传输线变压器实现4：1阻抗变换（附Multisim仿真）
Hello，大家好，今天我们讨论一下传输线变压器的实际应用。《电感应用分析精粹：从磁能管理到开关电源设计》（基础篇）（以下简称《电感：基础篇》）一书中简单介绍了传输线变压器的基本原理及作为平衡-不平衡、不平衡-平衡、阻抗变换的作用，但受限于篇幅并未做更深入的讨论，仅在第3章中介绍了一种高频应用场合中常见的4：1阻抗变换器，如下图所示。
我们现在使用Multisim软件平台实际体验一下：传输线变压器具体是如何实现阻抗变换的。假设有一个内阻RS为200Ω的信号源（峰值为1V，频率为10MHz），而负载RL的阻值为50Ω，如果两者直接相连，相应的仿真电路如下图所示：
当然，也可以在负载RL前面添加一个传输线元件W1，其特性阻抗与负载RL相同（均为50Ω），传播延时为1ns，这样可以与后面的传输线变压器进行比较，如下图所示：
以上两个电路的结果是相似的，如下图所示，其中标记数据为负载RL两端的电压峰值（节点2与3的波形是重合的），约为200mV，也就是200Ω与50Ω串联对信号源1V的分压结果。
根据电路理论：只有在信号源内阻与负载阻值相等（匹配）时，负载获得的功率才是最大的。也就是说，前面的信号源直接与负载相连，负载获得的功率并不是最大的。
为了让负载获得的功率最大化，我们可以先对负载进行阻抗变换。方法有很多，此处使用刚刚提到的4：1阻抗变换器，将50Ω负载变换为200Ω之后再与信号源连接，相应的仿真电路如下图所示（注意：此处使用传输线元件模拟一个变压器，其阻抗现在为100Ω）：
传输线元件的连接方式就按照前面书里的描述，此时从节点2往右看到的阻抗应该为200Ω。我们来看看负载获得的功率变化情况，只需要观察负载两端的电压即可，如下图所示。可以看到，负载两端的电压峰值由原来的200mV增加到了约250mV。
有人可能会在想：这个阻抗变换器似乎没啥大用，负载RL两端的电压也就增加了50mV，好像没有什么大区别丫？
NO!NO!NO!区别大大滴！
我们可以进一步观察信号源的输出电流。当信号源直接与负载连接时，信号源驱动的总阻抗为250Ω，其输出电流峰值为1V/250Ω=4mA。当我们使用4:1阻抗变换器后，信号源驱动的总阻抗为400Ω（信号源内阻与传输线变换后阻抗的串联），其输出电流峰值为1/400Ω=2.5mA。很明显，经过阻抗变换后，信号源输出的功率更小了，但是负载获得的功率反而更大了。
也就是说，如果需要负载获得相同的功率，“进行阻抗匹配后的方案”对信号源的功率要求更低了，或者说，信号源输出的功率能够更有效率地传递到负载。
当然，还有其他阻抗变换以及功率分配、合成相关的仿真案例，后续会在《电感：高级篇》中讨论（包括《电感：基础篇》中介绍的其他诸如振荡、滤波、匹配、谐振等等电路），因为《电感：基础篇》仅讨论核心内容，应用层面涉及的绝大多数电路都没有进行仿真，《电感：高级篇》才开始走《电容应用分析精粹》的路线，也就是结合大量丰富Multisim仿真案例进行详尽探讨，希望后续有机会再见~~
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