RU2076365C1

RU2076365C1 - Wide-band balancing transformer

Info

Publication number: RU2076365C1
Application number: RU93012849A
Authority: RU
Inventors: С.Е. Лондон
Original assignee: Совместное предприятие "Элва Интротэкс Ко Лтд."
Priority date: 1993-03-11
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 1997-03-27

Abstract

FIELD: radio engineering, devices for long, middle, short and ultra-short waves. SUBSTANCE: device may be used in wide-band power amplifiers for transition from single-cycle stage to double-cycle one. Device has three coaxial cables which are located on magnetic circuit and are wound in same direction. Start of inner conductor of first coaxial cable provides potential input terminal which is not in symmetry about line which is connected to start of outer and end of inner conductors of this cable. Starts of outer conductors of second and third cables and end of inner conductor of third cable are also connected to said line. Number of coils and induction resistance of second and third cables are half of those of first cable. Ends of outer conductors of second and third cables are joined and connected to outer conductor of first cable at area of second half of its turns. Ends of inner conductors of second and third cables are connected to end of outer conductor of first cable and to common line respectively. Starts of inner conductors of second and third cables provide symmetric output. EFFECT: increased functional capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехническим устройствам, работающим в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн и обеспечивает переход от несимметричного относительно общей шины ("земли") входа к симметричной (балансной) нагрузке или наоборот. Такая задача возникает, например, при переходе от однотактного предварительного усилительного каскада к двухтактному оконечному каскаду усиления мощности. При этом помимо симметрирования часто требуется разделение входа и выхода по постоянному напряжению, то есть гальваническая развязка между ними. The invention relates to radio devices operating in the ranges of long, medium, short and ultrashort waves and provides a transition from an input asymmetrical with respect to a common bus ("ground") to a symmetrical (balanced) load or vice versa. Such a problem arises, for example, in the transition from a single-cycle pre-amplifier stage to a push-pull terminal power amplification stage. In addition to balancing, separation of the input and output by constant voltage is often required, that is, galvanic isolation between them.

С этой целью симметрирующей трансформатор выполняется с двумя раздельными, то есть гальванически развязанными, обмотками. To this end, a balancing transformer is made with two separate, that is, galvanically isolated, windings.

Известен класс широкополосных симметрирующих трансформаторов с гальванически развязанными обмотками [1]
Известен широкополосный симметрирующий трансформатор с коэффициентом трансформации 1: 1, имеющей гальванически развязанные первичную и вторичную обмотки (см. например, [1] с.176 рис.10 27 в и [2]). Его недостаток состоит в том, что вторичная обмотка с симметричным выходом не имеет средней точки, которую можно было бы соединить с общей шиной, обеспечить тем самым равенство напряжений на плечах симметричного выхода даже при различии сопротивлений нагрузок на этих плечах, кроме того, в среднюю точку можно, в частности, подавать постоянное напряжение для питания усилительных элементов, подключаемых к плечам симметричного выхода.A well-known class of broadband balancing transformers with galvanically isolated windings [1]
Known broadband balancing transformer with a transformation ratio of 1: 1, having galvanically isolated primary and secondary windings (see, for example, [1] p.176 fig.10 27 c and [2]). Its disadvantage is that the secondary winding with a symmetrical output does not have a midpoint that could be connected to a common bus, thereby ensuring equal voltage on the shoulders of the symmetrical output, even if the load resistances on these shoulders are different, in addition, to the midpoint it is possible, in particular, to supply a constant voltage to power the amplifying elements connected to the arms of the balanced output.

Задача создания гальванически развязанного симметрирующего трансформатора, имеющего среднюю точку (зажим нулевого потенциала) вторичной обмотки ближе всего к предлагаемому устройству, решается каскадным соединением двух известных устройств (фиг.1): гальванически развязанного трансформатора 1 с несимметричным входом и выходом (см. например, [1] с.158 рис.10.3) и гальванически связанного симметрирующего трансформатора II, имеющего среднюю точку на стороне симметричного выхода (см. например, [1] с.176, рис.10.27 а и [3] ). The task of creating a galvanically isolated balancing transformer having a midpoint (zero potential clamp) of the secondary winding closest to the proposed device is solved by cascading two well-known devices (Fig. 1): a galvanically isolated transformer 1 with an asymmetric input and output (see, for example, [ 1] p. 158 fig. 10.3) and a galvanically coupled balancing transformer II having a midpoint on the side of the symmetrical output (see, for example, [1] p. 176, fig. 10.27 a and [3]).

Известное устройство (фиг.1), принимаемое в качестве прототипа, характеризуется совокупностью следующих существенных признаков. The known device (figure 1), taken as a prototype, is characterized by a combination of the following essential features.

