传输线变压器

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 min>10)。

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：N2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6—22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“5—6”绕组。

图6—23为其原理图。

设传输线特性阻抗为Z C，其输出端接负载阻抗R L，输入端接信号源(E为电动势，R g 为内阻)。

V l、I1和V2、I2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Z p(ω)表示，此时，绕组AO’中的电流为称为激磁电流或磁化电流。

在有载的情况下，由于“1—2”和“3—4”是一对紧耦合的平衡传输线，因此，“3—4”线将通过与“1—2”线的耦合从电源获取电流。

若耦合电流为I C，则由传输线方程可得其中，l为传输线长度，β为相位常数。

因为电源输出电流I1，是激磁电流I P，与耦合电流I C之和，故有I C＝I1－I P。

由以上关系式，可以求出V l、I1和V2、I2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Z P的四端网络的传输矩阵，第三个是特性阻抗为Z C、长度为l的传输线的传输矩阵。

与[A]矩阵对应的等效电路示于图6—23(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。

Z P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Z P或磁化电感L P 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Z P-的影响．即假定I P＝0，则(6—4—2)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Z C，以使(6—1—8)式分母中sin2βl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R g＝R l，Z C＝Z0，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，P0＝P 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βl<<1，显然不再满足传输线的条件，而且实测也表明低频端电特性恶化。

为了改善低频端特性，通常采用附加平衡绕组，如图6—23中的“5—6”绕组，即在高频磁环上，除一对双线并绕的绕组外，还有一个用相同线长反向绕制的绕组。

当传输线变压器始端加上高频电源后，由于磁耦合效应，将在“5—6”绕组内感应高频电压，输出端子B与地之间的电压和输出端子C与地之间的电压大小相等，相位相反，其集总参数等效电路如图6—24所示。

这种结构对扩展下限工作频率有较明显的效果，而在高频端，绕组“5—6”的作用因感抗增大而逐步退化。

另外，前面所讨论的最佳传输条件只是保证电源有最大功率输出，并不能保证一定是平衡输出，因而可以通过调整平衡绕组来改善输出端的平衡度。

图6—25是另一种结构的1：1传输线变压器，它是由两对相同的传输线绕在一个高频磁芯上构成的。

实际制作时，可用一对传输线先在磁芯上绕一定匝数，然后在传输线中心处剪开并按图6—25连接即可。

通过不同的接地点，可以得到几种平衡－不平衡的变换方式。

例如A’和B点接地，B’为输出端，则电路为不平衡一不平衡变换，如果A’和B’接地，B为输出端．则为1：1的倒相变换，如果C和C’接地，A和A’为平衡输入端，B和B’为平衡输出端，则为平衡一平衡变换。

这种电路的最佳传输条件为满足上述条件时，电源输出功率最大，P max＝E2／4R g。

对此可作如下解释：图6—25中，上下两对传输线的输入端和输出端都是串联的，因此每对传输线的特性阻抗Z0必须是R L／2(或R g／2)时才能保证匹配，从而获得宽频带特性。

二、1：4传输线阻抗变换器传输线变压器的一个主要应用，就是构成1：4或4：1宽带阻抗变换器。

图6—26为1：4阻抗变换电路，其中(a)为不平衡一平衡变换，(b)为不平衡一不平衡变换。

现以(a)图为例，分析其最佳传输条件。

按图示的符号规定，列出传输线方程为端接条件为解方程组，得若传输线无耗，则电源输出功率为当频率较低时，，将此条件代入(6—4—19)式中，再对R L求导，而当频率较高时，βl<<1条件不满足，(6—4—19)式分母中sin2βl项不能忽略。

在保证低频特性的同时，为使高频段响应好，sin2βl-的系数——-愈小愈好。

由求极值的方法得0称为最佳特性阻抗，(6—1—20)和(6－1—21)式就称为最佳传输条件。

此时电源输出功率为根据(6—4—16)和(6—4—17)式，求出低阻端输入阻抗为同理得出高阻端输入阻抗为由上式可见，当不满足βl<<1的条件时，输入阻抗Z in和Z’in分别偏离R L／4和4R g。

此外，当传输线特性阻抗Z C偏离最佳值Z0，即k≠l时，也将使阻抗特性恶化。

图6—27给出了以传输线特性阻抗Z C为参数，归一化输入阻抗(Z in／Z0)随传输线电长度l／λg的变化曲线，λg是传输线绕组中的实际波长。

其中(a)图为阻抗的模值，(b)图为阻抗的相角；实线为理论计算值．虚线为实测值。

在低频端，实测的归一化阻抗模位严重下降且相位急剧增加，这主要是由于磁化电感在低频端电抗下降引起的。

定义电源最大输出功率P max（＝E2／4R g）与一般情况下送至传输线变压器功率P0之比为传输系数T1，即若将满足最佳传输条件时的电源输出功率P0表示式代入上式中，则得对上式进行数值计算，得表6—3所示的数据。

