Ruthroff 输电线路变压器简介

了解这些经典射频变压器如何实现宽带阻抗变换。 传输线变压器的宽带能力使其在射频应用中非常有用。这些变压器有多种配置，取决于所用传输线的类型、数量和排列方式。本系列前面的文章探讨了Guanella 1:1和Guanella 1:4平衡-不平衡转换器，这两种经典电路最早由Gustav Guanella在1944年提出。

15年后，C. L. Ruthroff的一篇论文向世界介绍了一类新的宽带传输线变压器。在本文中，我们将通过简化分析，初步了解Ruthroff变压器——包括平衡-不平衡和不平衡-不平衡两种类型。

Ruthroff 1:4不平衡-不平衡变压器 图1展示了一个我们已经熟悉的配置——包含两条传输线的Guanella 1:4平衡-不平衡转换器。

当不需要平衡-不平衡转换功能时，我们可以重新排列一个双股线圈，以提供1:4的阻抗变换比。图2描绘了这个电路，被称为Ruthroff 1:4不平衡-不平衡变压器。你可能也会看到它被称为Ruthroff 1:4“unun”，这与我们将“平衡-不平衡变压器”缩写为“balun”的方式相呼应。我——像许多人一样——觉得“unun”这个词不优雅且不美观，所以选择不使用它。

图2. Ruthroff 1:4不平衡-不平衡变压器。

使用前一篇文章介绍的集总电感法，让我们来分析这个电路。

假设通过上绕组的电流为I1，其上的电压降为V1。由于变压器作用，下绕组两端也会有V1的电压差，且该绕组中有I1的电流按所示方向流动。因此，通过负载的电流等于2I1。

由于下绕组与负载并联，负载两端的电压（Vout）也等于V1。输入端的电压可以通过将上绕组和负载电阻上的电压相加轻松确定，从而得出：

对于负载电阻（RL），欧姆定律定义了V1和I1之间的另一种关系：现在，我们利用方程2，将输入电阻（Rin）用V1和I1表示，并对其进行简化：

等效输入电阻是负载电阻的四倍。为了更快地分析上述电路，请记住以下几点：

输入电压等于两个绕组电压降的总和（Vin = V1 + V2）。 由于变压器的作用，两个电压降相等（V1 = V2）。 输出电压等于其中一个绕组的电压降（Vout = V1 = V2）。 因此，输入电压是输出电压的两倍（Vin = Vout + Vout = 2Vout）。 一个无损耗的网络将电压改变两倍，会产生1:4的阻抗变换比。 与Guanella配置一样，Ruthroff变压器不提供直流隔离。在这两种变压器类型中，在奇模激励下，理想情况下会在磁芯材料中产生零净磁通。这显著减少了磁芯的频率依赖性滞回损耗，这通常是变压器带宽上限的决定因素。

图3展示了一种Ruthroff电路的同轴实现。请注意，同轴线通常会加载铁氧体磁珠，尽管这些在图中没有显示。

图3. Ruthroff 1:4不平衡-不平衡变压器的同轴实现。 为了使漏感最小，A点和B点之间的距离应尽可能短。这可能需要将线路弯曲以使连接点靠近。另外请注意，在Ruthroff变压器中，线路的特性阻抗（Z₀）等于输入和输出阻抗的几何平均值：图4展示了Ruthroff 1:4平衡-不平衡变压器。与不平衡到不平衡变压器一样，它是围绕单个双线线圈构建的。由于变压器的作用，两个绕组上再次出现相同的电压。通过将绕组的适当端子接地，在负载电阻端子处产生相反极性的电压。换句话说，节点A和B具有相同的电压，但极性相反。

图4. Ruthroff 1:4平衡不平衡转换器。

再次，由于变压器的作用，相同的电压出现在两个绕组上。通过将绕组的适当端子接地，在负载电阻端子处会产生极性相反的电压。换句话说，节点A和B具有相同的电压但极性相反。

从电路图中很容易看出，输入电压等于一个绕组上的电压降（Vin = V1），而负载上的电压为Vout = 2V1。因此，该电路将输入电压加倍，产生1:4的阻抗变换比。由于负载两端均未接地，输出为平衡信号。

接下来 与Guanella变压器相比，Ruthroff配置提供了相对较低的带宽。在本系列的下一篇文章中，我们将更深入地分析这些电路，进一步讨论这一点。我们还将研究一些简单的修改，这些修改在应用后可以提高Ruthroff变压器的带宽。