Устройство содержит гальванически развязанный трансформатор I, соединенный каскадно с симметрирующим трансформатором II со стороны его несимметричного входа. The device comprises a galvanically isolated transformer I, connected in cascade with a balancing transformer II from the side of its asymmetric input.

Устройство представляет собой два раздельных узла, каждый из которых содержит свой магнитопровод (Iа и Iб) с обмоткой из коаксиального кабеля (2,3). The device consists of two separate nodes, each of which contains its own magnetic circuit (Ia and Ib) with a coaxial cable winding (2,3).

При этом на первом магнитопроводе Iа обмотка выполнена коаксиальным кабелем 2, а на магнитопроводе Iб обмотка выполнена коаксиальным кабелем 3 и проводником 4, имеющими одинаковое число витков и намотанными в одном направлении. In this case, on the first magnetic circuit Ia, the winding is made by coaxial cable 2, and on the magnetic circuit Ib, the winding is made by coaxial cable 3 and conductor 4, having the same number of turns and wound in one direction.

Начало внутреннего проводника коаксиального кабеля 2 является зажимом несимметричного входа, а начало внешнего проводника коаксиального кабеля (КК) 2 присоединено к общей шине 5. К ней также присоединен конец внутреннего проводника КК2. The beginning of the inner conductor of the coaxial cable 2 is a terminal for an unbalanced input, and the beginning of the outer conductor of the coaxial cable (CC) 2 is connected to a common bus 5. The end of the inner conductor KK2 is also connected to it.

Конец внешнего проводника КК2 присоединен к началу внутреннего проводника КК3, а начало внешнего проводника КК3 и конец проводника 4 присоединены к общей шине 5. The end of the outer conductor KK2 is connected to the beginning of the inner conductor KK3, and the beginning of the outer conductor KK3 and the end of the conductor 4 are connected to the common bus 5.

При этом конец внутреннего проводника КК3 присоединен к началу проводника 4 и образует один зажим симметричного выхода, а другой его зажим образуется концом внешнего проводника КК3. На практике проводник 4 выполняется часто наружным проводником кабеля с целью получения лучшей симметрии. In this case, the end of the inner conductor KK3 is connected to the beginning of the conductor 4 and forms one terminal of the symmetrical output, and the other clip is formed by the end of the outer conductor KK3. In practice, conductor 4 is often made by the outer conductor of the cable in order to obtain better symmetry.

Недостатками устройства по фиг.1 являются его большие стоимость и габариты, а также избыточные потери. Все это вызвано наличием двух раздельных составных узлов, каждый из которых содержит магнитопровод. Выполнение обоих составных узлов на общем магнитопроводе приводит к сокращению рабочей полосы частот из-за возрастания с увеличением частоты рассогласования и асимметрии. Оба эти фактора обусловлены главным образом тем, что продольные напряжения [1] на проводниках обоих составных узлов различны, а это различие возрастает с увеличением частоты колебаний. The disadvantages of the device of figure 1 are its high cost and dimensions, as well as excessive losses. All this is caused by the presence of two separate component units, each of which contains a magnetic circuit. The implementation of both components in a common magnetic circuit leads to a reduction in the working frequency band due to an increase with an increase in the frequency of mismatch and asymmetry. Both of these factors are mainly due to the fact that the longitudinal stresses [1] on the conductors of both components are different, and this difference increases with an increase in the oscillation frequency.

Задачей изобретения является создание единого широкополосного симметрирующего трансформатора, обеспечивающего симметрирование с привязкой средней точки симметричного выхода к общей шине и гальваническую развязку между входом и выходом. Тем самым исключаются недостатки, присущие прототипу. The objective of the invention is the creation of a single broadband balancing transformer, providing balancing with reference to the midpoint of the balanced output to the common bus and galvanic isolation between the input and output. This eliminates the disadvantages inherent in the prototype.

Другое достоинство устройства по предлагаемому изобретению заключается в возможности расширенного использования стандартных коаксиальных кабелей. Another advantage of the device according to the invention is the possibility of expanded use of standard coaxial cables.

Задача решается широкополосным симметрирующим трансформатором (фиг.2), характеризуемым следующей совокупностью существенных признаков. The problem is solved by a broadband balancing transformer (figure 2), characterized by the following set of essential features.

1. Устройство содержит магнитопровод 1 с обмотками, выполненными из коаксиальных кабелей КК2,3,4. 1. The device contains a magnetic circuit 1 with windings made of coaxial cables KK2,3,4.

Iа. Количества витков КК2 и каждого из КК3 и КК4 соотносятся как 2:1. Ia. The number of turns KK2 and each of KK3 and KK4 are correlated as 2: 1.

