傳輸線變壓器在開關(guān)穩(wěn)壓電路供電線路中的應用

1、天 津 大 學 網(wǎng) 絡 教 育 學 院?？飘厴I(yè)論文題目：傳輸線變壓器在開關(guān)穩(wěn)壓電路供電線路中的應用完成期限：2016年1月8日 至 2016年4月20日學習中心：嘉興專業(yè)名稱：電氣自動化技術(shù)學生姓名：朱鴻麒學生學號：132092433102指導教師：劉伯穎傳輸線變壓器在開關(guān)穩(wěn)壓電路供電線路中的應用設計要求傳輸線變壓器和其他元器件一樣,其設計的依據(jù)是用戶提出的技術(shù)要求,然而,如果用戶對傳輸線變壓器缺乏一定的了解,那么要提出合理的技術(shù)要求是困難的.為此,在介紹設計方法之前有必要先對變壓器的技術(shù)要求作一些說明.在一般情況下,電子變壓器的技術(shù)要求應包含這樣一些內(nèi)容:輸入和輸出阻抗的大小,饋電方式,與訊

2、號有關(guān)的內(nèi)容(例如頻率范圍,功率容量,脈沖波還是連續(xù)波)負載的特點,允許的波形或幅度和相位的變化程度以及允許的失配程度等.現(xiàn)分述如下:輸入和輸出阻抗在變壓器的技術(shù)要求中,如果僅僅提阻抗比的要求是不夠的,必須具體指明輸入阻抗和輸出阻抗的大小.因為對于一定的阻抗比,例如1:4,可以是50歐姆與200歐姆之比,等等.而在傳輸線變壓器中,所用傳輸線最佳特性阻抗與具體的阻抗變換有關(guān),即與輸入阻抗和輸出阻抗的大小有關(guān).對于50歐姆的1:4雙線傳輸線變壓器,傳輸線最佳特性阻抗為100歐姆的1:4雙線傳輸線變壓器,傳輸線最佳的特性阻抗為100歐姆.而對于75歐姆與300歐姆的變換,傳輸線最佳阻抗為150歐姆.

3、另外,為了確定變壓器磁化電感的大小,還必須知道輸入阻抗或輸出阻抗,國在磁化電感的大小是與輸入阻抗或輸阻抗成正比的.例如,有兩個變壓器,在其它的條件相同的情況下,一個變壓器的阻抗比為12.5歐姆/50歐姆,另一個變壓器的阻抗比為125歐姆/500歐姆,雖然都是1:4的阻抗變壓器,然而它們所要求的磁化電感卻有很大的差別,后都是前都的10倍.一個變變壓器性能的好壞在很大程度上取決于所要求的磁化電感的大小,傳輸線特性阻抗與最佳特性阻抗之比,因此,設計變壓器的大小,首先要明確阻抗變換是從多少歐姆變到多少歐姆,例如,在晶體管電路中用于級間耦合的變壓器,必須知道前級的輸出阻抗和后一級的輸入阻抗,短波通訊中的

4、發(fā)射機與天線之間的匹配變壓器,就應當知道發(fā)射機的輸出阻抗和天線(或饋線)的輸入阻抗.極性變換 極性變換本身可看作是廣義的阻抗變換,因為它也是使兩個不同的網(wǎng)絡間匹配的一種手段.變壓器極性變換一般有四種:全相變換,不平衡-不平衡變換,不平衡-平衡變換以及平衡-平衡變換.對于一定的阻抗變換,當所要求的極性變換形式不同時,剛變換電路和傳輸線的最佳特性阻抗就不完全相同.例如,1:4不平衡-不平衡變換,一般采用雙線傳輸線變換電路,而1:4不平衡-平衡變換,一般采用成對雙線傳輸線變換電路或三線傳輸線1:4變換電路.因此,在變壓器的技術(shù)要求中除說明輸入端和輸出端的阻抗以外,還應指明輸入和輸出端的極性

5、(即饋電方式).負載的特點當涉及不平衡-平衡變換時,在技術(shù)要求中應說明平衡端負載是否允許有實在的接地點.因為有實在接地點的變換電路可以有較大的差別.例如1:1不平衡-平衡變換,如果平衡負載中心(或平衡電源中心)允許有實在接地點,則用簡單的雙線傳輸線變壓器就可以完成,否則還要附加平衡繞組或都采用三線傳輸線變壓器電路.因此,在技術(shù)要求中指明平衡負載中心是否允許有實在接地點,這可以使變壓器設計師獲得更多的自由,從而有助于提高設計質(zhì)量.直流的影響在電子線路中常常是交,真流混雜的,因此變壓器就應注意是否有隔離直流的要求,當有直流存在進,不僅變壓器變換電路形式不同,而且在設計進還應該注意因直流引起的飽和問