由表可见，若传输损耗限制为1dB，则传榆线最大长度应限制在λg／4以内。

这种损耗仅仅是在βl<<1条件不满足时，由于阻抗失配而引起的反射损耗，并未计入磁芯材料的损耗等。

因此，实用的传输线长度还应取得小些，工程中以取l／λg≤1/8为宜。

图6—28给出了传输线特性阻抗Z C不等于最佳值Z0，传输损耗与l／λg的关系曲线。

它是将(6—4—19)式代入(6—4—26)式中计算得出的。

由图可见，在设计与制作传输线变压器时，应保证Z C＝Z0值，这一点是至关重要的。

这种形式的传输线变压器的主要优点是结构简单、体积小，一对传输线只需绕在一个磁芯上，并可获得较好的宽领带特性。

主要问题是：当βl不是很小时，其输出端电压平衡度不太理想。

由传输线方程可以求出参看固6—26(a)．输出端子B与A点的电位相同，对地的电位为V1，而输出端子C对地的电位为一V2。

当βl<<1时．由(6—4—28)式可见，｜V1｜＝｜V2｜，相位相同，则B、C 端对地电位是平衡输出的。

当βl较大时，V2、V l幅度不等，而且由于传输线的相位滞后效应，使得V1、V2间有相位差，因而使B、C端的电压相位差偏离180°，平衡输出状态恶化。

为了有较好的平衡输出，传输线的长度必须限制在一定范围以内。

固6—26(b)的不平衡一不平衡电路，其最佳传输条件与(a)图相同，分析从略。

传输线变压器除上述形式外，还有一种性能更为优良的对称双线的结构形式。

仍以1：4阻抗变换比为例加以说明。

参看图6—29，(a)图是两对相同的传输线绕在同一磁芯上，它只能用作1：4平衡一平衡变换，(b)图是磁芯分别套在两根相同的同轴线上，作平衡一平衡或不以平衡一平衡变换用；(c)图是两对相同的传输线分别绕在两个相同的磁芯上，一般作1：4不平衡一平衡变换用。

这些电路的共同持点是结构上是对称的，因而有较好的平衡度。

利用传输线电流、电压方程以及端接条件，可以得出最佳传输条件为并且可以证明，在满足最佳传输条件的情况下，传输损耗、输入阻抗均与频率无关，这说明不存在传输线电长度的限制。

对此可作如下物理解释：在图6—29所示的结构中，两对传输线在电源端(低级端)是并联的，而在负载端(高阻端)则是串联的。

若传输线特性阻抗且与负载阻抗匹配，则传输线工作于行波状态．因而也保证了电源端阻抗匹配。

从理论上讲，行波工作状态是与l／λ无关的。

需要强调的是：图6—29(c)所示的不平衡一平衡变换必须使用两个磁芯，即两对传输线分别绕在两个相同的磁芯上，否则绕在同一个磁芯上，由于绕组O、O’均接地，即有短接回路，将完全破坏传输线变压器的正常工作而失去阻抗变换功能。

其次，因(c)较图6—26(a)所示的不平衡一平衡变换器有着更好的高频传输特性．即工作领带更宽，输出电压平衡度更好。

这是因为，即使l／λg较大，输出端B相对于输入端A有相位差α，然而输出端C相对于A来说仍有180°＋α的相位差，因此输出始终是平衡的。

这种阻抗变换器一般适用于高频阻抗变换。

三、1：n传输线阻抗变换器图6—30为对称双线1：9阻抗变换器。

其中，(a)因为平衡一平衡变换，由两对传输线绕在同一磁芯上构成；(b)图为不平衡一不平衡变换，由两对传输线分别绕在两个磁芯(或双孔磁芯)上构成，(c)图为1：9不平衡一平衡变换，由1：1不平衡一平衡变换和1：9平衡一平衡变换级联而成；(d)图为1：9平衡一不平衡变换，由1：9平衡一平衡变换和l：1平衡—不平衡变换级联而成。

其中(a)图是基本形式。

以下就对1：9平衡一平衡变换的最佳传输条件进行分析。

这种结构可以看成由3对传输线组成，A、A’端是并联的低阻抗端，B、B’端是串联的高阻抗端。

上、下两对传输线长度为l，特性阻抗为Z C，输入端电压为ΔV1，输出端电压为ΔV2，一般情况下，ΔV1和ΔV2间有相位差。

中间一对为短线，故其输出端电压仍为ΔV1。

设电源电压为E，其内阻为R g，负载电阻为R L。

由于上、下两对传输线是对称的，因而只分析其中一对传输线方程即可。