论文研究-线性变压器阻抗匹配的设计与实现 .pdf

所需积分/C币:15 2019-08-21 06:26:27 418KB .PDF
收藏 收藏
举报

线性变压器阻抗匹配的设计与实现,靳泽宇,吕旌阳,在无线通信系统中,阻抗匹配往往是电路设计中必不可少的一部分。以高速铁路应答器系统为例,在设计车载读写器环形天线时,天线本
山武技论文在线 http://www.paper.edu.cn Fig 1 Transformer impedance matching circuit and its equivalent circuit 70 22输出阻抗 按照前文中的等效T型电路,利用串联并联的方式以及互感系数M与初级线圈和次级 线圈电感量的关系可以一步步计算可以得出输出阻抗Z如式2-1 R++10(1L+L-M)/jM+o(L2-M) 0"MR R+ L, +OL C (2-1) R2L,oL,+ LL(1-k+oL oL C oC R=+ol tol 当使用线型变压器模型时,k<1,且变压器初级线闔回路调整至谐振的情况下,有 DL+ol (2-2) 则变压器次级的输出阻抗为 - GOL 3) 75 23次级电感与品质因数 上一小节中已经计算出变压器的输出阻抗,为了进一步计算次级线圈电感量的理论值这 时需要将输岀阻抗的虚部使用后级的并联电容抵消,因此需要将串联电路的阻抗转化为并联 电路的导纳的形式 o-M OLR 。 z⊙M4+(2DR2M+02LR (2-4) 由上式2-5可得,为了使变压器次级线圈达到谐振,需要并联的电容值为 L R M+OLR 80 而输出电阻为导纳实部的倒数,为 L, 0kL+R R kR (2 可以通过上式,计算出在达到匹配要求时次级线圈的电感量: k'lroR 2k4D2+R2 山武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 根据初级线圈和次级线圈的电感量以及匹配前后的阻抗,可以分别计算出初缴线圈和次 级线圈的Q值 R (2-8) Ra (2-9) 对于变压器初级线圈的品质因数Q来说,其与天线以及调谐电谷组成串联RLC回路, 85 其回路上的电感值由天线和初级线圈木身共同组成,同时为了灵活调节Q又在初纵线圈的 回路中串入额外的调Q电阻,因此回路的阻值也由回路内阻和调Q电阻两部分组成,:者 之和为R。而对于变压器次级线圈的品质因数O来说,其与后级的电容以及输出电阻组成 并联RLC电路。 在初级线圈回路和次级线圈回路当中,Q值越小,表示当谐振的中心频率一定时,满 足谐振的带宽越宽,即阻抗匹配可以覆盖到吏大的频率范围的 3变压器磁芯选择与验证 31电路主要工作参数 首先列出在木次设计中被匹配的电路主要工作参数,如下表1所示: 表1匹配电路主要工作参数 95 Tab. 1 The main operating parameters of the matching circuit 要参数及单位 值 大线内阻(2) 负载电狙(9) 50 耦合系数 0).95 最低工作频率(MHz) 最高工作频率(MHz) 4.516 中心工作频率MHz) 4.234 3.2磁芯选择 321初级和次级电感量估算 利用式2-6、2-8使用列表法计算多组合适的变压器初级次级线圈电感量,再根据需要 选取合适的·组值。在表格中,首先输入将初级线圈的电感量作为步进的已知量列出。经过 100 初步估计,将初级线圈电感量起始值定为150nH,步进为10nH,如下衣的第·列所示。之 后利用 Excel的公式计算功能分别计算初级线圈与刺激线圈之间的互感量M、次级线圈的电 感量以及变压器后级的负责词谐的电容C,。结果如下表2所小 表2初级线圈电感量及其对应计算参数 Tab 2 Primary coil inductance and its corresponding calculation parameters 初级线圈电感L(nI) 互感M(n)次级线圈电感L2n)次级调谐电谷(2(pF) 150 24777 453.47 292252 4 山武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 160 263.16 479.60 2739.87 170 278.36 50502 2578.70 l8() 293.34 529.70 2435.44 190 308.11 55363 2307.26 200 322.66 576.79 2l9l89 336.98 2087.52 351.07 620.75 199263 364.92 190599 240 378.53 661.51 1826.58 105 实际应用中只体近选拌哪一组值作为初级和次级匝数的电感量,需婓根据磁芯的情况来 定,确保初级和次级的电感量尽量接近绕线匝数为整数时的实际情况。 3.22材质和尺寸选择 由丁初缴线圈和次缴线圈电感量有所限制,因此还需要考虑变压器的傚芯材料选择的问 题,只有磁芯的磁导率合适,才能使得初级线圈和次级线圈在绕合适的匝数之后达到所需求 的电感量,并且不会达到磁饱和的状态。如果磁导率过大,则绕线匝数可能绕圈就会超过 计算值;如果磁导率过小,则绕线匝数过多可能会达到磁芯的磁饱和状态。因此下面通过计 算选择满足要求的合适的磁芯。 