kuandaigongfangjuyouyixiexianzhudeyoudian，tabuxuyaotiaoxiexiezhendianlu
，keshixiankuaisupinlvjiebianhuofashekuandeduomoxinhaopinpu。kuandaipipeishikuandaizukangpipeidejiancheng
，shikuandaishepingongfangyijizuidagonglvchuanshuxitongdezhuyaodianlu
，kuandaipipeidezuoyongshi
，shishepingonglvfangdaguandeshuru、輸出達到最佳的阻抗匹配，實現寬帶內的最大功率放大傳輸。因此，寬帶阻抗匹配網絡的設計是寬帶射頻功放設計的主要任務。同軸電纜阻抗變換器簡稱同軸變換器，能實現有效的寬帶匹配，可以為射頻功率放大管提供寬頻帶工作的條件。同軸變換器具有功率容量大
、頻帶寬和屏蔽性能好的特性
，可廣泛應用於HF/VHF/UHF波段。

1 方案設計

同(tong)軸(zhou)變(bian)換(huan)器(qi)及(ji)其(qi)組(zu)合(he)是(shi)一(yi)種(zhong)具(ju)有(you)高(gao)阻(zu)抗(kang)變(bian)換(huan)比(bi)的(de)寬(kuan)帶(dai)阻(zu)抗(kang)匹(pi)配(pei)網(wang)絡(luo)，它(ta)能(neng)將(jiang)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)管(guan)的(de)較(jiao)低(di)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)或(huo)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)有(you)效(xiao)匹(pi)配(pei)到(dao)係(xi)統(tong)的(de)標(biao)準(zhun)阻(zu)抗(kang)50 Ω。同軸變換器設計方案多選用1：1變比形式、1：4變比形式及其組合形式。

1．1 同軸變換器原理

同軸變換器是由套上鐵氧體磁芯的一段同軸電纜或同軸電纜繞在鐵氧體磁芯上構成，一般稱為“巴倫”。“巴倫”的結構如圖1(a)所示

，其等效電路如圖1(b)所示。


同(tong)軸(zhou)變(bian)換(huan)器(qi)處(chu)於(yu)集(ji)中(zhong)參(can)數(shu)與(yu)分(fen)布(bu)參(can)數(shu)之(zhi)問(wen)。因(yin)此(ci)，在(zai)低(di)頻(pin)端(duan)
，它(ta)的(de)等(deng)效(xiao)電(dian)路(lu)可(ke)用(yong)傳(chuan)統(tong)的(de)低(di)頻(pin)變(bian)壓(ya)器(qi)特(te)性(xing)描(miao)述(shu)，而(er)在(zai)較(jiao)高(gao)頻(pin)率(lv)時(shi)
，它(ta)是(shi)特(te)性(xing)阻(zu) 抗為Zodechuanshuxian。tongzhoubianhuanqideyoudianzaiyujishengdezajiandianrongjuedingletadetexingzukang，erzaichuantongdelisanderaozabianyaqizhong


，jishengdianrongduipinlvxingnengdegongxianshifumianzuoyong。

當Rs=RL= Zo時，“巴倫”可以認為是1：1的阻抗變換器。同軸變換器在設計使用上有兩點必須注意：源阻抗
、負載阻抗和傳輸線阻抗的匹配關係

；輸shu入ru端duan和he輸shu出chu端duan應ying在zai規gui定ding的de連lian接jie及ji接jie地di方fang式shi下xia應ying用yong。在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia，電dian纜lan長chang度du不bu能neng超chao過guo最zui小xiao波bo長chang的de八ba分fen之zhi一yi。為wei了le保bao證zheng低di頻pin響xiang應ying良liang好hao
，還hai必bi須xu有you一yi定ding繞rao組zu長chang度du
，可ke以yi依yi據ju下xia列lie經jing驗yan公gong式shi來lai估gu算suan在zai頻pin率lv高gao端duan和he頻pin率lv低di端duan時shi所suo需xu繞rao組zu的de長chang度du。

在高頻端：

lmax≤ 18 O00n／fh(cm)。 (1)

