Широкополосная трансформаторная схема с высоким коэффициентом трансформации импедансов

1 Настоящее изобретение относится к трансформаторам импедансов, и в особенности к трансформаторным схемам, имеющим высокое значение коэффициента трансформации импедансов и работающих в широком диапазоне частот порядка от 5 МГц до 1,2 ГГц. Обычные автотрансформаторы с одним сердечником хорошо известны в электронике для повышения и понижения величины импеданса (полного сопротивления) или напряжения. Известно, что при коэффициенте трансформации импедансов 4:1 или меньше автотрансформаторы хорошо работают на частотах до 1 ГГц. Однако при значениях коэффициента трансформации импедансов, больших чем 4:1, высокочастотный отклик ограничивается длиной обмоток, по мере того, как они приближаются к четверти длины волны и, таким образом, вызывают резонанс. Более конкретно, производительность трансформатора с высоким значением коэффициента трансформации импедансов ограничена электрической длиной вторичных обмоток. В патенте США 3244998 описана схема трансформатора импедансов, использующая одинарный тороидальный сердечник, подходящий для работы при частоте до 80 МГц. В патенте США 5216393 описана схема трансформатора импедансов, в которой использован ферритовый сердечник с двойным отверстием, а также автотрансформатор, содержащий первичную и вторичную обмотки, скрученные вместе и намотанные через двойные отверстия в ферритовом сердечнике. Этот патент описывает работу в полосе шириной от 47 до 860 МГц. Согласно настоящему изобретению, предложена трансформаторная схема, содержащая два трансформатора линии передачи, у которых первая обмотка первого трансформатора соединена с портом низкого импеданса, а вторая обмотка первого трансформатора соединена с первой обмоткой второго трансформатора через первый реактивный импеданс со второй обмоткой второго трансформатора, соединенного с портом высокого импеданса. Указанные трансформаторы содержат обмотки на ферритовом сердечнике с двойным отверстием и в них использована конструкция с витой парой между первичной и вторичной обмотками. Второй реактивный импеданс включен между портом низкого импеданса и землей. Величины первого и второго импедансов сбалансированы для получения откликов, при которых коэффициенты трансформации импедансов находились бы примерно в диапазоне от 9:1 до 16:1, а отклики по частоте - в диапазоне от 5 МГц до 1,2 ГГц. Добавление трансформатора линии передачи для преобразования несимметричного выхода в симметричный, т.е. симметрирующего устройства, и более конкретно симметрирующего устройства с коэффициентом 1:1, соединенного с 2 выходом, обеспечивает симметричный выход при несимметричном входе. Далее изобретение описано со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых подобные элементы имеют одни и те же номера позиций, при этом: фиг. 1 изображает базовую электрическую трансформаторную схему с широкой полосой частот и с высоким значением коэффициента трансформации импедансов, имеющего отличительные особенности согласно настоящему изобретению; фиг. 2 изображает более подробно электрическую схему, показанную на фиг. 1; фиг. 3 изображает в разрезе первый трансформатор, схема которого показана на фиг. 1 и 2; фиг. 4 представляет общий вид сердечника, показанного на фиг. 3, с указанием обозначений размеров для ссылок на них; фиг. 5 изображает в разрезе второй трансформатор, схема которого показана на фиг. 1 и 2; фиг. 6 изображает круговую диаграмму импедансов, показывающую составной вклад импедансов в трансформаторной схеме, показанной на фиг. 1-5; фиг. 7 А соответствует представлению реактивного импеданса на круговой диаграмме импедансов, показывающему отклик цепи, если величина второго реактивного импеданса избыточна; фиг. 7 В соответствует представлению реактивного импеданса на круговой диаграмме