传统变压器和传输线变压器之区别

传统变压器和传输线变压器的区别

1. 心得小结:

传统变压器,初次级间完全依赖磁传递能量；

传输线变压器,初次级间的线间电容与磁一起参与传递能量。这就是两种不同变压器的根本区别。道理是非常简单的:

从一个正弦波中我们可以清楚地看到,电压随时间变化最大的就是上升沿和 下降沿,这部分能量由初次级间的线间电容偶合传递;电压随时间变化最小的 就是顶部和底部,这部分能量通过磁偶合传递。

把一个正弦波分成两个不同途径来传递,这就是同样功率传输线变压器比传统变压器体积小的根本原因,也是传输线变压器线性特别好的根本原因。

传输线变压器就是将传输线绕成一个“电感”。由于其双线并绕，其双线间的特征阻抗维持不变。传输线变压器既具有变压器（1比1）特性，同样也具有传输线特性。具体就看你如何应用了。

传输线变压器再低频工作于变压器状态，利用磁场耦合，高频时工作于传输线状态，利用自身的分布参数。

2. 请详参下面的三篇关于传输线变压器分析设计的三篇论文：

2.1宽带传输线变压器的分析与设计

2.2 传输线变压器分析及方法改进

2.3 传输线变压器巴仑的分析

2001年12月第16卷　第4期　　电　波　科　学　学　报Vol.16,No.4　　　　CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCE　　　　　　　December,2001　　文章编号　100520388(2001)0420447204

宽带传输线变压器的分析与设计

高　雪　胡鸿飞　傅德民　刘其中　尹应增

(西安电子科技大学天线与电磁散射研究所,陕西西安710071)Ξ

摘要　研究了变换比为1∶n2(n为整数)等效电路模型,分析了其阻抗变换特性。,为30MHz～450MHz、变换比为1∶1.,变压器的一些结论TNB

Ananalysisanddesignofbroadband

transmission-linetransformer

GAOXue　HUHong-fei　FUDe-min　LIUQi-zhong　YINYing-zeng

(InstituteofAntennasandElectromagneticScattering,XidianUniversity,Xi’anShanxi710071,China)

2Abstract　Beginningwiththebroadbandtransmission2linetransformerwith1∶n

impedancetransformation,itsequivalentmodelwithmutualcouplingbetween

transmission2linestakenintoaccountisgiven,anditscharacteristicsforimpedance

transformationisanalyzed.Basedonitandthroughexperiment,thetransmission2line

transformerwith1∶1.6impedancetransformationatfrequency30MHz～450MHzis

designed.Someguidelinesinthedesignofbroadbandtransmission2linetransformer

withanyimpedancetransformationisobtained.

Keywords　transmission2linetransformer　broadband　impedancetransformation　

oxperimentalstudy

1　引言

　　随着天线宽带和超宽带技术的发展,要求天线

与馈线之间的阻抗匹配网络能够在宽带范围内稳定

工作,传输线变压器由于具有良好的高频和低频响

应而成为广泛应用的宽带匹配元件。1∶n2传输线

2]变压器的设计方案比较成熟[1、,当天线系统中需要

具有平衡——不平衡的转换及阻抗变换作用时,匹

配网络经常采用任意阻抗变换比(不一定是整数平

方倍)的传输线变压器[3

～6]。

本文首先研究了1∶n2传输线变压器,给出其2　1∶n2传输线变压器的基本关系以1∶4平衡—不平衡传输线变压器为例,其物理模型如图1所示,等效模型如图2所示[1],其中电感L 2和互感M的值同该系统的对称性有关。

等效电路模型和阻抗变换关系,然后通过实验调试

的方法,研制了宽频带、变换比为1∶1.6的传输线

变压器,并推广总结出设计任意变换比传输线变压

器的一些工程性结论。图1　传输线变压器的物理模型

Ξ收稿日期:2000212225

448电　波　科　学　学　报

jΞ 2(L 2+M)(A6-1)l+Z12第16卷(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)其中Λ=A图2　传输线变压器的等效模型1LC1-KΞ[cos(ΛL)-1](1-K)LA2=jΞ 2(L 2-M)=-1+ΛA3=jΞ 2(L 2+M)l=

=L(-Ib(0)　　由于在该模型中,两条传输线上的电流不等,因此分析时必须考虑对称和不对称结构的影响。到互感M是电流参考方向的函数,相同时,Lcoil=+2M;当电

流大小相等、,Lline=L-2M,其中Lline和Lcoil可以由实验所得的经

验公式直接给出[1]

