传输线变压器和双线线圈简介

　　当今的磁耦合变压器在相对较大的频率范围内表现出不超过1 dB的损失，从几个KHz到200 MHz以上。传输线变压器可以提供较宽的带宽，仅损失仅为0.02至0.04 dB。这使它们成为RF功率放大器等应用的选择，其中必须高带宽，低损坏的变压器。
　　我们将从传输线变压器的基本概念的概述开始本文。之后，我们将探索比菲拉尔线圈的属性，这是传输线变压器的重要组成块。然后，我们将研究甘蓝1：1 Balun，以此为例，说明如何安排双层线圈以构建RF变压器。在文章的结尾，我们将简要审查Balun现实世界中的一些传输线。
　　定义传输线变压器
　　尽管有时将其模型为集结组件，但实际上分布了变压器的寄生电容。图1的左侧部分说明了交互电容的分布性质。当我们在其侧面翻转该图（图1的右侧）时，它开始类似于用于建模RF传输线的无限阶梯网络。

　　变压器的交互电容作为分布式组件的模型。该模型在其侧面翻转，类似于一个无限的梯子网络。

　　图1。间隙电容是一个分布式组件（左）。将变压器视为传输线（右）。
　　为了进行比较，无限阶梯网络模型在图2中复制。

　　传输线的无限梯子网络模型。

　　图2。传输线的无限梯子网络模型。
　　由于交互电容的分布性质，似乎我们可以将变压器视为传输线。这样做更改输入和输出端口定义。从这个角度来看，交互电容和泄漏电感不再是非理想性。相反，它们是电路的关键部分。
　　在文章的后面，我们将使用此结构来构建基本的Balun。但是，即使在这样做之前，我们也可以认识到建模相互作用电容的综合效果以及作为传输线的特性阻抗的综合效果所产生的优势，即特征阻抗不会限制电路的高频响应。
　　将其绕组视为传输线的变压器类型被称为传输线变压器。在潜水之前，让我们首先检查传输线变压器的常用构建块-Bifilar线圈。
　　双线圈
　　双线线圈（图3）由两个紧密间隔的平行线组成。可以使用以下任何一个构建绕组：
　　电线对。
　　一对扭曲。
　　同轴线。

　　电线通常在公共周围缠绕，该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和输出端口之间的低频隔离，而不是作为能量传递的介质。

　　双子座线圈。
　　图3。Bifilar线圈。
　　我们将使用图3中的线圈检查两种不同类型的输入的电路响应：
　　奇数激发：也称为差分激发。两个导体中的电流在大小上等于但方向相反。
　　偶数激发：也称为共同模式激发。电流的大小相等，并且具有相同的方向。
　　奇数激发
　　图4说明了带有i o电流的奇数激发。

　　双线圈的奇数激发。

　　图4。双层线圈的奇数激发。
　　电流（I O）应用于红色绕组的左端（点1）。从蓝色绕组的左端绘制相同的电流（点2）。尽管图中未显示，但我们可以假设线圈的另一端（点3和4）连接到适当的载荷，使我们能够在整个线圈中具有奇数激发。
　　为了确定芯内诱导的磁场的方向，我们可以应用右手规则：如果我们将右手的拇指指向电流的方向，则我们的手指卷曲在相应的磁场方向的方向上。在图4中，由红色和蓝色线圈产生的磁场分别以红色和蓝线为代表，是在相反方向上定向的。
　　由于两个线圈在相反的方向上产生相等的磁场，因此理想情况下应在芯内没有净磁场。换句话说，对于奇数电流，线圈之间没有磁耦合。取而代之的是，双线线圈等同于与电线相同长度的传输线。
　　偶数激发

　　使用偶数电流，事情的起作用有所不同。两个绕组产生的磁场处于相位和相等的幅度。这会产生强烈的磁场，从而导致线圈之间的强耦合。对于偶数激发，双纤维线圈因此起到了较大的电感作用。