импедансов, показывающему отклик цепи, если величина второго реактивного импеданса недостаточна; фиг. 7 С соответствует представлению реактивного импеданса на круговой диаграмме импедансов, показывающему отклик цепи, если величина первого реактивного импеданса избыточна; фиг. 7D соответствует представлению реактивного импеданса на круговой диаграмме импедансов, показывающему отклик цепи, если величина первого реактивного импеданса недостаточна; фиг. 7 Е соответствует представлению реактивного импеданса на круговой диаграмме импедансов, показывающему правильный баланс первого и второго реактивных импедансов,что вызывает желаемый отклик цепи. На фиг. 1 представлена базовая трансформаторная схема с широкой полосой частот и с высоким значением коэффициента трансформации импедансов, имеющая отличительные особенности согласно настоящему изобретению и содержащая первый трансформатор Т 1, имеющий первую обмотку W1, соединенную с портом I низких импедансов, и вторую обмотку W2. Первая и вторая обмотки W1 и W2 намотаны на сердечнике В 1 и индуктивно связаны друг с 3 другом. Имеется также второй трансформатор Т 2, имеющий первую обмотку W3 и вторую обмотку W4. Вторая обмотка W2 первого трансформатора Т 1 соединена с первой обмоткой W3 второго трансформатора Т 2 через первый реактивный импеданс Z1. Первая и вторая обмотки W3 и W4 намотаны на сердечнике В 2 и индуктивно связаны друг с другом. Вторая обмотка W4 второго трансформатора Т 2 соединена с портом О высоких импедансов. Второй реактивный импеданс Z2 включен между входным портом I низких импедансов и землей. Выходной порт О является несимметричным выходом. Симметрирующее устройство с коэффициентом 1:1 может быть соединено с выходом О схемы трансформатора для обеспечения симметричного выхода на клеммах ОА и OВ. На фиг. 2 показана более подробно трансформаторная схема, выполненная согласно настоящему изобретению и обозначенная буквойD. Трансформаторная схема D содержит пару входных клемм I и пару выходных клемм О. Первый реактивный импеданс Z1 соединен последовательно между точками 2 и 3 соответственно, а второй реактивный импеданс Z2 соединен между точкой 1 и землей. Реактивный импеданс - это импеданс, значение которого (реактивность) изменяется в зависимости от частоты. Реактивные импедансы Z1 и Z2 обеспечивают компенсацию зависимости импеданса от частоты цепи. Первая обмотка W1 имеет один конец,соединенный с землей, и другой конец, соединенный с точкой 5, которая также соединена с точкой 1. Вторая обмотка W2 имеет один конец,соединенный с точкой 5, и другой конец, соединенный с точкой 2. Второй реактивный импеданс Z2 соединен между точкой 1 и землей. Второй трансформатор Т 2 имеет первую обмотку W3, включенную между землей и точкой 6. Вторая обмотка W4 трансформатора Т 2 включена между точкой 6 и точкой 4, которая соединена с выходной клеммой О. Более конкретно, трансформатор Т 1 включен, как автотрансформатор с первой обмоткой W1 в качестве первичной обмотки и второй обмоткой W2 в качестве вторичной обмотки. Аналогично,трансформатор Т 2 включен, как автотрансформатор с первой обмоткой W3 в качестве первичной обмотки и обмоткой W4 в качестве вторичной обмотки. В общем случае трансформаторы Т 1 и Т 2 это трансформаторы линии передачи. На фиг. 3 показан трансформатор Т 1, который подходит для использования в настоящем изобретении и который далее описан более подробно в примере 1. Трансформатор Т 1 содержит миниатюрный ферритовый сердечник с двойным отверстием, выполненный в виде прямоугольного тела В 1 с закругленными углами и содержащий пару расположенных на некотором расстоянии отверстий Н 1 и Н 2, выполненных в теле сердечника. На фиг. 3 показаны 2,5 оборота витого 4 провода, обозначаемого как провода W1 и W2,намотанные на теле В 1 сердечника через отверстия Н 1 и Н 2, после чего провод разделяется. В