阻抗變換器是高頻設(shè)計的必要部分之一。然而，對于小型化問題，代表傳統(tǒng)阻抗變換器的繞線型鐵氧體部分帶來了三個主要設(shè)計難點：首先，拱頂狀鐵氧體磁芯不是非常適合大批量貼裝制造，必須配合使用一個塑料罩。第二，尤其是相對于小尺寸的典型表面貼(SMT)部件，這種相對大尺寸的繞線型阻抗變換器常常不滿足現(xiàn)代商業(yè)設(shè)計中的高度限制，比如移動電話和其他便攜式電子設(shè)備。最后，繞線型不平衡變壓器受到和非線性鐵氧體聯(lián)合時產(chǎn)生的固有性能的限制。幸好，阻抗變換器一直在改進，設(shè)計者可以采用一些方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繞線方法。  

對于窄帶應(yīng)用，比如在無線消費產(chǎn)品中，或者中等帶寬應(yīng)用，比如衛(wèi)星電視，發(fā)體積比傳統(tǒng)繞線型變換器小的非鐵氧體平衡-不平衡(Balun)阻抗變換器已開發(fā)以節(jié)省空間。實現(xiàn)可以采用Lattice、Marchand或者Anaren開發(fā)和注冊專利的Merrill結(jié)構(gòu)，當設(shè)計任務(wù)需要不超過100%帶寬時這些方案比較實用，但是當需要更寬帶寬時這些方案不再適用，比如帶寬超過150%的地面廣播應(yīng)用。表1提供了幾種窄帶不平衡變壓器典型帶寬的比較。  

繞線轉(zhuǎn)換器也在逐漸變小，一些廠商提供4×4mm高不超過4mm的部件。即使目前產(chǎn)品的尺寸有所減小，然而傳統(tǒng)繞線不平衡變壓器仍然存在一些缺點：他們不是非常適合用于大批量貼裝操作，傳統(tǒng)繞線轉(zhuǎn)換器的高度不太適用于外形小巧的電子產(chǎn)品，而且繞線不平衡變壓器受限于鐵氧體結(jié)構(gòu)對于重用性、溫度穩(wěn)定性和互調(diào)失真的材料限制。  

為了克服這些限制，Anaren基于多層方式(專利申請中)開發(fā)了一種新型非鐵氧體轉(zhuǎn)換器。該設(shè)計結(jié)合了最先由Guanella和Ruthroff描述的用于繞線不平衡變壓器的基本阻抗轉(zhuǎn)換原理。但是這種新產(chǎn)品的外形類似于陶瓷SMT不平衡變壓器。  

這種新型設(shè)計根據(jù)Guanella和Ruthroff阻抗轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，利用一個多層電路構(gòu)造方式以達到史無前例的小尺寸。圖1顯示了Guanella 1:1不平衡變壓器(左)外形和Ruthroff變換(右)，圖2顯示了Guanella 1:4轉(zhuǎn)換器外形。  

這種新型多層不平衡變壓器的優(yōu)勢是較小的外形高度和“真正”SMT封裝。這些改進不僅首次使這些部件更容易融入一個完全自動化的貼裝裝配的環(huán)境，而且這種設(shè)計使得在超薄消費手持產(chǎn)品(比如最新手持微型電腦和移動電話)的設(shè)計階段可以考慮使用低頻率不平衡變壓器。  

一個典型繞線1:4不平衡變壓器和一個用于地面廣播的Anaren最新1:4小型不平衡變壓器之間的顯著外形差異見圖3，可見這種新產(chǎn)品可以節(jié)省PCB空間。這2個部件的插入損耗和共模抑制比(CMRR)見圖5，以供比較。曲線表明：相對于繞線部件，這種小型多層不平衡變壓器插入損耗性能的顯著優(yōu)勢，兩者的CMRR性能接近。  

由于其提高的插入損耗和可比擬的共模抑制比性能，Anaren多層不平衡變壓器可以直接取代地面廣播系統(tǒng)中的繞線部件。而且，因為其更加緊湊的外形(多層不平衡變壓器使用的PCB面積比繞線部分減小40%)，可以構(gòu)造一個同時滿足繞線或者Anaren多層不平衡變壓器的設(shè)計，以促進簡單的系統(tǒng)內(nèi)性能比較和測試。一個用于比較傳統(tǒng)繞線不平衡變壓器和新型多層不平衡變壓器性能的參考設(shè)計見圖6。  

除了微小的外形，該新型多層不平衡變壓器得益于這種用于多層結(jié)構(gòu)的非鐵氧體軟質(zhì)電路板材料。這種相對滲透性為1的材料對溫度敏感性低于高滲透性的鐵氧體材料。對于溫度的穩(wěn)定性簡化了系統(tǒng)和電路設(shè)計，這是因為在一個寬溫度范圍內(nèi)需要較小的性能容限。  

