Подложка ИС - раскрытие тайн радиочастотных трансформаторов: теория, техника и применение

По сути, трансформатор - это два или более проводящих контура, соединенных магнитным полем взаимной индукции. Когда в магнитопроводе возникает изменяющийся магнитный поток, переменный ток, протекающий по одному проводящему контуру, индуцирует ток в другом проводящем контуре. Индуцированный ток пропорционален отношению величин магнитной связи между двумя проводящими контурами. Соотношение магнитной связи между проводящим контуром и магнитопроводом определяет величину индуцированного напряжения в дополнительном проводящем контуре, обеспечивая тем самым трансформацию импеданса и повышение или понижение напряжения. Добавляя как можно больше дополнительных проводящих контуров с различными коэффициентами связи, можно добиться выполнения различных функций. Именно поэтому радиочастотный трансформатор является разнообразным и универсальным устройством и широко используется во всей радиочастотной/микроволновой промышленности. alternate 

Обычный радиочастотный трансформатор состоит из двух или более различных проводов, намотанных на магнитопровод (или воздушный сердечник на высоких частотах), поэтому радиочастотные трансформаторы часто описываются как соотношение витков или обмоток. Радиочастотные трансформаторы могут использоваться в самых разных приложениях, поскольку природа оборудования позволяет использовать различные конфигурации для выполнения различных функций, в том числе:

- Преобразование импеданса для согласования импеданса.

- Увеличение или уменьшение напряжения или тока.

- Эффективное сопряжение между сбалансированными и несбалансированными цепями.

- Усиленное отклонение общего режима.

- Обеспечение развязки по постоянному току между цепями.

- инжекция постоянного тока.

При создании трансформаторов используются такие распространенные технологии, как изготовление сердечников из проволоки, линий передачи, низкотемпературной керамики совместного обжига (LTCC) и MMIC. Каждое изделие и различная комплектация имеют ряд эксплуатационных показателей.

Теория трансформатора

Хотя модель идеального трансформатора не является реалистичной для практического применения, она может проиллюстрировать основные характеристики трансформатора (как показано на рис. 1). Порты 1 и 2 являются входом первичной обмотки, а порты 3 и 4 - выходом вторичной обмотки. Согласно закону Фарадея, ток, проходящий по первичной обмотке, создает магнитный поток за счет взаимного магнитного поля тока и напряжения во вторичной обмотке. Создаваемые ток и напряжение пропорциональны коэффициенту трансформации обмотки или магнитной связи между обмоткой и железным сердечником. Таким образом, импеданс вторичной обмотки зависит от квадрата коэффициента трансформации обмотки, умноженного на импеданс первичной обмотки. Эта зависимость может быть описана следующей формулой:

Из них I1, V1 и Z1 - ток, напряжение и импеданс через первичную обмотку; I2, V2 и Z2 - ток, напряжение и импеданс через вторичную обмотку; N1 - число витков первичной обмотки; N2 - число витков вторичной обмотки.

Реальный трансформатор включает в себя множество паразитных сопротивлений, индуктивностей и емкостей, в том числе взаимную емкость и самопаразитную емкость. На рис. 2 представлена единичная модель неидеального ВЧ-трансформатора, которая описывает паразитные сопротивления и индуктивности двух обмоток, а также потери сопротивления железного сердечника и эффективную индуктивность обмоток. Паразитные эффекты приводят к тому, что реальный трансформатор работает в ограниченной полосе частот, имеет вносимые потери и ограниченные возможности по передаче мощности (как показано на рис. 3). Характеристики трансформатора также зависят от частоты, температуры и мощности.