точке разделения провод W2 обозначен как провод W2. Проводом W1 намотаны дополнительно еще 2,5 оборота, и он обозначен как провод W1. Провода W1 и W2 затем соединены с образованием центрального отвода, являющегося входом трансформатора Т 1 и в данном случае соединенного с незаземленным концом обмоткиW1 и обозначенного I1. Провода W2 и W1 для трансформатора обозначены О 1 и G1 соответственно. Трансформатор Т 1 установлен в схеме так, что I1 - это точка 5, О 1 - точка 2, а точка G1 заземлена, как показано на фиг. 2. Первичная обмотка W1 трансформатора Т 1 таким образом имеет 5 витков, а его вторичная обмотка W2 7,5 витка. Реактивная индуктивность Z1, которая подходит для использования в настоящем изобретении, выполнена в виде одножильного покрытого эмалью магнитного провода, калибр которого не является критическим, намотанного на тороидальном сердечнике, выполненном из материала на основе фенольной смолы. В этой конструкции величина индуктивности катушкиZ1 может регулироваться для обеспечения настройки контура, как показано на фиг. 7 Е. Размеры сердечника В 1 показаны на фиг. 4 с целью дальнейших ссылок и обозначены, как длина b, высота h, диаметр отверстий d,расстояние между отверстиями l' и длина сердечника l. Как показано на фиг. 5, трансформатор Т 2 по конструкции выполнен похожим на трансформатор Т 1, описанный выше. На фиг. 5 показана витая пара раздельных проводов, обозначенных как W3 и W4. 2,5 витка витого провода намотаны на сердечнике В 2 с двумя отверстиями через отверстия Н 3 и Н 4. Затем провода разделяются. В точке разделения провод W4 обозначен как W4. Провод W3 намотан дополнительно еще на 1,5 оборота и обозначен какI2. Провода W4 и W3 для трансформатора обозначены как O2 и G2 соответственно. Схема выполнена так, что, как показано на фиг. 2, I2 это точка 6, O2 - точка 4, а точка G2 заземлена. Первичная обмотка W3 трансформатора Т 2 таким образом имеет 4 витка, а его вторичная обмотка W4 - 6,5 витка. На фиг. 6 показана круговая диаграмма импедансов, являющаяся графиком, на котором по горизонтальной оси отложена величина реального значения импеданса; направление увеличения значения импеданса обозначено +Х, у правого конца находится точка бесконечно большого импеданса (открытый контур), а направление уменьшения значения импеданса обозначено X, и у левого конца находится точ 5 ка минимума (короткозамкнутый контур). Индуктивное сопротивление отложено над горизонтальной осью, а емкостное сопротивление под ней. Постоянное сопротивление на диаграмме изображается в виде пунктирной линии,пересекающей горизонтальную ось. Эффект изменения реактивного импеданса Z1 отображен в виде стрелки, направление которой соответствует росту реактивного импеданса Z1, в направлении, противоположном обозначенному стрелкой, происходит уменьшение реактивного импеданса Z1. Эффект изменения реактивного импеданса Z2 стрелки, показывающей направления роста и уменьшения реактивного импеданса Z2. Желаемый отклик представляет собой правильную окружность с минимальным диаметром с центром в точке, отображающей желаемое соответствие между входным и выходным импедансами. Обращаясь к фиг. 7 А - 7 Е, на фиг. 7 А показан отклик цепи в случае, когда величина реактивного импеданса Z2 является чрезмерной,на фиг. 7 В - отклик цепи в случае, когда величина реактивного импеданса Z2 является недостаточной, на фиг. 7 С - отклик цепи в случае,когда величина реактивного импеданса Z1 является чрезмерной, на фиг. 7D - отклик цепи в случае, когда величина реактивного импедансаZ1 является недостаточной, а на фиг. 7 Е показан правильный баланс реактивных импедансов Z1 и Z2, что вызывает желаемый отклик цепи. В общем случае требуется, чтобы трансформатор Т 1 и трансформатор Т 2 (а также симметрирующее устройство для обеспечения симметричного выхода) были выполнены так, чтобы они