周平章，楊 靜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第9研究所，綿陽(yáng) 621000)

超短波大變比阻抗變換器的研制

周平章，楊 靜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第9研究所，綿陽(yáng) 621000)

討論了超短波大變比阻抗變換器的設(shè)計(jì)和制作。通過(guò)對(duì)頻率范圍、變比、插損以及功率容量的分析，結(jié)合鐵氧體磁芯的頻率特性，確定了電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。該器件采用低損耗鎳鋅鐵氧體功率材料，應(yīng)用于超短波功放模塊中，起阻抗匹配作用，保證了系統(tǒng)功率傳輸?shù)男始翱煽啃浴?/p>

超短波;大變比;阻抗變換器;功率材料

0 引 言

超短波頻段發(fā)射機(jī)、接收機(jī)正朝超寬帶方向發(fā)展，且功率在不斷提高，這就要求射頻鐵氧體器件順應(yīng)發(fā)展，朝大功率、寬頻帶的方向發(fā)展。超短波發(fā)射機(jī)的電路形式變化不大。在這種情況下，為了提高電臺(tái)的抗干擾能力、組網(wǎng)能力，就需要使用一些新技術(shù)、新器件。其中低阻抗輸出的射頻功放芯片是單前大量使用的元件。低阻抗輸出的射頻功放芯片(通常為幾Ω)和50 Ω阻抗的傳輸系統(tǒng)之間需要大變比阻抗變換器進(jìn)行連接。

本文所述的阻抗變換器參數(shù)如下：工作頻率：20～100 MHz，阻抗變比：50 Ω∶5.5 Ω(9∶1)，插入損耗≤0.35 dB，駐波系數(shù)≤2.0，承受功率：300 W。該器件應(yīng)用于超短波大功率發(fā)射機(jī)中功率放大器的輸出端和傳輸系統(tǒng)之間，起阻抗匹配作用。超短波大變比阻抗變換器的應(yīng)用保證系統(tǒng)功率傳輸效率及可靠性。

1 電路設(shè)計(jì)

本阻抗變換器頻帶較寬，功率較大，而且為9∶1的大變比、低輸入阻抗的阻抗變換。對(duì)于大變比的阻抗變換，可以采用2個(gè)傳輸線變壓器級(jí)聯(lián)的方法，比如使用4∶1變換和2.25∶1變換級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)9∶1的阻抗變換，也可以采用傳輸線變壓器和集中參數(shù)變壓器相結(jié)合、采用單個(gè)磁芯的辦法。

上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。2個(gè)傳輸線變壓器級(jí)聯(lián)的方法可充分發(fā)揮傳輸線變壓器寬頻帶的優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)這種實(shí)現(xiàn)方法使用磁芯較多、器件的體積較大、插入損耗也較大；而傳輸線變壓器和集中參數(shù)變壓器相結(jié)合的辦法，一方面可以保持較好的寬頻特性，另一方面體積可以做得較小。

綜上所述，這里采用傳輸線變壓器與集中參數(shù)變壓器相結(jié)合的方式。在9∶1傳輸線變壓器基礎(chǔ)上增加LC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)要求。電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 9∶1阻抗變換器電路原理

2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 鐵氧體磁芯材料的選擇

鐵氧體磁芯的磁導(dǎo)率與頻率有一定的變化關(guān)系，這一關(guān)系通常用磁譜來(lái)描述。對(duì)于鐵氧體磁芯來(lái)說(shuō)，其磁譜的一般特點(diǎn)是：磁導(dǎo)率的實(shí)部μ′在一個(gè)較低的頻率范圍內(nèi)是基本不變的，而當(dāng)工作頻率逐漸升高接近某一個(gè)頻率時(shí)，磁導(dǎo)率的實(shí)部μ′和虛部μ″開(kāi)始出現(xiàn)劇烈變化，即磁導(dǎo)率μ進(jìn)入了劇烈頻散區(qū)，這一頻率被稱(chēng)為臨界頻率或截止頻率，常用fr來(lái)表示。

