多层不平衡变压器冲突尺寸障碍

阻抗变换器是高频设计的必要部分之一。然而，对于小型化问题，代表传统阻抗变换器的绕线型铁氧体部分带来了三个主要设计难点：首先，拱顶状铁氧体磁芯不是非常适合大批量贴装制造，必须配合使用一个塑料罩。第二，尤其是相对于小尺寸的典型表面贴(SMT)部件，这种相对大尺寸的绕线型阻抗变换器常常不满足现代商业设计中的高度限制，比如移动电话和其他便携式电子设备。最后，绕线型不平衡变压器受到和非线性铁氧体联合时产生的固有性能的限制。幸好，阻抗变换器一直在改进，设计者可以采用一些方案代替传统的绕线方法。  

对于窄带应用，比如在无线消费产品中，或者中等带宽应用，比如卫星电视，发体积比传统绕线型变换器小的非铁氧体平衡-不平衡(Balun)阻抗变换器已开发以节省空间。实现可以采用Lattice、Marchand或者Anaren开发和注册专利的Merrill结构，当设计任务需要不超过100%带宽时这些方案比较实用，但是当需要更宽带宽时这些方案不再适用，比如带宽超过150%的地面广播应用。表1提供了几种窄带不平衡变压器典型带宽的比较。  

绕线转换器也在逐渐变小，一些厂商提供4×4mm高不超过4mm的部件。即使目前产品的尺寸有所减小，然而传统绕线不平衡变压器仍然存在一些缺点：他们不是非常适合用于大批量贴装操作，传统绕线转换器的高度不太适用于外形小巧的电子产品，而且绕线不平衡变压器受限于铁氧体结构对于重用性、温度稳定性和互调失真的材料限制。  

为了克服这些限制，Anaren基于多层方式(专利申请中)开发了一种新型非铁氧体转换器。该设计结合了最先由Guanella和Ruthroff描述的用于绕线不平衡变压器的基本阻抗转换原理。但是这种新产品的外形类似于陶瓷SMT不平衡变压器。  

这种新型设计根据Guanella和Ruthroff阻抗转换器结构，利用一个多层电路构造方式以达到史无前例的小尺寸。图1显示了Guanella 1:1不平衡变压器(左)外形和Ruthroff变换(右)，图2显示了Guanella 1:4转换器外形。  

这种新型多层不平衡变压器的优势是较小的外形高度和“真正”SMT封装。这些改进不仅首次使这些部件更容易融入一个完全自动化的贴装装配的环境，而且这种设计使得在超薄消费手持产品(比如最新手持微型电脑和移动电话)的设计阶段可以考虑使用低频率不平衡变压器。  

一个典型绕线1:4不平衡变压器和一个用于地面广播的Anaren最新1:4小型不平衡变压器之间的显著外形差异见图3，可见这种新产品可以节省PCB空间。这2个部件的插入损耗和共模抑制比(CMRR)见图5，以供比较。曲线表明：相对于绕线部件，这种小型多层不平衡变压器插入损耗性能的显著优势，两者的CMRR性能接近。  

由于其提高的插入损耗和可比拟的共模抑制比性能，Anaren多层不平衡变压器可以直接取代地面广播系统中的绕线部件。而且，因为其更加紧凑的外形(多层不平衡变压器使用的PCB面积比绕线部分减小40%)，可以构造一个同时满足绕线或者Anaren多层不平衡变压器的设计，以促进简单的系统内性能比较和测试。一个用于比较传统绕线不平衡变压器和新型多层不平衡变压器性能的参考设计见图6。  

除了微小的外形，该新型多层不平衡变压器得益于这种用于多层结构的非铁氧体软质电路板材料。这种相对渗透性为1的材料对温度敏感性低于高渗透性的铁氧体材料。对于温度的稳定性简化了系统和电路设计，这是因为在一个宽温度范围内需要较小的性能容限。  

传统上用于绕线不平衡变压器构造的高渗透性材料也可能是系统设计者的一个关注点，因为这种材料具有内在的非线性性，而且在足够高的功率时可能生成降低系统性能的互调干扰。相反，这种新型低渗透性多层不平衡变压器只造成由不同金属引起的互调干扰，这种干扰被称为被动互调(PIM)，在-100dBc范围内比较典型。而且，Anaren多层不平衡变压器的互调干扰独立于电路中任何偏置电流。  

这种多层不平衡变压器软质板构造的另外一个好处是与PCB材料中典型的热膨胀系数(CTE)相兼容，所以PCB和不平衡变压器材料趋向于以相同速度(一个关于温度的函数)膨胀和收缩。当然，由于这种新不平衡变压器采用低渗透性材料，所以对设计存在一个更低频率的应用限制，通常大约为50MHz。对低于50MHz的频率，绕线铁氧体不平衡变压器仍然是最优方案。  

利用一个简单离散网络，这种新型多层不平衡变压器可以满足特定频率带应用的需要。一个推荐的电容网络(图7)在频率带的较低端提高了插入损耗。一个感应网络(图8)在高端提高了平衡性能。如果需要，这两种网络可以被同时应用。然而，与任何性能调整一样这是一个折衷，需要根据实际应用进行实施。图9对有/没有无源电路器件的不平衡变压器的性能进行比较。这种新1：4多层不平衡变压器也可以被用作一个单端-单端电阻转换器(unun)，如图10所示。  

总之，这些性能和外形的改进激发了在类似地面广播系统设计市场领域的工程师们，这种广播系统一直受限于绕线技术的局限。面对在其他电子产品市场中普遍的相同顶层设计挑战(比如，小型化、降低PCB成本的趋势，等)，当今地面广播系统设计者们需要面对来自内容和服务提供商的特定的市场需求和功能要求。这些包括因特网协议电视(Internet Protocol Television, IPTV)、额外硬件驱动以及融合多个调谐器以提供观看/录像、画中画和其他有价值的功能。利用这种真正SMT的新系列产品—Anaren小型非铁氧体宽带不平衡变压器，从事地面广播电子方案的设计工程师不需要再认为转换器是一个紧密设计的限制因素。  

在几乎完全移植到表面封装和小型化部件的设计环境中，绕线不平衡变压器使得系统设计者面临一些限制，尤其在地面广播领域。Anaren新型多层不平衡变压器消除了很多这些限制，给设计工程师提供了一个开发适合当今实际应用的紧密设计的新选择。  

对于宽带通信市场，这种新系列多层不平衡变压器是绕线铁氧体转换器的合理替代产品。该新型产品提供20:1的带宽、理想的温度稳定性、在整个频率范围内低插入损耗、较好的幅度和相位平衡以及支持最新移动电话和其他轻薄电子设计(包括数字电视机顶盒和液晶显示电视)的外形特点。可以登录公司网站或者联系Anaren公司消费产品部件的唯一经销合作商Richardson Electronics申请这种多层不平衡变压器的样品。  

作者：Niels Kirkeby  

Anaren公司  

参考文章：  

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