могли удовлетворительно работать независимо друг от друга. Хорошо известно, что параметр АL (LP) для сердечника вместе с числом витков на стороне низкого импеданса трансформатора определяют параметры его работы в нижней части частотного диапазона. Все трансформаторы, в которых используется намотка на сердечник, обладают сопротивлением RP компонентов (параллельное сопротивление, связанное с потерями в сердечнике и зависящее от материала), которое должно учитываться при разработке любого трансформатора. В идеале величина сопротивления RP должна быть бесконечно большой для сведения к минимуму потерь, но в действительности она имеет некоторое конечное значение, которое должно быть принято во внимание. СопротивлениеRP, являющееся функцией квадрата количества витков, является критическим для трансформатора Т 2, если схема используется в конфигурации увеличения импеданса, но оно также играет определенную роль и в отношении к трансформатору Т 1. Например, если схема сконфигурирована в виде повышающего трансформатора с коэффициентом 9:1 и входной и выходной импедансы равны 50 и 450 Ом соответственно, то для сведения вносимых потерь к минимуму со 000368 6 противление RP вторичной обмотки трансформатора Т 2 должно быть, по меньшей мере, в 3-4 раза больше, чем величина входного импеданса в точке О. Сопротивление RP трансформатора Т 1, показанного на фиг. 2, можно было бы представить в виде резистора, включенного между точкой 2 и землей (параллельно вторичной обмотке трансформатора Т 1). Так как сопротивление RP является функцией материала сердечника и количества витков провода во вторичной обмотке трансформатора, то оно, таким образом, не показано на чертеже как дополнительный компонент. Сопротивление RP трансформатора Т 2 можно было бы представить как резистор, соединенный между точкой 4 и землей (параллельно вторичной обмотке трансформатора Т 2). Так же, как и для трансформатора Т 1, сопротивление RР является функцией материала сердечника и количества витков провода на вторичной обмотке трансформатора, и оно поэтому также не показано на чертеже как отдельный дополнительный компонент. Сопротивление RP вносит важный вклад в общую компоновку схемы, так как сопротивление RP трансформатора Т 2 включено параллельно нагрузке, которую подключают к клеммам О. Оно таким образом снижает эффективную величину импеданса в точке 4. Аналогичный эффект имеет место и в точке 2 трансформатора Т 1 и оказывает такое же влияние на трансформатор Т 1. При перемножении коэффициентов, соответствующем данному варианту выполнения, общий эффект состоит в том, что результирующее входной импеданс в точке I ниже, чем ожидаемый из соотношения 9:1. Как показано на фиг. 6, меньшая величина импеданса смещает отклик цепи в направлении X на оси круговой диаграммы импедансов. В представленной и описанной схеме трансформаторы Т 1 и Т 2 компенсируют более низкое значение эквивалентного импеданса в точке I путем уменьшения коэффициента трансформации импедансов трансформаторов Т 1 и Т 2. Уменьшение коэффициента трансформации импедансов трансформаторов Т 1 и Т 2 смещает отклик цепи в направлении оси +Х круговой диаграммы фиг. 6. Другими словами,для смещения отклика цепи вправо и корректировки снижения величины эквивалентного импеданса в точке I используется изменение соотношения числа витков. Хотя, как показано выше, трансформаторы, соединенные последовательно и имеющие реактивные полные сопротивления Z1 и Z2,найдены подходящими для обеспечения более высоких значений коэффициента трансформации импедансов в широком диапазоне частот,очевидно, что тот же принцип может быть использован при наличии лишь одного трансформатора. Например, может быть использована схема с выходом в точке 3, содержащая только 7 реактивные импедансы Z1 и Z2 с трансформатором Т 1. Эта цепь будет иметь меньшее значение