第三講 高頻變壓器和傳輸線變壓器

1、 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(dǎo)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。 圖圖 2-12 高頻變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)高頻變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)（a） 環(huán)形磁芯環(huán)形磁芯; (b) 罐形磁芯罐形磁芯; (c) 雙孔磁芯雙孔磁芯 圖圖 2-13 高頻變壓器及其等效電路高頻變壓器及其等效電路 (a) 電路符號電路符號; (b) 等效電路等效電路 圖 2-14(a)是一中心抽頭變壓器的示意圖。

2、 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)(213321IInInUUU(2 - 38) (2- 37) 圖圖 2-14 中心抽頭變壓器電路中心抽頭變壓器電路 （a） 中心抽頭變壓器電路中心抽頭變壓器電路; （b） 作四端口器件應(yīng)用作四端口器件應(yīng)用 12n 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。 圖圖 2 -15 傳輸線變壓器的典型結(jié)構(gòu)和電路傳輸線變壓器的典型結(jié)構(gòu)和電路 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖; （b） 電路圖電路圖 rrfvc

3、v0（2 -39） （2-40） 圖圖 2-16 傳輸線變壓器的工作方式傳輸線變壓器的工作方式 (a) 傳輸線方式傳輸線方式; (b) 變壓器方式變壓器方式 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。 圖圖 2 -17傳輸線變壓器的應(yīng)用舉例傳輸線變壓器的應(yīng)用舉例 （a） 高頻反相器高頻反相器; （b） 不平衡不平衡平衡變換器平衡變換器; （c） 1:4 阻抗變換器阻抗變換器; (d)

4、3 分貝耦合器分貝耦合器 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 RL 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

5、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

6、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11211244iLUURRII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(xué)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。圖圖 2 -18 石英晶體的形狀示意圖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(dāng)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

7、，當(dāng)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(dāng)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二、石英晶體振諧器的等效電路和符號 石英片相當(dāng)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C0在幾PF 幾十PF。式中 石英介電常數(shù)，s 極板面積

8、，d 石英片厚度 C0 rq Cq Lq JT b a rqLqCqCoab0sCd0qCpC 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。 1qqqqLQrC0qCC 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。1qqqL Cp00001111qqqqqqqqCCCCC CL CLCC 由于所以0與q很接近。

9、0112qpqCC00,1qqCCC 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(dāng) = q時z0 = 0 ， Lq、Cq串諧諧振，當(dāng) = p，z0 = ，回路并諧諧振。當(dāng) 時， jx0為容性。 當(dāng) 時, jx0 為感性，電抗曲線如上圖所示。 ,qpqpqq00q1212qqq011()11()ejrjLCCzzZzzrjLjCC22q0220p1/11/eZjxjC 2222201/11/qepLC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

10、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)QL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C0和Cq串聯(lián)后的電容。其串聯(lián)諧振頻率CoRqCqLq2L

11、qqq1L Cpq0qqq011C CL CLCC 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，

12、與負載連接的一組稱為接收叉指換能器。當(dāng)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(yán)格地說，傳輸?shù)穆暡ㄓ斜砻娌ê腕w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(dāng)于轉(zhuǎn)換為聲能的功率。右邊為接收換能器，GL

13、為負載電導(dǎo)，GL中消耗的功率相當(dāng)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

14、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(biāo)來衡量。矩形系數(shù)則是綜合說明這兩個指標(biāo)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

15、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