短波宽带高功率传输线变压器设计

传输线变压器设计设计要求传输线变压器和其他元器件一样,其设计的依据是用户提出的技术要求,然而,如果用户对传输线变压器缺乏一定的了解,那么要提出合理的技术要求是困难的.为此,在介绍设计方法之前有必要先对变压器的技术要求作一些说明.在一般情况下,电子变压器的技术要求应包含这样一些内容:输入和输出阻抗的大小,馈电方式,与讯号有关的内容(例如频率范围,功率容量,脉冲波还是连续波)负载的特点,允许的波形或幅度和相位的变化程度以及允许的失配程度等.现分述如下:输入和输出阻抗在变压器的技术要求中,如果仅仅提阻抗比的要求是不够的,必须具体指明输入阻抗和输出阻抗的大小.因为对于一定的阻抗比,例如1:4,可以是50欧姆与200欧姆之比,等等.而在传输线变压器中,所用传输线最佳特性阻抗与具体的阻抗变换有关,即与输入阻抗和输出阻抗的大小有关.对于50欧姆的1:4双线传输线变压器,传输线最佳特性阻抗为100欧姆的1:4双线传输线变压器,传输线最佳的特性阻抗为100欧姆.而对于75欧姆与300欧姆的变换,传输线最佳阻抗为150欧姆.另外,为了确定变压器磁化电感的大小,还必须知道输入阻抗或输出阻抗,国在磁化电感的大小是与输入阻抗或输阻抗成正比的.例如,有两个变压器,在其它的条件相同的情况下,一个变压器的阻抗比为12.5欧姆/50欧姆,另一个变压器的阻抗比为125欧姆/500欧姆,虽然都是1:4的阻抗变压器,然而它们所要求的磁化电感却有很大的差别,后都是前都的10倍.一个变变压器性能的好坏在很大程度上取决于所要求的磁化电感的大小,传输线特性阻抗与最佳特性阻抗之比,因此,设计变压器的大小,首先要明确阻抗变换是从多少欧姆变到多少欧姆,例如,在晶体管电路中用于级间耦合的变压器,必须知道前级的输出阻抗和后一级的输入阻抗,短波通讯中的发射机与天线之间的匹配变压器,就应当知道发射机的输出阻抗和天线(或馈线)的输入阻抗.极性变换极性变换本身可看作是广义的阻抗变换,因为它也是使两个不同的网络间匹配的一种手段.变压器极性变换一般有四种:全相变换,不平衡-不平衡变换,不平衡-平衡变换以及平衡-平衡变换.对于一定的阻抗变换,当所要求的极性变换形式不同时,刚变换电路和传输线的最佳特性阻抗就不完全相同.例如,1:4不平衡-不平衡变换,一般采用双线传输线变换电路,而1:4不平衡-平衡变换,一般采用成对双线传输线变换电路或三线传输线1:4变换电路.因此,在变压器的技术要求中除说明输入端和输出端的阻抗以外,还应指明输入和输出端的极性(即馈电方式).负载的特点当涉及不平衡-平衡变换时,在技术要求中应说明平衡端负载是否允许有实在的接地点.因为有实在接地点的变换电路可以有较大的差别.例如1:1不平衡-平衡变换,如果平衡负载中心(或平衡电源中心)允许有实在接地点,则用简单的双线传输线变压器就可以完成,否则还要附加平衡绕组或都采用三线传输线变压器电路.因此,在技术要求中指明平衡负载中心是否允许有实在接地点,这可以使变压器设计师获得更多的自由,从而有助于提高设计质量.直流的影响在电子线路中常常是交,真流混杂的,因此变压器就应注意是否有隔离直流的要求,当有直流存在进,不仅变压器变换电路形式不同,而且在设计进还应该注意因直流引起的饱和问题.在第二章曾指出,磁芯饱和的问题---磁导率随直流场变化,与工作频率的高低有关,在一般情况下,工作频率越低,磁芯饱和的问题就越严重.因此,对于低频变压器,直流的大小要特别引起注意.功率容量习惯上,如果未指明功率容量的要求都是指低功率.如果有功率容量的要求(对于短波为瓦级以上)应具体指明容量的大小.变压器的设计,特别是磁芯材料厂,尺寸的选择以及传输线材料,尺寸的选择与功率容量的大小有密切的关系.传输参数变压器的功能可以归结为能在电源和负载之间提供匹配级联.而且为了衡量匹配的程度,由它引起的损耗大小和相位的变化,需要引入一些参数,这些参数是传输损耗(有效损耗)（分贝）式中T为传输参数.插入损耗（分贝）对比以上两式不难看出,当电源输出阻抗与负载电阻相同时,插入损耗和传输损耗的意义不同.变压器是用来做阻抗变换的,在一般情况下变比或阻抗比不等于一,此时,若仍用插入损耗来衡量变压器的损耗,那么变压器的损耗(用分贝表示)可能出现负载(既有增益).变压器是无源网络,不可能有功率增益,因此,在衡量变压器损耗时用传输损耗比较合理,而用插入损耗表示则容易产生混淆.反射损耗(回归损耗)式中电压反射系数其中Z 和Z为在网络某处分别向电源和负载端看的输入阻抗,若用电压驻波系数ρ表示,则反射损耗反射损耗、电压驻波系数和电压反射系数都是表征失配程度的参数，因为这些参数相互间都有一定的关系，故在一般技术要求中只给出其中一个就可以了。

