传输线变压器 transmission line transformer

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1、Transmission Line Transformer传输线阻抗变换器又称为传输线变压器，它以传输线绕制在磁芯上而得名。这种阻抗变换器兼备了集总参数变压器和传输线的优点，因而可以做得体积小、功率容量大、工作频带相当宽(f max：f min10)。它除具有阻抗变换作用外，采用适当的连接方式还可以完成平衡一平衡、不平衡一不平衡、平衡一不平衡、不平衡一平衡的转换，在长、中、短波及超短波波段获得了广泛的应用。基本类型的传输线变压器阻抗变换比为 1：N 2 或 N2：1， N 为整数。通常是用一对双线传输线或扭纹的三线传输线绕在一个磁芯上，或是用两对传输线分别绕在两个磁芯上，经过适当的连接得到不同

2、阻抗变换比的平衡或不平衡输出的阻抗变换器，其工作原理基本相同，本节只对典型的传输线变压器进行分析。一、1：1 不平衡一平衡传输线变压器图 622 为 1：1 不平衡一平衡传输线变压器的结构示意图，它是将一对传输线绕制在一个适当型号的磁芯上而构成。为改善低频端特性，有时又增加一个平衡绕组，如图中的“56”绕组。图 623 为其原理图。设传输线特性阻抗为 ZC，其输出端接负载阻抗 RL，输入端接信号源(E 为电动势，R g为内阻) 。V l、I 1 和 V2、I 2 分别表示输入和输出端复数电压、电流。令负载开路时的初级阻抗以 Zp() 表示，此时，绕组 AO中的电流为称为激磁电流或磁化电流。在有

3、载的情况下，由于“12”和“34”是一对紧耦合的平衡传输线，因此， “34”线将通过与“12”线的耦合从电源获取电流。若耦合电流为 IC，则由传输线方程可得其中，l 为传输线长度， 为相位常数。因为电源输出电流 I1，是激磁电流 IP，与耦合电流 IC 之和，故有 ICI 1I P。由以上关系式，可以求出 Vl、I 1 和 V2、I 2 的方程式为其中上式表明，一个 1：1 不平衡一平衡传输线变压器的传输矩阵A，是由 3 个子矩阵组成的：第一个是 1：1 理想变压器的传输矩阵，第二个是阻抗为 ZP 的四端网络的传输矩阵，第三个是特性阻抗为 ZC、长度为 l 的传输线的传输矩阵。与A矩阵对应的等

4、效电路示于图 623(b)中。由图可见，1：1 理想变压器是无耗的，且与频率无关，对阻抗变换是无作用的。ZP 是负载开路时初级两端所呈现的阻抗，磁芯的作用主要表现在它对并联阻抗 ZP 或磁化电感 LP 的影响上，对工作频带及传输效率都有一定影响。为突出研究传输线的工作原理，暂不考虑 ZP-的影响即假定 IP0，则(642) 式可改写为端接条件为解上述方程式，得因假设传输线无耗，则电源输出功率为为使电源输出功率最大选择传输线特性阻抗 ZC，以使(618)式分母中 sin2l 的系数愈小愈好。令 由 出 M 取极小值的条件为并以 Z0 表示之，即Z0 称为最佳特性阻抗。取 RgR l，Z CZ 0

5、，则电源最大输出功率为相应的初级输入阻抗为以上说明，当满足最佳传输条件时，P 0P max，此时无幅频限制。需要进一步说明的是：这种传输线变压器的传输机理，主要是利用传输线的分布电感、分布电容来传递电磁能量的。确定传输线最佳特性阻抗 Z0 值，以使分布电感、分布电容得到最佳利用，从根本上克服了集总参数变压器因分布电容和漏感的影响而使工作频带高频端受限的痼疾，从而使传输线变压器得到了宽频带的应用。但在低频端时，若 l和 都是获得较小磁芯损耗的条件。在某些应用中，必须考虑传输线阻抗变换器相移的大小。根据相移的定义(tg 等于负载电压的虚部与实部之比)，并由图 633 的等效电路可以推出通常要求相移

6、很小，故可取显然，若从减小传输线阻抗变换器相移的角度考虑，在磁芯材料的 一定时， 愈大愈好。综合以上讨论，一船地说，若对传输损耗、反射损耗和相移同时都有较高要求时，最优的磁芯材料应该是 tg m1 的材料；提高 值对改善传输损耗、反射损耗和相移等指标都是有利的，磁芯材料的选择要根据具体情况特别是功率大小，作具体分析。关于磁芯尺寸的选择，在宽频带、大功率、上限工作频率较高以及制作中传输线持性阻抗偏离最佳值较远的不利条件下，特别要注意磁芯尺寸的确定。要考虑到磁芯所能承受的功率容量、磁芯最大磁感应强度 Bmax 的限制、所需磁化电感 LP 的大小以及绕组匝数N、传输线长度限制等因素，还有实际制作中散

7、热等问题。可参考有关资料进行设计计算。作为一个实例，介绍 253 型传输线阻抗变换器。主要技术指标：完成 50 450 阻抗变换及不平衡一平衡的转换；当平衡端接 450 负载电阻时，在轴入端同轴线上驻波比要求小于 1.1；工作频段为 230 MHz 功率容量为 1kw，结构上要求水密封，在+50 一-40环境中能正常工作。该阻抗变换器的结构图、原理固和线路固分别示于图 634中。整个结构防水密封于外径为 150 MM、高为 250 mm 的铝制圆筒中，筒的上、下两面各置有 1701706mm。的铝板以作固定用。上顶板没有对称输出的端子两端子与导体板(地)之间装有缝隙可调的避雷装置。下顶板有输入

8、端口，接 50 的同轴电缆。其内部结构如图 634(d)所示，它是用射频同轴线和多匝双线传输线共同绕在 4 层 905013mm3：的高频磁环上，组成宽频带传输线变压器，完成 1:9 阻抗变换及不平衡一平衡的转换作用。高频磁环的外侧用玻璃纤维板作支架具有机械强度高、耐热、绝缘性能好的优点。面积和高频磁环相当的铝支架，置于 4 层磁环的中心位置，加强支撑强度，也便于散热。(b)图为原理图，它是用 1：1 不平衡一平衡变换电路完成平衡转换的，用同轴线传输线作成 3匝绕组另外用相同长度、内外导体短接的同轴线作成平衡绕组，以改善低频端特性。1：9 阻抗变换采用的是平衡一平衡电路，为便于调整阻抗变换比，传输线除绕在磁环上外，还串接有空心绕组 L01 及空心线圈 L02：等。绕组导线的外面套以聚四氟乙烯套管，具有耐高温、绝缘性能好、高频损耗小的优点。为改善高、低频端特性，还并、串联有电容器，它们都是频率补偿元件如(c)图所示。