2. Обмотки из половины количества витков КК2 совместно с КК3 и КК4 выполнены параллельно в одном и том же направлении на магнитопроводе 1; вторая половина витков обмотки КК2 выполнена в том же направлении на магнитопроводе 1. 2. The windings of half the number of turns KK2 together with KK3 and KK4 are made in parallel in the same direction on the magnetic circuit 1; the second half of the turns of the winding KK2 is made in the same direction on the magnetic circuit 1.

3. При этом начало внутреннего проводника КК2 образует зажим несимметричного входа, а его конец и начала внешнего проводника присоединены к общей шине 5. 3. In this case, the beginning of the inner conductor KK2 forms a terminal of an asymmetric input, and its end and the beginning of the outer conductor are connected to a common bus 5.

4. Начала наружных проводников КК3 и КК4 также присоединены к общей шине 5. 4. The beginning of the outer conductors KK3 and KK4 are also connected to the common bus 5.

5. Концы наружных проводников КК3, КК4 и наружный проводник КК2 после половины его числа витков соединены между собой, а конец наружного проводника КК2 соединен с концом внутреннего проводника КК3, при этом начала внутренних проводников КК3 и КК4 образуют зажимы симметричного выхода. 5. The ends of the outer conductors KK3, KK4 and the outer conductor KK2, after half of its number of turns, are connected to each other, and the end of the outer conductor KK2 is connected to the end of the inner conductor KK3, while the beginnings of the inner conductors KK3 and KK4 form clamps for a balanced output.

6. Конец внутреннего проводника КК4 присоединен к общей шине 5. 6. The end of the inner conductor KK4 is connected to a common bus 5.

Отличительными признаками заявленного изобретения являются изложенные выше существенные признаки 1а,2,4,5,6. Distinctive features of the claimed invention are the above essential features 1A, 2,4,5,6.

Анализ известного уровня науки и техники показал отсутствие информации о широкополосном симметрирующем трансформаторе, характеризуемом совокупностью перечисленных существенных признаков. Нет информации, раскрывающей отдельные существенные признаки заявленного устройства. Проведенный анализ крови, что заявленное решение характеризуется требованиям "новизна" и "изобретательский уровень", поскольку достигнут результат, удовлетворяющий давно существующую потребность, получить который до сих пор не удавалось. An analysis of the known level of science and technology showed a lack of information about a broadband balancing transformer characterized by a combination of the listed essential features. There is no information disclosing certain essential features of the claimed device. The blood test that the claimed solution is characterized by the requirements of "novelty" and "inventive step", since a result was achieved that satisfies a long-standing need, which has not yet been obtained.

Устройство работает следующим образом. Входной сигнал на несимметричном относительно общей шины 5 входе поступает на начало внутреннего проводника КК2. Этот сигнал проходит по КК2, точнее по двум равным по числу витков его участкам. На выходе КК2 сигнал симметрируется: делится поровну между КК3 и КК4 со стороны их выходов. При этом потенциальным на выходе КК2 является его наружный проводник, а его внутренний проводник соединяется с общей шиной 5. ПО КК3 и КК4 равноамплитудные сигналы распространяются на входы этих кабелей, где их соединенные наружные проводники вместе с наружным проводником КК2 присоединены к общей шине 5. В результате, там образуются по отношению к общей шине 5 разнополярные равноамплитудные напряжения. Гальваническая развязка относительно несимметричного входа устройства обусловлена тем, что КК2 имеет на своем входе потенциальный внутренний проводник, а соединенный с общей шиной 5 наружный проводник, а на выходе наоборот. The device operates as follows. The input signal at the input asymmetric relative to the common bus 5 is fed to the beginning of the internal conductor KK2. This signal passes through KK2, more precisely, along two equal sections in terms of the number of turns. At the output of KK2, the signal is balanced: it is divided equally between KK3 and KK4 from the side of their outputs. At the same time, the external conductor is potential at the output of KK2, and its internal conductor is connected to a common bus 5. On KK3 and KK4, equal-amplitude signals propagate to the inputs of these cables, where their connected external conductors together with the external conductor KK2 are connected to a common bus 5. V as a result, there are formed in relation to the common bus 5, unipolar equipotential voltage. The galvanic isolation with respect to the asymmetric input of the device is due to the fact that KK2 has a potential internal conductor at its input, and an external conductor connected to a common bus 5, and vice versa at the output.