采用放大器或变压器进行带宽设计的简单剖析
 开始新设计时，最先需要选择的参数是带宽。

根据应用不同，有三类前端可供使用：基带、带通（或超奈奎斯特频率，也称窄带）以及宽带，如下图所示。

 基带设计要求的带宽是从DC（或低MHz区）到奈奎斯特频率（通常约为100 MHz或更低）。

这类设计可以采用放大器或变压器（巴伦）。

 带通设计意味着在高中频时只使用转换器带宽的一小部分，大约20-
60MHz带宽。

中心频率可以低至100MHz，但多数情况下为140、170或190MHz。

对于更新的GSPS转换器产品，可以使用更高的中频频率。

这种设计通常使用变压器或巴伦。

不过，如果较高频率下的动态性能仍然足够，也可以使用放大器。

 宽带设计通常指需要使用转换器全部性能的设计。

在三种设计中，这种设计的带宽最宽，因而是最具挑战性的前端设计。

这类应用的带宽范围为DC（或低MHz区）至GHz区，常常采用宽带巴伦。

 记住，转换器的全功率带宽与可用带宽或采样带宽是不一样的。

全功率。

宽带RF阻抗变压器的设计阻抗匹配器件常常用于高频电路中，一般用来匹配元器件的阻抗和电路或系统的特性阻抗。

在某些电路中，希望阻抗匹配能够实现多个八度音阶频率覆盖范围，同时插损很低。

为了帮助阻抗变压器设计人员，本文对阻抗比为1:4的不平衡到不平衡(unun)宽带阻抗变压器的设计进行了探讨。

这种变压器在无线通信系统(一般是混合电路、信号合分路器)中很有用，对放大器链路的级间耦合也很有益。

这种宽带unun阻抗变压器对测试电路、光接收器系统、带宽带阻抗匹配的微波电路，以及天线耦合也很有用。

可用于高频电路设计及仿真的现代计算程序在自己的工具箱里就收纳了这种器件。

宽带unun阻抗变压器包含了一个缠绕了双绞传输线的环形铁氧体磁芯，绕线间通过釉质膜隔离。

结合常规传输线阻抗变压器的设计元件，有可能建立起一个真正的宽带组件。

对1:4阻抗转换比而言，这种设计方式可提供很高的效率。

本帖包含图片:这里：Pg=源的最大可用功率、Pc=负载功率、Rg=源阻抗、Xm=磁抗。

最后这个参数可通过下式由工作频率f和磁芯的磁化电感Lm求得：本帖包含图片:把该参数带入对应的磁抗公式中，再将计算结果带入插损公式中，即可求得变压器的低端截止频率。

