Substrat De Boîtier IC - Démystifier les transformateurs RF: une introduction à la théorie, à la technologie et aux applications

Essentiellement, un transformateur est simplement deux ou plusieurs boucles conductrices reliées par un champ magnétique inductif mutuel. Lorsqu'un flux magnétique variable est généré dans le noyau, un courant alternatif circulant dans une voie conductrice induit un courant dans l'autre voie conductrice. Le Courant induit est proportionnel au rapport de la quantité de couplage magnétique entre les deux bagues conductrices. Le rapport du couplage magnétique entre l'anneau conducteur et le noyau détermine la tension induite dans l'anneau conducteur supplémentaire, assurant ainsi une transformation d'impédance et une augmentation ou une diminution de la tension. Diverses fonctions peuvent être réalisées en ajoutant autant d'anneaux conducteurs supplémentaires avec des coefficients de couplage différents que possible. C'est pourquoi les transformateurs RF sont un appareil polyvalent et polyvalent qui est largement utilisé dans toute l'industrie RF / micro - ondes.

Les transformateurs RF courants sont constitués de deux ou plusieurs fils différents enroulés autour d'un noyau magnétique (ou d'un creux à haute fréquence), c'est pourquoi les transformateurs RF sont souvent décrits comme des enroulements ou des rapports de spires. Les transformateurs RF peuvent être utilisés pour diverses applications, car la nature du dispositif permet différentes configurations pour remplir différentes fonctions, notamment:

Fournit une transformation d'impédance pour l'adaptation d'impédance.

Augmenter ou diminuer la tension ou le courant.

Un couplage efficace entre les circuits d'équilibrage et de déséquilibre.

⢠inhibition accrue du mode commun.

Fournit une isolation DC entre les circuits.

Injection de courant continu.

Plusieurs techniques courantes utilisées pour fabriquer des transformateurs comprennent les fils de coeur, les lignes de transmission, les céramiques co - cuites à basse température (LTCC) et les MMIC. Il existe une série d'indicateurs de performance pour chaque produit et emballage différent.

Bien que le modèle de transformateur idéal ne soit pas réaliste dans une application pratique, il peut illustrer les performances de base d'un transformateur (comme illustré sur la figure 1). Les ports 1 et 2 sont les entrées de l'enroulement primaire et les ports 3 et 4 sont les sorties de l'enroulement secondaire. Selon la loi de Faraday, le courant traversant l'enroulement primaire génère un flux magnétique à travers le champ magnétique mutuel du courant et de la tension dans l'enroulement secondaire. Rapport du courant et de la tension produits à l'enroulement ou rapport résultant du couplage magnétique entre l'enroulement et le noyau. L'impédance secondaire est donc fonction du carré du rapport d'enroulement multiplié par l'impédance primaire. Cette relation peut être décrite par la formule suivante:

Où i1, V1 et Z1 sont le courant, la tension et l'impédance traversant l'enroulement primaire; I2, v2 et Z2 sont les courants, les tensions et les impédances traversant l'enroulement secondaire; N1 est le nombre de spires de l'enroulement primaire; N2 est le nombre de spires de l'enroulement secondaire.

Le transformateur réel comprend une pluralité de résistances parasites, d'inductances et de capacités, y compris une capacité mutuelle et une capacité auto - parasite. La figure 2 montre un modèle collectif d'un transformateur RF non idéal qui décrit la résistance parasite et l'inductance des deux enroulements, ainsi que les pertes résistives du noyau et l'inductance effective des enroulements. Les effets parasites entraînent le fonctionnement du transformateur proprement dit à une bande passante limitée, avec des pertes d'insertion et une puissance de traitement limitée (comme le montre la figure 3). Les performances du transformateur dépendent également de la fréquence, de la température et de la puissance.

