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Las capacidades de banda ancha de los transformadores de líneas de transmisión los hacen extremadamente útiles para aplicaciones de RF. Estos transformadores vienen en varias configuraciones según el tipo, número y disposición de las líneas de transmisión utilizadas. Los artículos anteriores de esta serie examinaron los baluns Guanella 1:1 y Guanella 1:4, dos circuitos clásicos introducidos por primera vez por Gustav Guanella en 1944.
Quince años después, un artículo de CL Ruthroff presentó al mundo una nueva clase de transformadores de líneas de transmisión de banda ancha. En este artículo, obtenemos una comprensión básica de los transformadores Ruthroff, tanto balanceados-desequilibrados como desequilibrados de un solo extremo, a través de un análisis simplificado.
El transformador desequilibrado a desequilibrado Ruthroff 1:4
La Figura 1 muestra una configuración con la que ya estamos familiarizados: el balun Guanella 1:4, que contiene dos líneas de transmisión.
Ilustración 1. El balún Guanella 1:4.
Si no se requiere la función balun, podemos reorganizar una única bobina bifilar para proporcionar una relación de transformación de impedancia de 1:4. La Figura 2 muestra este circuito, conocido como transformador desequilibrado a desequilibrado 1:4 de Ruthroff. También puede denominarse Ruthroff 1:4 «unun», que recuerda la abreviatura que nosotros abreviamos «transformador equilibrado-desequilibrado» como «balun». Como muchos otros, encuentro el término “unun” poco elegante y poco atractivo y, por lo tanto, elijo no usarlo.
Figura 2. El transformador desequilibrado-desequilibrado Ruthroff 1:4.
Analicemos este circuito utilizando el método de inductancia concentrada presentado en el artículo anterior.
Suponga que la corriente a través del devanado superior es I1 y la caída de voltaje a través de él es v1. Debido al efecto transformador, existe una diferencia de voltaje de v1 también se imprime a través del devanado inferior y una corriente de I1 fluye a través de este devanado en la dirección especificada. Por lo tanto, la corriente a través de la carga es igual a 2I1.
Dado que el devanado inferior es paralelo a la carga, el voltaje a través de la carga es (vfuera de) también es lo mismo v1. El voltaje en el terminal de entrada se puede encontrar fácilmente sumando el voltaje entre el devanado superior y la resistencia de carga, lo que da como resultado:
$$V_{entrada}~=~V_{1}~+~V_{salida}~=2V_{1}$$
Ecuación 1.
Para la resistencia de carga (Rl), la ley de Ohm define otra relación entre v1 Y I1:
$$R_L ~=~ \frac{V_{out}}{2I_1}~=~ \frac{V_1}{2I_1}$$
Ecuación 2.
Ahora expresamos la resistencia de entrada (REn) con referencia a v1 Y I1donde la Ecuación 2 se utiliza para simplificar:
$$R_{in} ~=~ \frac{V_{in}}{I_1}~=~\frac{2V_1}{I_1}~=~4R_L$$
Ecuación 3.
La resistencia de entrada equivalente es cuatro veces la resistencia de carga. Para analizar el circuito anterior más rápidamente, tenga en cuenta lo siguiente:
- El voltaje de entrada es igual a la suma de las caídas de voltaje en los dos devanados (vEn = v1 + v2).
- Debido al efecto transformador, las dos caídas de voltaje son iguales (v1 = v2).
- El voltaje de salida es igual a la caída de voltaje en uno de los devanados (vfuera de = v1 = v2).
- Entonces el voltaje de entrada es dos veces mayor que el voltaje de salida (vEn = vfuera de + vfuera de = 2vfuera de).
- Una red sin pérdidas que cambia el voltaje en un factor de dos produce una relación de transformación de impedancia de 1:4.
Al igual que las configuraciones Guanella, los transformadores Ruthroff no proporcionan aislamiento de CC. Idealmente, ambos tipos de transformadores inducen un flujo neto cero en el material del núcleo durante la excitación en modo impar. Esto reduce significativamente las pérdidas por histéresis del núcleo dependientes de la frecuencia, que a menudo determinan el extremo superior del ancho de banda del transformador.
La Figura 3 muestra una implementación coaxial del circuito de Ruthroff. Tenga en cuenta que la línea coaxial suele estar llena de perlas de ferrita, pero no se muestran en la figura.
Figura 3. Una implementación coaxial del transformador desequilibrado-desequilibrado 1:4 de Ruthroff.
Para una inductancia de fuga mínima, la distancia entre los puntos es importante. A Y b debe ser lo más corto posible. Esto puede requerir doblar la tubería para acercar los puntos de conexión. También tenga en cuenta que con el transformador Ruthroff, la impedancia característica de la línea (z0) es igual a la media geométrica de las impedancias de entrada y salida:
$$Z_0 ~=~ \sqrt{R_S R_L}$$
Ecuación 4.
El transformador balun Ruthroff 1:4
La Figura 4 muestra el balun Ruthroff 1:4. Al igual que el transformador desequilibrado de un solo extremo, está construido alrededor de una única bobina bifilar.
Figura 4. El balún Ruthroff 1:4.
También en este caso, debido al efecto transformador, existe la misma tensión en ambos devanados. La conexión a tierra de los terminales correspondientes de los devanados crea voltajes de polaridad opuesta en los terminales de la resistencia de carga. En otras palabras: nudos A Y b tienen el mismo voltaje con polaridad opuesta.
En el diagrama del circuito es fácil ver que el voltaje de entrada es igual a la caída de voltaje en un devanado (vEn = v1), mientras que el voltaje a través de la carga es vfuera de = 2v1. Por lo tanto, el circuito duplica el voltaje de entrada y produce una relación de transformación de impedancia de 1:4. Dado que la carga no está conectada a tierra en ninguno de los extremos, la salida es una señal balanceada.
Próximo
En comparación con los transformadores Guanella, las configuraciones de Ruthroff ofrecen un ancho de banda relativamente menor. Discutiremos esto con más detalle en el próximo artículo de esta serie cuando realicemos un análisis más exhaustivo de estos circuitos. También examinaremos algunas modificaciones simples que, cuando se aplican, pueden mejorar los anchos de banda de los transformadores Ruthroff.
Todas las imágenes utilizadas son cortesía de Steve Arar.
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