[发明专利]一种具有非整数平方变比的传输线变压器

说明书

本发明公开了一种具有非整数平方变比的传输线变压器，其包括阻抗变比为1:N²的绕组式变压器T1和阻抗变比为4:1的瓜内拉式变压器T2，N为大于等于2的整数；所述绕组式变压器T1与所述瓜内拉式变压器T2均具有低阻抗端口与高阻抗端口；所述绕组式变压器T1的低阻抗端口与所述瓜内拉式变压器T2的高阻抗端口并联，并联后形成所述传输线变压器总的对外低阻抗端口；所述绕组式变压器T1的高阻抗端口与所述瓜内拉式变压器T2的低阻抗端口串联，串联后形成所述传输线变压器总的对外高阻抗端口。本发明可以实现的非整数平方阻抗变比变压器，细化了阻抗变比步距，同时又能实现单端‑差分(平衡)阻抗变换，结构体积紧凑，阻抗变比切换灵活。

【技术领域】

本发明属于射频电路技术领域，特别是涉及一种具有非整数平方变比的传输线变压器。

【背景技术】

传输线变压器具有带宽宽、结构简单、成本低的优点，广泛用于短波和超短波射频电路中。通过选择传输线功率容量，可以获得较大的功率通过能力，尤其适合作为大功率功放的阻抗变换器使用。

常用的传输型变压器有拉瑟夫(Ruthoff)式、瓜内拉(Guanella)式和绕组(Toroid)式等形式，如图1-图4所示。构成上述变压器的核心结构是射频传输线，例如双绞线或同轴线。一般地，传输线的两个导体等长、成对出现，其优点是导体间的分布电容与电感构成传输线效应，具有良好的宽带特性，同时电磁场能量分布于两导体之间，传输线外部的场强弱，这对于需要磁性材料的低频应用如短波、超短波频段尤为重要，可以大大降低对材料磁饱和强度和损耗的要求，因此特别适合低频大功率应用。其中绕组(Toroid)式的典型实现方式如图4所示，其低阻抗端口是差分平衡端口，对地呈现高阻抗，具有共模隔离作用，特别适合推挽式电路使用。

由于传输线的段数是N(N≥1)为整数，所能实现的阻抗变比是N²:1，即1:1、4:1、9:1等，变比跨越步距大，无法满足高功率功放性能优化的需求。近年来，通信电子设备的小型化需求越来越高，大功率功放由于功耗高，散热空间要求大，是小型化的重点和难点。减小功放体积一方面需要高功率密度的器件支撑，另一方面需要外部匹配电路配合，在效率、线性度两方面进行平衡优化。如果阻抗变比步距过大，则无法实现阻抗精细调整，不能满足性能优化的要求。

为细化阻抗变比，图5和图6示意了两种基于瓜内拉式原理实现的具有非整数变比的变压器拓扑图。其中图5所示变压器共包括3根同轴电缆21’、22’和23’。在端口24’一侧，电缆21’与22’并联，然后再与电缆23’串联。端口25’一侧，电缆21’与电缆22’串联，然后再与电缆23’并联。端口25’一侧如果连接阻抗为Z的负载，则端口24’的等效输入阻抗为1.5²Z，阻抗变比为2.25倍。采用三个同轴电缆还可以实现9:1的阻抗变比。

图6所示采用4根同轴电缆31’～34’，在端口35’一侧，电缆31’与32’并联，然后与33’串联，这三个电缆为一体再与34’并联，在端口36’一侧，电缆31’先与32’串联，然后作为一体与电缆33’并联，最后再一体与电缆34’串联。当端口35’连接阻抗为Z的负载时，端口36’的输入阻抗为采用4根同轴电缆还可以实现以及16:1的变比。

上述非整数平方变比变压器原理上可以满足细化的阻抗变比要求，但是由于各电缆之间要求绝缘隔离，在频率较低、波长较长(如短波波段)的应用中，每段电缆长度较长，需要绕制成螺旋装，并且匝间间距应尽可能大，以减小分布电容，这就导致其体积较大，给小型化工程实施带来难度，因此一般用在频率相对较高的超短波段。

另外，瓜内拉式变压器多直接用于单端到单端的阻抗变换，而大功率功放一般采用推挽式电路，需要单端到差分(或推挽)变换，为更好地实现对地隔离，还需要增加一段巴伦(BALUN)，进一步增大了阻抗变换部分的体积。