基于传输线变压器四路功率分配器的设计
摘 要：基于传输线变压器的功率分配器具有频带宽、应用体积小、损耗小等优点，在短波、超短波通信中占有重要地位。文中基于传输线变压器基本理论，通过分析阻抗变换网络和功率分配网络，利用铁氧体磁芯设计一款频率为。
3～400 MHz超宽频带的四路功率分配器，插入损耗<1.2 dB，电压驻波比≤1.2，隔离度>20 dB。研究结果对传输线变压器系列器件设计具有一定的参考价值。
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095—1302（2018）08—00—02。
0 引 言。
传输线变压器可分为两类：一类是由片上电感构成的片上集成传输线变压器；另一类由传输线（扭绞双线、三线和同轴线）绕在磁芯上构成。传输线变压器是集中参数变压器和分布参数传输线段阻抗变换器结合的产物[1—2]，既吸收了分布参数传输线段变换器能在高频工作的长处，又保持了集中参数变压器尺寸小、相对带宽大的优点，在射频和微波器件中得到越来越广泛的应用[3]。
本文基于传输线变压器基本理论，设计和实现了一款基于铁氧体磁芯的超宽带四路功率分配器（以下传输线变压器结构均为磁芯绕制）。
由于该类器件尺寸、成本以及电特性都优于分布参数功率分配器，同时在馈电网络和功率放大电路中有着广泛的应用，因此具有很高的商业价值和军事价值。
传输线变压器是一种较为理想的宽带耦合及匹配器件，在高频磁环上缠绕一组或几组传输线，能量通过传输线的分布电容、分布电感以及电磁能量交换的形式传送，改善了高频特性，同时具有较大的功率容量[4]。
根据传输线变压器原理分析可知，功率分配器可由阻抗变换单元和功率分配单元组成。
阻抗变换单元采用基本的传输线变压器结构——Ruthroff结构的双线传输线变压器[4—5]。本文设计主要分析4∶1阻抗变换器，该变换器将双线绕制在高频铁氧体磁环上而构成，等效电路如图1所示。
根据传输线理论以及基尔霍夫定律可知，该双线传输线变压器高频最佳传输条件如下：
（1）。
为了获得最大的隔离度，需满足以下关系：
（2）。
式中：Rba为隔离电阻；Lba为分离端之间（孤立）的电感；fmin为下限频率；T为分离端隔离度（隔离度一般大于20 dB）。
同时需要满足传输线变压器的最佳传输条件，在实现阻抗匹配的同时减小反射损耗。传输线最佳传输条件如下。
所示：
（3）。
式中：Z0为传输线特性阻抗；l为传输线的长度；λ为传输的信号波长。
输入端和分配端均采用50 Ω SMA接头作为端口。输入端口阻抗为50 Ω，经4∶1阻抗变换器后，阻抗变为12.5 Ω，待经过第一个功率分配单元后阻抗变为25 Ω，两个端口各自加一个功率分配单元阻抗，变为50 Ω，以此实现四路功率分配器。电路结构如图3所示。
其中：Rba1，Rba2为隔离电阻；C1，C2为补偿电容。
添加补偿电容可显著改善电路的高频特性[8]。在ADS仿真中可发现，加入补偿电容后高频时功率分配器的隔离度和电压驻波比都能得到明显改善。
设计采用NiZn低损耗铁氧体环形磁芯，μt=800，磁芯外直径d2=4 mm，内直径d1=2 mm，高度h=3 mm。绞扭双线外径为0.14 mm，内径为0.13 mm。所以磁芯的截面积Ae=（d2—d1）·h/2=3 mm2，平均磁路长度le=π（d2+d1）/2=9.42 mm。
在相对较低的频率下，传输线变压器以普通变压器模式工作[1]。根据基本电路理论，磁芯的磁导率对传输损耗和反射损耗的影响如下：
（4）。
（5）。
通过磁芯的插入损耗和电压驻波比可计算出阻抗变换单元中的线圈匝数。由传输损耗小于1.5可知ωL0μ"≥38.923；由电压驻波比小于1.2可知ωL0μ"≥140。可近似计算出N≈4.1=4。因此所需线圈匝数为4匝，传输线的长度。
l=N（d2—d1+2h）=32 mm，满足传输线的最佳传输条件，进而计算功率分配单元中的线圈匝数：
（6）。
式中：Rba为平衡电阻；fmin为频率下限值；T为分离端隔离比。由此可知，对于第一个功率分配单元可计算Lba≈。
3.4×10—6 H，匝数N=3；对于第二个功率分配单元可计算Lba≈6.8×10—6 H，匝数N=4。通过验算，传输线长度均满足传输线最佳传输条件。实测中测得的电压驻波比和隔离度也满足要求，分别如图4、图5所示。
3 结 语。
本文从传输线变压器的理论出发，分析功率分配器的結构和基本原理。通过对功率分配器的组成、所需磁芯的尺寸、功率分配器中线圈的匝数等进行具体分析，设计了一款超宽带四路功率分配器，性能稳定，效果良好。
参考文献。
[1]张纪纲.射频铁氧体宽带器件[M].北京：科学出版社，1986：90—95.
[2] ROTHOLZ E. Transmission—Line transformers[J]. Microwave theory and techniques，IEEE transactions on，1981，29（4）：327—331.
[3] GUANELLA G. New method of impedance matching in radio frequency circuit[J]. Brown—Boveri review，1944，31：125—127.
[4] WALKER J L B. Classic works in RF engineering combiners，Couplers，Transformers and magnetic materials[M].London，Boston：Artech House，2006.
[5]张嘉毫，孟进，李毅.基于传输线变压器的超短波功分器电容补偿原理[J].强激光与粒子束，2015，27（7）：115—121.
[6] ORAIZI H，SHARIFI A R. Design and optimization of broadband asymmetrical multisection wilkinson power divider[J].IEEE，2006，54（5）：2220—2231.
[7] RUTHROFF C L. Some broad—band transformers[J]. Proceedings of the IRE，1959，47（8）： 1337—1342.
[8] SEVICK J.A simplified analysis of the broadband transmission line transformer[J]. High frequency electronics，2004，3（2）：48—53.
[9]牛忠霞，张秀钢，杜晓燕.三种传输线变压器巴仑的最佳传输条件和传输损耗的分析[J].现代电子技术，2003，26（17）：94—97.