(1)　　Lline=0.921Λ0log(d r)

22(2)　　Lcoil=ΛNrc 2R

其中l为电长度,Λ0为空气中磁导率,d为两绕线间

距,r为绕线的半径,rc为磁环的截面半径,R为磁

环半径,N为缠绕匝数,Λ为磁环媒质的磁导率。

根据图2等效模型中的电压与电流关系,可得

如下关系式

=(L 2)(K-1)+(L 2)(K-1)dzdtdt

(3)

(4)=-Cdzdt

(5)　　=-Cdtdt

(L 其中K=M 2)。把变压器看作是一个两端口网4)(A2-A3)A4+A6=(A2-A3)A4-(15)j 2A1[cos(Λl)-1](16)A1j 2[cos(Λl)+1]　　有了上述Zin的精确计算公式,就可以根据实验所用的负载阻抗Z1,来定量地改变Zin,从而改变变换比。3　任意变换比的传输线变压器研制任意变换比(不一定等于1∶n2)传输线变压器时,可在上述1∶n2变压器模型的基础上采用实验调试的方法,即先综合设计出与所要求变换比相近的整数平方倍数变换比的变压器,然后在此基础上适当增减绕组的圈数进行调试。本文在1∶4传输线变压器的基础上,设计了变换比为5∶8(1∶1.6)、工作频率为30MHz～450MHz的传输线变压器。3.1　设计及实验调试　　

络,则有

　　Zin=Z11-ZL+Z222(6)宽频带传输线变压器在频带内的阻抗变换比是制作和测量的主要参数。实验调试时,把ZL=nRg的负载端接在传输线变压器的负载端,通过测量输入端口的驻波比来检验输入端口的匹配情况。输入

端口的驻波比越接近1,阻抗变换比就越接近设计

值。

把直径为1mm的漆包线缠绕在内径为4mm、

外径为6mm的单磁环上,制成实验用的传输线变

压器。调试时改变如下参数:缠绕度(单位长度上所

缠绕的双漆包线的圈数)、缠绕方式(并绕、绞绕)、磁

环的磁导率、双漆包线的相互间距、不同特性阻抗的

漆包线长度。

为便于测量,传输线变压器是通过一段同轴线

与网络分析仪的探头相连的,由于同轴线很短

(5cm),远小于Κ.7cm),所以变压器的输入阻min(66

抗近似为同轴线始端的输入阻抗,它们之间的误差

可以忽略不计。测试线路如图3所示,主要的实验仪对式(3)～(5)求导,然后把时域变换到频域,并结合边界条件和初始条件,得Z11= I0=0Ii=-jA4(7)Z12= Ii=0I0=A4(8)Z22=(M-L 2)Z12L(1-M)(A6K) [cos(Λl)-1]+jΞ 2(L 2-+1)Λ+

第4期　　　　　　　　　　　高雪等:宽带传输线变压器的分析与设计

器有网络分析仪和在工作频率内阻抗稳定的电阻

。差。449

图3　测试线路图综上所述,可以认为,根据实验调试设计的变压器基本上满足工作要求。通过对任意变换比传输线变压器的实验研究,本文总结出一些工程性结论。(1)在1∶4传输线变压器的基础上制作1∶N

(N不一定等于n2),应基于长度

e=gRl2);

fmax限制,一般有lmax≈0.1Κmax;

(3)当绕制变压器的传输线短线的长度增大

时,变压器高端的驻波比也要增大;

(4)绕制变压器的两线之间的缠绕度对变换比

影响比较明显,较小的缠绕度可以使特性阻抗变大,

而且绞绕时的传输线特性阻抗要小于并绕时的特性

阻抗;

(5)选择磁芯要考虑变压器工作频带,在较高

频率应选择相对磁导率较大的磁性材料。3.2　测量结果及结论通过调整传输线变压器的上述参数,

[5],示。由图4可以看出,内,1.5,为1.82,MHz。由驻波曲线的趋势还可以推断出,低于30MHz或者高于450MHz的频率点,所对应的驻波比也应该在1.5左右,因此该种变压器具有较大的工作频率盈余度。

4　结论

本文首先分析了变换比为1∶n2的传输线变压

器,给出了考虑互耦的等效电路模型,得到了传输比

的计算公式及等效Z网络参数。然后以此为基础,

并参考影响1∶n2传输线变压器传输比的几个参量

和绕制方法,通过实验调试,设计出变换比为5∶8

(1∶1.6)的传输线变压器,该变压器可用于天线系

图4　输入阻抗和驻波比测量值

　　众所周知,理想变压器的输入阻抗应该是,实部

为508、虚部为08。由图4可以看出,测量得到的输

入阻抗在工作频带内,实部和虚部分别在508和

08的左右波动。实部最大值为828,最小值为178;统的匹配网络中。实验结果表明,选用通常的漆包线为材料,缠绕在具有适当磁导率的磁环上,可以制成任意变换比的宽带传输线变压器。最后,总结出有关设计的几点工程性结论。参考文献[1]　EnzoCarpentieri.ModelCharacterizesTransmission2

LineTransformers[J].Microwaves&RF,1996,35

(11):73～80.

