宽带RF阻抗变压器的设计

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）。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。

　 　我们对几种测量条件下的分析式（MATLAB）、数值式（ADS）和实验模型的结果进行了比较。实验中采用了Sontag Componentes Eletronicos的环形铁氧体磁芯模型E1003C5。它的几何和电磁数据包括10mm的外直径、5mm的内直径，3mm的宽度，11的相对磁导率 （μr），以及4.2nH/匝数2的电感因子（Al）。该模型专门用于500kHz~50MHz的频率范围。每厘米传输线长度绞合次数为5，使用 30AWG导体传输线。在130MHz，传输线的特性阻抗为38Ω，相位因子（β）为4.5501rad/m，传播速度（vp）为1.7952x108m /s。对于50Ω的源阻抗，根据公式8，最佳特性阻抗值必然为100Ω，意味着0.38倍的关系。这种偏差和3dB插损下的k值为0.2207。