6、題.在第二章曾指出,磁芯飽和的問題-磁導率隨直流場變化,與工作頻率的高低有關(guān),在一般情況下,工作頻率越低,磁芯飽和的問題就越嚴重.因此,對于低頻變壓器,直流的大小要特別引起注意.功率容量習慣上,如果未指明功率容量的要求都是指低功率.如果有功率容量的要求(對于短波為瓦級以上)應具體指明容量的大小.變壓器的設計,特別是磁芯材料廠,尺寸的選擇以及傳輸線材料,尺寸的選擇與功率容量的大小有密切的關(guān)系.傳輸參數(shù)變壓器的功能可以歸結(jié)為能在電源和負載之間提供匹配級聯(lián).而且為了衡量匹配的程度,由它引起的損耗大小和相位的變化,需要引入一些參數(shù),這些參數(shù)是傳輸損耗(有效損耗)（分貝）式中T為傳輸參數(shù).插入損耗（分貝

7、）對比以上兩式不難看出,當電源輸出阻抗與負載電阻相同時,插入損耗和傳輸損耗的意義不同.變壓器是用來做阻抗變換的,在一般情況下變比或阻抗比不等于一,此時,若仍用插入損耗來衡量變壓器的損耗,那么變壓器的損耗(用分貝表示)可能出現(xiàn)負載(既有增益).變壓器是無源網(wǎng)絡,不可能有功率增益,因此,在衡量變壓器損耗時用傳輸損耗比較合理,而用插入損耗表示則容易產(chǎn)生混淆.反射損耗(回歸損耗)式中電壓反射系數(shù)其中Z 和Z為在網(wǎng)絡某處分別向電源和負載端看的輸入阻抗,若用電壓駐波系數(shù)表示,則反射損耗反射損耗、電壓駐波系數(shù)和電壓反射系數(shù)都是表征失配程度的參數(shù)，因為這些參數(shù)相互間都有一定的關(guān)系，故在一般技術(shù)要求中只給出其中

8、一個就可以了。在一般的設計手冊中給出的電壓駐波系數(shù)、電壓反射系數(shù)和傳輸損耗的列線圖，傳輸損耗僅指由于反射引起的損耗，不包括因傳輸網(wǎng)絡內(nèi)存在的有功損耗元件所引起的損耗。所以用戶在給出傳輸線變壓器的技術(shù)指標時應注意其合理性。相移是指信號通過變壓器網(wǎng)絡后相位的變化。射初始信號相位為零，則通過變壓器網(wǎng)絡后相移角由下式確定：         在不平衡-平衡變換中還有相位平衡度和幅度平衡度的要求。幅度平衡度相位平衡度一般不用分貝表示，而直接用平衡端相移角差表示。以上所討論的變壓器的四種主要參數(shù)，即傳輸損耗（或插入損耗

9、），反射損耗（或電壓反射系數(shù)、或電壓駐波系數(shù)），相移以及平衡度，在變壓器的使用過程中，有的對這四個參數(shù)都有所要求，有的只對其中的幾個有要求。如果不是必要，不必對所以的參數(shù)都提要求，否則有可能會使主要指標的水平降低。 變換電路的選擇設計傳輸線變壓器，首先要根據(jù)設計要求選擇變換電路。表3-1是十幾種可供使用的變換電路匯集。每一種變換電路都有各自的特點。現(xiàn)就各種電路的特點分別加以說明。                  &

10、#160;         表1 基本變換電路匯集  實際傳輸線變壓器的傳輸損耗主要由兩部分組成，變換電路本身的傳輸損耗和由于并聯(lián)電感（磁化電感）不等于無窮大所引起的損耗。所謂變換電路本身的傳輸損耗是指沒有電損耗和磁損耗時，由變壓器電路的頻率特性所造成的損耗。實際應用中的傳輸線變壓器，要求傳輸損耗比較小，也即變換電路本身的傳輸損耗和并聯(lián)電感損耗都必須較小，這種情況下實際變壓器的傳輸系數(shù)和傳輸損耗可分別表示為：       &#

