用电报方程对它们的阻抗变换特性和输出平衡特性进行分析。

1.1、双线巴伦的分析

双线1∶4 传输线变压器巴仑是将一根传输线绕在一个磁芯上制成的。图1 所示等效模型的传输线方程( 假设传输线无耗, 即r =jβ) :

图3 双线1:4传输线变压器巴伦的等效模型

把变压器看作是一个二端口网络, 可以写出其Z 参数矩阵:

根据网络原理，其输入、输出阻抗分别为：

所以：

图4 双线传输线变压器巴伦的输入阻抗

图5 双线传输线变压器的输出阻抗

输出平衡度也是巴伦的主要指标之一。图3所示巴伦的输出电压的幅度和相位平衡度为：

因为，cos⁡(βl)≤1,所以在一般情况下有Ua<Ud，这就表明，负载RL两端电压的幅度始终是不平衡的，只有当βl≪1时，Ua<Ud才成立。

对于输出电压而言, 相位平衡与幅度平衡一样重要。由图3 和式( 7) , 输出端e 与输入端的a 电位相同, 两者无相位差。另一个输出端d 相对于输入端a 作了倒相变换, 即理想情况下( βl =0) d端与a 端电位幅度相同, 相位差180°。但由于实际变压器的βl ≠0, d 端与a 端的相位差将偏离180°。所以, 输出端电压的相位一般也不平衡。

1.2、三线巴伦的分析

三线1∶4 传输线变压器巴仑是将一根三线传输线绕在一个磁芯上制成的。图4 中, 3 条线的电位成等位分布, 所以空间相对电场成偶对称分布,其中ac 、ec′为偶对称线, bd 为对称中心线, 此时为偶模变换。

图6 三线1:4传输线变压器巴伦的等效模型

在理想情况下, ec′、bd 上的电流近似相等。根据电磁学理论, 馈以相同电流的平行线之间不存在电流耦合, 因此对于近似理想的三线变压器, ec′、bd 的电流耦合很弱, 所以可将三线的问题当作一对互不影响的传输线来分析。

图6中三线的传输线方程：

上式中，Zac为传输线ac、ec的特性阻抗，Zoe为偶模特性阻抗。

其Z参数矩阵为：

所以输入、输出阻抗分别为：

从结构上看，三线巴伦近似对称，所以输出可认为是平衡的。

1.3、四线巴伦的分析

四线结构的1∶4 传输线变压器巴仑是将两根相同的传输线绕在两个一样的磁芯( 或一个双孔磁芯) 上制成的。如果将两根传输线都绕在同一磁芯上, 就会出现绕组短路, 那么变压器将产生全反射而失去变换功能, 所以四线巴仑必须用两个磁芯。

图7 四线1:4传输线变压器巴伦的等效模型

由于两条传输线相同, 所以只要写出一条线的传输线方程就可以。图5 所示等效模型中的一条线传输线方程为:

其输入、输出阻抗分别为：

图7中，输出端e 相对于输入端a 相位发生了变化, 但变化大小与d 、a之间偏离180°的大小相同, 也就是说, 若上面的传输线相移为α, 则下面的传输线的相移为180°+α。所以, 图5 中的巴仑的输出始终是平衡的。

1.4、三种1:4传输线变压器分析

从结构上看, 四线巴仑结构最复杂, 且尺寸较大。由于其结构完全对称, 输出始终是平衡的, 所以平衡度最好。双线巴仑结构简单但不对称, 其平衡度受传输线长度、频率等影响。而三线巴仑的结构近似对称, 其输出也可认为是平衡的。

双线和四线巴仑中的传输线均是孤立的双线,其空间电场结构仅与双线本身有关, 而与所传输的信号无关, 因而其分布电容、特性阻抗等传输参量只与线本身有关, 也就是说, 对于既定的传输线其传输参量是固定的。然而三线巴仑中, 其空间电场结构除与线本身有关外, 还与线上的电位分布有关。这说明了三线中由任意两根线组成的传输线,其特性阻抗不仅与另一根线的存在有关, 还与这根线的相对电位的高低有关, 因此三线中任意两线间的特性阻抗一般是不同的。尽管三线巴仑的分析非常复杂, 但实验证明, 在许多情况下用三线比用双线的频带要宽[ 2] 。

在相同情况下, 四线比其它两种结构多用一个磁芯, 这使得四线更适合大功率传输。另外, 在相同条件下, 四线的并联电感与双线的一样, 而磁芯却多用一个, 所以四线结构一般用于高频阻抗变换, 而不适于低频阻抗变换。当然, 除了阻抗变换特性和输出平衡特性外,还要考虑巴仑的传输损耗、功率容量等参数, 由此才能根据天线的匹配要求, 选择适当的巴仑。