本文中使用的磁芯是用弛豫型軟磁鐵氧體材料制作的，這種軟磁材料的特點(diǎn)是磁導(dǎo)率的實(shí)部μ′是隨頻率單調(diào)下降的，而虛部μ″在fr處出現(xiàn)峰值之后在另一個(gè)頻率處又會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，此時(shí)該頻率稱(chēng)為弛豫頻率[1]。在超短波段高功率情況下，由磁芯磁導(dǎo)率中μ″所引起的損耗(有功損耗)使變壓器發(fā)熱，導(dǎo)致變壓器溫度上升，從而使其性能變壞，嚴(yán)重時(shí)造成惡性循環(huán)。因此，在超短波段高功率情況下，為了減小磁芯損耗功率，應(yīng)采用低損耗鐵氧體功率材料。

本阻抗變換器的承載功率較大，這會(huì)帶來(lái)2種問(wèn)題：功率損耗與磁芯飽和。在大功率的情況下，功率損耗帶來(lái)的熱效應(yīng)是影響傳輸效率和系統(tǒng)可靠性的主要因素。本阻抗變換器的功率損耗由三部分構(gòu)成：傳輸損耗、反射損耗與磁芯損耗。

傳輸損耗由傳輸線的特性阻抗決定，要減小傳輸損耗則要保證傳輸線的特性阻抗?jié)M足阻抗匹配的要求。在傳輸線特性阻抗?jié)M足阻抗匹配的要求時(shí)，若不考慮傳輸線本身的介質(zhì)損耗，則傳輸損耗可以忽略不計(jì)。

反射損耗由匹配特性決定，要減小反射損耗則要保證傳輸線變壓器擁有足夠的電感量。反射損耗并不直接導(dǎo)致發(fā)熱，反射損耗較大時(shí)會(huì)使功率重新返回到阻抗變換器的源端，對(duì)前級(jí)器件造成影響。磁芯損耗由磁芯材料本身決定，要減小磁芯損耗則要保證磁芯具有較高的μQf積(其中Q為品質(zhì)因數(shù)，f為頻率)，數(shù)量級(jí)大概為2×109。

磁芯損耗是功率損耗導(dǎo)致發(fā)熱的主要因素，情況惡劣時(shí)可能導(dǎo)致惡性循環(huán)，即磁芯損耗大導(dǎo)致傳輸線變壓器的溫度升高，溫度升高使磁芯的臨界場(chǎng)降低、磁芯損耗加大，磁芯損耗加大引起傳輸線變壓器溫度進(jìn)一步升高，磁芯損耗與溫升形成正反饋，最終使傳輸線變壓器的溫度超過(guò)居里溫度，磁芯特性由亞鐵磁性變成順磁性，磁芯的作用完全消失，器件損壞。因而一方面要降低功率損耗，另一方面要對(duì)器件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，使熱量能及時(shí)導(dǎo)出，不會(huì)在器件內(nèi)部積聚。

文獻(xiàn)[1]分別從傳輸損耗、反射損耗和相移技術(shù)要求出發(fā)討論了變壓器材料的選擇原則，并給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)圖表?？梢缘贸鼋Y(jié)論：降低磁芯磁導(dǎo)率而提高Qf對(duì)于改善傳輸損耗、反射損耗和相移都是有益的。最終確定所用材料為大功率低損耗鎳鋅鐵氧體材料。

根據(jù)變壓器帶寬系數(shù)的大小與繞組單位線長(zhǎng)電感的關(guān)系可知：當(dāng)繞組線長(zhǎng)和磁芯材料一定的時(shí)候，以電感量最大的磁芯尺寸最佳，當(dāng)材料一定時(shí)，以達(dá)到相同電感量的最短線的磁芯尺寸為最好。

