?了解 Guanella 傳輸線平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器

了解如何使用雙線線圈構(gòu)建Gustav Guanella的經(jīng)典RF平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。

寬帶變壓器（包括平衡-不平衡變壓器）在射頻電路中有很多應(yīng)用。例如，一些功率放大器的高頻限制是由磁耦合變壓器的漏電感和分布繞組電容決定的。在寬帶應(yīng)用中，我們不能簡(jiǎn)單地通過諧振來消除這些寄生效應(yīng)，而是需要找到替代解決方案。

這就是傳輸線變壓器的用武之地。這些變壓器使它們的繞組表現(xiàn)為傳輸線。通過這樣做，它們結(jié)合了漏電感和繞組間電容，產(chǎn)生了我們熟知的特性阻抗效應(yīng)。傳輸線變壓器可以提供比磁耦合變壓器更寬的帶寬，并且是市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)的部件。

在上一篇文章中，我們學(xué)習(xí)了如何使用雙線線圈構(gòu)建 Guanella 1:1 平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。 在本文中，我們將學(xué)習(xí)圍繞雙線線圈構(gòu)建的其他兩種有用配置：相位逆變器配置和延遲線排列。 然后，我們將結(jié)合這些電路來產(chǎn)生一個(gè)寬帶 1:4 阻抗匹配電路，稱為 Guanella 1:4 平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。

雙線線圈作為平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的核心元件

在我們開始之前，讓我們回顧一下我們已經(jīng)學(xué)到的內(nèi)容。圖1顯示了使用單雙線線圈構(gòu)建的Guanella 1:1平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。它將輸入的不平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出的平衡信號(hào)。

Guanella 1:1平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器示意圖。

圖1. Guanella 1:1平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。圖片由Steve Arar提供

該示意圖使用傳輸線變壓器的通用符號(hào)。與常規(guī)變壓器的符號(hào)一樣，該符號(hào)看起來像一對(duì)電感器符號(hào)。這可能會(huì)誤導(dǎo)初學(xué)者，因此值得強(qiáng)調(diào)的是，圖1中的每個(gè)電感器符號(hào)實(shí)際上代表傳輸線的導(dǎo)體。

傳輸線可以是：

一種使用線對(duì)、雙絞線或同軸線構(gòu)建的雙線線圈。

一根裝有鐵氧體磁珠的直線傳輸線。

逆變器配置

圖1中的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器并不是雙線線圈可以實(shí)現(xiàn)的唯一重要功能。圖2顯示了雙線線圈的另一種有用布置。這種結(jié)構(gòu)可以作為寬帶相位逆變器。

使用雙線線圈實(shí)現(xiàn)的寬帶相位逆變器。

圖2:使用雙線線圈實(shí)現(xiàn)寬帶相位逆變器。圖片由Steve Arar提供

為了理解該電路的工作原理，請(qǐng)記住，當(dāng)傳輸線連接到匹配負(fù)載時(shí)，沿傳輸線長(zhǎng)度的電壓信號(hào)幅度是恒定的。因此我們有V1 = V2。

需要復(fù)習(xí)一下傳輸線波形嗎？請(qǐng)參閱這篇文章：“傳輸線理論：觀察反射系數(shù)和駐波”。

請(qǐng)注意，下繞組在輸入端接地，而上繞組在輸出端接地。通過顛倒負(fù)載端的傳輸線連接，我們翻轉(zhuǎn)了電壓極性，導(dǎo)致負(fù)載電壓為：

方程式1

為了幫助您理解實(shí)際實(shí)現(xiàn)，圖3顯示了通過將同軸電纜纏繞在磁芯上實(shí)現(xiàn)的相位逆變器電路。

圖3.使用同軸電纜構(gòu)建的相位逆變器電路。圖片由Steve Arar提供

逆變器電路的輸入阻抗在很寬的帶寬范圍內(nèi)匹配（ZIN = Z0 = RL）。但是，隨著我們接近直流，輸入阻抗接近零。

偶模電流的影響

上述解釋隱含地假設(shè)只有奇模電流存在，但當(dāng)偶模電流流過傳輸線時(shí)會(huì)發(fā)生什么？圖4再現(xiàn)了雙線線圈的等效電路模型。