La fréquence de coupure basse fréquence du transformateur RF réel est déterminée par l'inductance active de l'enroulement et la fréquence de coupure haute fréquence est déterminée par la capacité entre la bobine et l'enroulement. Les pertes d'insertion dans la bande passante de fonctionnement sont le produit des pertes résistives dans les enroulements primaires et secondaires par les pertes dans le noyau. La perte de résistance étant généralement fonction de la fréquence et de la température, la bande passante de fonctionnement efficace du transformateur est limitée par ces facteurs. Plusieurs types de transformateurs RF introduisent une inductance de fuite due à un couplage magnétique incomplet entre les enroulements. Comme la réactance de l'inductance de fuite est proportionnelle à la fréquence, ces effets parasites vont réduire les pertes de retour aux hautes fréquences et augmenter les pertes d'insertion aux basses fréquences. Les topologies de transformateurs RF plus complexes, telles que les transformateurs avec plusieurs enroulements, prises et autres composants, montreront des performances différentes en fonction de la topologie et de la structure du transformateur. Par example, un dispositif radiofréquence appelé Barron est utilisé pour interconnecter efficacement un circuit équilibré (c'est - à - dire un signal différentiel) à un circuit déséquilibré (c'est - à - dire un signal unique) par transformation d'impédance, ce qui peut être réalisé au moyen d'un transformateur radiofréquence. Un autre dispositif similaire à Barron, appelé Barron, est utilisé pour interconnecter des circuits RF déséquilibrés. Elle peut également être réalisée au moyen d'un transformateur radiofréquence. Un Barron commun formé par un transformateur est un Barron à couplage de flux qui constitue un côté de l'enroulement primaire en enroulant un fil séparé autour du noyau et en le mettant à la masse. Le Signal RF à une extrémité entrant dans l'enroulement primaire déséquilibré est transformé en impédance et est délivré en un signal différentiel (c'est - à - dire équilibré) par l'enroulement secondaire. Les transformateurs RF comportant un noyau non magnétique (généralement un ferromagnétique) présentent certains inconvénients. L'inductance magnétisante du noyau limite les performances du transformateur basse fréquence. L'inductance est une fonction de la Perméabilité magnétique du noyau, de la surface de la section et du nombre d'enroulements autour du noyau. L'inductance magnétisée augmente les pertes d'insertion basse fréquence et réduit les pertes de retour. La Perméabilité magnétique du noyau est également fonction de la température. La perméabilité augmente avec la température, tout comme les pertes d'insertion à basse fréquence.

Technologie de transformateur RF les deux principaux types de transformateurs RF discrets sont le type de cœur et le type de ligne de transmission. En outre, le LTCC et le MMIC sont deux conceptions de transformateurs compacts minces communes.

Transformateur RF à noyau

Un transformateur de type noyau est réalisé en enroulant un fil, généralement un fil de cuivre isolé, autour d'un noyau magnétique tel qu'une bague. Il peut y avoir un ou plusieurs enroulements secondaires ou ils peuvent être pris au Centre pour réaliser des fonctions supplémentaires. La figure 4 montre un transformateur radiofréquence constitué d'un noyau annulaire et d'un enroulement de fil de cuivre isolé. En raison du couplage inductif entre le fil et le noyau, les transformateurs à noyau de plus petite taille devraient fonctionner à des fréquences plus élevées que les transformateurs à noyau de plus grande taille. Cependant, la petite taille du transformateur compact augmente les pertes de résistance de l'enroulement et du noyau, entraînant des pertes d'insertion plus importantes à des fréquences plus basses.

Transformateur RF de type ligne de transmission

Une topologie de transformateur de ligne de transmission comprend des lignes de transmission conçues avec précision qui sont situées entre deux charges non adaptées ou qui sont des agencements complexes de plusieurs lignes de transmission. Par example, la longueur de la ligne de transmission peut être utilisée pour réaliser une transformation d'impédance entre deux charges désadaptées. Certains transformateurs de ligne de transmission utilisent des fils isolés enroulés autour d'un noyau magnétique en ferrite, ce qui est très similaire à un transformateur de fil de noyau typique, généralement considéré comme un transformateur de type noyau.

Un transformateur de ligne de transmission de base se compose de deux lignes de transmission filaires. Le premier fil est relié à la charge à partir du générateur et l'autre fil est relié à la masse à la sortie de la première ligne de transmission (comme représenté sur la figure 5). Avec cette configuration, le courant circulant dans la charge est le double du courant circulant dans le générateur et V0 est la moitié de la tension v1. La résistance de charge n'est donc que d'un quart de celle du côté générateur, ce qui donne un transformateur de 1: 4, comme le montre l'équation suivante:

