МОЩНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СИММЕТРИРУЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности, в усилителях мощности радиопередатчиков KB и УКВ диапазонов, выполненным по двухтактным схемам.
Для формирования сигналов с одинаковой амплитудой и противоположной фазой используются симметрирующие трансформаторы.
Известны симметрирующие трансформаторы, выполненные в виде трансформаторов типа длинной линии, представляющие собой отрезок линии передачи (двухпроводной или коаксиальной), намотанной на ферритовый тороидальный сердечник [Широкополосные радиопередающие устройства (Радиочастотные тракты на полупроводниковых приборах) / Алексеев О.В., Головков А.А,, Полевой В.В., Соловьев А.А,; Под ред. О.В.Алексеева. - М.: Связь, 1978.; Sevick, J., Transmission Line Transformers, Noble Publishing Corp., 4th Edition 2001.; Ред Э.Т. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. - М.: Мир, 1990.]. Нижняя рабочая частота такого трансформатора определяется допустимой величиной магнитной индукции в сердечнике трансформатора и шунтирующим действием индуктивности его обмотки, а верхняя рабочая частота - ее электрической длиной, вызывающей резонансные эффекты, и мощностью потерь в сердечнике, определяющей его нагрев [Проектирование радиопередающих устройств: Учеб. пособие для вузов / В.В,Шахгильдян, В.А.Власов, В.Б.Козырев и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна. - 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993.; Лондон С.Е., Томашевич С.В. Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам. - М.: Радио и связь, 1984].
Недостатком рассмотренных симметрирующих трансформаторов, выполненных на ферритовом тороидальном сердечнике, является сравнительно узкий диапазон рабочих частот. Указанный недостаток становится особенно заметным, когда речь идет о трансформаторах большой мощности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является симметрирующий трансформатор, представленный в патенте США US 6750752 «High power wideband balun and power combiner/divider incorporating such a balun». May 6, 2004, Fig 2, принятый за прототип.
Устройство-прототип представляет собой симметрирующий трансформатор, выполненный в виде, по крайней мере, двух последовательно соединенных секций, намотанных единым коаксиальным кабелем на отдельных ферритовых тороидальных сердечниках. Первая секция, расположенная со стороны симметричного вывода устройства, имеет относительно небольшое число витков и, соответственно, небольшую длину обмотки для исключения резонансных эффектов в области верхних рабочих частот и выполнена на сердечнике с достаточно высокой начальной магнитной проницаемостью и малыми потерями. Вторая секция, являющаяся продолжением первой, выполнена на сердечнике с большей начальной магнитной проницаемостью, чем сердечник первой секции, имеет большее число витков и расположена со стороны несимметричного вывода устройства.
Недостатком устройства-прототипа является ограниченный диапазон рабочих частот.
Задача предлагаемого технического решения - расширение диапазона рабочих частот симметрирующего трансформатора.
Для решения поставленной задачи в симметрирующем трансформаторе, содержащем, по крайней мере, две последовательно соединенные трансформаторные секции, обмотка первой из которых имеет относительно небольшое число витков и выполнена на магнитопроводе с достаточно высокой начальной магнитной проницаемостью и малыми потерями на частотах верхнего участка рабочего диапазона частот, расположена со стороны симметричного вывода трансформатора, а обмотки последующих трансформаторных секций, выполнены на магнитопроводах с большей начальной магнитной проницаемостью, имеют большее число витков и расположены со стороны несимметричного вывода устройства, отличающийся тем, что в качестве магнитопроводов трансформаторных секций используют двухотверстные магнитопроводы.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - несимметричный вывод трансформатора;
1.1 - вывод внутреннего проводника несимметричного вывода трансформатора;
1.2 - вывод оплетки несимметричного вывода трансформатора;
2 - симметричный вывод трансформатора;
2.1 - вывод внутреннего проводника симметричного вывода трансформатора;
2.2 - вывод оплетки симметричного вывода трансформатора;
3 - обмотка трансформатора (коаксиальный кабель);
4 - первая секция трансформатора;
4.1 - двухотверстный магнитопровод первой секции трансформатора;
4.2 - обмотка первой секции трансформатора;
5 - вторая секция трансформатора;
5.1 - двухотверстный магнитопровод второй секции трансформатора;
5.2 - обмотка второй секции трансформатора.
Предлагаемое устройство содержит, по крайней мере, две трансформаторные секции 4 и 5, на соответствующих двухотверстных магнитопроводах (сердечниках) 4.1 и 5.1, обмотки которых 4.2 и 5.2 выполнены коаксиальным кабелем 3, причем вывод 1 трансформаторной секции 5 является несимметричным выводом трансформатора, а вывод 2 трансформаторной секции 4 является его симметричным выводом.