式中，fh為最高工作頻率(MHz)；n為常數
，一般取為0．08左右。

在低頻端：

lmin≥ 50Rl / [ (1 + u/uo ) × fl ]。 (2)式中，fl為最低工作頻率(MHz)；u/uo為磁芯在時的相對磁導率。

磁芯的影響可以用等效電感來反應，等效電感決定了頻段低段反射量的大小

，計算為：

L=uo ur n2 (S/J) (3)式中，L為電感值(H)；ur為相對磁導率；uo=4πx 10-7；S為磁環的麵積
；J為平均電長度；n為線圈圈數。

為避免頻段高段指標惡化，電感值不能大於實際需要值，其經驗公式為：

L = 4( R/Wmin) (4)

式中，R 為中間頻帶的輸入阻抗；Wmin為最小角頻率。
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1．2  1：4同軸變換器設計

1：4同軸變換器由長度相等的2根同軸電纜組成
，其結構如圖2(a)所示。1：4同軸變換器水平旋轉180°即可作為4：1同軸變換器。

理想的1：4同軸變換器的輸入
、輸出阻抗都匹配
，每根同軸電纜的輸入
、輸出阻抗等於其特征阻抗Zo
，其等效電路模型如2(b)所示。

其源阻抗Zg與負載阻抗ZL的變換比為：Zg / ZL = Zin / Zout = (Zo /2) / (Zo + Zo) (5)

圖2和式(5)表明，1：4同(tong)軸(zhou)變(bian)換(huan)器(qi)的(de)阻(zu)抗(kang)變(bian)換(huan)比(bi)等(deng)於(yu)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)與(yu)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)之(zhi)比(bi)。同(tong)軸(zhou)變(bian)換(huan)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)等(deng)於(yu)同(tong)軸(zhou)電(dian)纜(lan)特(te)征(zheng)阻(zu)抗(kang)的(de)並(bing)聯(lian)
，輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)等(deng)於(yu)同(tong)軸(zhou)電(dian)纜(lan)特(te)征(zheng)阻(zu)抗(kang)的(de)串(chuan)聯(lian) 。


1．3 集中參數元件匹配設計

youyuzukangbianhuanqichuanshudianlandetezhengzukangshishishu，ershepingonglvfangdaguandeshuruzukangyushuchuzukangyibandoushifushuzukang。yinci，xuyaojiangshepinfangdaguandeshuruzukangyushuchuzukangshishuhua
，shixianduiyuanzukanghuofuzaizukangdegongepipei，congershixiangonglvdezuidachuanshu 。複fu數shu阻zu抗kang可ke以yi用yong電dian阻zu與yu電dian抗kang串chuan聯lian表biao示shi，也ye可ke以yi用yong電dian阻zu與yu電dian抗kang並bing聯lian表biao示shi。用yong集ji中zhong參can數shu元yuan件jian實shi現xian阻zu抗kang匹pi配pei的de方fang法fa是shi，電dian阻zu並bing聯lian電dian抗kang減jian小xiao其qi實shi部bu
，再zai串chuan聯lian電dian抗kang抵di消xiao其qi虛xu部bu，達da到dao2個純電阻的匹配；當匹配的不是純電阻時
，可以采用集中參數的電容或電感來抵消和吸納複數阻抗虛部的方法來實現複數阻抗的實數化 。

2 需解決的關鍵技術問題

2．1 低頻增益壓製

射頻功率放大管的增益隨頻率的增高而下降，一般情況下
，每增加一個倍頻程


，增益下降約3 dB。在zai窄zhai帶dai電dian路lu中zhong，增zeng益yi隨sui頻pin率lv的de增zeng高gao而er下xia降jiang的de情qing況kuang可ke以yi忽hu略lve不bu計ji
，但dan在zai多duo倍bei頻pin程cheng電dian路lu中zhong，必bi須xu考kao慮lv對dui低di頻pin增zeng益yi的de壓ya製zhi。解jie決jue的de方fang法fa是shi使shi用yong電dian阻zu負fu反fan饋kui網wang絡luo，電dian阻zu負fu反fan饋kui網wang絡luo用yong於yu壓ya製zhi平ping滑hua放fang大da器qi在zai低di頻pin上shang高gao增zeng益yi特te性xing，電dian阻zu值zhi越yue小xiao壓ya製zhi平ping滑hua作zuo用yong越yue大da。以yi高gao頻pin段duan增zeng益yi為wei基ji準zhun增zeng益yi
，使shi用yong100～200 n 電阻，將低頻段的增益降低到大於基準增益2～3 dB。

