传输线阻抗变换器又称为传输线变压器,它以传输线绕制在磁芯上而得名。这种阻抗变换器兼备了集总参数变压器和传输线的优点,因而可以做得体积小、功率容量大、工作频带相当宽(fmax:fmin>10)。它除具有阻抗变换作用外,采用适当的连接方式还可以完成平衡一平衡、不平衡一不平衡、平衡一不平衡、不平衡一平衡的转换,在长、中、短波及超短波波段获得了广泛的应用。
基本类型的传输线变压器阻抗变换比为1:n2或n2:1,n为整数。通常是用一对双线传输线或扭纹的三线传输线绕在一个磁芯上,或是用两对传输线分别绕在两个磁芯上,经过适当的连接得到不同阻抗变换比的平衡或不平衡输出的阻抗变换器,其工作原理基本相同,本节只对典型的传输线变压器进行分析。
一、 1:1不平衡一平衡传输线变压器
图6—22为1:1不平衡一平衡传输线变压器的结构示意图,它是将一对传输线绕制在一个适当型号的磁芯上而构成。为改善低频端特性,有时又增加一个平衡绕组,如图中的“5—6”绕组。图6—23为其原理图。
设传输线特性阻抗为zc,其输出端接负载阻抗rl,输入端接信号源(e为电动势,rg为内阻)。vl、i1和v2、i2分别表示输入和输出端复数电压、电流。令负载开路时的初级阻抗以zp(ω)表示,此时,绕组ao’中的电流为
称为激磁电流或磁化电流。
在有载的情况下,由于“1—2”和“3—4”是一对紧耦合的平衡传输线,因此,“3—4”线将通过与“1—2”线的耦合从电源获取电流。若耦合电流为ic,则由传输线方程可得
其中,l为传输线长度,β为相位常数。因为电源输出电流i1,是激磁电流ip,与耦合电流ic之和,故有ic=i1-ip。
由以上关系式,可以求出vl、i1和v2、i2的方程式为
其中
上式表明,一个1:1不平衡一平衡传输线变压器的传输矩阵[a],是由3个子矩阵组成的:第一个是1:1理想变压器的传输矩阵,第二个是阻抗为zp的四端网络的传输矩阵,第三个是特性阻抗为zc、长度为l的传输线的传输矩阵。与[a]矩阵对应的等效电路示于图6—23(b)中。由图可见,1:1理想变压器是无耗的,且与频率无关,对阻抗变换是无作用的。zp是负载开路时初级两端所呈现的阻抗,磁芯的作用主要表现在它对并联阻抗zp或磁化电感lp的影响上,对工作频带及传输效率都有一定影响。为突出研究传输线的工作原理,暂不考虑zp-的影响.即假定ip=0,则(6—4—2)式可改写为