传输线变压器设计原理

传输线变压器兼具了集总参数变压器与传输线的优点体积小、功率容量大工作频带可以达到10个倍频程以上特别是在HF／VHF／UHF 频段因其宽带、小型化、低损耗的优点特别突出而被广泛应用随着电子技术的快速发展传输线技术平衡馈电器的应用也日趋广泛结构不断更新以适应不同的应用场合。

传输线变压器（Balun）可以实现阻抗变换和平衡转换2个功能从这一角度把它叫做平衡馈电器更合适。其设计包括电路结构设计、磁芯材料设计2大部分。电路参数设计包括确定电路结构、计算传输线特性阻抗以及确定传输线长度等。磁芯材料设计包括磁芯的参数、外型和尺寸等。

2.1、传输线变压器电路结构设计

图1 所示为一种1∶4不平衡／平衡传输线变压器结构其中L1、L2为一对平行并绕线圈。这是一种输入端并联、输出端串联的4端口网络实现从低阻抗到高阻抗的阻抗变换以及不平衡／平衡转换。根据该电路的传输线方程容易得出这一电路结构的最佳传输条件为：

图8 1：4非平衡/平衡传输线平衡馈电器结构示意

传输线长度通常取lmax ≤0∙1λmin传输线的特性阻抗应等于Z0正确地选择Z0是成功设计传输线变压器重要步骤当Rg＝50ΩRL ＝200Ω时Z0＝100Ω。

这种结构的特点是只需要一对传输线、一个磁芯结构紧凑、体积小在短波频段是一种很好的选择。但是这种电路结构上具有一定的非对称性所以当βl 较大时其输出端点电压的平衡度将有所下降在这种情况下可采用2对传输线、2个磁芯（或1个双孔磁芯）的对称结构。

2.2、磁芯材料设计

表征传输线变压器特性的主要技术指标是传输损耗、反射损耗及带宽如果说正确的电路设计是实现技术指标的前提那么品质优良的磁芯材料则是器件得以实用化的关键。

当然在低功率情况下对于磁芯材料要求不高而且低Q 值材料（高损耗）总是一种好的选择可以获得好的驻波性能设计时可侧重于电路结构的紧凑与小型化。

然而高功率应用时由于传输功率高因损耗引起的温升会给器件特性带来显著影响。因此要保证器件稳定工作合理地设计磁芯材料参数就显得非常重要需要考虑的磁芯参数主要有：

① 截至频率fr：传输损耗是随着入射能量频率而变化的当入射频率达到fr 时复数磁导率将随频率剧烈变化对于大功率情况工作频率一定要低于或远低于fr；

② 临界场：当入射的射频场强度增加到一定的程度tanδm 将急剧上升即达到所谓的临界场必须保证磁芯的临界场高于入射的射频场；

③ Q 值：这一参数的选择与器件的传输损耗与驻波系数密切相关其相互依赖关系可由式（2）、（3）近似表示：

式中AT、Ar 分别为传输损耗与回波损耗；Rg 为输入阻抗；ω＝2πf 为信号的圆频率；L0 为空心绕组电感。为了分析问题方便通常定义ωL0μ′／Rg 为并联感抗系数。

分析式（2）、（3）可得：

① 当tanδm 一定传输损耗AT 随着并联感抗系数的增加而减小但当并联感抗系数大于4传输损耗AT 并联感抗系数的减小趋于平缓。因此工程上一般取为并联感抗系数为4～8在此基础上再增加此值对于减小传输损耗没有明显的作用。而对于一定的并联感抗系数AT 随tanδm 的减小而减小也就是说材料的Q 值愈高传输损耗愈小；

② 当tanδm 一定回波损耗Ar 随着并联感抗系数的增加而增加对于一定的并联感抗系数Ar 随tanδm 的减小而减小也就是说tanδm 大、Q 值低时更容易获得好的匹配特性。

2.3、磁芯形状的考虑

传输线变压器的带宽系数fmax／fmin 正比于Lp／llp 为磁化电感l 为传输线长度。也就是说带宽系数的大小与绕组单位线长的电感的大小成正比。因此选择磁导率大的磁芯材料将有助于带宽特性的提高；当材料确定以后磁芯材料的尺寸也与带宽系数相关。对于矩形截面的磁芯有：

对式（4）求极值可以得出当d2／d1 一定且当h＝1/2（ d2－d1），也就是磁路截面为正方形时可以获得最大的带宽系数。

在高功率传输线变压器的设计中电路结构与磁芯材料的设计是实现设计技术指标关键所在。就传输损耗以及与反射损耗对于磁芯Q 值的依赖关系而言Q 值越高传输损耗越小但驻波系数指标会随之下降；反之磁芯的损耗大、Q 值低时更容易实现优良阻抗匹配。所以在低功率的情况下往往选择损耗大、Q 值低的磁芯。当传输功率较大时就要控制磁芯损耗在保证阻抗匹配的前提下适当提高Q 值从而获得稳定的传输性能