[2]　王元坤等.线天线的宽频带技术[M].西安:西安电子虚部最大值为168,最小值为-29.58。在驻波最大值300MHz处,输入阻抗为61.3118-j29.2178。

实验调试时,应该考虑一些误差因素。

(1)由于传输线双导线在磁环上的缠绕疏密不

均匀,因而造成线圈之间的耦合度在不同的位置不

一致;

(2)由于漆包线的外层包有一层介质,因此实

验所用的传输线系统并不是均匀介质的传输系统;

(3)在宽频带范围内,负载电阻的阻抗值随着

频率有一定的变化;

(4)实验测量时,变压器的输入阻抗近似用同

轴线始端的输入阻抗来代替,两者之间有一定的误科技大学出版社,1982.[3]　宽带传输线平衡_不平衡变压器[R].四机部_九零九所,1975.[4]　俱新德.传输线变压器[M].西安:西北电讯工程学院出版社,1975.[5]　高雪.直立加载线天线的研究[D].西安:西安电子科技大学,1998.[6]　刘其中.宽带天线CAD[R].西安:西安电子科技大学,2000.

第4卷　第2期　　　　　　　　　信息工程大学学报　　　　　　　　　　Vol.4No.2　2003年6月　　　　　　JournalofInformationEngineeringUniversity　　　　　　　Jun.2003

传输线变压器巴仑的分析

杜晓燕1,牛忠霞1,周东方2,张秀钢1,朱　强1

(11信息工程大学信息工程学院,河南郑州450002;21浙江大学电信学院浙江杭州310022)

摘要:本文介绍了满足多模多馈天线系统匹配要求的3种传输线变压器巴仑,应用电报方程分析了它们的阻抗变换特性和输出平衡特性,为多模馈电网络的设计、建模和优化提供了理论基础。

关键词:传输线变压器;巴仑;多模馈电网络;电报方程

中图分类号:TN925　　　　文献标识码:A　　　文章编号:1671-0673(2003)-0075-03

AnalysisofTransmission2TDUXiao2yan,NIUZhong2xia2gang,ZHUQiang(InstituteofInformation,InUniversity,Zhengzhou450002,China)

Abstract:Thistransmission2linetransformerbaluns,whichcanmeettheneedmulti2feedantennasystem.Then,withtheapplicationoftransmis2sion2,itoananalysisforthesebaluns’characteristicsofimpedanceconvertingandoutputTheanalysisprovidesafavorabletheoreticalbaseforthedevice,modelandoptimiza2tionofmultimodefeednetwork.

Keywords:transmission2linetransformer;balun;multimodefeednetwork;transmission2lineequation

段阻抗变换器产生出来的。它既吸收了分布参数

1　引言

巴仑(balun:balanced2to2unbalancedtransformer)

是一种非常重要的无源器件。它不仅可以起到阻

抗变换的作用,而且可以实现某些天线馈电的不平

衡到平衡的转换。在无线电技术中,它广泛地应用

于双平衡混频器、推-挽放大器、倍频器和天线馈

电网络中。

由阻抗变换器和隔离器组成的多模馈电网

络[1],是多模多馈天线系统的关键。其中的阻抗变

换器是由1∶4不平衡-平衡传输线变压器组成的,

主要解决收发信机与天线的阻抗匹配和不平衡-

平衡转换的问题。根据其作用和特点,将其称为巴

仑更为恰当。

传输线变压器是从集总参数变压器和传输线

　　收稿日期:2003-01-20

　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(60071031)传输线段变换器能在高频工作的长处,又保持了集总参数变压器尺寸小、相对带宽大的优点,还可同时完成阻抗变换和不平衡-平衡转换。考虑到多模多馈天线系统的匹配特点,有3种结构的1∶4传输线变压器巴仑可满足其要求。本文介绍了这3种结构的传输线变压器巴仑,并应用电报方程分析了它们的阻抗变换特性和输出平衡特性,为多模馈电网络的设计、建模和优化提供了理论基础。2　3种1∶4传输线变压器巴仑的分析　　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

