高頻變壓器和傳輸線變壓器

二 、 高 頻 變 壓 器 和 傳 輸 線 變 壓 器 高 頻 變 壓 器 及 其 特 點 變 壓 器 是 靠 磁 通 交 鏈 , 或 者 說 是 靠 互 感 進 行 耦 合 的 。 (1) 為 了 減 少 損 耗 ， 高 頻 變 壓 器 常 用 導 磁 率 高 、 高 頻 損 耗 小 的 軟 磁 材 料 作 磁 芯 。 (2) 高 頻 變 壓 器 一 般 用 于 小 信 號 場 合 ， 尺 寸 小 ，線 圈 的 匝 數(shù) 較 少 。 高 頻 變 壓 器 中 環(huán) 形 和 罐 形 磁 芯 示 意 圖 如 圖 2-12所 示 。 圖 2-12 高頻變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)（a） 環(huán)形磁芯; (b) 罐形磁芯; (c) 雙孔磁芯 圖 2-13 高頻變壓器及其等效電路 (a) 電路符號; (b) 等效電路 圖 2-14(a)是 一 中 心 抽 頭 變 壓 器 的 示 意 圖 。 初 級 為兩 個 等 匝 數(shù) 的 線 圈 串 聯(lián) , 極 性 相 同 ， 設(shè) 初 次 級 匝 比 為 。 作 為 理 想 變 壓 器 看 待 , 線 圈 間 的 電 壓 和 電 流關(guān) 系 分 別 為 )( 213 321 IInI nUUU (2 - 38) (2- 37) 圖 2-14 中心抽頭變壓器電路 （a） 中心抽頭變壓器電路; （b） 作四端口器件應(yīng)用 1 2n N N 2) 傳 輸 線 變 壓 器 傳 輸 線 變 壓 器 就 是 利 用 繞 制 在 磁 環(huán) 上 的 傳 輸 線 而 構(gòu)成 的 高 頻 變 壓 器 。 圖 2-15 為 其 典 型 的 結(jié) 構(gòu) 和 電 路 圖 。 圖 2 -15 傳輸線變壓器的典型結(jié)構(gòu)和電路 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖; （b） 電路圖 rrfvcv 0（2 -39） （2-40） 圖 2-16 傳輸線變壓器的工作方式 (a) 傳輸線方式; (b) 變壓器方式 波 速波 長 r為傳輸線的相對介電常數(shù) 傳 輸 線 的 特 性 阻 抗 Z 傳 輸 線 變 壓 器 可 以 看 作 是 雙 線 并 繞 的 1:1 和 1:4阻 抗 變 壓 器 。 用 兩 個 或 兩 個 以 上 的 傳 輸 線 變 壓 器組 合 可 以 得 到 其 他 阻 抗 變 換 器 ； 也 可 以 做 平 衡 -不 平 衡 變 換 器 及 3dB耦 合 器 。 如 圖 2-17所 示 。 圖 2 -17傳輸線變壓器的應(yīng)用舉例 （a） 高頻反相器; （b） 不平衡平衡變換器; （c） 1:4 阻抗變換器; (d) 3 分貝耦合器 作 寬 帶 高 頻 反 相 器 在 實 際 應(yīng) 用 中 ， 有 些 場 合 需 要 得 到 一 個 與 信號 源 電 壓 大 小 相 等 相 位 相 反 的 對 地 電 壓 ,這 時 需 要用 到 高 頻 反 相 器 ,而 傳 輸 變 壓 器 就 能 實 現(xiàn) 此 功 能 。圖 2-17(a)所 示 的 是 利 用 傳 輸 變 壓 器 實 現(xiàn) 高 頻 反 相器 的 示 意 圖 。 