雙線線圈的等效電路模型。

圖4.雙線線圈的等效電路模型。圖片由Steve Arar提供

如果繞組（L）的電抗較小，分流電流可以流過輸電線路。在圖2的逆變器電路中，分流電流從端子1流向端子3，然后流向地面。這導(dǎo)致輸電線路的輸入阻抗下降，并在鐵芯中產(chǎn)生磁通量。

我上面提供的是對(duì)反相器電路的直觀解釋。如果這不能滿足你的要求，可以在Ali M. Niknejad的《高速模擬和數(shù)字通信電路電磁學(xué)》一書中找到更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觥?/p>

延遲線配置

圖5顯示了雙線線圈的另一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的排列。您可能認(rèn)為這是我們通常用來將能量從源傳輸?shù)截?fù)載的傳輸線排列。在匹配負(fù)載（RS=Z0=RL）的情況下，這種配置表現(xiàn)為延遲線。

雙線線圈的延遲線配置。

圖5.雙線線圈的延遲線配置。圖片由Steve Arar提供

將傳輸線繞在鐵氧體磁芯上不會(huì)影響電路對(duì)差分信號(hào)的延遲。理想情況下，這些信號(hào)的磁場(chǎng)在磁芯內(nèi)部相互抵消。鐵氧體磁芯只能增加共模信號(hào)從源端傳輸?shù)截?fù)載時(shí)的電感。

使用平衡-不平衡變壓器饋送偶極天線

到目前為止，我們已經(jīng)了解了雙線線圈如何實(shí)現(xiàn)以下功能：

延遲線。

逆變器電路。

寬帶1:1平衡轉(zhuǎn)換器。

現(xiàn)在是時(shí)候考慮構(gòu)建具有更高變壓比的寬帶變壓器了。我們將首先研究?jī)煞N基本的1:4平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器配置，這些配置可用于從不平衡源饋送對(duì)稱偶極天線。雖然這兩種平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器都有重要的缺點(diǎn)，但它們可以幫助我們理解一種對(duì)我們來說更實(shí)用的電路——Guanella 1:4平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。

為了給偶極天線供電，我們需要為天線的每個(gè)元件提供相同幅度和相反極性的電壓。圖6顯示了如何使用半波長(zhǎng)傳輸線來實(shí)現(xiàn)這一目的。

半波長(zhǎng)平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器饋入偶極天線。

圖6：用于饋送偶極天線的半波長(zhǎng)平衡不平衡轉(zhuǎn)換器。圖片由Steve Arar提供

半波長(zhǎng)傳輸線為天線的右手元件創(chuàng)建了相反極性的信號(hào)。由于半波長(zhǎng)線僅在特定頻率下提供預(yù)期的相位反轉(zhuǎn)，因此電路是窄帶的。

圖7顯示了另一種解決方案，這次使用我們之前討論過的反相器電路。

饋送偶極天線的相位逆變器。

圖7.使用逆變器饋送偶極天線。圖片由Steve Arar提供

如圖6所示，施加到天線上的總電壓是信號(hào)源提供的電壓的兩倍。因此，兩個(gè)電路都提供了1比4的阻抗變換。

圖7中的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器提供了相對(duì)較寬的帶寬，我們可以通過解決其主要限制來進(jìn)一步改善帶寬——傳輸線的延遲引起的附加相移。除了電路架構(gòu)產(chǎn)生的預(yù)期相位反轉(zhuǎn)外，傳輸線的延遲還會(huì)引入不必要的時(shí)間滯后。這種時(shí)間滯后會(huì)使電路的相移偏離理想的180度，尤其是在我們使用越來越高的頻率時(shí)。

我們可以通過在信號(hào)路徑中使用相同的傳輸線來繞過這個(gè)問題，該傳輸線應(yīng)用于天線的左側(cè)元件。這使得兩條路徑的延遲相等，在更寬的帶寬上在天線處產(chǎn)生一對(duì)具有相同幅度和相反極性的信號(hào)。這就是延遲線配置變得有用的地方，我們將在下一節(jié)中看到。

