短波波段平衡/不平衡转换器的研制

王延辉 陈素申 宁晓伟

（国家广电总局无线局维护处 国家广电总局723台 北京埃比瑞斯科技有限责任公司）

[摘 要] 短波天线测量与调试需要平衡/不平衡转换器，本文分析了各种实现条件，传输线变压器理论，并且试验了多种绕线方式，研制出3MHz-30MHz波段，同时具有1/1、1/6、1/12阻抗转换比的平衡不平衡转换器。[关键词] 平衡/不平衡 阻抗变换 传输线变压器 1 前言中短波天线馈线形式多种多样，除了个别低功率发射机采用同轴馈电，大部分都是采用架空平行双线或者其变形馈电，也就是说一般都是采用平衡馈线。但是绝大部分的测试设备例如矢量网络分析仪都采用同轴接口进行测试。另外大部分天线馈线的特性阻抗都是300Ω，而测试仪器都是50Ω的特性阻抗。因此在测量和调整天线时就需要一个平衡/不平衡转换设备，同时要在3MHz-30MHz的10倍频宽带内完成转换和匹配。根据实际需要，进行短波波段平衡/不平衡转换器的研制。 2 平衡不平衡转换电路平衡不平衡转换电路一般有传输线变换方式和高频变压器变换方式。传输线变换方式中一种是高频开路法，在电缆屏蔽层外皮λ/4波长的套筒（等效于λ/4波长的开路线），因为λ/4开路对该频率视为开路，就能达到截断高频电流的作用，实现平衡/不平衡的转换。但是这种方法工作带宽很窄，频率低时λ/4波长套筒就显得太长，只适合大功率窄带应用；另外一种是采用传输线变压器实现。传输线变压器是由传输线（扭绞双线、三线或同轴线等）绕在磁芯上构成的，因而可以视为是集中参数变压器和分布参数传输线阻抗变换器相结合的产物，它既吸收了分布参数传输线变压器能在高频工作的长处，又保持了集中参数变压器尺寸小、相对带宽大的特点。故传输线变压器具有以下三个特点：（1）使用频率范围很宽，下限频率在几十kHz以下，上限频率与具体的变换形式有关，最高可达几GHz。（2）相对带宽大，典型的约为9倍频。（3）体积小制作简单。由于传输线变压器频带特别宽，因此可以用做宽频带变压器，兼做阻抗变换以及平衡/不平衡转换的作用。但是传输线变压器也有如下的缺点：（1）传输线变压器一般只适宜低阻抗（几百欧姆左右以下）的阻抗变换。因为高阻抗变换要求采用高阻抗特性传输线绕制，而高特性阻抗传输线将带来许多麻烦，例如尺寸大、频带窄、上限频率低等。（2）传输线变压器对于阻抗比为整数平方比的变换能充分发挥其频带宽的长处，而对于非整数平方比的变换比较困难。传输线变压器大体有两种基本结构，一种是传输线绕在磁芯上，另一种是将磁芯套在传输线上。对于前一种结构，传输线绕组的自身分布电容和端口电容依然存在，故上限频率受到限制。而后种在制作上有一定困难。平衡不平衡转换电路的变换也可采用高频变压器来实现。对于理想变压器，输入阻抗和输出阻抗的关系为R₁/R₂=（N₁/N₂）²，通过调节初次级圈数比就可以实现特定的阻抗变换。高频变压器一般分为磁芯变压器和空心变压器。空心变压器漏磁较大，耦合松，由于没有磁芯损耗，可以工作在较高的频率上。磁芯变压器耦合紧，漏磁少，耦合系数近似于1，体积也小。但随着工作频率的升高，磁芯损耗加大，分布参数和端口电容增大，电路由电感耦合变为电感电容耦合，等效电路如下图1所示。其中M高频变压器，R_L负载阻抗，R_i电源内组，U电源，C₀分布电容。

这时输入阻抗和输出阻抗的关系不仅与初次级圈数比有关，还与分布电容C₀有关。实际制作时选择合适的圈数比和较高导磁率的磁心以保证低频段的匹配，在高频段则用线径和绕制方法以控制分布参数来达到匹配要求。综上所述，由于要研制的平衡/不平衡转换器工作频率低（3-30MHz），功率小（仪器测量使用），工作频带宽（10倍频），兼具阻抗变换等功能，因此适合采用高频变压器模式或传输线变压器模式。制作的不平衡/平衡转换器的阻抗在工作波段内应为一个近似圆，如上图2所示。图中L-转换器阻抗，A-直流负载线和交流负载线交点。阻抗的圆心应尽量靠近50Ω交流负载线和直流负载线的交点A，这时在工作波段内驻波比曲线比较平坦，圆上各点与交点的距离越短驻波比越小。3 实现非整数平方比的阻抗变换的几种形式传输线变压器使用的传输线有不平衡传输线（例如同轴电缆），平衡传输线（扭绞双线、平行双线和薄膜带状线等）以及耦合传输线（例如三根单线的扭绞线）。为了实现非整数平方比的阻抗变换，其绕线形式也与一般的1/1，1/4或者1/9有很大不同，目前大概有以下几种形式。（以1/6为例）图3是一种1/6阻抗变换器的接线图。图中左边用4/5的绕组比来实现1/1.56的阻抗变换，（5/4）²=1.56。而右边部分则是一个1/4的不平衡/平衡的阻抗变换。总变换比约为1/6.24≈1/6。