圖 中 ， 信 號 加 在 1、 3端 ， 2、 4端 接上 與 傳 輸 線 匹 配 的 負 載 電 阻 RL。 由 于 傳 輸 線 匹 配 ，負 載 上 得 到 的 電 壓 UL與 激 勵 電 壓 U1相 等 。 若 將傳 輸 變 壓 器 的 “ 2”端 接 地 ， 則 負 載 R L 上 的 對 地 電壓 正 好 與 激 勵 電 壓 大 小 相 等 ， 相 位 相 反 。 不 平 衡 -平 衡 變 換 器 實 際 應(yīng) 用 中 ， 有 時 需 要 從 一 個 信 號 源 上 得 到 兩 個 大小 相 等 ， 對 地 完 全 反 相 的 電 壓 。 在 這 種 情 況 下 ， 要 采 用不 平 衡 -平 衡 變 換 器 。 圖 2-17(b)所 示 的 就 是 利 用 傳 輸 變 壓器 構(gòu) 成 的 這 種 變 換 器 。 由 于 負 載 電 阻 分 為 兩 個 ， 中 間 接地 ， 所 以 兩 端 對 地 電 壓 相 等 并 反 相 。 信 號 源 對 地 是 不 平衡 的 （ 一 端 接 地 ） ， 由 于 3端 及 負 載 中 點 接 地 ， 信 號 源 有一 個 附 加 電 流 流 過 1、 2線 圈 。 但 是 附 加 電 流 很 小 （ 因 L0較 大 ） ， 只 是 在 低 頻 段 對 信 號 有 一 點 分 流 作 用 。 此 變 換 器 的 高 頻 特 性 較 好 ， 因 為 傳 輸 線 上 的 相 移 ，并 不 影 響 兩 輸 出 電 壓 之 間 的 反 相 關(guān) 系 。 1:4阻 抗 變 換 器 傳 輸 變 壓 器 的 一 個 主 要 應(yīng) 用 ， 就 是 構(gòu) 成 4:1、 1:4等 寬帶 阻 抗 變 換 器 。 圖 2-17(c) 就 是 1:4阻 抗 變 換 傳 輸 變 壓 器 。 對 于 2-17(c)所 示 的 1:4傳 輸 變 壓 器 ， 設(shè) 流 過 負 載 電 阻RL的 電 流 為 I ， 信 號 源 兩 端 呈 現(xiàn) 的 電 壓 為 U1， 則 在 RL上 產(chǎn)生 的 電 壓 為 2U1， 信 號 源 提 供 的 電 流 為 2I， 因 此 ， 信 號 源端 呈 現(xiàn) 的 輸 入 阻 抗 為 1 121 12 4 4i LU UR RI I 上 式 表 明 ， 傳 輸 線 變 壓 器 將 負 載 RL變 換 為 RL/4， 實 現(xiàn) 了1:4的 阻 抗 變 換 。 1.3 濾 波 器 一 、 石 英 晶 體 的 物 理 特 性 石 英 是 礦 物 質(zhì) 硅 石 的 一 種 （ 也 可 人 工 制 造 ） ， 化 學 成 分 是SiO2， 其 形 狀 為 結(jié) 晶 的 六 角 錐 體 。 圖 (a)表 示 自 然 結(jié) 晶 體 ， 圖(b)表 示 晶 體 的 橫 截 面 。 圖 2 -18 石英晶體的形狀示意圖 沿 著 不 同 的 軸 切 下 ， 有 不 同 的 切 型 ， X切 型 、 Y切 型 、AT切 型 、 BT、 CT等 等 。 石 英 晶 體 具 有 正 、 反 兩 種 壓 電 效 應(yīng) 。 當 石 英 晶 體 沿某 一 電 軸 受 到 交 變 電 場 作 用 時 ， 就 能 沿 機 械 軸 產(chǎn) 生 機 械振 動 ， 反 過 來 ， 當 機 械 軸 受 力 時 ， 就 能 在 電 軸 方 向 產(chǎn) 生電 場 。 