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宽带RF阻抗变压器的设计

来源:    作者:    发布时间:2014-12-01 14:35:58    浏览量:
电感器封装

尽管三组结果是由不同的方法求出的,但它们彼此吻合良好。分析(MATLAB)和数值(ADS)模型获得的响应与实验获得的响应(VNA测量值)比 较起来十分接近。利用分析和数值方法获得的值近似相等,但与实验结果相比有少许差异。最好的解释是,理论模型没有把变压器结构中所采用的各元件的复杂特性 完全考虑在内,而是按照几乎“理想”的元件来建模的。

这些模型公式代表了一个线圈变压器的等效电路简化模型。最新研究表明,我们需要采用一种能够插件电感把电阻性和电抗性效应随频率和匝数增加的变化考虑在内的更精密的模型。

这些先进的模型还考虑到了匝间电容的影响,这种影响会降低电感的自谐频率。不过,尽管如此,本文中的简化设计公式仍可以给出很有意义的结果,能够取代 1:4阻抗变压器设计中常常涉及到的更麻烦的经验式处理方法。正如这些简化公式所示,它们可用来设计频率范围很宽的(三个八度音阶)低插损、低成本变压器。

若在变压器中使用绞合传输线,通过改变传输线单元长度的绞合次数,可以调节特性阻抗,使之最适合于所需要的通带。单位长度绞合次数增加,特性阻抗将减小。

图4中,对于优化和非优化的特性阻抗值,都把插损看作k的函数。相比采用了优化特性阻抗的情况,特性阻抗非优化时,插损增加,带宽减小。于是,使用绞合传输线很容易获得最佳特性阻抗值。

为了比较,我们使用了Agilent Technologies公司的ADS(Advanced Design System)计算机辅助工程(CAE)软件套件对性能进行仿真,同时用商用微波矢量网络分析仪(VNA)对设计原型进行测量。分析结果显示了负载功率和 源功率之间的关系。

为了测定变压器的低频响应,必需知道铁氧体磁芯的特性,因为电感因子Al与特定频率有关。除此之外,还需获知源的内 部阻抗(Rg),这样设计人员可以求得低频截止频率(fi),然后运用公式4就能够计算出所需要的初级线圈匝数(Np)升压电感。要确定高频响应,需要知道传输线 在所需要的工作频率上的一些特性值,比如特性阻抗(Zo),传播速度(vp),以及相位因子(β)。有了源阻抗值(Rg)和负载阻抗(Rc)值,就可以根 据公式6求出特性阻抗(Zopt)的最佳理论值。知道了传输线的各特性值,高频截止频率(fs)和传输线的实际特性阻抗Zo,就有可能计算出传播速度 (vp)和相位因子(β)。利用实际的特性阻抗值Zo,它和Zopt之间的差就可以确定,最后求出fs下的插损。图4显示了如何通过实际特性阻抗(Zo) 和插损求得k值。已知k、vp和fs值,就可以可通过下式计算出达到以往规格所需的传输线长度(l):

MathWorks的MATLAB数学分析软件曾被用来分析这种变压器器件模型的响应。分析中,把单独的低频(公式1)响应和高频(公式5)响应的插损 响应结合在了一起。将所需的目标值代入MATLAB公式,可获得宽带变压器的最终响应。为了执行MATLAB模型数值响应的电气仿真,使用了ADS建模软件。该软件有一个很有用的内部源模型,称为XFERRUTH,其变量参数包括匝数(N)、电感因子(AL)、传输线特性阻抗(Z)、传输线电气长度 (E),以及计算传输线长度所需要的参考频率(F)。

为了对变压器响应进行散射参数(S参数)仿真,ADS采用它的S_Param建模器,按照规定的步长和刻度步长调节初始(开始)的和最终(停止)的扫频频率。源和负载阻抗由一个阻抗值为Z的、被称为Term的特殊终端表示。图5所示为ADS仿真中所用的电路。

测量在Advantest的一个商用VNA,300kHz至3.8GHz模型R3765CG上进行。这个分析仪配有50Ω端接阻抗的非平衡测试端口。由 于宽带unun阻抗变压器具有非平衡终端,转换比率为1:4,为了让该器件与测试设备相匹配,需要功率电感器另一个转换比率为4:1的器件来执行阻抗转换。图6和图 7显示了所有的终端连接。测试终端和所有用于VNA的线缆都经过校准,以最大限度地减少它们出现错误的可能性。插损和通带响应利用表示为对数幅值形式的传 输系数S21来分析。

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