Работа предлагаемого устройства основана на перераспределении общего импеданса трансформатора между выводами 1.2 и 2.2 обмотки 3 для синфазной составляющей тока между соответствующими импедансами трансформаторных секций 4 и 5 на разных участках диапазона рабочих частот в зависимости от эффективной магнитной проницаемости магнитопроводов трансформаторных секций.
Импеданс трансформаторной секции определяется согласно [Carole U. Parker «Using Ferrites to Suppress EMI» (http://www.incompliacemag.com)] как
0,
Z=jωμLгде
ω - круговая частота;
μ - эффективная магнитная проницаемость магнитопровода сердечника;
o
L - индуктивность обмотки, имеющей такую же конфигурацию и число витков, что и обмотка трансформаторной секции, но выполненной на «воздушном» сердечнике (μ=1);
j - мнимая единица.
В свою очередь эффективная магнитная проницаемость магнитопровода сердечника определяется его действительной (μ') и мнимой (μ”) составляющими
s
s
2
2
1/2
μ=μ'-jμ”=(μ'+(jμ”))
Производители магнитопроводов обычно приводят зависимость μ' и μ” от частоты в виде графиков, из которых видно, что на частотах выше частоты ферромагнитного резонанса, которая обратно пропорциональна начальной магнитной проницаемости магнитопровода, и определяется как частота, на которой μ'=μ” [Aspects of wide-band, linear HF power amplifier [(http://sharon.esrac.ele.tue.nl/~opn9cvd/E-Berekenen van energieversterkers.htm)] действительная и мнимая составляющие магнитной проницаемости резко снижаются. Соответственно снижается эффективная магнитная проницаемость магнитопровода и импеданс обмотки.
Поскольку магнитопровод второй трансформаторной секции предлагаемого трансформатора имеет большую величину начальной магнитной проницаемости, ее импеданс в области верхних частот оказывается невелик и импеданс первой трансформаторной секции на этих частотах становится преобладающим. Поэтому параметры первой трансформаторной секции, и в частности длина ее обмотки, являются определяющими на верхних частотах для характеристик всего устройства в целом. В то же время импеданс второй трансформаторной секции, имеющей большее число витков и большую величину начальной магнитной проницаемости магнитопровода, становится преобладающим в области нижних частот рабочего диапазона, а последовательное соединение первой и второй трансформаторных секций увеличивает общий импеданс трансформатора на этих частотах.
При этом использование двухотверстных магнитопроводов позволяет существенно (согласно [Abrie P.L.D. «Design of RF and microwave amplifiers and oscillators». - Artech House, - 1999, Example 6.5, p.202.] до 1,5 раз) сократить длину обмотки первой трансформаторной секции по сравнению с тороидальным сердечником устройства-прототипа при той же индуктивности обмотки и величине индукции в магнитопроводе и увеличить индуктивность обмотки второй трансформаторной секции при том же числе витков, что и в устройстве-прототипе [Inder Bahl. «Lumped elements for RF and microwave circuits», Artech House Microwave Library, 2003.], чем и достигается расширение диапазона рабочих частот симметрирующего трансформатора как в область верхних, так и в область нижних частот.
В качестве двухотверстных магнитопроводов могут использоваться сердечники типа «бинокль» [Патент США USUS7319435 «Balun for an antenna, Jan. 15, 2008.], которые выпускаются отечественными фирмами под названием многоотверстных сердечников (фирма «Магнетон») и Multi-aperture cores зарубежными фирмами (фирмы «Fair-Rite», «Amidon», «Ceramic Magnetics») или могут быть выполнены в виде двух столбиков из наборов ферритовых колец [Проектирование радиопередающих устройств: Учеб. пособие для вузов / В.В,Шахгильдян, В.А.Власов, В.Б.Козырев и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна. - 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993.].
Применение сердечников типа «бинокль» дает возможность помимо электрических характеристик улучшать и тепловой режим устройства путем установки сердечников трансформаторных секций на теплоотвод, поскольку внешняя поверхность трансформаторной секции свободна от обмотки [Лон-дон С.Е., Томашевич С.В. «Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам». М.: Радио и связь, 1984.]. При выполнении двухотвер-стного магнитопровода в виде двух столбиков из наборов ферритовых колец для улучшения теплового режима устройства между ферритовыми кольцами устанавливаются теплопроводящие пластины [Патент США US 4897626 «Cooling electromagnetic devices», Jan. 30, 1990., Несвижский Ю.Б. «Высокочастотные ферриты в радиопередающей технике». М., «Связь», 1976.], что позволяет увеличить мощность высокочастотного сигнала, проходящего через симметрирующий трансформатор.
В том же случае, когда мощность сигнала невелика, для уменьшения габаритов симметрирующего трансформатора целесообразно наматывать его не коаксиальным кабелем, а двухпроводной линией.
Для дальнейшего расширения диапазона рабочих частот симметрирующего трансформатора могут использоваться дополнительные трансформаторные секции, включенные между второй трансформаторной секцией и несимметричным выходом устройства.