коэффициента трансформации импедансов,но круговая диаграмма импедансов, симметрирование реактивных импедансов и регулировка количества витков обмоток трансформатора будут те же самые. Пример 1. Представлены импеданс и характеристики трансформаторов, обеспечивающих коэффициент трансформации импедансов 1:9 и ширину полосы примерно 5 МГц - 1,2 ГГц:Z на точке 4 = 450 Ом. Коэффициент трансформации импедансов 1:9. Пример 2. Представлены импеданс и характеристики трансформаторов, обеспечивающих коэффициент трансформации импедансов 1:12 и ширину полосы примерно 10 - 1000 МГц:W4 = 5,5 витка. Сопротивление сердечника RP для трансформатора Т 1 = 32 Ом/виток 2. Сопротивление сердечника RP для трансформатора Т 2 = 80 Ом/виток 2. Размеры сердечника для Т 1: l = 2,70 мм;d = 0,50 мм. Размеры сердечника для Т 2: l = 3,5 мм; 8 Материал сердечника для Т 1: материал Кристинеля 82. Материал сердечника для Т 2: материал Кристинеля 81.= (5,5)2 х (80) = 2420 Ом. Пример 3. Представлены импеданс и характеристики трансформаторов, обеспечивающих коэффициент трансформации импедансов 1:16 и ширину полосы примерно 10 - 600 МГц:W4 = 5,0 витка. Сопротивление сердечника RP для трансформатора Т 1 = 32 Ом/виток 2. Сопротивление сердечника RP для трансформатора Т 2 = 80 Ом/виток 2. Размеры сердечника для Т 1: l = 2,70 мм;d = 0,50 мм. Размеры сердечника для Т 2: l = 3,5 мм;d = 0,76 мм. Материал сердечника для Т 1: материал Кристинеля 82. Материал сердечника для Т 2: материал Кристинеля 81.= (5,0)2 х (80) = 2000 Ом. Очевидно, что вышеописанные схемы могут быть использованы для понижения импеданса путем использования выхода О в качестве входа. Хотя настоящее изобретение было описано с определенной степенью подробности, очевидно, что в нем были раскрыты только некоторые варианты осуществления, в которые без отхода от духа изобретения могут быть внесены различные изменения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Широкополосная трансформаторная схема с высоким коэффициентом трансформации импедансов, содержащая:- трансформаторные средства линии передачи, содержащие первый порт и второй порт,первый и второй трансформаторы линии передачи, соединенные последовательно, так что значение коэффициента трансформации импедансов указанного первого трансформатора ум 9 ножается на значение коэффициента трансформации импедансов указанного второго трансформатора для уменьшения длины вторичных обмоток указанных трансформаторов с соответствующим увеличением диапазона частот,- первый реактивный импеданс, соединенный между указанными первым и вторым трансформаторами линии передачи, и- второй реактивный импеданс, подсоединенный к указанному первому порту, при этом значения указанных первого и второго реактивных импедансов выбраны из условия оптимизации согласования значения импеданса от первого порта ко второму порту и частотного отклика для обеспечения значений коэффициента трансформации импедансов выше, чем 4:1 в диапазоне частот от примерно 5 МГц до 1,2 ГГц,- указанный первый трансформатор содержит первую обмотку, соединенную с портом низкого импеданса, и вторую обмотку, имеющую индуктивную связь с указанной первой обмоткой,- указанный второй трансформатор содержит первую обмотку и вторую обмотку, имеющую индуктивную связь с указанной первой обмоткой, при этом вторая обмотка второго трансформатора соединена с портом высокого импеданса,- указанный первый реактивный импеданс включен между указанными второй обмоткой первого трансформатора и второй обмоткой второго трансформатора,- указанный второй реактивный импеданс включен между указанным портом низкого импеданса и землей. 2. Трансформаторная схема по п.1, отличающаяся тем, что оба указанных трансформатора выполнены в виде автотрансформаторов,при этом первая обмотка указанного первого трансформатора является первичной обмоткой,вторая обмотка первого трансформатора является вторичной обмоткой, первая обмотка указанного второго трансформатора является первичной обмоткой, а вторая обмотка второго трансформатора является вторичной обмоткой. 