Une version courante d'un transformateur de ligne de transmission est une ligne de transmission d'un quart de longueur d'onde. Cette topologie utilise une ligne de transmission à impédance caractéristique qui permet une adaptation d'impédance entre l'impédance d'entrée et la charge. La longueur du convertisseur quart de longueur d'onde est déterminée par la fréquence de fonctionnement et la bande passante est limitée à une octave autour de la fréquence centrale. On considère une ligne de transmission sans perte d'impédance caractéristique Z 0 et de longueur l connectée entre l'impédance d'entrée Z in et l'impédance de charge Z L (comme représenté sur la figure 6). Pour adapter Zin à Zl, l'impédance caractéristique de la ligne de transmission quart d'onde Z0 est déterminée par la formule suivante:

Un avantage des transformateurs de ligne de transmission est la grande capacité et l'inductance de fuite entre les enroulements. Il produit une bande passante de travail plus large par rapport au type de fil de noyau.

Transformateur LTCC

Les transformateurs LTCC sont des dispositifs multicouches fabriqués à l'aide de substrats à base de céramique. Les transformateurs LTCC utilisent des lignes de couplage comme lignes de transmission, permettant la conversion d'impédance et la conversion du signal d'une seule extrémité à l'équilibre. Les transformateurs LTCC reposent sur un couplage capacitif, de sorte que les transformateurs LTCC peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées que les transformateurs ferromagnétiques. Cependant, cela peut entraîner une baisse des performances à basse fréquence. Un avantage de la technologie LTCC est la possibilité de fabriquer des transformateurs petits et robustes, idéaux pour les applications à haute fiabilité (comme le montre la figure 7).

Transformateur MMIC

Comme les transformateurs LTCC, les transformateurs MMIC sont également fabriqués à partir de substrats 2D avec une métallisation plane stratifiée précise. D'une manière générale, les transformateurs MMIC sont réalisés à l'aide d'inductances hélicoïdales imprimées sur un substrat à deux lignes de transmission et parallèles. Le procédé de dispositif passif intégré à l'arséniure de gallium peut être utilisé pour fabriquer des transformateurs MMIC (comme illustré sur la figure 8). La lithographie de précision permet une excellente répétabilité, des performances à haute fréquence et une excellente efficacité thermique.

Fonction du transformateur et application les différentes fonctions du transformateur RF dépendent de sa topologie:

Un transformateur adapté peut adapter deux circuits avec des impédances différentes ou fournir un Boost ou un down de la tension d'alimentation. Dans un circuit radiofréquence, la désadaptation d'impédance entre deux noeuds entraîne une réduction de la transmission de puissance et une réflexion de défaut. Les transformateurs d'adaptation d'impédance éliminent efficacement les réflexions et assurent un transfert de puissance maximal entre les deux noeuds du circuit (comme le montre la figure 9).

Le convertisseur équilibré - déséquilibré (balun) est utilisé pour connecter des composants de circuits équilibrés et déséquilibrés. Pour les lignes déséquilibrées, un Autotransformateur (transformateur) peut être configuré pour l'adaptation d'impédance, c'est - à - dire UNUN.

Un transformateur RF d'injection et d'isolation de polarisation peut être conçu pour assurer une isolation continue entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire. Ceci est utile pour séparer les circuits RF qui utilisent une polarisation continue et qui sont affectés négativement par la tension continue. Si une partie du circuit nécessite un courant continu, un transformateur RF dédié peut être utilisé pour injecter le courant dans le chemin du signal. Par example, deux transformateurs à prise centrale peuvent injecter une polarisation continue et remplacer deux té de polarisation (comme représenté sur la figure 10).

D'autres transformateurs RF fonctionnels peuvent être conçus pour fournir une inhibition de mode commun améliorée pour les circuits équilibrés (c'est - à - dire différentiels). D'autres topologies peuvent être utilisées comme selfs pour filtrer les composantes haute fréquence des lignes de signal.

Résumé les transformateurs RF peuvent être fabriqués avec une variété de méthodes et de matériaux. Ils sont configurés dans différentes topologies pour remplir de nombreuses fonctions dans un circuit radiofréquence. Selon le matériau, la structure et la conception, les transformateurs RF peuvent être à bande étroite ou à large bande, ou peuvent fonctionner à basse ou haute fréquence. Comprendre les nuances des transformateurs RF peut aider les concepteurs à optimiser leurs conceptions en choisissant le meilleur. D'autres articles traitant des transformateurs RF seront publiés successivement.