IC基板 - RF変圧器の謎の解明：理論，技術，応用

本来, 変圧器は、ちょうど2つ以上の伝導性です ループ接続 相互誘導磁場によって. 磁心に変化する磁束が発生すると, つの導電性経路を流れる交流電流は、他方の導電性経路に電流を誘導する. 誘導電流は2つの導電性ループ間の磁気結合量の比に比例する. 伝導性ループと磁気コアとの間の磁気結合の比率は、追加の伝導性ループ内の誘導電圧を決定する, これにより、インピーダンス変換と電圧の増減. できるだけ共役係数が異なる多くの付加伝導のループを加えることによって, 様々な機能を達成することができます. このため、RFトランスは多様で汎用性の高いデバイスであり、RF/マイクロ波産業.

一般的な無線周波数変圧器は、磁気コア（または高周波数の空気コア）に巻かれた2つ以上の異なるワイヤで構成され、それは、無線周波変成器がしばしば巻線またはターンの比率として記述される理由である。RF変圧器は様々な用途で使用することができる。なぜなら、装置の性質は、異なる構成が異なる機能を達成することを可能にするからである。

インピーダンス整合のためにインピーダンス変換を与える。

電圧は電流を増減する。

バランス・アンド・バランス 不均衡回路.

は、コモンモード除去を強化しました。

兎角 回路間のDC分離.

直流電流を注入する。

変圧器を構成するために使用されるいくつかの一般的な技術は、芯線、伝送線、低温共焼成セラミック（LTCC）及びMMICを含む。各々の製品と異なるパッケージは、一連のパフォーマンス指標を持っています。

変圧器理論

理想的な変圧器モデルは実用的ではないが、変圧器の基本的な性能を示すことができる（図1に示すように）。ポート1および2は、一次巻線の入力である, そして、ポート3および4は二次巻線の出力である. ファラデーの法則によると, 一次巻線を流れる電流は、電流と2次巻線の電圧の相互磁界を通じて磁束を発生する. 発生した電流および電圧は、巻線の比、および巻線と鉄芯との間の磁気結合に比例する. したがって, 二次インピーダンスは、1次インピーダンスを乗じた巻上げ比の関数である. この関係は以下の式で説明することができる。

それらの中で、I 1、V 1およびZ 1は、一次巻線を通る電流、電圧およびインピーダンスであるI 2、V 2およびZ 2は、二次巻線を通る電流、電圧およびインピーダンスであるN 1は一次巻線の巻数であるN 2は二次巻線の巻数である。

実際のトランスは、相互キャパシタンスおよび自己寄生容量を含む複数の寄生抵抗、インダクタンスおよびキャパシタンスを含む。図2は、2つの巻線の寄生抵抗及びインダクタンス及び巻線の実効インダクタンス及び巻線の実効インダクタンスを記述する非理想的なRFトランスの集中モデルを示す。寄生効果は、実際の変圧器が、限られた帯域幅で動作し、挿入損失および電力取扱能力が制限される（図3に示すように）。変圧器の性能は、周波数、温度、電力にも依存する。

実際の高周波トランスの低周波カットオフ周波数は、巻線のアクティブインダクタンスによって決定され、高周波カットオフ周波数は、巻線と巻線との間のキャパシタンスによって決定される。動作帯域幅における挿入損失は、一次巻線および二次巻線の抵抗損失とコアの損失の積である。抵抗損失はしばしば周波数および温度の関数であるので、変圧器の有効動作帯域幅はこれらの要因によって制限される。巻線間の不完全な磁気結合により、いくつかのタイプのRF変圧器が漏れインダクタンスを導入する。漏れインダクタンスのリアクタンスは周波数に比例するので、これらの寄生効果は高周波数のリターン損失を低減し、低周波数での挿入損失を増加させる。複数の巻線、タップ、および他の構成要素を有する変圧器のような、より複雑な無線周波数変圧器トポロジは、トポロジおよび変圧器構造に応じて様々な性能を示す。例えば、バランと呼ばれる無線周波数装置は、平衡（すなわち、差動信号）回路を、インピーダンス変換を介して不平衡（すなわちシングルエンド信号）回路に効果的に相互接続するために使用される。バルンに類似した別の装置は、平衡回路を相互接続するために使用されるバランと呼ばれる。また、高周波トランスによって実現することもできる。変圧器によって形成される一般的なバランは磁束結合バランであり、磁束結合バランは、磁気コアの周囲に別のワイヤを巻いて接地することによって一次巻線の一方を構成する。一次不平衡巻線に入るシングルエンドの無線周波数信号はインピーダンス変換を受け、二次巻線を介して差動（IEバランス）信号として出力される。非磁性鉄コア（通常は強磁性体）を含むRF変圧器にはいくつかの欠点がある。鉄芯の磁化インダクタンスは、低周波トランスの性能を制限する。インダクタンスは、コアの透磁率、断面積、およびコア周辺の巻線数の関数である。磁化インダクタンスは低周波数挿入損失を増加させ、リターンロスを減少させる。鉄芯の透過性も温度の関数である。温度とともに増加する透過率は低周波数挿入損失を増加させる。

RFトランス技術

つの主要なタイプの個別無線周波変成器は、コアタイプと伝送線タイプです。加えて, LTCCとMMICは、2つの一般的な薄くてコンパクトな変圧器設計です.