且 換 能 性 能 具 有 諧 振 特 性 ， 在 諧 振 頻 率 上 ， 換 能效 率 最 高 。 石 英 晶 體 和 其 他 彈 性 體 一 樣 ， 具 有 慣 性 和 彈 性 ， 因而 存 在 著 固 有 振 動 頻 率 ， 當 晶 體 片 的 固 有 頻 率 與 外 加 電源 頻 率 相 等 時 ， 晶 體 片 就 產(chǎn) 生 諧 振 。 二 、 石 英 晶 體 振 諧 器 的 等 效 電 路 和 符 號 石 英 片 相 當 一 個 串 聯(lián) 諧 振 電 路 ， 可 用集 中 參 數(shù) Lq、 Cq、 rq來 模 擬 ， Lq為 晶 體 的質(zhì) 量 （ 慣 性 ） ， Cq 為 等 效 彈 性 模 數(shù) ， rg 為 機 械 振 動 中 的 摩 擦 損 耗 。 右 圖 表 示 石 英 諧 振 器 的 基 頻 等 效 電 路 。電 容 C0稱 為 石 英 諧 振 器 的 靜 電 容 。 其 容 量主 要 決 定 于 石 英 片 尺 寸 和 電 極 面 積 。 一 般 C 0在 幾 PF 幾 十 PF。 式 中 石 英 介電 常 數(shù) ， s 極 板 面 積 ， d 石 英 片 厚 度 C0 rq Cq Lq JT b a r qLqCqCoab0 sC d 0qCp C 三 、 石 英 晶 體 的 特 點 等 效 電 感 Lq特 別 大 、 等 效 電 容 Cq特 別 小 ， 因此 ， 石 英 晶 體 的 Q值 很 大 ， 一 般 為 幾萬 到 幾 百 萬 。 這 是 普 通 LC電 路 無 法 比 擬 的 。 由 于 ， 這 意 味 著 等 效 電 路 中 的 接入 系 數(shù) p 很 小 ,因 此 外 電 路 對 其 的 影 響 很 小 。 1 qq q qLQ r C 0 qC C 四 、 石 英 諧 振 器 的 等 效 電 抗 （ 阻 抗 特 性 ） 石 英 晶 體 有 兩 個 諧 振 角 頻 率 。 一 個 是 左 邊 支 路 的 串 聯(lián) 諧振 角 頻 率 q， 即 石 英 片 本 身 的 自 然 角 頻 率 。 另 一 個 為 石 英諧 振 器 的 并 聯(lián) 諧 振 角 頻 率 p。 1 q q qL C p 0 0001 1 1 1q qqq q qq q C CC CC C L CL C C 由 于 所 以 0與 q很 接 近 。 011 2 qp q CC 0 0, 1q qC C C C 串 聯(lián) 諧 振 頻 率并 聯(lián) 諧 振 頻 率 上 式 忽 略 rq 后 可 簡 化 為 當 = q時 z0 = 0 ， Lq、 Cq串 諧 諧 振 ， 當 = p， z0 = ， 回路 并 諧 諧 振 。當 時 ， jx0為 容 性 。 當 時 , jx0 為 感 性 ， 電 抗 曲 線 如 上 圖 所 示 。 , qp qp q q0 0 q1 21 2 q q q 01 1( )1 1( )e j r j LC Cz zZ z z r j L jC C 2 2q0 2 2 0 p1 /1 1 /eZ jx j C 2 22 2 20 1 /1 1 /qe pL C 并 不 等 于 石 英 晶 體 片 本 身 的 等 效 電 感 Lq。 石 英 晶 體 濾 波 器 工 作 時 ， 石 英 晶 體 兩 個 諧 振頻 率 之 間 感 性 區(qū) 的 寬 度 決 定 了 濾 波 器 的 通 帶 寬 度 。 