多層不平衡變壓器沖突尺寸障礙

阻抗變換器是高頻設(shè)計(jì)的必要部分之一。然而，對(duì)于小型化問(wèn)題，代表傳統(tǒng)阻抗變換器的繞線型鐵氧體部分帶來(lái)了三個(gè)主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)：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(gè)塑料罩。第二，尤其是相對(duì)于小尺寸的典型表面貼(SMT)部件，這種相對(duì)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(jì)中的高度限制，比如移動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的固有性能的限制。幸好，阻抗變換器一直在改進(jìn)，設(shè)計(jì)者可以采用一些方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繞線方法。  

對(duì)于窄帶應(yīng)用，比如在無(wú)線消費(fèi)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(kāi)發(fā)以節(jié)省空間。實(shí)現(xiàn)可以采用Lattice、Marchand或者Anaren開(kāi)發(fā)和注冊(cè)專利的Merrill結(jié)構(gòu)，當(dāng)設(shè)計(jì)任務(wù)需要不超過(guò)100%帶寬時(shí)這些方案比較實(shí)用，但是當(dāng)需要更寬帶寬時(shí)這些方案不再適用，比如帶寬超過(guò)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(guò)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(diǎn)：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(duì)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(qǐng)中)開(kāi)發(fā)了一種新型非鐵氧體轉(zhuǎn)換器。該設(shè)計(jì)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(jì)根據(jù)Guanella和Ruthroff阻抗轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，利用一個(gè)多層電路構(gòu)造方式以達(dá)到史無(wú)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(shì)是較小的外形高度和“真正”SMT封裝。這些改進(jìn)不僅首次使這些部件更容易融入一個(gè)完全自動(dòng)化的貼裝裝配的環(huán)境，而且這種設(shè)計(jì)使得在超薄消費(fèi)手持產(chǎn)品(比如最新手持微型電腦和移動(dòng)電話)的設(shè)計(jì)階段可以考慮使用低頻率不平衡變壓器。  

一個(gè)典型繞線1:4不平衡變壓器和一個(gè)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(jiàn)圖3，可見(jiàn)這種新產(chǎn)品可以節(jié)省PCB空間。這2個(gè)部件的插入損耗和共模抑制比(CMRR)見(jiàn)圖5，以供比較。曲線表明：相對(duì)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(shì)，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?yàn)槠涓泳o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(gè)同時(shí)滿足繞線或者Anaren多層不平衡變壓器的設(shè)計(jì)，以促進(jìn)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)內(nèi)性能比較和測(cè)試。一個(gè)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(jì)見(jiàn)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(duì)滲透性為1的材料對(duì)溫度敏感性低于高滲透性的鐵氧體材料。對(duì)于溫度的穩(wěn)定性簡(jiǎn)化了系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)，這是因?yàn)樵谝粋€(gè)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(jì)者的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)檫@種材料具有內(nèi)在的非線性性，而且在足夠高的功率時(shí)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(dòng)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(dú)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(gè)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(gè)關(guān)于溫度的函數(shù))膨脹和收縮。當(dāng)然，由于這種新不平衡變壓器采用低滲透性材料，所以對(duì)設(shè)計(jì)存在一個(gè)更低頻率的應(yīng)用限制，通常大約為50MHz。對(duì)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(gè)簡(jiǎn)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(gè)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(gè)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(shí)應(yīng)用。然而，與任何性能調(diào)整一樣這是一個(gè)折衷，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行實(shí)施。圖9對(duì)有/沒(méi)有無(wú)源電路器件的不平衡變壓器的性能進(jìn)行比較。這種新1：4多層不平衡變壓器也可以被用作一個(gè)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(jìn)激發(fā)了在類似地面廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)市場(chǎng)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(duì)在其他電子產(chǎn)品市場(chǎng)中普遍的相同頂層設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)(比如，小型化、降低PCB成本的趨勢(shì)，等)，當(dāng)今地面廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們需要面對(duì)來(lái)自內(nèi)容和服務(wù)提供商的特定的市場(chǎng)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(dòng)以及融合多個(gè)調(diào)諧器以提供觀看/錄像、畫中畫和其他有價(jià)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(jì)工程師不需要再認(rèn)為轉(zhuǎn)換器是一個(gè)緊密設(shè)計(jì)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(jì)環(huán)境中，繞線不平衡變壓器使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)工程師提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)適合當(dāng)今實(shí)際應(yīng)用的緊密設(shè)計(jì)的新選擇。  

對(duì)于寬帶通信市場(chǎng)，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(gè)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(dòng)電話和其他輕薄電子設(shè)計(jì)(包括數(shù)字電視機(jī)頂盒和液晶顯示電視)的外形特點(diǎn)?？梢缘卿浌揪W(wǎng)站或者聯(lián)系A(chǔ)naren公司消費(fèi)產(chǎn)品部件的唯一經(jīng)銷合作商Richardson Electronics申請(qǐng)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