因此：本帖包含图片:传输线变压器初级线圈和次级线圈之间的电耦合增强了高频能量的转移。

图3所示为一个传输线1:4 unun变压器的高频模型，鉴于其长度很短，没有考虑损耗。

在这种理想模型中，源和负载阻抗都假设是纯电阻性的。

该高频模型响应也由它的插损来确定。

此外，源功率和二次负载功率间的比率为：本帖包含图片:由公式5可看出，要获得良好的宽带高频响应，Zo值的优化十分重要。

对二分之一波长(λ/2)的传输线长度，能量转移是无效的，并比四分之一波长(λ/4)长度的传输线的最大值小1dB。

由此可看出，传输线的长度越短，其高频响应的带宽越大。

对最大功率传输而言，最佳传输线特性阻抗和负载阻抗分别为本帖包含图片:本帖包含图片:源和负载阻抗之间必需有1:4的转换以实现阻抗匹配。

5高频率的功率变压器THE HIGH-FREQUENCY POWER TRANSFORMER5-0概论(INTRODUCTION)很多科学家认为磁性元件的设计是一种“高深的技术”，其实这乃是一种最重的错误观念。

磁性元件的设计乃为精密的科学，而那些所有正确的基本电磁定律，乃由以前的科学家们所研究发展出来，如Maxwell, Ampere , Oersted ,与Gauss等人。

本章主要目的就是介绍基本的磁学定律，而且为了实际的电磁元件设计，如线圈与变压器，我们将以简单的，合逻辑的，有条理的方式来深入浅出介绍磁性与电性之间存在的关系。

5-1电磁的原理（PRINCIPLES OF ELECTROMAONETISM）考虑如图5-1所示的简单电路，此由电压源V，开关S与负载L，组成一个空气线圈（air coil）的电路，如果在某些情况下，开关S被关闭（closed）,则会有电流I产生经由线上流至负载，当电流通过线圈时，就会有磁场被建立起来，如图中所示，连接于线圈之间所产生的磁场，此乃为称之为磁通量（flux）,而磁场中的磁力线可称之为磁通链(flux linkages)。

图5-1流经空气线圈的电流I会有磁通量的产生图5-2 铁磁材料棒置于线圈之内会产生较多或较强的磁通量然而，在此线圈中的磁通量并不会很大，如果我们在线圈中加入磁性材料（铁磁材料）棒，则会有额外的磁场被感应产生，因此，也就会有更多的磁通量被产生，如图5-2所示。

而磁通链将沿着磁棒前进，并经由空气传导路径形成一回路，如果铁磁铁心（ferromagnetic core ）以此种方式构成并取代了磁棒，则磁通就会呈现一连续的路径，且磁场将形成于铁心之内，因此所感应的磁场就会较强大，如图5-3所示。

图5-3 连续的铁磁性铁心会限制所有的磁通量于铁心内并有很强的磁场产生在磁场上某一点所测量的磁通聚集程度，我们称之为磁通量密度（magnetic flux density ）或是磁感应(magnetic induction),以符号B 来表示。