　　图5显示了一个具有i e的均匀模式电流的双层线圈。该比菲拉线圈的共同模式输入阻抗非常高，尤其是在低频率下，可以预期磁芯可以提高电感。偶数信号使通电；奇数激发没有。因此，在高频下，对于共同模式信号，损失要高得多。
　　双线圈的偶数激发。
　　图5。双线圈的偶数激发。
　　双线圈的等效电路模型
　　图6显示了我们一直在检查的比菲拉线圈的等效电路。它使用两个理想的变压器对偶数和奇数电流的响应进行建模。

　　双线圈的等效电路模型。

　　图6。双线圈的等效电路模型。
　　奇数电流：
　　通过变压器t 1。
　　向下行驶传输线。
　　通过变压器t 2在输出处显示为差分信号。
　　偶数电流：
　　从t 1的中心水龙头中流出。
　　通过电感（L）。
　　将变压器t 2作为共同模式信号退出。
　　如果来自均匀模式启动的电感足够大，我们可以假设偶数电流可忽略不计，并且只有奇数电流才能流过双层线圈。此观察是了解某些传输线变压器类型的操作的关键。
　　传输线变压器频率范围的下限取决于其绕组的自我电感。根据经验，绕组以操作频率产生的电抗应比源或负载阻抗的三到五倍，以较大者为准。
　　比较传统和传输线变压器
　　常规变压器需要在初级和次级线圈之间进行磁耦合。这就是为什么在这种类型的变压器中，能量传递取决于线圈之间的相互感应和磁通量的键。由于传输线变压器通过传输线动作传输能量，而不是磁通量链接，因此能量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类型的操作的基本差异。
　　传输线变压器和常规变压器通常使用磁芯，但出于不同的原因。在传输线变压器中，的目的是增加输入和输出端口之间的低频隔离。与传统的变压器不同，传输线变压器无法在输入和输出之间提供任何DC隔离。
　　基于双齿线圈的传输线Balun

　　既然我们已经有了相关的概念，那么让我们看一个实用的例子，说明如何使用比菲拉尔线圈来构建RF Balun。图7中的电路可以追溯到古斯塔夫·瓜尼拉（Gustav Guanella）的1944年纸，被称为甘没有1：1 Balun。

　　甘油1：1 Balun。

　　图7。基本的传输线Balun（Guanella 1：1 Balun）。
　　理想情况下，只有奇数电流才能流过电路的绕组。这意味着差异电流出现在输出处，从而导致两个负载电阻的相同电压。请注意，总体载荷电阻（R L）分为两个R L /2电阻，中心点连接到地面。这在输出之间产生180度相位差，这是Balun功能所需的。
　　我们还可以使用浮动负载（图8），而不是将负载接地。

　　1：1传输线Balun带有浮动负载。

　　图8。带有浮动负载的传输线Balun。
　　该电路的任何一个版本都充当3 dB功率分隔器，输出之间具有180度相位差，这就是为什么该结构有时称为“反相功率分离器”的原因。为避免反思，必须满足阻抗匹配条件：
　　rs=z0=rl
　　其中z 0是用于双线圈的传输线的特征阻抗。
　　RF应用中的Baluns
　　Baluns在图9中的推动力功率放大器（PA）的操作中起着至关重要的作用。此拓扑需要两个偏置运行180度的晶体管；因此，应用于晶体管的信号是差异（平衡）。但是，信号源是单端（不平衡）。

　　变压器耦合的推力功率放大器。

　　图9。基本的变压器耦合推力放大器。
　　为了在平衡和不平衡信号之间进行转换，我们使用Baluns。推扣配置需要输入Balun才能产生馈送到晶体管的差分信号，以及一个输出balun来重新组合晶体管产生的信号。 Baluns需要具有一个带宽，与实现的Push-Pull PA的带宽相当甚至更宽。尽管图9中的Baluns是磁耦合的，但我们在上一篇文章中讨论的非理想行为使传输线Baluns成为更实用的选择。