1/1.56的不平衡/不平衡阻抗变换用一个磁芯就可以实现，而1/4的阻抗变换有很多种实现形式，可以用单个磁芯也可以用两个磁芯来实现变换。图4是用两个1/4阻抗变换实现1/6阻抗变换的原理图。采用阻抗串并联的方法实现1/6的阻抗变换。图5是采用单个磁芯，用高频变压器的模式实现1/6平衡/不平衡阻抗变换的接线图。使用7股扭绞线用2/5的绕组实现1/6的变换。（2/5）²=1/6.25≈1/6

4 双线传输线 传输线变压器如果用双线传输线来实现，则传输线的最佳特性阻抗如下式：式中Zopt为最佳传输线阻抗，Zin为传输线变压器输入特性阻抗，Zout为传输线变压器输出特性阻抗，经过计算得知双线传输线的最佳特性阻抗为SQRT（300×50）=122.5Ω。当传输线的特性阻抗为122.5Ω时由传输线引起的损耗最小。Zopt=SQRT（ZinZout）但是在实际操作中单独定制特性阻抗为122.5Ω的双线传输线也不现实，市场上的6类网线的双绞线特性阻抗为120Ω，可以用来做测试。一般均采用漆包线绕制，成本低廉且绕制方便。 5 转换器磁芯选择目前铁氧体软磁性材料主要有锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两种。其中锰锌铁氧体是MnF2O4和ZnFe2O4的固溶体，具有磁导率高，品质因数好等特性，属于尖晶石结构。锰锌铁氧体使用频率一般在2MHz以下。锰锌铁氧体有功率型和高导铁氧体之分。镍锌铁氧体是NiFe2O4与ZnFe2O4的固熔体，具有尖晶石结构。在低频段性能不如锰锌铁氧体，镍锌铁氧体的初始磁导率要小于锰锌铁氧体，但是在高频段其性能大大优于MnZn铁氧体。由此可知应该采用NiZn铁氧体作为平衡/不平衡转换器的磁芯。根据传输线理论，磁芯引起的传输损耗总是随频率的上升而下降，最后趋于金鱼斯诺克常数有关的恒定值。因而，如果在频带的低端能满足传输损耗的要求，那么在高于这一下限频率下的传输损耗也能满足要求。因此对磁芯的要求是初始磁导率μ高，斯诺克常数S大。本文采用了初始磁导率分别为800和1500的镍锌铁氧体磁环进行实验、分析、比较。 6 实验及结论根据之前选择的接线方式以及不同的磁环设计了一些不同的转换器进行测试。图6为初始磁导率μ=800，采用两个4/1转换器连接的接线方式，传输线为双绞网线的转换器的驻波比测试数据。（横坐标为频率单位MHz，纵坐标为驻波比。下同）

图7为使用一个初始磁导率μ=800的NiZn软磁环，传输线为7股扭拆开的6类网线的芯线扭绞采用2/5的接线方式的转换器，不同绕制圈数下的驻波比测试数据。图8为不同初始磁导率，都使用7股0.8mm漆包线扭绞，采用2/5的接线方式的的转换器的驻波比测试曲线。

