ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СИММЕТРИРУЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности, в усилителях мощности радиопередатчиков KB и УКВ диапазонов.
Широкополосные усилители мощности KB и УКВ диапазонов выполняются, как правило, по двухтактным схемам.
Для перехода от двухтактной схемы к несимметричной нагрузке на выходе и к источнику сигнала возбуждения на входе применяются симметрирующие трансформаторы типа длинной линии, представляющие собой отрезок коаксиального кабеля, намотанной на ферритовый сердечник [1]. При этом нижняя рабочая частота такого трансформатора определяется индуктивностью его обмотки, а верхняя рабочая частота - ее электрической длиной [2].
В известных симметрирующих трансформаторах, выполненных на кольцевых ферритовых сердечниках, для устранения асимметрии балансных выводов, вызванной протеканием синфазной составляющей тока по внешней стороне оплетки коаксиального кабеля, используется дополнительная обмотка, расположенная на том же сердечнике и имеющая такое же количество витков, что и основная обмотка [3-5]. При этом недостатком симметрирующих трансформаторов, выполненных на кольцевых ферритовых сердечниках, является ограниченная возможность отвода тепла, которое рассеивается в сердечнике при высоком уровне проходящей мощности. Кроме того, такие симметрирующие трансформаторы недостаточно широкополосны и их верхняя рабочая частота не превышает 100 МГц, что определяется необходимостью реализации определенного соотношения длины обмотки и длины волны в линии, особенно при работе усилителя мощности на рассогласованную нагрузку [6, 7].
Известны также симметрирующие трансформаторы на сердечниках типа «бинокль» [8-10], 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 [11; 12, стр.217, рис.3.24].
Достоинствами сердечников типа «бинокль» являются:
- возможность отвода тепла от сердечника путем его прижатия к теплоотводящей поверхности или установки между ферритовыми кольцами пластин-радиаторов [2, 11];
- расширенный диапазон рабочих частот симметрирующего трансформатора за счет того, что обеспечивается максимальная величина индуктивности при заданной длине обмотки [13];
- возможность использования для симметрирующего трансформатора с одновитковой обмоткой полужесткого кабеля [9, 10].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является симметрирующий трансформатор, представленный в [12, стр.217, рис.3.24], принятый за прототип.
Симметрирующий трансформатор-прототип изображен на фиг.1, где обозначено:
1, 2 - выводы коаксиального кабеля обмотки со стороны несимметричного и симметричного выводов трансформатора;
1.1 - вывод внутреннего проводника несимметричного вывода коаксиального кабеля;
1.2 - вывод оплетки несимметричного вывода коаксиального кабеля;
2.1 - вывод внутреннего проводника симметричного вывода коаксиального кабеля;
2.2 - вывод оплетки симметричного вывода коаксиального кабеля;
3 - ферритовый сердечник типа «бинокль»;
4 - коаксиальный кабель обмотки трансформатора.
Симметрирующий трансформатор-прототип содержит сердечник 3, представляющий собой две трубки из склеенных по торцевым поверхностям ферритовых колец и обмотку из коаксиального кабеля 4, пропущенную через внутренние отверстия упомянутых трубок. При этом один вывод обмотки является несимметричным выводом трансформатора 1, а другой вывод - симметричным 2.
Недостатком устройства-прототипа является асимметрия балансных выводов трансформатора относительно «земляного» потенциала, вызванная протеканием синфазной составляющей тока по внешней стороне оплетки коаксиального кабеля обмотки, которая заземляется на несимметричном выводе трансформатора.
Задача предлагаемого технического решения - устранение асимметрии балансных выводов трансформатора.
Для решения поставленной задачи в симметрирующий трансформатор, содержащий ферритовый сердечник типа «бинокль», через отверстия которого пропущена основная обмотка, выполненная коаксиальным кабелем, имеющая выводы внутреннего проводника и оплетки коаксиального кабеля основной обмотки со стороны несимметричного вывода трансформатора, являющегося входом устройства, а также выводы внутреннего проводника и оплетки коаксиального кабеля основной обмотки со стороны симметричного вывода трансформатора, являющегося выходом устройства, согласно полезной модели, введена дополнительная обмотка, выполненная проводом во фторопластовой изоляции, имеющая такое же количество витков и направление намотки, что и основная, причем начало дополнительной обмотки соединено с выводом внутреннего проводника коаксиального кабеля основной обмотки со стороны симметричного вывода трансформатора, а конец дополнительной обмотки соединен с выводом оплетки коаксиального кабеля основной обмотки со стороны несимметричного вывода трансформатора.