Теперь осталось обосновать, что сигнал с выхода КК2 делится поровну и без отражения между КК3 и КК4. Во-первых КК3 и 6 имеют одинаковые волновые сопротивления, каждое из которых равно половине волнового сопротивления КК2, причем КК3 и КК4 включены последовательно между собой. Во-вторых каждый из кабелей КК3 со стороны своего выхода, то есть в месте подключения к КК2, шунтирован одним и тем же большим индуктивным сопротивлением. Так, КК3 шунтирован на своем выходе обмоткой на магнитопроводе 1, образованной второй половиной числа витков наружного проводника КК2, намотанной отдельно от КК3 и КК4. Такая же обмотка с тем же числом витков, образованная соединенными вместе наружными проводниками КК3, КК4 и первой половиной числа витков КК2, шунтирует выход КК4. Now it remains to justify that the signal from the output of KK2 is divided equally and without reflection between KK3 and KK4. Firstly, KK3 and 6 have the same wave impedances, each of which is equal to half the wave resistance of KK2, and KK3 and KK4 are connected in series with each other. Secondly, each of the KK3 cables from its output side, that is, at the point of connection to KK2, is shunted by the same large inductive resistance. So, KK3 is shunted at its output by a winding on the magnetic circuit 1, formed by the second half of the number of turns of the outer conductor KK2, wound separately from KK3 and KK4. The same winding with the same number of turns, formed by the outer conductors KK3, KK4 connected together and the first half of the number of turns KK2, shunts the output of KK4.

В итоге получен симметричный трансформатор, содержащий на едином магнитопроводе 1 согласованные коаксиальные кабели, образующие благодаря определенному соединению своих проводников гальванически развязанные обмотки. Для получения согласования всех кабелей, то есть режима бегущей волны в них, значение сопротивления нагрузки, подключаемой между началами внутренних проводников КК3 и КК4, должно равняться волновому сопротивлению КК2. Поскольку волновое сопротивление КК3 и КК4 вдвое меньшее, то каждый из них может быть выполнен, например, путем параллельного соединения двух кабелей того же волнового сопротивления, что и КК2. As a result, a symmetrical transformer is obtained, containing coordinated coaxial cables on a single magnetic circuit 1, which form galvanically isolated windings due to a certain connection of their conductors. To obtain coordination of all cables, that is, the traveling wave mode in them, the value of the load resistance connected between the beginnings of the internal conductors KK3 and KK4 should be equal to the wave resistance of KK2. Since the wave impedance of KK3 and KK4 is half as much, each of them can be performed, for example, by parallel connection of two cables of the same wave impedance as KK2.

Для оценки эффективности устройств по предлагаемому изобретению рассмотрим один из выполненных примеров его реализации согласно фиг.2. To assess the effectiveness of the devices according to the invention, we consider one of the executed examples of its implementation according to figure 2.

Пример. В качестве магнитопровода 1 было использовано два склеенных между собой стандартных кольцевых сердечника типоразмера К-65х40х6 из материала 300 ВНС. Две половины обмотки КК2 содержали по 4 витка коаксиального кабеля типа РК-50-2-21, а в качестве КК3 и КК4 использовались соединенные в параллель кабели типа РК-50-1-21. В результате проведенных измерений получили, что рабочий диапазон частот составил 3 150 МГц при коэффициенте отражения на входе, не большем, чем 0,1, а коэффициенте асимметрии выходного напряжения не превышающем ± 5% и КПД ≥ 94% Этими данными подтверждаются высокие электрические характеристики и все отмеченные выше достоинства устройств по предлагаемому изобретению. Example. As the magnetic circuit 1, two standard annular core sizes K-65x40x6 of 300 VNS material glued together were used. Two halves of the KK2 winding contained 4 turns of a coaxial cable of the RK-50-2-21 type, and cables of the RK-50-1-21 type connected in parallel were used as KK3 and KK4. As a result of the measurements, it was found that the operating frequency range was 3 150 MHz with a reflection coefficient at the input not greater than 0.1, and an asymmetry coefficient of the output voltage not exceeding ± 5% and an efficiency of ≥ 94%. These data confirm the high electrical characteristics and all the above advantages of the devices according to the invention.

В сравнении с устройством прототипом на те же рабочий диапазон частот и передаваемую мощность достигается снижение габаритов и стоимости на 20 30% а потерь мощности на 25 35% In comparison with the prototype device for the same operating frequency range and transmitted power, dimensions and cost are reduced by 20 30% and power losses by 25 35%

Claims

A broadband balancing transformer with a transformation coefficient of 1 1 and galvanic isolation between the input and the symmetrical output with a middle clamp of zero potential, containing the magnetic core of the winding from coaxial cables, from which the beginning of the inner conductor of the first cable forms a clamp asymmetrical relative to the common input bus, the beginning of the outer conductor and the end of the inner conductor connected to a common bus, characterized in that the windings of coaxial cables are wound on the magnetic core in one direction The number of turns of the first cable and the other two are related as 2 1, the beginning of the outer conductors of the second and third coaxial cables and the end of the inner conductor of the third coaxial cable are connected to the common bus, and the ends of the outer conductors of the second and third and the outer conductor of the first cable after half its number turns are interconnected, the end of the outer conductor of the first cable is connected to the end of the inner conductor of the second cable, and the beginning of the inner conductors of the second and third cables form we have a symmetrical exit.