根據(jù)平均功率300 W計(jì)算的與連續(xù)波等效的平均電壓為:

(1)

對(duì)于超短連續(xù)波，允許的磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度約為100 Gs(在100 Gs以上磁芯損耗急劇上升[2])，在脈沖調(diào)制情況下，與連續(xù)波等效的磁芯平均最大磁感應(yīng)強(qiáng)度低于100 Gs，本器件設(shè)計(jì)取100 Gs，由此得到磁芯磁路截面積與匝數(shù)的最小乘積為：

AgN1≥1.38cm2

(2)

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選用矩形截面磁環(huán)，由于在尺寸相同的條件下，EI磁芯的電感量比較大，而繞單匝的線長(zhǎng)較短，且線圈容易繞制及成形，又根據(jù)功率容量要求，最后磁芯采用EI28型。在得到需要的電感量的同時(shí)減小了線長(zhǎng)，提高了上限頻率。EI28型磁芯磁路截面積為0.56 cm2，平均磁路長(zhǎng)度為5.2 cm?？紤]到功率容量為避免磁芯飽和，采用2副EI28磁芯可承受近2倍的功率，提高承受功率裕度。此時(shí)，磁路截面積為1.12 cm2。

變壓器并聯(lián)電感的大小是由傳輸損耗、反射損耗和相移以及所選用的鐵氧體材料的特性決定的。

根據(jù)傳輸損耗、電壓駐波系數(shù)分別計(jì)算所要求的并聯(lián)電感值，從而得到需要的匝數(shù)。查圖表可知[3]，為使傳輸損耗在0.3 dB以下，要求ωL0μ′/Rg>1.2；為使電壓駐波系數(shù)小于1.25，即反射損耗小于19 dB，要求ωL0μ′/Rg>5，顯然應(yīng)該滿(mǎn)足:

(3)

式中：ω為角頻率;L0為空心線圈電感量;μ′為導(dǎo)磁率實(shí)部,式中為60。

由式(3)得L0≈0.5 μH。

由前面的計(jì)算可知：為使連續(xù)波平均磁感應(yīng)強(qiáng)度限制在100 Gs以下，要求AeN1>1.38 cm2,其中Ae=1.12 cm2，所以N1>2.5，同時(shí)考慮由并聯(lián)電感確定匝數(shù)需要滿(mǎn)足N≥3，本設(shè)計(jì)取匝數(shù)N=3。

2.2 傳輸線的設(shè)計(jì)

傳輸線的功率容量應(yīng)不小于變壓器的功率容量。為了達(dá)到寬頻帶的目的，繞制變壓器使用的傳輸線的特征阻抗應(yīng)盡可能滿(mǎn)足最佳特征阻抗的要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，Rg=50 Ω，Rb=5.5 Ω，雙傳輸線的最佳特征阻抗為：

(4)

式中：Z0為最佳特征阻抗；Rg為輸入阻抗；Rb為輸出阻抗。

傳輸線長(zhǎng)度應(yīng)限定在1/8波長(zhǎng)以?xún)?nèi)，根據(jù)上限頻率fmax=100 MHz計(jì)算傳輸線的長(zhǎng)度上限值為：

(5)

式中：lmax為傳輸線的長(zhǎng)度;v為光速;fmax為上限頻率。

本器件特點(diǎn)在于大功率、大變比。因此，在選定了磁芯型號(hào)規(guī)格以及決定了繞組匝數(shù)的情況下,對(duì)于大變比的阻抗變換設(shè)計(jì)而言，另一重點(diǎn)在于傳輸線選擇。通過(guò)仿真設(shè)計(jì)，選用的同軸線的內(nèi)、外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以使其耦合系數(shù)為1。

電路要求的最佳特征阻抗值為16.7 Ω，沒(méi)有成品同軸電纜供應(yīng)，也無(wú)法加工制作,最終采用25 Ω成品同軸電纜為傳輸線，外加LC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的方法[4]，同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體作為輸入端,而同軸電纜的外導(dǎo)體錫焊在一起作為輸出端。