　　作者简介:杜晓燕(1975-),女,山东济南人,信息工程大学硕士研究生,主要研究微波网络与技术、互联网络子结构分析方法及其应用。

　信息工程大学学报　　　　　　　　　　　　　　　2003年76　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

5)。尽管3者的结构不同,但都可以实现1∶4阻抗所示巴仑的输出电压的幅度和相位平衡度为:

Udsin(βl)22+(cos(βl))2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。2.1　双线巴仑的分析

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=βj):

(1)Ii-Io=Iocos(βl)+jsin(βl)Z0

Ui=(Uo-Ui)cos(βl)+jIoZosin(βl)(2

)=Zsin(βl)(6)+1θ=(7)tg(βl)-arctgsin(βl)RLRL因为,cos(β1,所以在一般情况下有|Ua|l)≤

立。

对于输出电压而言,相位平衡与幅度平衡一样

重要。由图1和式(7),输出端e与输入端的a电

位相同,两者无相位差d相对于

输入端

a,(βl=0)d

a180°。但由于实际

0a端的相位差将偏离180°。l。

2.2　三线巴仑的分析

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1　双线1∶4传输线变压器巴仑的等效模型　　

Z参数矩阵:UiUsin(l=-(βl)1(βl)(βl)(1+cos(βl))　Ii-I(3),其输入、输出阻抗分别为　　　　Zin=z11-

　　　　Zout=Z22-

所以,

2(β)(β)Zin=RLsin(βl)-j

2Z0(1

+cos(βl)),RL+Z22。RL+Z11(4)

(5)Zout(β)((β))=Rgsin(βl)-jZ0cos(βl)2图4　三线1∶4传输线变压器巴仑的等效模型

图2　双线传输线变压器巴仑的输入阻抗　　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。

由文献[2]可写出图4中三线的传输线方程:

(8)U1-U2-Ud=j(I1-Ix-I2)Zacsin(βl)

I2=(I1-Ix-I2)cos(βl)

U1=-Udcos(βl)+jI2Zoesin(βl)(9)(10)

(11)图3　双线传输线变压器巴仑的输出阻抗I1-I2=I2cos(βl)+jUZoesin(βl)　　输出平衡度也是巴仑的主要指标之一。图1上式中,Zac为传输线ac、ec′的特性阻抗,Zoe为

第2期　　　　　　　　　　　　　　杜晓燕等:传输线变压器巴仑的分析　　　　　　　　　　　　　　　　77偶模特性阻抗。

其Z参数矩阵为:

U1

U=-sin(

βl)l)Zoecos(βZoe(1+cos(βl))l))Zoe(1+cos(β　2Zoe(1+cos(βl))+Zacsin2(βl　I1-I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。

(12)

所以输入、输出阻抗分别为:

Zin=

Zout=3　结束语这3种结构在一定程度上丰富了多模馈电网络的设计方法,为其优化提供了多种途径。

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,。

,,而与所传输的,、特性阻抗等传输参量,也就是说,对于既定的传输线其。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。参考文献:

[1]杨慎谦.短波多模多馈天线[J].电信技术研究,1994,8:

14-19.

[2]张纪纲.射频铁氧体宽带器件[M].北京:科学出版社,

1986.

[3]尹应增,夏静改.宽频带微带传输线巴仑的研究[J].电(β)(β)(β)2RLsin(βl)-j[2Zoe(1+cos(βl))+Zacsin(βl)](13)Zsin(βl)(Z-Zcos(βl))-jR[2Z

(1+cos(βl))+Zsin2(βl)]l)-jZoecos(βl)Rgsin(β(14)从结构上看,三线巴仑近似对称,所以输出可认为是平衡的。2.3　四线巴仑的分析四线结构的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,图

5　四线1∶4传输线变压器巴仑的等效模型　　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:I1=I2cos(βl)+jUI=sin(β

l)2Z0(15)(16)2cos(βl)+jI2sin(βl)其Z参数矩阵为:U1cos(βl)jZ2=-sin(βl)U1其输入、输出阻抗分别为:12cos(βl)　2I1-I2(17)cos(βl)Zin=RLsin(βl)-j2Z0(1+cos(βl))-jZout(β)((β))=Rgsin(βl)-jcos(βl)2Z2l)0sin(βRZ(18)(19)波科学学报,1999,2:191-195.

[4]赵凯华,陈熙谋.电磁学[M].北京:人民教育出版社,

1979.2图5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