阻抗變換器是高頻設計的必要部分之一。然而，對于小型化問題，代表傳統阻抗變換器的繞線型鐵氧體部分帶來了三個主要設計難點：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代商業設計中的高度限制，比如移動電話和其他便攜式電子設備。最后，繞線型不平衡變壓器受到和非線性鐵氧體聯合時產生的固有性能的限制。幸好，阻抗變換器一直在改進，設計者可以采用一些方案代替傳統的繞線方法。  

對于窄帶應用，比如在無線消費產品中，或者中等帶寬應用，比如衛星電視，發體積比傳統繞線型變換器小的非鐵氧體平衡-不平衡(Balun)阻抗變換器已開發以節省空間。實現可以采用Lattice、Marchand或者Anaren開發和注冊專利的Merrill結構，當設計任務需要不超過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。即使目前產品的尺寸有所減小，然而傳統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，傳統繞線轉換器的高度不太適用于外形小巧的電子產品，而且繞線不平衡變壓器受限于鐵氧體結構對于重用性、溫度穩定性和互調失真的材料限制。  

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

這種新型設計根據Guanella和Ruthroff阻抗轉換器結構，利用一個多層電路構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轉換器外形。  

這種新型多層不平衡變壓器的優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境，而且這種設計使得在超薄消費手持產品(比如最新手持微型電腦和移動電話)的設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，可見這種新產品可以節省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%)，可以構造一個同時滿足繞線或者Anaren多層不平衡變壓器的設計，以促進簡單的系統內性能比較和測試。一個用于比較傳統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構的非鐵氧體軟質電路板材料。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。對于溫度的穩定性簡化了系統和電路設計，這是因為在一個寬溫度范圍內需要較小的性能容限。  

傳統上用于繞線不平衡變壓器構造的高滲透性材料也可能是系統設計者的一個關注點，因為這種材料具有內在的非線性性，而且在足夠高的功率時可能生成降低系統性能的互調干擾。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干擾，這種干擾被稱為被動互調(PIM)，在-100dBc范圍內比較典型。而且，Anaren多層不平衡變壓器的互調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板構造的另外一個好處是與PCB材料中典型的熱膨脹系數(CTE)相兼容，所以PCB和不平衡變壓器材料趨向于以相同速度(一個關于溫度的函數)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，所以對設計存在一個更低頻率的應用限制，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方案。  

利用一個簡單離散網絡，這種新型多層不平衡變壓器可以滿足特定頻率帶應用的需要。一個推薦的電容網絡(圖7)在頻率帶的較低端提高了插入損耗。一個感應網絡(圖8)在高端提高了平衡性能。如果需要，這兩種網絡可以被同時應用。然而，與任何性能調整一樣這是一個折衷，需要根據實際應用進行實施。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-單端電阻轉換器(unun)，如圖10所示。  

總之，這些性能和外形的改進激發了在類似地面廣播系統設計市場領域的工程師們，這種廣播系統一直受限于繞線技術的局限。面對在其他電子產品市場中普遍的相同頂層設計挑戰(比如，小型化、降低PCB成本的趨勢，等)，當今地面廣播系統設計者們需要面對來自內容和服務提供商的特定的市場需求和功能要求。這些包括因特網協議電視(Internet Protocol Television, IPTV)、額外硬件驅動以及融合多個調諧器以提供觀看/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計工程師不需要再認為轉換器是一個緊密設計的限制因素。  

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

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換器的合理替代產品。該新型產品提供20:1的帶寬、理想的溫度穩定性、在整個頻率范圍內低插入損耗、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計(包括數字電視機頂盒和液晶顯示電視)的外形特點。可以登錄公司網站或者聯系Anaren公司消費產品部件的唯一經銷合作商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