На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - несимметричный вывод коаксиального кабеля основной обмотки трансформатора;
1.1 - вывод внутреннего проводника несимметричного вывода коаксиального кабеля;
1.2 - вывод оплетки несимметричного вывода коаксиального кабеля;
2 - симметричный вывод коаксиального кабеля основной обмотки трансформатора;
2.1 - вывод внутреннего проводника симметричного вывода коаксиального кабеля;
2.2 - вывод оплетки симметричного вывода коаксиального кабеля;
3 - ферритовый сердечник типа «бинокль»;
4 - основная обмотка трансформатора;
5 - дополнительная обмотка трансформатора;
6 - начало дополнительной обмотки трансформатора;
7 - конец дополнительной обмотки трансформатора.
Предлагаемое устройство содержит ферритовый сердечник типа «бинокль» 3, через отверстия которого пропущена основная обмотка 4, выполненная коаксиальным кабелем, имеющая выводы внутреннего проводника 1.1 и оплетки 1.2 коаксиального кабеля основной обмотки 4 со стороны несимметричного вывода 1 трансформатора, являющегося входом устройства, а также выводы внутреннего проводника 2.1 и оплетки 2.2 коаксиального кабеля основной обмотки 4 со стороны симметричного вывода 2 трансформатора, являющегося выходом устройства. Кроме того, дополнительную обмотку 5, выполненную проводом во фторопластовой изоляции, начало 6 которой соединено с выводом 2.1 основной обмотки 4, а конец 7 - с выводом 1.2 основной обмотки 4.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Входной сигнал подается на выводы 1.1 и 1.2 основной обмотки трансформатора 4, причем вывод 1.2 соединяется с общим («земляным») проводником. По коаксиальному кабелю основной обмотки 4 сигнал передается в противофазе на выводы 2.1 и 2.2, являющиеся балансными выходами трансформатора, к которым подключаются нагрузки, имеющие одинаковые сопротивления относительно общего («земляного») проводника, равные половине волнового сопротивления коаксиального кабеля основной обмотки 4. При этом нагрузка, подключенная к выводу 2.2, шунтируется индуктивностью, образованной оплеткой коаксиального кабеля основной обмотки 4, а нагрузка, подключенная к выводу 2.1, шунтируется индуктивностью, образованной дополнительной обмоткой 5, имеющей такую же величину и частотную зависимость, что и индуктивность оплетки коаксиального кабеля основной обмотки 4, за счет чего обеспечивается симметрия сигналов на балансных выходах трансформатора в широком диапазоне рабочих частот.
Достигаемый технический результат состоит в том, что устраняется асимметрия балансных выводов трансформатора относительно «земляного» потенциала, вызванная протеканием синфазной составляющей тока по внешней стороне оплетки коаксиального кабеля основной обмотки за счет введения дополнительной обмоткой, имеющей такую же величину и частотную зависимость, что и индуктивность оплетки коаксиального кабеля основной обмотки.
Источники информации.
1. 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.
2. Несвижский Ю.Б. «Высокочастотные ферриты в радиопередающей технике». М., «Связь», 1976.
3. Ruthroff C.L., «Some Broad-Band Transformers», Proc IRE, Vol 47, August 1959, pp.1337-1342.
4. «More On The 1:1 Balun». Jerry Sevick, W2FMI, CQ, April 1994.
5. Проектирование радиопередающих устройств. Под ред. В.В.Шахгильдяна. Учеб. пособие для вузов. М., «Связь», 1976.
6. Tutorial «Balanced Circuits: A Review of Their Operation and Behavior», High Frequency Electronics, September 2004.
7. Каганов В.И. «Транзисторные радиопередатчики». Изд. 2-е, перераб. и доп. М.; «Энергия», 1976.
8. Патент США USUS7319435 «Balun for an antenna, Jan. 15, 2008.
9. С.G.Gentzler and S.K. Leong. «Broadband VHF/UHF Amplifier Design Using Coaxial Transformers». High Frequency Electronics, May 2003.
10. Application note NXP AN10953 «BLF645 10 MHz to 600 MHz 120 W amplifier», March 2011.
11. Патент США US4897626 «Cooling electromagnetic devices», Jan. 30, 1990.
12. 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.
13. Inder Bahl. «Lumped elements for RF and microwave circuits», Artech House Microwave Library, 2003.