Guanella 1:4平衡變壓器和1:N2平衡變壓器

圖8顯示了一個(gè)寬帶傳輸線變壓器，它結(jié)合了相位逆變器電路和延遲線布置。頂部的雙線線圈被配置為非反相延遲線，而底部的雙線線圈則表現(xiàn)為反相延遲線。這個(gè)電路最早由古斯塔夫·瓜內(nèi)拉（Gustav Guanella）于1944年提出，被稱為瓜內(nèi)拉1:4平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。

Guanella 1:4平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器示意圖。

圖8. Guanella 1:4輸電線路變壓器或平衡-不平衡變壓器。圖片由Steve Arar提供

由于平衡不平衡轉(zhuǎn)換器中包含的兩條傳輸線具有相同的長(zhǎng)度，因此它們提供了相同的頻率相移。這使得電路能夠在輸出端產(chǎn)生一對(duì)信號(hào)——理想情況下與頻率無關(guān)——具有相同的幅度但極性相反。對(duì)于兩個(gè)雙線線圈，輸出電壓是輸入電壓的兩倍。

假設(shè)電路是無損的，2的電壓增益對(duì)應(yīng)于4的阻抗變換比。換句話說，電路將4R的阻抗變換為R的阻抗，或?qū)的阻抗變換為4R的阻抗。請(qǐng)注意，每條傳輸線都看到總負(fù)載（RL）的一半。因此，上述電路特性阻抗的最佳值為：

方程式2

圖9顯示了具有適當(dāng)特性阻抗和負(fù)載電阻的電路的同軸實(shí)現(xiàn)，適用于50Ω源。雖然圖中沒有顯示，但同軸電纜通常會(huì)裝有鐵氧體磁珠。

Guanella 1:4平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，使用同軸電纜建造。

圖9.用于50Ω源的Guanella 1:4平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的同軸實(shí)現(xiàn)。圖片由Steve Arar提供

我們可以通過記住它由兩條等長(zhǎng)傳輸線組成，并分別檢查其輸入和輸出側(cè)來加深對(duì)這種平衡變壓器的理解。

在輸入端：

傳輸線是并聯(lián)的。

同相電流相加。

阻抗低于輸出側(cè)。

在輸出方面：

傳輸線是串聯(lián)的。

同相電壓相加。

阻抗高于輸入側(cè)。

我們很快就會(huì)看到這種電路觀點(diǎn)如何幫助我們實(shí)現(xiàn)變壓比甚至高于1:4的變壓器。不過，在我們繼續(xù)之前，先來了解一下歷史：我們剛才研究的Guanella 1:4電路是舊電視平衡-不平衡變壓器中最常用的配置。圖10顯示了一個(gè)例子。

使用 Guanella 1:4 配置的舊電視平衡-不平衡變壓器的兩個(gè)視圖。

圖10：老式電視中的平衡變壓器通常使用Guanella 1:4電路。圖片由D. Jackson提供

構(gòu)建1:N2平衡器

我們可以很容易地?cái)U(kuò)展并聯(lián)驅(qū)動(dòng)繞組和串聯(lián)輸出以創(chuàng)建1:n2平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的思想，其中n是等于所使用的雙線線圈數(shù)量的整數(shù)。如圖11所示。

Guanella 1:n2輸電線路平衡變壓器的示意圖。

圖11. Guanella 1:n2輸電線路變壓器。圖片由Steve Arar提供

在這種情況下，最佳特性阻抗為：

方程式3

變壓器的輸入阻抗為：

方程式4

關(guān)鍵要點(diǎn)

圍繞單個(gè)雙線線圈可以構(gòu)建幾個(gè)有用的電路，包括：

1:1平衡器。

相位逆變器。

非反相延遲線。

n個(gè)雙線線圈的組合可用于創(chuàng)建1:n2傳輸線變壓器。在這些電路中，高頻響應(yīng)受到寄生效應(yīng)的限制，寄生效應(yīng)沒有被吸收到傳輸線的特性阻抗中，例如：

線圈的繞組內(nèi)電容。

線路特性阻抗隨頻率的偏差。

影響線路的損失機(jī)制。