11、160;           T = T1T2                                      

12、;         (4-8)                   AT = 10lgT1 +  10lgT2          （4-9）式中  T1 -并聯(lián)電感傳輸系數(shù)     

13、; T2 -變換電路本身的傳輸系數(shù)幾種變換電路的T1值和T2值列在表3-1中。表3-1中序號1是1：1隔直變換，傳輸線的最佳特性阻抗為，由于該變換的初級或次級繞組內(nèi)有直流通過，直流產(chǎn)生的磁場有可能使磁芯的可逆磁導率下降，因而有可能使電感值下降。序號2是1：-1（倒相）變換，其中上圖為傳輸線（扭絞雙線或同軸線）繞在磁芯上的結(jié)構(gòu)形式，下圖為磁環(huán)套在同軸線上的結(jié)構(gòu)形式。相對而言，后一種形式適用于高的頻率，如幾百兆的連續(xù)波、毫微秒量級的脈沖波。序號3有兩種變換電路，其上圖多半是作不平衡-平衡的變換，負載中心不一定要有實在的接地點。例如，不平衡電源輸出與平衡天線之間的匹配，因平衡天線中心沒有實在的接地點

14、，所以可以用這種電路來完成匹配。下圖一般是用來作平衡不平衡的變換，例如平衡接收天線與不平衡接收機之間的匹配就可由它來完成。序號5和6都是雙線1：4變換，它們在結(jié)構(gòu)上的差別僅僅是接地點不同。但當作不平衡平衡變換時，其平衡度不如三線的和成對的1：4不平衡-平衡變換好，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，尺寸小。雙線1：4變換多半用來作不平衡電路的級間耦合。序號7和8都是成對雙線的1：4平衡-平衡變換，其中7是傳輸線繞在同一磁芯上（只用一個磁芯），序號8是磁芯分別套在兩根同軸線上的結(jié)構(gòu)形式。序號9也是成對雙線1：4變換，與序號7比較多了一接地點，并且是由兩根傳輸線分別繞在兩個磁芯（或雙孔磁芯）上組成的，其

15、并聯(lián)電感為序號7的1/4。因此在其他條件相同的情況下，序號9的低頻響應和并聯(lián)電感損耗不如序號7，但是序號7只能用來做平衡-平衡變換，而不能作不平衡-平衡變換，調(diào)整序號9的接地點，則可以用來做各種極性的1：4變換。它的主要優(yōu)點是在作不平衡-平衡變換時有較好的平衡度。序號10、12和序號4、11、13、15都是三線傳輸線變壓器，其中序號10和12為偶模變換，其余四種為奇模變換。它們中的某些變換，其功能與雙線傳輸線變壓器的相同，但這些相同功能的變換之間仍是有差別的，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：在磁芯和傳輸線相同的情況下，并聯(lián)電感不同，因而并聯(lián)電感的傳輸系數(shù)。最佳傳輸條件不同。傳輸線長度的限制不同。例如序

16、號14和15都是1：9不平衡-不平衡變換，前者允許用較長的傳輸線，而后者允許使用的傳輸線較短?；蛘哒f，當傳輸線的長度相同時，前者的上限頻率較高，后者的上限頻率較低。但序號14要用兩個磁芯，而序號15只需用一個磁芯。表3-1中還有的是將磁環(huán)套在傳輸線上的結(jié)構(gòu)形式，也有是傳輸線繞在磁環(huán)上的結(jié)構(gòu)形式。這兩種結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上沒有太大的差別，因為磁環(huán)套在傳輸線上可看成是傳輸線在磁環(huán)上繞一匝的結(jié)構(gòu)形式。當然它們之間還有一定的差別，例如將磁環(huán)套在傳輸線上的結(jié)構(gòu)形式，傳輸線繞組的分布電容小，而傳輸線繞在磁環(huán)上，由于傳輸線形成了線圈因而繞組的分布電容大。分布電容小是獲得較高上限頻率的重要條件，因此，將磁環(huán)套在傳輸線