傳統(tǒng)上用于繞線不平衡變壓器構(gòu)造的高滲透性材料也可能是系統(tǒng)設(shè)計者的一個關(guān)注點，因為這種材料具有內(nèi)在的非線性性，而且在足夠高的功率時可能生成降低系統(tǒng)性能的互調(diào)干擾。相反，這種新型低滲透性多層不平衡變壓器只造成由不同金屬引起的互調(diào)干擾，這種干擾被稱為被動互調(diào)(PIM)，在-100dBc范圍內(nèi)比較典型。而且，Anaren多層不平衡變壓器的互調(diào)干擾獨立于電路中任何偏置電流。  

這種多層不平衡變壓器軟質(zhì)板構(gòu)造的另外一個好處是與PCB材料中典型的熱膨脹系數(shù)(CTE)相兼容，所以PCB和不平衡變壓器材料趨向于以相同速度(一個關(guān)于溫度的函數(shù))膨脹和收縮。當然，由于這種新不平衡變壓器采用低滲透性材料，所以對設(shè)計存在一個更低頻率的應(yīng)用限制，通常大約為50MHz。對低于50MHz的頻率，繞線鐵氧體不平衡變壓器仍然是最優(yōu)方案。  

利用一個簡單離散網(wǎng)絡(luò)，這種新型多層不平衡變壓器可以滿足特定頻率帶應(yīng)用的需要。一個推薦的電容網(wǎng)絡(luò)(圖7)在頻率帶的較低端提高了插入損耗。一個感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(圖8)在高端提高了平衡性能。如果需要，這兩種網(wǎng)絡(luò)可以被同時應(yīng)用。然而，與任何性能調(diào)整一樣這是一個折衷，需要根據(jù)實際應(yīng)用進行實施。圖9對有/沒有無源電路器件的不平衡變壓器的性能進行比較。這種新1：4多層不平衡變壓器也可以被用作一個單端-單端電阻轉(zhuǎn)換器(unun)，如圖10所示。  

總之，這些性能和外形的改進激發(fā)了在類似地面廣播系統(tǒng)設(shè)計市場領(lǐng)域的工程師們，這種廣播系統(tǒng)一直受限于繞線技術(shù)的局限。面對在其他電子產(chǎn)品市場中普遍的相同頂層設(shè)計挑戰(zhàn)(比如，小型化、降低PCB成本的趨勢，等)，當今地面廣播系統(tǒng)設(shè)計者們需要面對來自內(nèi)容和服務(wù)提供商的特定的市場需求和功能要求。這些包括因特網(wǎng)協(xié)議電視(Internet Protocol Television, IPTV)、額外硬件驅(qū)動以及融合多個調(diào)諧器以提供觀看/錄像、畫中畫和其他有價值的功能。利用這種真正SMT的新系列產(chǎn)品—Anaren小型非鐵氧體寬帶不平衡變壓器，從事地面廣播電子方案的設(shè)計工程師不需要再認為轉(zhuǎn)換器是一個緊密設(shè)計的限制因素。  

在幾乎完全移植到表面封裝和小型化部件的設(shè)計環(huán)境中，繞線不平衡變壓器使得系統(tǒng)設(shè)計者面臨一些限制，尤其在地面廣播領(lǐng)域。Anaren新型多層不平衡變壓器消除了很多這些限制，給設(shè)計工程師提供了一個開發(fā)適合當今實際應(yīng)用的緊密設(shè)計的新選擇。  

對于寬帶通信市場，這種新系列多層不平衡變壓器是繞線鐵氧體轉(zhuǎn)換器的合理替代產(chǎn)品。該新型產(chǎn)品提供20:1的帶寬、理想的溫度穩(wěn)定性、在整個頻率范圍內(nèi)低插入損耗、較好的幅度和相位平衡以及支持最新移動電話和其他輕薄電子設(shè)計(包括數(shù)字電視機頂盒和液晶顯示電視)的外形特點。可以登錄公司網(wǎng)站或者聯(lián)系A(chǔ)naren公司消費產(chǎn)品部件的唯一經(jīng)銷合作商Richardson Electronics申請這種多層不平衡變壓器的樣品。  


作者：Niels Kirkeby  

Anaren公司  


參考文章：  

1. N. Marchand, "Transmission line conversion transformers," Electronics, Vol. 17, December 1944, pp. 142-145.  

2. J. Merrill, "Design of Baluns using Backward Wave Couplers," Applied Microwave & Wireless, Vol. 12, No. 4, April 2000.  

3. G. Guanella, "New method of impedance matching in radio frequency circuits," Brown-Boveri Review, Vol. 31, September 1944, pp. 327-329.  

4. C.L. Ruthroff, "Some Broad-Band Transformers," Proceedings of the IRE, Vol. 47, August 1959, pp. 1337-1342.  
  
作者：Niels Kirkeby