图9为使用一个初始磁导率μ=1500的NiZn软磁环，传输线为7股扭绞漆包线采用2/5的接线方式的转换器的驻波比测试数据图。

以上试验采用了不同导磁率的磁芯，不同线径，不同绕制方法，汇总得出如下结论：（1）.当漆包线粗细以及圈数固定的情况下，转换器的驻波比随着初始磁导率μ的增加而降低。因此应尽量采用μ高的磁芯。（2）.随着绕线圈数的增加高频段的驻波比也随之增加。这是由于圈数增加后绕线长度增加，使得分布参数增加，导致高频端指标变坏。出于减少分布参数和制作材料方便的角度考虑，宜采用较粗的漆包线加工制作。（3）.在实验中发现同一方法制作的成品，技术参数的一致性较差，有的成品测出的技术指标非常好有的又很差，经过反复对比和实验，发现在漆包线扭曲时一致性较差，松紧疏密的不同使得分布参数差别很大，难以控制。最终采用三线紧密并绕，克服了分布参数不同的影响，又调整了圈数，固定了绕线位置，确定接线长度，采用这一固定的绕制工艺后，最终克服了大量制作时产品技术特性不一致的缺点。该不平衡/平衡阻抗变换器是做为调整测试天馈线时与仪器配接使用。一般网络分析仪的输出电平为10dBmw，输出端口电压在5V以内，全反射时端电压不高于8V。因此也未对该不平衡/平衡阻抗变换器承受功率的大小做详细计算。考虑到能否做小功率发射机的阻抗变换器使用，做了一个实验。使用日本八重州857D通讯机，输出功率100W，最大调幅95%，平均调幅30%，在6MHz、15MHz、25MHz三个频点上，各连续工作2小时，该不平衡/平衡阻抗变换器线圈和磁芯没有明显温升。该不平衡/平衡阻抗变换器使用的线圈和磁芯经3毫米胶木缘缘垫安装在金属盒内，经高频插头和绝缘磁柱输入和输出，测试其端口与外壳耐压大于1000V。以上分析了多种形式实现非整数平方比变换的平衡/不平衡阻抗变换器的实现形式，以及采用不同绕制方法的实验，最终制作出了工作频带在3MHz到30MHz的50Ω/50Ω（1/1）、50Ω/300Ω（1/6）、50Ω/600Ω（1/12）的不平衡/平衡阻抗变换器，在工作频带内驻波比SWR<1.3。加装金属屏蔽盒后在工作频带内驻波比SWR<1.6满足了实验以及短波天线的测试需求。7 实际制作（1）50Ω/50Ω（1：1）不平衡/平衡转换器制作：用φ=1.2mm的高强度漆包线在一个长110mm的、直径20mm的塑料管上3线紧密并绕15圈，紧固即可。管内放置φ=10mm，L=100mm NiZn铁氧体磁柱。其中A、C端连接平衡端，B、C端连接到不平衡端，其中B端连接地端，C接连接另一端。结构如图10。

实测的阻抗圆图和驻波比曲线如下图：

3MHz时SWR=1.15 30MHz时SWR=1.14（未装入金属盒内，下同）（2）50Ω/300Ω（1/6）不平衡/平衡阻抗转换器制作：用φ=1.2mm的高强度漆包线在一个镍锌铁氧体软磁体磁环上3线并绕8圈，靠外两个线圈头尾相接，中间加绕两圈接平衡端。中间线圈接不平衡端。为避免漆包线绝缘漆皮被磁芯割伤，先在磁芯上绕一层绝缘胶布。（在后面所用的磁芯均做此处理。）磁环规格为R1K5 NiZn铁氧体31×18×7，即外圈直径×内圈直径×厚度。接线如下图。

实测的阻抗圆图和驻波比曲线如下图：

3MHz时SWR=1.19 30MHz时SWR=1.133MHz时SWR=1.15 30MHz时SWR=1.04（3）50Ω/600Ω（1/12）不平衡/平衡转换器制作：用φ=1.2mm的高强度漆包线在一个镍锌铁氧体软磁体磁环上3线并绕5圈，靠外两个线圈头尾相接，中间加绕四圈接平衡端。中间线圈接不平衡端。紧固即可。磁环规格为R1K5 NiZn铁氧体31×18×7，即外圈直径×内圈直径×厚度。接线如图16。

实测的阻抗圆图和驻波比曲线如下图：

8 转换器外壳转换器安装在 125mm×75mm×55mm（即长×宽×高）的铝合金壳体内，平衡输出两端距离45mm。形状如图19。

当转换器安装在壳体内，由于分布参数和端电容的影响，高频段的驻波比变坏，一般增大0.2-0.4以内，但仍可满足测试要求。该仪器已在广电系统多个台站调整馈线行波系数时使用，效果很好。该仪器接线方便，测试数据准确，提高了工作效率。平衡/不平衡技术参数如下：（1）工作频段：3MHz-30MHz（2）阻抗变换比：不平衡输入 50Ω；平衡输出50Ω 300Ω 600Ω三种规格。（3）驻波比：SWR<1.6（4）承受功率：小于80W（5）接线端与壳体绝缘：大于1000V（6）配件：1）校准电阻：3W 无感标准电阻，50Ω 300Ω 600Ω各一个，误差<2%。2）测试软连线2条3）校准短路环1只4）安全保护箱一个参考文献：1．张纪纲.铁氧体宽带器件.科学出版社；1986：2．刘长军 黄卡玛 阎丽萍.射频通信电路设计.科学出版社；2005： 编辑：中国新闻技术工作者联合会