17、上的結(jié)構(gòu)形式適用于作較高頻率的阻抗變換，但是由于較難獲得較大的并聯(lián)電感，因而不適于低頻應用。以上列舉了傳輸線變壓器的各種變換電路以及主要的差別，具體的不同參考射頻鐵氧體寬帶器件【1】讀者可根據(jù)具體的設計要求做出選擇。 傳輸線特性阻抗的計算 概述為了達到寬頻帶的目的，繞制變壓器用的傳輸線的特性阻抗應盡可能地滿足最佳值的要求，如果偏離最佳值，那么各種傳輸線變壓器將受傳輸線的長度或工作頻率的限制，偏離越大則限制越厲害。因此，設計傳輸線變壓器的關(guān)鍵是選擇或設計合適的傳輸線。繞制傳輸線變壓器的傳輸線主要有同軸電纜、扭絞雙線、平行雙線、帶狀線，他們都是雙線傳輸線。還有一種是多股扭絞線，如由三根單線扭絞成的

18、三線傳輸線，這類線稱為耦合傳輸線。a.無損耗同軸電纜的特性阻抗          式中，D，d分別是同軸電纜外導體內(nèi)徑、內(nèi)導體外徑；為內(nèi)外導體間介質(zhì)相對磁導率； 是介質(zhì)的相對介電常數(shù)。b.帶狀傳輸線的阻抗           式中，h-帶狀線支撐介質(zhì)的厚度，b-帶狀線寬度c.扭絞雙線的特性阻抗         

19、0;         式中，D-單線直徑； d-單線導體直徑下表給出了常用扭絞雙線的一些基本參數(shù)：  磁芯的選擇由上一章傳輸線變壓器原理可知，由磁芯引起的傳輸損耗總是隨頻率的上升而下降，最后趨于僅與斯諾克常數(shù)有關(guān)的恒定值。因而，如果在頻帶的低端能滿足傳輸損耗的要求，那么在高于這一下限頻率下傳輸損耗也一定能滿足要求。由此得出的對磁芯的基本要求是初始磁導率高，也高。為便于工程設計，本節(jié)將給出不同的指標對材料技術(shù)要求的差別，以便根據(jù)不同的應用、不同的要求去合理地選擇需要的鐵氧體材料。本節(jié)另一個內(nèi)容，是

20、根據(jù)變壓器設計要求及既定的材料參數(shù)（和）來確定磁化電感的大小，并給出一些設計參考圖表，最后將對寬帶變壓器磁芯的最佳尺寸做一簡要介紹。磁芯材料的選擇對磁芯材料的要求主要取決于變壓器的容量，同時考慮其相關(guān)的傳輸損耗、反射損耗、相移及磁芯材料的磁導率和 、損耗角正切  ( / )。寬帶變壓器的傳輸損耗為：          式中， 電源內(nèi)阻；L0空心線圈電感；式中，N-匝數(shù)；h-磁環(huán)高度；d1、d2磁環(huán)內(nèi)、外徑尺寸（cm）寬帶變壓器的反射損耗為：3寬帶變壓器的相移為：（弧度）需要說明的三點：

21、其一，提高磁芯磁導率對于改善傳輸損耗、反射損耗和相移都是有宜的。其二，對磁芯材料的以上討論僅僅適用于低功率，對高功率不完全適用。其三，同時滿足傳輸損耗、反射損耗和相移技術(shù)要求的最佳材料是損耗很大（）的材料而不是低損耗（）材料，因為傳輸損耗在工程應用中，相差幾十倍是可以接受的，然而在匹配和相移有要求的應用中，損耗小的材料明顯比損耗大的材料差，后者足以滿足應用要求，而前者是勉強的，甚至無法使用。        因此，在傳輸損耗、反射損耗和相移同時有要求時，最優(yōu)的變壓器磁芯材料是的材料。 磁芯尺寸的選擇在下列情況下，傳輸

22、線變壓器的磁芯尺寸有一定的要求：1.頻帶特別寬，例如相對帶寬為10倍頻程以上；2.功率容量較大時，例如在短波段連續(xù)波功率為1千瓦以上；3.上限工作頻率較高，在幾百兆以上，或者脈沖很窄，為毫微秒量級；4.實際傳輸線特性阻抗偏離要求的最佳值要求較遠。在以上章節(jié)指出，傳輸線變壓器帶通的上限頻率受傳輸線長度l的限制，這種限制可表示為：             下限頻率 受并聯(lián)電感 的限制，表示為      