3. Трансформаторная схема по п.2, отличающаяся тем, что оба указанных трансформатора имеют миниатюрный ферритовый сердечник с парой расположенных на некотором расстоянии отверстий, и первая и вторая обмотки намотаны на сердечнике через указанные отверстия. 4. Трансформаторная схема по п.3, отличающаяся тем, что в каждом из указанных трансформаторов указанные обмотки содержат витую пару, намотанную на указанном сердечнике и образующую 2,5 витка. 5. Трансформаторная схема по п.3, отличающаяся тем, что указанные обмотки содержат витую пару, намотанную на сердечнике и обра 000368 10 зующую 2,0 витка для первого трансформатора и 2,5 витка для второго трансформатора. 6. Трансформаторная схема по п.3, отличающаяся тем, что указанные обмотки содержат витую пару, намотанную на сердечнике и образующую 1,5 витка для первого трансформатора и 2,5 витка для второго трансформатора. 7. Трансформаторная схема по п.2, отличающаяся тем, что указанные первый и второй трансформаторы имеют сопротивление сердечника порядка 32 Ом/виток 2. 8. Трансформаторная схема по п.2, отличающаяся тем, что указанная первичная обмотка первого трансформатора содержит примерно 5 витков, указанная вторичная обмотка первого трансформатора содержит примерно 7,5 витка,указанная первичная обмотка второго трансформатора содержит примерно 4 витка и указанная вторичная обмотка второго трансформатора содержит примерно 6,5 витка. 9. Трансформаторная схема по п.1, отличающаяся тем, что указанный первый реактивный импеданс выполнен в виде индуктора. 10. Трансформаторная схема по п.1, отличающаяся тем, что указанный первый реактивный импеданс выполнен в виде индуктора, указанный индуктор выполнен в виде одножильного покрытого эмалью магнитного провода, намотанного на тороидальном сердечнике, выполненном из материала на основе фенольной смолы. 11. Трансформаторная схема по п.1, отличающаяся тем, что указанный первый реактивный импеданс выполнен в виде индуктора с индуктивностью примерно 2,7 наногенри. 12. Трансформаторная схема по п.1, отличающаяся тем, что указанный второй импеданс выполнен в виде конденсатора емкостью примерно 1 пикофарада. 13. Трансформаторная схема по п.2, отличающаяся тем, что первичная обмотка первого трансформатора имеет примерно 4,5 витка, вторичная обмотка первого трансформатора имеет примерно 6,5 витка, первичная обмотка второго трансформатора имеет примерно 3 витка и вторичная обмотка второго трансформатора имеет примерно 5,5 витка. 14. Трансформаторная схема по п.2, отличающаяся тем, что первичная обмотка первого трансформатора имеет примерно 4,5 витка, вторичная обмотка первого трансформатора имеет примерно 6,0 витков, первичная обмотка второго трансформатора имеет примерно 2,5 витка и вторичная обмотка второго трансформатора имеет примерно 5,0 витка. 15. Трансформаторная схема по п.1, отличающаяся тем, что она содержит симметрирующее устройство, соединенное с указанным портом высоких импедансов для обеспечения симметричного выхода. 16. Трансформаторная схема по п.15, отличающаяся тем, что указанное симметрирую 11 щее устройство имеет коэффициент трансформации 1:1. 17. Трансформаторная схема по п.8, отличающаяся тем, что коэффициент трансформации импедансов в диапазоне частот примерно от 5 МГц до 1,2 ГГц выбран примерно равным 1:9. 18. Трансформаторная схема по п.13, отличающаяся тем, что коэффициент трансформа 12 ции импедансов в диапазоне частот примерно от 10 до 1000 МГц выбран примерно равным 1:12. 19. Трансформаторная схема по п.14, отличающаяся тем, что коэффициент трансформации импедансов в диапазоне частот примерно от 10 до 600 МГц выбран примерно равным 1:16.