必 須 指 出 ， 在 q與 p的 角 頻 率 之 間 ， 諧 振 器 所呈 現(xiàn) 的 等 效 電 感 1.陶 瓷 濾 波 器 利 用 某 些 陶 瓷 材 料 的 壓 電 效 應(yīng) 構(gòu) 成 的 濾 波 器 ， 稱 為 陶瓷 濾 波 器 。 它 常 用 鋯 鈦 酸 鉛 Pb(zrTi)O3壓 電 陶 瓷 材 料 （ 簡稱 PZT） 制 成 。 這 種 陶 瓷 片 的 兩 面 用 銀 作 為 電 極 ， 經(jīng) 過 直 流 高 壓 極 化 之后 具 有 和 石 英 晶 體 相 類 似 的 壓 電 效 應(yīng) 。 優(yōu) 點 ： 容 易 焙 燒 ， 可 制 成 各 種 形 狀 ； 適 于 小 型 化 ； 且 耐熱 耐 濕 性 好 。 它 的 等 效 品 質(zhì) 因 數(shù) Q L為 幾 百 ， 比 石 英 晶 體 低 ， 但 比 LC濾 波 高 。 集 中 濾 波 器 符 號 及 等 效 電 路圖 中 C0 等 效 為 壓 電 陶 瓷 諧 振 子 的 固 定 電容 ； Lq 為 機 械 振 動 的 等 效 質(zhì) 量 ； Cq 為機 械 振 動 的 等 效 彈 性 模 數(shù) ； Rq為 機 械 振動 的 等 效 阻 尼 ； 其 等 效 電 路 與 晶 體 相 同 。 并 聯(lián) 諧 振 頻 率 式 中 ， C 為 C 0和 Cq串 聯(lián) 后 的 電 容 。其 串 聯(lián) 諧 振 頻 率 CoRqCqLq2L q q q1L C p q 0 qq q 01 1C C L CL C C 2. 陶 瓷 濾 波 器 電 路 四 端 陶 瓷 濾 波 器 ： 如 將 陶 瓷 濾 波 器 連 成 如 圖 所 示 的 形 式 ， (a)是 陶 瓷 片 的 阻抗 頻 率 特 性 曲 線 ； 圖 (b)是 兩 個 諧 振 子 或 者 是 九 個 諧 振 子 連接 成 的 四 端 陶 瓷 諧 振 器 ； 圖 (c)是 陶 瓷 諧 振 器 的 電 路 符 號 。諧 振 子 數(shù) 目 越 多 ， 濾 波 器 的 性 能 越 好 。 聲 表 面 波 濾 波 器 SAWF（ Surface Acoustic Wave Filter）是 一 種 以 鈮 酸 鋰 、 石 英 或 鋯 鈦 酸 鉛 等 壓 電 材 料 為 襯 底 （ 基 體） 的 一 種 電 聲 換 能 元 件 。 結(jié) 構(gòu) 與 原 理 ： 聲 表 面 波 濾 器 是 在 經(jīng) 過 研 磨 拋 光 的 極 薄 的 壓 電 材 料 基 片上 ， 用 蒸 發(fā) 、 光 刻 、 腐 蝕 等 工 藝 制 成 兩 組 叉 指 狀 電 極 ， 其 中與 信 號 源 連 接 的 一 組 稱 為 發(fā) 送 叉 指 換 能 器 ， 與 負 載 連 接 的 一組 稱 為 接 收 叉 指 換 能 器 。 當 把 輸 入 電 信 號 加 到 發(fā) 送 換 能 器 上時 ， 叉 指 間 便 會 產(chǎn) 生 交 變 電 場 。 3.聲 表 面 波 濾 波 器 聲 表 面 波 濾 器 的 濾 波 特 性 ， 如 中 心 頻 率 、 頻 帶 寬 度 、 頻響 特 性 等 一 般 由 叉 指 換 能 器 的 幾 何 形 狀 和 尺 寸 決 定 。 這 些 幾何 尺 寸 包 括 叉 指 對 數(shù) 、 指 條 寬 度 a、 指 條 間 隔 b、 指 條 有 效 長度 B和 周 期 長 度 M等 。 