23、0;       帶寬系數(shù)                /上式表示變壓器帶寬系數(shù)的大小與繞組單位線電感的大小成比例。當繞組線長和磁芯材料一定時，以電感量最大的磁芯尺寸為最好，當材料一定時，以達到相同電感量的最短線的磁芯尺寸為最好。這是檢驗設計、比較磁芯好壞的一個重要標準。磁芯磁路中的氣隙將使磁導率（ 和）下降，尤其是高磁導率材料下降得更厲害。因此，從寬頻帶考慮宜采用無氣隙的閉

24、磁路磁芯。常用的是矩形截面的環(huán)形（單孔）磁芯和雙孔磁芯，下面就這兩種磁芯的最佳尺寸作下介紹。 矩形截面環(huán)形磁芯的電感         式中d2、d1和h分別為磁環(huán)的外徑、內(nèi)徑和高度，為磁導率，N為匝數(shù)。繞一匝的線長為        設繞組線長為l，則這種磁芯的電感為       將上式代入式     

25、;   / 可以看出，當d1趨于零時，帶寬系數(shù) / 趨于無窮大，但這是不可能的，因此磁芯必須穿線。故磁芯內(nèi)徑d1要有一定的大小。如果(d2/d1)是一定的，則由上式可得 / 取極大值的條件為           這表示當磁環(huán)內(nèi)外徑一定時，若磁環(huán)的高是可以調(diào)整的，那么以環(huán)高等于環(huán)壁厚度時的尺寸為最佳，也即單位線長電感最大。這是因為當環(huán)高等于壁厚時，磁路截面是正方形，在矩形截面中以正方形的單位周長面積最大，而電感的大小是與磁路截面大小成正比的。雙孔磁芯的電感為 

26、;        式中N 為繞在雙孔磁芯中心臂上的繞組的匝數(shù)。繞一匝的線長           不難看出，在尺寸相同的條件下，雙孔磁芯的電感兩量比單孔磁芯的大一倍，而繞一匝的線長增加不到一倍。因此雙孔磁芯單位線長電感量要比單孔的大，因而在理論上雙孔磁芯變壓器有可能獲得更大的帶寬。在理論上雙孔磁芯具有單位長電感量大的優(yōu)點，或者說，滿足既定電感量要求的線長可短些。這意味著，對于一定的下限頻率，雙孔磁芯變壓器的上限頻率可以

27、做的更高些。但是在實際選用雙孔磁芯時要注意一個問題，變壓器繞組只有繞在雙孔磁芯的公共臂上才具有上述優(yōu)點，而公共臂尺寸是很小的，所能繞的匝數(shù)也不多，電感量上不去，因此，雙孔磁芯一般只適宜作下限頻率較高的寬帶變壓器磁芯。應當指出的是，在有的場合采用雙孔磁芯并不是利用它單位線長電感大的優(yōu)點，而是把它當作兩個磁芯用，其目的是為了節(jié)省空間和便于固定，以及保證兩個磁芯性能一致。 實際設計制作過程根據(jù)參考文獻2中設計一種用于脈沖調(diào)制的短波功率變壓器中給出的技術(shù)指標要求阻抗變換：75歐姆-300歐姆（均為不平衡）頻率范圍：5MHz-60MHz傳輸損耗：小于0.2電壓駐波系數(shù)：小于等于1.4平均功率：200W由

28、于本設計有多種變換電路可選擇，所以作者設計兩種方案：一是按照文獻所提供的采樣最簡單的雙線絞繞的方法進行設計制作，二是采用三線并繞以獲得準確的電感量的方式。 方法一變換電路的選擇：由技術(shù)指標要求可見它是一個1：4不平衡變換。在圖3中序號5、10、13等電路都可以完成這種變換，這里選用最簡單的序號5的電路。變壓器參數(shù)的計算：特性阻抗Z技術(shù)指標要求 =75歐姆，  =300歐姆，故雙線傳輸線具有最佳特性阻抗              Z = 150歐姆B計算傳輸

29、線長度L由傳輸損耗的限制，雙線長度大致限定在1/8之內(nèi)。而上限頻率為 =60MHz，所以          = 62.5cm式，C=3×1010cm/s   電磁波傳輸速率。C計算平均電壓由于平均功率P=200W，可計算出與聯(lián)系波等效的平均電壓V        D計算磁芯磁路截面積 與匝數(shù)N的最小乘積     E選取磁芯和計算電感值與匝數(shù)N根據(jù) 7.8cm2和經(jīng)驗，本設計可初步選