根据变压器初级线圈和次级线圈的电感量与磁芯磁导率的关系式可以佔算出实际调试 磁芯的具体参数,其关系式如下: L=4JuN22 (3 F (3-2) D+d 其中各个参数含义如下表3所示: 表3关系式中各参数含义 Tab. 3 the meaning of each parameter in the expressions 参数 含义 单位 线圈电感量 磁心磁导率 线圈匝数 F 磁环截面积 磁环平均周长 磁环外直径 cmi 磁环内直径 c h 磁环厚度 cni 环形磁芯的尺寸规格相对标准,因此在主要磁芯厂家的产品于册中查找磁芯的尺寸以及 磁导率之后,可以计算岀个同匝数对应的电感量情况,从而选拌合适的磁芯。 120 注意不应当使得匝数过多使磁芯达到磁饱和。经过分析和比较初级与次级电感量以及匝 数情况,最终选拌∫外径、内径、厚度为1×0.6×0.5的磁环,单位为cm;磁芯材料为NiZn 材料的NXO-80类:初始磁导率为80±16,工作频率在30MHz以下 山武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 使用网络分析仪测量其不同匝数吋对应的电感量,发现当初纵线圈和次纵线圈分别为2 匝和3匝的时候,最为接近理论计算时达到阻抗匹配的状态。因此在实际上板调试时磁芯初 125 次级线圈匝数比定为2:3。 4实物调试与测试 41初级线圈回路 ant 4M rec 1 art 4M rec 2 c221 H T2 4澜HP c36 IP53|P54 佟2初级线圈叵路调试原理图及实物图 130 FIg 2 Schematic and picture of primary coil loop 初级线圈回路阻抗匹配调试方法如上图所示。将用于连接网络分析仪测试线的SMA接 头串联到初级线圈回路中,SMA接头的接地管脚和信号管脚分別连接下图原理图中的TP53 和TP54位置,然后通过网络分析仪的Sl1参数的史密斯圆图,调节C36、C37、C22l、C222 这4个初级调谐电容的值使得冋路阻抗的虚部尽量接近O,即消除容抗和感抗。 135 4.2次级线圈回路 ant 4M re aht 4M rec 2 C2 T POINTF TP52 T POINTF C36 图3次级线圈回路调试原理图及实物图 Fig 3 Sch 次级线圈回路阻抗匹配调试方法如上图所示。将用于连接网络分析仪测试线的SMA接 140 头并到次级线圈回路中,SMA接头的接地管脚和信号管脚分别连接下图原理图中的TP49 和TP52的位置,然后通过网络分析仪的S11参数的史密斯员图,调节C39、C220这两个次 级调谐电容的值使得史密斯圆图上标记的工作频率点尽量在50圆图中心,即509附近。最 后较为理想的匹配结果网分实测S11参数如下图所示。 6 山武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 1 Active ch/Trace2Rem3解4M/出5永 1m的0+1051。1.000[F1 t 30 513032210335,21 3:a2:48骠黑 函L09Ma1/ Ref 0. oodb [i 20,00 0.00 10,00 20,00 1 Start 300 kH2 145 图4匹配完成网分实测阻抗以及反射系数 Fig 4 impedance and reflection coefficient of the circuit 从图4左部分阻抗特性图中可以看出,两个工作频率点3951MHz和4516MHz都匹配 到了50Ω附近,且虚部比较小;图4右部分为网分测量该端口反射系数,两个工作频率点 都在-18dB附近,表明反射回网络分析仪的能量与输入的能量相差18dB,即信号几乎没有 150 反射,处于工作频率的信号能够非常好的传递到阻抗匹配的后级。这样也就达到了阻抗匹配 以实现最大功率传输的日的。 5结论 本文从实际应用场景出发,介绍」利用线型变压器进行阻抗匹配的详细设计过程。线型 变压器相较于理想变压器来说其耦合系数k<1,因此在进行理论计算时木文中将其考虑了进 155 去。然后利用列表法从多组理论计算数据中选择一组合适的作为变压器初级和次缴的电感 量,选择合适材料和尺寸的磁芯之后对其进行了实际电路调试。在利用网络分析仪S11参数 分别测试其阻抗以及反射系数之后,可以得出本文的设计符合实际应用需求,能够使得功率 进行最大传输。 160 参考文献]( References) [1]王翠珍吴凌燕陈世夏.电路阻抗匹配网终的设计J和技信息,2009,33:893-894 [2]任水涛.基于13.56MHz射频读写器匹配滤波网络的研究与设计[D].济南:山东大学,2015 [3]张肃文高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,2008 [4]吕旌阳望喻梅马金明.电路分析基础[M.北京:北京邮电大学出版社,2008. 165 [5] Janinc sullivan lovc.RF权威指南[M].李中华北京:人民邮电出版社,2013 7

...展开详情
试读 7P 论文研究-线性变压器阻抗匹配的设计与实现 .pdf
立即下载 低至0.43元/次 身份认证VIP会员低至7折
抢沙发
一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
上传资源赚积分,得勋章
最新推荐
论文研究-线性变压器阻抗匹配的设计与实现 .pdf 15积分/C币 立即下载
1/7
论文研究-线性变压器阻抗匹配的设计与实现 .pdf第1页
论文研究-线性变压器阻抗匹配的设计与实现 .pdf第2页

试读结束, 可继续读1页

15积分/C币 立即下载 >