上 圖 是 聲 表 面 波 濾 波 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 圖 。嚴 格 地 說 ， 傳 輸 的 聲 波 有 表 面 波 和 體 波 ， 但 主 要 是 聲 面 波 。在 壓 電 襯 底 的 另 一 端 可 用 第 二 個 叉 指 形 換 能 器 將 聲 波 轉(zhuǎn) 換 成電 信 號 。 聲 表 面 波 濾 波 器 的 符 號 如 圖 (a)所 示 ， 圖 (b)為 它 的 等 效 電路 。 其 左 邊 為 發(fā) 送 換 能 器 ， is和 Gs表 示 信 號 源 。 G中 消 耗 的 功率 相 當 于 轉(zhuǎn) 換 為 聲 能 的 功 率 。 右 邊 為 接 收 換 能 器 ， GL為 負 載 電導 ， GL中 消 耗 的 功 率 相 當 于 再 轉(zhuǎn) 換 為 電 能 的 功 率 。 聲 表 面 濾 波 器 的 符 號 與 等 效 電 路符 號 及 等 效 電 路 入 出 (a) G C Gs Is GL G C (b) 聲 表 面 濾 波 器 特 性圖 2-21 一 種 用 于 通 信 機 中 的 聲 表 面 濾 波 器 的 幅 頻 特 性 曲 線 工 作 頻 率 高 ， 中 心 頻 率 在 10MHz1GHz之 間 ， 且頻 帶 寬 ， 相 對 帶 寬 為 0.5%25%。 尺 寸 小 ， 重 量 輕 。 動 態(tài) 范 圍 大 ， 可 達 100dB。 由 于 利 用 晶 體 表 面 的 彈 性 波 傳 送 ， 不 涉 及 電 子 的遷 移 過 程 ， 所 以 抗 輻 射 能 力 強 。 溫 度 穩(wěn) 定 性 好 。 選 擇 性 好 ， 矩 形 系 數(shù) 可 達 1.2。 聲 表 面 濾 波 器 的 特 點 ： 1.3.3 衰 減 器 與 匹 配 器 1. 高 頻 衰 減 器 利 用 高 頻 衰 減 器 可 以 調(diào) 整 信 號 傳 輸 通 道 上 的 信 號 電 平 。 高 頻 衰 減 器 分 為 固 定 衰 減 器 和 高 頻 可 變 (調(diào) )衰 減 器 兩 種 。 除了 微 波 衰 減 器 可 以 用 其 他 形 式 構(gòu) 成 外 ， 高 頻 衰 減 器 通 常 都 用電 阻 網(wǎng) 絡(luò) 、 開 關(guān) 電 路 或 PIN二 極 管 實 現(xiàn) 。 2. 高 頻 匹 配 器 如 果 相 連 接 的 兩 部 分 高 頻 電 路 阻 抗 匹 配 ， 則 可 以 直 接 相連 。 但 如 果 阻 抗 不 匹 配 ， 就 需 要 用 高 頻 匹 配 器 或 阻 抗 變 換器 來 連 接 。 1. LC并 聯(lián) 諧 振 回 路 幅 頻 曲 線 所 顯 示 的 選 頻特 性 在 高 頻 電 路 中 有 非 常 重 要 的 作 用 ， 其 選 頻性 能 的 好 壞 可 由 通 頻 帶 和 選 擇 性 (回 路 Q值 )這 兩個 相 互 矛 盾 的 指 標 來 衡 量 。 矩 形 系 數(shù) 則 是 綜 合說 明 這 兩 個 指 標 的 一 個 參 數(shù) ， 可 以 衡 量 實 際 幅頻 特 性 接 近 理 想 幅 頻 特 性 的 程 度 。 矩 形 系 數(shù) 越小 ， 則 幅 頻 特 性 越 理 想 。 