2．2 同軸電纜特性阻抗選擇

同軸“巴倫”完成平衡至不平衡的轉換
，一般選用50 n特性阻抗。1：4同軸變換器電纜需要考慮源或負載電阻的大小

，計算公式如下：

Zo = (4R)2 / 25(Ω)。 (3)

式中

，Zo為電纜特性阻抗
；R為源或負載電阻。

2．3 磁芯的散熱及功率校驗

輸(shu)出(chu)匹(pi)配(pei)網(wang)絡(luo)中(zhong)
，同(tong)軸(zhou)變(bian)換(huan)器(qi)在(zai)傳(chuan)輸(shu)高(gao)功(gong)率(lv)時(shi)，由(you)於(yu)電(dian)路(lu)損(sun)耗(hao)
，磁(ci)芯(xin)會(hui)累(lei)積(ji)較(jiao)多(duo)的(de)熱(re)量(liang)，進(jin)而(er)會(hui)引(yin)起(qi)磁(ci)芯(xin)溫(wen)度(du)的(de)急(ji)劇(ju)升(sheng)高(gao)，嚴(yan)重(zhong)時(shi)會(hui)導(dao)致(zhi)磁(ci)芯(xin)的(de)磁(ci)導(dao)率(lv)下(xia)降(jiang)
，影(ying)響(xiang)同(tong)軸(zhou)變(bian)換(huan)器(qi)的(de)低(di)頻(pin)響(xiang)應(ying)。解(jie)決(jue)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)給(gei)磁(ci)芯(xin)采(cai)取(qu)良(liang)好(hao)的(de)散(san)熱(re)措(cuo)施(shi)，用(yong)導(dao)熱(re)膠(jiao)將(jiang)磁(ci)芯(xin)直(zhi)接(jie)固(gu)定(ding)在(zai)金(jin)屬(shu)散(san)熱(re)底(di)板(ban)上(shang)。

磁芯材料的選擇十分重要
，要得到高的電感值必須選用高磁導率的磁芯；為wei了le選xuan擇ze用yong於yu同tong軸zhou變bian換huan器qi的de合he適shi的de鐵tie氧yang體ti磁ci芯xin
，需xu要yao知zhi道dao磁ci芯xin的de飽bao和he磁ci通tong量liang和he它ta的de非fei線xian性xing特te性xing。當dang傳chuan送song功gong率lv較jiao大da時shi，必bi須xu檢jian驗yan磁ci環huan的de功gong率lv容rong量liang。這zhe是shi由you於yu磁ci環huan的de磁ci通tong量liang，在zai功gong率lv較jiao大da時shi會hui出chu現xian磁ci飽bao和he，以yi致zhi大da信xin號hao時shi等deng效xiao電dian感gan值zhi下xia降jiang，功gong率lv送song不bu過guo去qu。同tong軸zhou變bian換huan器qi磁ci飽bao和he的de一yi般ban規gui律lv是shi頻pin率lv越yue低di越yue嚴yan重zhong，所suo以yi其qi功gong率lv校xiao驗yan要yao在zai低di頻pin率lv上shang進jin行xing。
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3 設計實例

根據工程需要

，運用同軸變換器寬帶匹配技術設計一種多倍頻程高功率放大電路，覆蓋民用和軍用頻帶，頻率範圍為20～500 MHz。功率管選用雙管芯結構的平衡型n溝道增強型射頻放大管BLF574。設計用於輸出功率達350 W，功率增益大於16 dB，頻率範圍高HF至UHF的寬帶功率放大器。在225 MHz頻率左右器件的輸入和輸出阻抗都呈感性
，輸入阻抗Zs =(3．2+j2．5)Ω，輸出阻抗ZL = (7．5+j4．0)Ω。