Низкочастотная частота среза реального радиочастотного трансформатора определяется активной индуктивностью обмоток, а высокочастотная частота среза - емкостью между обмотками и витками. Вносимые потери в рабочей полосе частот представляют собой произведение потерь сопротивления в первичной и вторичной обмотках и потерь в сердечнике. Поскольку потери в сопротивлении часто являются функцией частоты и температуры, эффективная рабочая полоса пропускания трансформатора ограничивается этими факторами. Из-за неполной магнитной связи между обмотками в некоторых типах ВЧ-трансформаторов возникает индуктивность утечки. Поскольку реактивное сопротивление индуктивности утечки пропорционально частоте, эти паразитные эффекты будут уменьшать обратные потери на высоких частотах и увеличивать вносимые потери на низких частотах. Более сложные топологии радиочастотных трансформаторов, например, трансформаторы с несколькими обмотками, отводами и другими компонентами, будут иметь различные характеристики в зависимости от топологии и конструкции трансформатора. Например, тип радиочастотного оборудования, называемый балуном, используется для эффективного соединения балансной (т.е. дифференциальной) цепи с небалансной (т.е. односторонней) цепью путем преобразования импеданса, что может быть достигнуто с помощью радиочастотного трансформатора. Другое устройство, аналогичное балуну, называется балун, который используется для соединения несимметричных радиочастотных цепей. Оно также может быть реализовано с помощью радиочастотного трансформатора. Распространенным балуном, формируемым трансформатором, является балун с флюсовой связью, в котором одна сторона первичной обмотки строится путем намотки отдельного провода вокруг магнитопровода и его заземления. Односторонний радиочастотный сигнал, поступающий на первичную несимметричную обмотку, подвергается трансформации импеданса и через вторичную обмотку выходит в виде дифференциального (т.е. сбалансированного) сигнала. ВЧ-трансформаторы, в состав которых входят немагнитные железные сердечники (обычно ферромагнетики), имеют некоторые недостатки. Намагничивающая индуктивность железного сердечника ограничивает характеристики низкочастотного трансформатора. Индуктивность зависит от проницаемости сердечника, площади поперечного сечения и количества витков вокруг сердечника. Индуктивность намагничивания увеличивает вносимые потери на низких частотах и уменьшает обратные потери. Проницаемость железного сердечника также зависит от температуры. Проницаемость, увеличивающаяся с ростом температуры, повышает низкочастотные вносимые потери.

Технология радиочастотных трансформаторов

Двумя основными типами дискретных радиочастотных трансформаторов являются трансформаторы с сердечником и трансформаторы с линией передачи. Кроме того, LTCC и MMIC являются двумя распространенными конструкциями тонких и компактных трансформаторов.

Радиочастотный трансформатор стержневого типа

Трансформаторы с сердечником изготавливаются путем намотки токопроводящих проводов (обычно изолированных медных) на магнитопровод (например, кольцевой). Вторичных обмоток может быть одна или несколько, либо они могут быть ответвлены в центре для выполнения дополнительных функций. На рис. 4 показан радиочастотный трансформатор, состоящий из тороидального сердечника и обмоток из изолированного медного провода. Благодаря индуктивной связи между проводом и магнитопроводом трансформатор с сердечником меньшего размера должен работать на более высокой частоте, чем трансформатор с сердечником большего размера. Однако меньшие размеры компактного трансформатора увеличивают потери сопротивления обмоток и сердечника, что приводит к увеличению вносимых потерь на низких частотах.

ВЧ-трансформатор типа "линия передачи

Топология трансформатора с линией передачи включает в себя точно рассчитанные линии передачи, расположенные между двумя несогласованными нагрузками или представляющие собой сложную схему из нескольких линий передачи. Например, длина линии передачи может быть использована для достижения трансформации импеданса между двумя несогласованными нагрузками. В некоторых трансформаторах ЛЭП используются изолированные провода, намотанные на ферритовый сердечник, которые очень похожи на типичные трансформаторы со стержневым проводом и обычно считаются трансформаторами стержневого типа.

Базовый трансформатор ЛЭП состоит из двух проводников. Первый проводник подключен от генератора к нагрузке, а второй проводник подключен к земле на выходном конце первой линии (как показано на рис. 5). При такой конфигурации ток, протекающий через нагрузку, в два раза больше тока, протекающего через генератор, а напряжение V0 составляет половину напряжения V1. Поэтому сопротивление нагрузки составляет лишь четверть от сопротивления генератора, в результате чего получается трансформатор 1:4, как показано в следующем уравнении:

Распространенным вариантом трансформатора с линией передачи является линия передачи четвертьволновой длины. В этой топологии используется линия передачи с характеристическим сопротивлением, обеспечивающим согласование входного импеданса с нагрузкой. Длина четвертьволнового трансформатора определяется рабочей частотой, а полоса пропускания ограничена одной октавой вокруг центральной частоты. Рассмотрим линию передачи без потерь с характеристическим сопротивлением Z0 и длиной L, которая подключена между входным импедансом Zin и импедансом нагрузки ZL (как показано на рис. 6). Для согласования Zin с ZL характеристический импеданс четвертьволновой линии передачи Z0 определяется по следующей формуле:

Одним из преимуществ трансформатора линии передачи является наличие большой емкости и индуктивности рассеяния между обмотками. По сравнению с трансформатором с сердечником из проволоки он обеспечивает более широкую рабочую полосу пропускания.

LTCC-трансформатор

LTCC-трансформаторы - это многослойные устройства, изготавливаемые на керамических подложках. В LTCC-трансформаторах в качестве линий передачи используются связанные линии, что позволяет осуществлять преобразование импеданса и преобразование сигнала из одностороннего в балансный. В LTCC-трансформаторах используется емкостная связь, поэтому LTCC-трансформаторы могут работать на более высоких частотах, чем ферромагнитные трансформаторы. Однако это может привести к ухудшению низкочастотных характеристик. Одним из преимуществ технологии LTCC является возможность изготовления малогабаритных и прочных трансформаторов, которые идеально подходят для высоконадежных приложений (см. рис. 7).

MMIC-трансформатор

Как и LTCC-трансформаторы, MMIC-трансформаторы также изготавливаются из двумерных подложек с точной послойной планарной металлизацией. Как правило, для изготовления MMIC-трансформаторов используются спиральные индукторы, которые печатаются на подложке с двумя линиями передачи, причем эти линии параллельны. Для изготовления MMIC-трансформаторов может быть использован процесс GaAs integrated passive device (как показано на рис. 8). Прецизионная литография позволяет добиться отличной повторяемости, высоких частотных характеристик и превосходной тепловой эффективности.

Функции и применение трансформатора

Различные функции ВЧ-трансформатора зависят от его топологии:

Согласование - трансформатор может согласовывать две цепи с различными импедансами, а также обеспечивать повышение или понижение напряжения питания. В радиочастотных цепях несоответствие импеданса двух узлов может привести к снижению передаваемой мощности и возникновению помех. Согласующий трансформатор эффективно устраняет отражения и обеспечивает максимальную передачу мощности между двумя узлами схемы (как показано на рис. 9).

Балансный и небалансный преобразователь (Balun) используется для соединения балансных и небалансных участков цепи. Для несимметричных линий автотрансформатор (трансформатор) может быть настроен на согласование импеданса, т.е. unun.

Инжекция биаса и изоляция-РЧ трансформаторы могут быть сконструированы таким образом, чтобы обеспечить изоляцию по постоянному току между первичной и вторичной обмотками. Это очень полезно для разделения ВЧ-цепей, использующих постоянное смещение и подверженных негативному влиянию постоянного напряжения. Если часть схемы требует постоянного тока, можно использовать специальный ВЧ-трансформатор для подачи тока в сигнальный тракт. Например, два трансформатора с центральной нарезкой могут подавать постоянный ток смещения и заменять два тройника смещения (как показано на рис. 10).

Другие функции - ВЧ-трансформаторы могут быть разработаны для обеспечения улучшенного отклонения синфазного сигнала в балансных (т.е. дифференциальных) цепях. Другие топологии могут использоваться в качестве дросселей для фильтрации высокочастотных составляющих в сигнальных линиях.

Резюмируем

ВЧ-трансформаторы могут изготавливаться различными методами и из различных материалов. Они имеют различные топологии и выполняют множество функций в радиочастотных цепях. В зависимости от материала, конструкции и дизайна ВЧ-трансформатор может быть узкополосным или широкополосным, работать на низких или высоких частотах. Понимание нюансов работы ВЧ-трансформаторов поможет проектировщикам оптимизировать свою схему, выбрав оптимальный трансформатор. Другие статьи, посвященные ВЧ-трансформаторам, будут опубликованы в ближайшее время. alternate