小 結(jié) 2. LC并 聯(lián) 諧 振 回 路 阻 抗 的 相 頻 特 性 是 具 有斜 率 的 單 調(diào) 變 化 曲 線 ， 這 一 點 在 分 析 LC正 弦 波振 蕩 電 路 的 穩(wěn) 定 性 時 有 很 大 作 用 ， 而 且 可 以 利 用曲 線 的 線 性 部 分 進 行 頻 率 與 相 位 的 線 性 轉(zhuǎn) 換 ， 這在 相 位 鑒 頻 電 路 中 得 到 了 應(yīng) 用 。 同 樣 ， LC并 聯(lián)諧 振 回 路 阻 抗 的 幅 頻 特 性 曲 線 中 的 線 性 部 分 也 為頻 率 與 幅 度 轉(zhuǎn) 換 提 供 了 依 據(jù) ， 這 在 斜 率 鑒 頻 電 路里 得 到 了 應(yīng) 用 。 3. LC串 聯(lián) 諧 振 回 路 的 選 頻 特 性 在 高 頻 電 路 中 也有 應(yīng) 用 ， 比 如 在 LC正 弦 波 電 路 里 可 作 為 短 路 元 件 工作 于 振 蕩 頻 率 點 ， 但 其 用 途 不 如 并 聯(lián) 回 路 廣 泛 。 LC并 聯(lián) 回 路 與 串 聯(lián) 諧 振 回 路 的 參 數(shù) 具 有 對 偶 關(guān) 系 ， 在分 析 和 應(yīng) 用 時 要 注 意 這 一 點 。 4. 用 雙 諧 振 回 路 能 夠 解 決 選 擇 性 與 帶 寬 之 間 的矛 盾 。 在 允 許 頻 帶 內(nèi) 有 一 定 凹 陷 性 起 伏 時 ， 可 以 采用 雙 調(diào) 諧 回 路 得 到 更 大 的 帶 寬 ， 這 時 ， 頻 帶 之 外 的曲 線 邊 沿 下 降 也 比 單 回 路 更 陡 峭 ， 用 矩 形 系 數(shù) 可 以衡 量 回 路 對 鄰 近 頻 率 的 抑 制 能 力 。 5. 利 用 雙 耦 合 回 路 或 帶 抽 頭 的 并 聯(lián) 諧 振 回 路 ，還 可 以 完 成 阻 抗 變 換 功 能 。 由 第 一 章 給 出 的 圖 1-2可以 看 出 ， 任 何 高 頻 電 子 線 路 都 不 是 孤 立 存 在 的 ， 都必 須 能 夠 “ 承 前 啟 后 ” ， 即 有 效 接 收 前 一 級 電 路 送來 的 信 號 ， 經(jīng) 過 自 身 電 路 的 功 能 性 處 理 后 ， 要 順 暢地 傳 輸 給 它 的 下 一 級 電 路 。 可 見 ， 完 成 阻 抗 變 換 功能 ， 保 證 電 路 的 級 與 級 間 的 阻 抗 匹 配 ， 以 實 現(xiàn) 功 率的 最 大 傳 輸 是 一 個 相 當 普 遍 的 問 題 。 6. 高 頻 諧 振 回 路 雖 可 以 實 現(xiàn) 選 頻 濾 波 功 能 ，但 隨 著 高 頻 處 理 模 塊 的 廣 泛 使 用 ， 用 集 中 濾 波器 選 頻 濾 波 電 路 是 大 勢 所 趨 。 集 成 選 頻 濾 波 器有 利 于 電 路 和 系 統(tǒng) 的 微 型 化 ， 有 利 于 設(shè) 備 和 系統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 和 改 善 系 統(tǒng) 的 性 能 ， 有 利 于 電 路 和系 統(tǒng) 設(shè) 計 的 簡 化 。 集 中 選 頻 濾 波 器 主 要 有 晶 體濾 波 器 、 陶 瓷 濾 波 器 和 聲 表 面 濾 波 器 。