3．1 輸入匹配網絡

BLF574有(you)一(yi)個(ge)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)
，為(wei)了(le)提(ti)供(gong)器(qi)件(jian)輸(shu)入(ru)端(duan)在(zai)多(duo)倍(bei)頻(pin)上(shang)的(de)寬(kuan)帶(dai)匹(pi)配(pei)
，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)輸(shu)人(ren)電(dian)容(rong)在(zai)頻(pin)率(lv)高(gao)端(duan)的(de)影(ying)響(xiang)
，且(qie)折(zhe)中(zhong)考(kao)慮(lv)中(zhong)間(jian)頻(pin)率(lv)及(ji)較(jiao)低(di)頻(pin)率(lv)上(shang)低(di)值(zhi)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)的(de)影(ying)響(xiang)。輸(shu)入(ru)匹(pi)配(pei)網(wang)絡(luo)設(she)計(ji)成(cheng)2級級聯的4：1同軸變換器，完成16：1阻抗變換，將5O Ω標準阻抗匹配接近於3 Ω
，這個值還要通過簡單的串聯微帶線和並聯電容轉換成器件的輸入電阻。第1級4：1同軸變換器電纜選擇UT - 047 -25，特性阻抗Zo=25 Ω，電纜長度45 mm。補償低頻響應的磁芯選擇2861002402，初始磁導率ui = 125。第二級4：1同軸變換器電纜選擇UT - 043 -l0
，特性阻抗Zo =10 Ω
，電纜長度45 mm
，補償低頻響應的磁芯同樣選擇2861002402。輸入匹配網絡如圖3所示。


3．2 輸出匹配網絡

輸出匹配網絡設計成1：4同軸變換器級聯同軸“巴倫”的形式。1：4同軸變換器電纜選擇UT - l4l- l5
，特性阻抗Zo =15 Ω
，電纜長度68 mm。補償低頻響應的磁芯選擇2661540202
，初始磁導率ui=125。同軸“巴倫”完成平衡至不平衡輸出的轉換，同軸“巴倫”電纜選型UT - 141，特性阻抗Zo =50Ω

，電纜長度68 mm。匹配電阻為：R =(25×15)1/2 / 4=4．8 Ω，這個值需要通過簡單的串聯微帶線和並聯電容轉換成器件的輸出電阻。輸出匹配網絡如圖4所示。


3．3 軟件仿真及測試驗證

3．3．1 軟件仿真

將功率放大管的輸入阻抗和輸出阻抗各自假設為隨頻率變化的可變阻抗，按照寬帶網絡阻抗近似匹配法進行阻抗匹配，使用軟件工具Ansoft-Serenade 8．7
，分別建立以同軸阻抗變換器為模型的輸入和輸出寬帶匹配網絡，匹配端口均為標準50 Ω特征阻抗，匹配目標為輸入或輸出端口電壓駐波比VSWR ≤2：1。利用頻率參數掃描曲線，經調整優化各同軸電纜長度及特性阻抗、串聯微帶線的長度和並聯電容的值得出寬帶內理想的駐波一頻率特性曲線。

3．3．2 測試驗證

對根據以上設計完成的實際電路進行測試
，在20～500 MHz頻帶內
，輸入回波損耗≤1．95：1，輸入功率10 W 時
，放大器的最小輸出功率>350 W。測試結果表明

，放大器的性能狀態良好，所設計的同軸變換器匹配網絡滿足寬帶匹配及功率要求。

結語

同軸電纜阻抗變換器及其組合可以實現高的阻抗變換比，而且具有承受功率容量大
、傳(chuan)輸(shu)頻(pin)帶(dai)寬(kuan)和(he)屏(ping)蔽(bi)性(xing)能(neng)好(hao)的(de)特(te)點(dian)，結(jie)合(he)少(shao)量(liang)集(ji)中(zhong)參(can)數(shu)元(yuan)件(jian)組(zu)成(cheng)匹(pi)配(pei)網(wang)絡(luo)，實(shi)現(xian)了(le)多(duo)倍(bei)頻(pin)程(cheng)功(gong)放(fang)的(de)寬(kuan)帶(dai)匹(pi)配(pei)
，有(you)望(wang)解(jie)決(jue)一(yi)套(tao)發(fa)信(xin)機(ji)配(pei)備(bei)多(duo)台(tai)窄(zhai)帶(dai)功(gong)放(fang)的(de)問(wen)題(ti)。該(gai)寬(kuan)帶(dai)匹(pi)配(pei)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)於(yu)HF/VHF/UHF波段，具有良好的工程應用價值。

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