变压器设计方案变压器设计方案变压器是一种电气设备，用于改变交流电的电压。

在设计变压器时，需要考虑多个因素，例如输出电压、输入电压、功率损耗等等。

下面是一个基本的变压器设计方案。

1. 确定输出电压和输入电压：首先要确定变压器的输出电压和输入电压。

根据需要，计算所需的变压比。

例如，如果需要从220V的电源转换成110V的输出电压，变压比为2:1。

2. 计算功率：根据所需的输出电流和输入电压计算功率。

功率的计算公式为P=IV，其中P为功率，I为电流，V为电压。

根据功率的计算结果，选择合适的导线和铁芯材料。

高功率变压器需要使用更大的导线和更大的铁芯。

3. 选择合适的铁芯材料：铁芯材料对变压器的性能有很大的影响。

铁芯的主要作用是增强磁场，使得变压器的效率更高。

常用的铁芯材料有硅钢片和铁氧体。

硅钢片具有良好的磁导率和低的铁损耗，而铁氧体则具有更高的饱和磁感应强度。

4. 计算匝数：变压器的匝数对变压器的变压比和效率有很大的影响。

根据所需的变压比，计算主副线圈的匝数。

匝数的计算公式为N2/N1=V2/V1，其中N为匝数，V为电压。

根据匝数的计算结果，选择合适的导线。

5. 确定冷却方式：高功率变压器在工作时会产生较多的热量，因此需要选择合适的冷却方式，以确保变压器的正常工作。

常见的冷却方式有自然冷却和强制冷却。

6. 进行实际制造：在完成设计后，可以开始制造变压器。

根据设计方案，选择合适的导线、铁芯和冷却器进行制造。

在制造过程中，需要注意保证匝数的准确性、绕线的均匀性和绝缘材料的使用。

7. 进行测试和调试：制造完成后，需要对变压器进行测试和调试，以确保其正常工作。

可以使用电压表和电流表进行测试，检查输出电压和输入电流是否符合设计要求。

综上所述，一个变压器的设计方案需要考虑输出电压、输入电压、功率、铁芯材料、匝数、冷却方式等多个因素。

正确认识和处理这些因素，能够设计出性能良好的变压器。

同时，在实际制造和测试过程中，也要注意细节和质量控制，保证变压器的稳定性和安全性。

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 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。

16Internet Technology 互联网+技术短波通信的传输媒介是电离层，具有抗毁能力强，设备相对简单，使用灵活的特点，在一些特殊领域，短波通信是重要的沟通手段。

大功率短波宽带发信机作为短波通信系统的重要组成部分，与天馈系统配接，利用大功率优势保障在复杂电磁环境下的远程可靠通信。

随着无线电通信业务的飞速发展、电磁环境逐渐恶化，电磁密度的增加，使得远距离可靠通信对发信机发送功率的要求越来越大，但有源器件在频率较高时的放大能力下降, 单个功放管模块输出功率较小，无法达成目标，为提升发信机的发射功率，通常采用多个功放、多级功率分配及功率合成的方法实现更大功率等级输出。

因此，设计一个可靠的短波宽带功率合成器以实现多路射频信号的功率合成是具有重要意义的。

一、概述（一）指标要求为提升短波宽带发信机的输出功率，研制一种六路合一的功率合成器，其主要技术指标要求为：①频率范围：3MHz ～30MHz；②输入/输出阻抗：50Ω；③插入损耗：≤0.5dB；④功率容量：2000W（CW）。

（二）设备用途及组成功率合成器配套短波宽带发信机使用，实现多组射频信号的功率合成。

功率合成器主要由输入变压器、输出变压器、平衡电阻、机箱、散热器和风机等组成。

二、设计方案（一）电路原理功率合成器的电路原理是将六路等幅同相的射频功率信号合成为一路射频功率输出，原理如图1所示。

为了满足宽带、大功率的使用要求，选择以传输线变压器为主的功率合成方式。

传输线变压器具有体积小、功率容量大、工作频带宽等优点，工作频带可达到基于传输线变压器的功率合成器的设计实现10个倍频程，广泛应用于短波领域。

原理图中T1～T6为输入变压器，每一路射频输入分别经由输入变压器实现功率合成，合成后的信号阻抗为低阻抗，为6路50Ω并联后的阻抗，电流为6路射频的电流之和，实现电流合成。

合成后的低阻信号，经输出变压器T7，抗转换为50Ω，实现发信机50Ω输出阻抗要求。

短波波段宽带10W功放的设计作者：马怀宇李希彬来源：《电脑知识与技术》2013年第17期摘要：在短波通信、探测及雷达系统中，宽带功率放大电路是其重要的组成部分，宽带功率放大器的优劣对上述系统的性能的高低起着至关重要的作用，该文介绍了由MRF237、MRF134、MRF136为核心器件的三级甲乙类推挽功放电路，具有功率余量大，耐驻波特性好，宽压供电、保护电路反应快速及时的特点。