在工藝上又可以通過(guò)控制繞組的疏密程度來(lái)控制變壓器繞組的線長(zhǎng)以及互感情況，同時(shí)減少繞組的匝間分布電容和對(duì)地電容，提高繞組自諧頻率，改善了阻抗變換器高頻端的插入損耗、電壓駐波比等電性能，有利于提高傳輸線變壓器的工作范圍，從而增大阻抗變換器的上限工作頻率。

傳輸線阻抗根據(jù)變壓器的最佳特性阻抗Z0確定，線長(zhǎng)根據(jù)最大工作頻率fmax確定，功率容量P根據(jù)變壓器承受的功率確定[5]。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果和小結(jié)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)結(jié)果如表1和圖2～圖4。設(shè)計(jì)結(jié)果滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)的要求。

通過(guò)全溫度范圍研究及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，器件的插入損耗隨著頻率的增高而變大，這是由于實(shí)際使用的磁芯損耗特性會(huì)隨頻率的升高而減??；同時(shí)低溫下頻率低端的插損會(huì)小于常溫下的情況，這是由于低溫時(shí)磁芯的損耗特性也會(huì)下降，降低插損見(jiàn)表1和圖1。同時(shí)，駐波隨頻率的增加會(huì)增加，這是由于磁導(dǎo)率的實(shí)部μ′(傳輸特性)隨頻率的增加而下降，即電感量下降。

分析超短波段的阻抗變換器特點(diǎn)可以看出：

(1) 采用傳輸線變壓器與集中參數(shù)變壓器相結(jié)合的方式，在9∶1傳輸線變壓器基礎(chǔ)上增加LC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)要求；

(2) 選用合適的低損耗鎳鋅鐵氧體功率材料保證了寬帶傳輸線變壓器的頻率性能，提高了變壓器的工作效率，有利于提高阻抗變換器的功率容量和工作時(shí)的可靠性；

表1 器件測(cè)試結(jié)果

圖2 典型傳輸損耗曲線

圖3 典型駐波系數(shù)曲線

圖4 典型阻抗變換曲線

(3) 阻抗變換器采用同軸電纜作為傳輸線，確保特性阻抗的要求，減小繞組漏感，提高了整個(gè)合成器的高頻傳輸特性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本器件采用傳輸線變壓器與集中參數(shù)變壓器相結(jié)合的方式，同時(shí)具備了傳輸線變壓器體積小、頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，也保證了大變比、寬頻帶的要求。器件具有頻帶寬、插入損耗低、電壓駐波比小、功率容量高、體積小、環(huán)境適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)。該器件能提高系統(tǒng)功率傳輸效率及可靠性，降低系統(tǒng)的制作成本。

[1] 張紀(jì)綱.射頻鐵氧體寬帶器件[M].北京：科學(xué)出版社，1986.

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[3] 沈其聰.通信系統(tǒng)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

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[5] 虞海敏,盛勝軍,蘇力晟.VHF2.5 kW寬帶四路功率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].通信對(duì)抗,2014,33(2)：24-26.

Development of Ultra-short Wave High Ratio Impedance Converter

ZHOU Ping-zhang,YANG Jing

(9th Institute,CETC,Mianyang 621000,China)

This paper discusses the design and execution of ultra-short wave high ratio impedance converter.Through analyzing the frequency bound,ratio,insertion loss and power capacity,the configuration and parameter of the circuit are determined combining with the frequency characteristics of ferrite magnetic core.The device is based on low loss Ni-Zn ferrit power material,and is applied to ultra-short wave power amplifier module for impedance matching as well as ensures the efficiency and reliability of system power transmission.

ultra-short wave;high ratio;impedance converter;power material

2016-10-31

TN624.1

B

CN32-1413(2016)06-0112-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.06.024