芯線型高周波トランス

コア型変圧器は、磁気コア（例えばリング）に導電性ワイヤ（通常は絶縁された銅線）を巻き取ることによって製造される。つ以上の二次巻線、またはそれらを追加機能のために中心にタップすることができます。図4は、トロイダルコアと絶縁銅線巻線とで構成される無線周波数変圧器を示す。ワイヤと磁気コアとの間の誘導結合により、より小さなコア変圧器は、より大きなコア変圧器より高い周波数で動作するはずである。しかし、小型変圧器の小型化は、巻線及びコアの抵抗損失を増大させ、低周波数での挿入損失を大きくする。

伝送線路形RFトランス

伝送線路変圧器トポロジは、2つの不整合負荷の間に位置する、または複数の伝送線路の複雑な配置である正確に設計された伝送線路を含む。例えば、伝送線の長さを使用して、2つの不整合負荷間のインピーダンス変換を達成することができる。いくつかの伝送線路変圧器は、フェライトコアを包んだ絶縁ワイヤを使用しており、これは典型的なコアワイヤ変圧器と非常によく似ており、通常はコア型変圧器とみなされる。

基本伝送線路変圧器は2本の導体伝送線路からなる。第1の導体は、発電機から負荷に接続され、他方の導体は、第1の伝送線路の出力端でグランドに接続される（図5に示すように）。これにより、負荷に流れる電流は発電機に流れる電流の2倍であり、V 0は電圧V 1の半分である。したがって、負荷抵抗は発電機側で見られる抵抗の4分の1以下であり、以下の式に示すように1：4変圧器となる。

伝送線路変圧器の一般的なバージョンは、1／4波長伝送線である。このトポロジーは、入力インピーダンスと負荷との間のインピーダンス整合を行う特性インピーダンスを有する伝送線路を使用する。四分の一波長変圧器の長さは動作周波数によって決定され、帯域幅は中心周波数の周りの1オクターブに制限される。入力インピーダンスZINと負荷インピーダンスZLとの間に接続された特性インピーダンスZ 0及び長さLを有する無損失伝送線路を考える（図6に示すように）。ZINとZLとを一致させるために、1／4波長伝送線路Z 0の特性インピーダンスは、以下の式で求められる。

送電線変圧器の1つの利点は、巻線間に大きな静電容量および漏れインダクタンスがあることである。コアワイヤ型と比較して、より広い動作帯域幅を生成します。

LTCC変圧器

LTCC変圧器は、セラミックベースの基板を使用して製造された多層デバイスである。LTCC変圧器は、インピーダンス変換とシングルエンドからバランスへの信号変換を達成するために伝送線路として結合線路を使用する。LTCC変圧器は、容量結合に依存するので、LTCC変圧器は、強磁性変圧器より高い周波数で動作することができる。しかし、これは低周波数性能の劣化を引き起こす。LTCC技術の1つの利点は、信頼性の高いアプリケーション（図7に示すように）に理想的である、小さくてロバストな変圧器を製造する能力である。

MMIC変圧器

ltcc変圧器と同様に，mmic変圧器はまた，正確な層状平面メタライゼーションをもつ二次元基板からなる。一般に、MMIC変圧器は、2つの伝送線を有する基板上に印刷される螺旋状のインダクタを使用して製造され、ラインは並列である。GaAs集積受動デバイスプロセスは、MMIC変圧器を製造するために使用することができる（図8に示すように）。精密リソグラフィーは、優れた再現性、高周波性能と優れた熱効率を達成するのを助けます。

変圧器の機能と応用

RFトランスの異なる機能はそのトポロジーに依存する

変圧器に整合することは、異なるインピーダンスを有する2つの回路に一致し得るか、または電源電圧の昇圧またはステップダウンを提供することができる。無線周波数回路において、2つのノード間のインピーダンス不整合は、低減された電力伝送およびトラブル反射を引き起こすことがある。インピーダンス整合トランスは効果的に反射を除去し、2つの回路ノード（図9に示すように）間の最大電力伝送を提供する。

バランとununバランスアンバランスコンバータ（balun）バランスと不平衡回路部品を接続するために使用されます。不平衡線については、自動変成器（変圧器）をインピーダンス整合すなわちununに対して構成することができる。

バイアス注入および絶縁RF変圧器は、一次巻線と二次巻線との間のDC分離を提供するように設計することができる。これは、DCバイアスを使用し、DC電圧によって負の影響を受けるRF回路を分離するのに非常に有用である。回路の一部が直流電流を必要とする場合、専用のRF変圧器を使用して信号経路に電流を注入することができる。例えば、2つの中心タップ型変圧器は、DCバイアスを注入し、2つのバイアスティー（図10に示すように）を置き換えることができる。

他の機能RF変圧器は、平衡（IE差動）回路のための拡張コモンモード除去を提供するように設計することができる。他のトポロジは、チョークとして信号線から高周波成分をフィルタリングするために使用することができます。

要約する

RF変圧器は様々な方法及び材料で製造することができる。それらは無線で多くの機能を実行するために様々なトポロジーに構成されている 周波数回路. 材料によって, 建設, とデザイン, RF変圧器は狭帯域または広帯域であり得る, そして、低いか高い周波数で働くことができます. RF変圧器のニュアンスを理解することにより設計者は最適変圧器を選択することにより設計を最適化することができる. RF変圧器を議論する他の記事は連続して発表される.