关键词：短波；宽带功率放大电路；甲乙类推挽中图分类号：TP331 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）17-4119-031 概述随着科学技术的飞速发展，小功率、低功耗的短波功率放大器用途越来越广泛，到目前为止它已应用于短波通信、探测及雷达等各个系统当中。

可以说功放优劣对系统性能的高低起着至关重要的作用。

本文设计的10W功放的主要作用是将雷达信号源产生的信号（小于10dBm）在不失真的情况下放大到幅度为10W（40dBm）以上的信号，再通过天线进行辐射到空中，以实现通信、探测和侦测等方面的需要。

本设计中采用MACOM公司的功率放大管MRF237，MRF134、MRF136作为放大电路的核心器件进行设计，能较好的满足系统的要求。

系统框图如图1所示，系统主要由三部分电路组成：三级放大电路组成的主电路部分、检测保护电路及电源供电电路。

2 主要器件介绍2.1 MRF237MRF237为MOTOROLA公司推出的一款NPN型小功率放大晶体管，其工作频率为DC-150MHz，集电极最大工作电流为1A，集电极工作电压为12.5V，最大输出功率为4W，增益典型值为14dB，自身可耐受最大耗散功率为8W。

2.2 MRF134MRF134为MACOM公司推出的一款N沟道小功率放大场效应管，其工作频率为DC-400MHz，漏极最大工作电流为0.9A，漏极工作电压为28V，最大输出功率为5W，增益典型值为14dB，自身可耐受最大耗散功率为17.5W。

宽带传输线阻抗变换器的设计【摘要】利用传输线理论和基本电路理论，得出宽带阻抗变换器负载吸收最大功率时，负载阻抗、源阻抗与传输线特性阻抗之间应该满足的关系。

并通过实验表明，满足这关系时，传输线阻抗变换器容易达到宽带。

【关键词】传输线理论;电路理论;阻抗关系;阻抗变换0.引言阻抗变换器是短波多模多馈天线馈电网络的重要组成部分。

以传输线变压器理论为基础，将扭绞双线或同轴线绕在高磁导率的软磁铁芯上形成线圈实现阻抗变换的功能。

在阻抗变换器的设计中，负载阻抗、源阻抗与传输线特性阻抗之间是否满足最佳传输条件十分重要，因此有必要明确阻抗变换器各端之间的阻抗关系。

根据阻抗变换器的电路示意图，线圈上的V和I必然满足传输线方程。

结合传输线理论中的V和I之间的关系和电路方程，利用边界条件，推导宽带阻抗变换器各端之间阻抗满足的关系，以及与传输线特性阻抗的关系，可以得出一些结论。

本文以1：4阻抗变换器为例分析，制作了50－200欧姆的阻抗变换器。

其他阻抗变换器的分析方法类似，并根据其结论设计并制作了50欧姆－75欧姆的阻抗变换器。

1.宽带阻抗变换器的阻抗关系双线1：4阻抗变换电路示意如图1所示，且为不平衡－不平衡变换。

这种变换用双线传输线或同轴线绕制，称为双线1：4阻抗变换。

在图1中，源端阻抗为Rg，负载阻抗为Rb，电压、电流如图标示，图2是阻抗变换器的电路模型。

图1 宽带1：4阻抗变换器电路示意图图2 阻抗变换器的电路模型参见图2，根据传输线理论和基本电路理论可列出下列方程：V=(V-V)cos l+jZIsin l（1）I=Icos l+jsin l （2）E=(I+I)R+V（3）V=IR （4）解方程组得：V＝I（5）I=I（6）I= （7）负载吸收功率：P=IR= （8）从（8）式可以看出，负载吸收功率最大的条件不但和R、R有关，而且和βl 有关。

当频率较低时，l1，cos l≈1，sin l≈0此时：P=。

若R为定值，考虑R为变量求负载吸收功率的最大值P，令=0，求得R=4R时P取得最大值P=，实际中βl ＝0是不可能的，所以要求线长尽可能小，使得βl接近于0。