CN110739135B - 一种基于电感可调的变压器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于电感可调的变压器,包括初级电感和次级电感,所述初级电感和所述次级电感耦合连接,对应所述初级电感和所述次级电感分别设置有耦合电感,所述初级电感和所述次级电感分别与对应的耦合电感耦合连接,每个所述耦合电感均对应设置有可调电容,所述可调电容与所述耦合电感电连接。通过对初级电感和所述次级电感分别引入额外的耦合电感,并在耦合电感上串联设置可调电容,通过耦合电感和可调电容来改变整个电路的等效感值,通过改变变压器的等效电感,来改变变压器的端口阻抗,实现匹配电路的调谐和优化。而且可调电容没有直接加在变压器的初级和次级电感上,因此可调电容的开关带来的损耗比常规的电路小。
Description
技术领域
本申请涉及变压器技术领域,具体涉及一种基于电感可调的变压器。
背景技术
片上变压器常用来在片上实现功率放大器的匹配电路,尺寸相对片上电感电容的匹配来说较小;同时片上常用差分电路来有效抑制二次谐波,而变压器可以将功率放大器输出的差分信号转换为单端信号,片上变压器多由互相耦合的主圈和次圈两个电感构成。
在功率放大器的可重构匹配网络设计中,主要采用的是基于开关电容的技术方案。如图1所示,变压器由相互耦合的主圈电感和次圈电感构成,是片上无源匹配网络的常用电路。在该电路中通过调节开关电容的容值,来改变该网络的阻抗特性,实现匹配网络的可重构。
但是仅改变电容容值,匹配网络阻抗的可调谐范围较小,大多数情况下难以满足宽带功率放大器的设计需求。另外,开关电容中开关管会带来额外的能量损耗,开关电容阵列越大损耗越大,严重影响匹配网络的无源效率。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题,提出了如下技术方案:
第一方面,本申请实施例提供了一种基于电感可调的变压器,包括初级电感和次级电感,所述初级电感和所述次级电感耦合连接,对应所述初级电感和所述次级电感分别设置有耦合电感,所述初级电感和所述次级电感分别与对应的耦合电感耦合连接,每个所述耦合电感均对应设置有可调电容,所述可调电容与所述耦合电感电连接。
采用上述实现方式,通过对初级电感和所述次级电感分别引入额外的耦合电感,并在耦合电感上串联设置可调电容,通过耦合电感和可调电容来改变整个电路的等效感值,通过改变变压器的等效电感,来改变变压器的端口阻抗,实现匹配电路的调谐和优化。而且可调电容没有直接加在变压器的初级和次级电感上,因此可调电容的开关带来的损耗比常规的电路小。
结合第一方面,在第一方面第一种可能的实现方式中,所述初级电感和所述次级电感均设置有一组,所述初级电感与第一耦合电感耦合连接,所述初级电感的两端分别与第一差分端口的第一端和第二端电连接;所述次级电感与第二耦合电感耦合连接,所述次级电感的两端分别与第二差分端口的第一端和第二端电连接。
结合第一方面第一种可能的实现方式,在第一方面第二种可能的实现方式中,对应所述第一耦合电感设置第一可调电容,所述第一可调电容的两端分别与所述第一耦合电感的两端电连接;对应所述第二耦合电感设置第二可调电容,所述第二可调电容的两端分别与所述第二耦合电感的两端电连接。
结合第一方面第一种可能的实现方式,在第一方面第三种可能的实现方式中,对应所述第一耦合电感设置第三可调电容,所述第三可调电容的第一端与所述第一耦合电感的第一端电连接,所述第三可调电容的第二端和所述第一耦合电感的第二端接地;对应所述第二耦合电感设置第四可调电容,所述第四可调电容的第一端与所述第二耦合电感的第一端电连接,所述第四可调电容的第二端和所述第二耦合电感的第二端接地。
结合第一方面第一种可能的实现方式,在第一方面第四种可能的实现方式中,对应所述第一耦合电感设置第五可调电容和第六可调电容,所述第一耦合电感的两端分别与所述第五可调电容和第六可调电容的第一端电连接,所述第五可调电容和第六可调电容的第二端接地;对应所述第二耦合电感设置第七可调电容和第八可调电容,所述第二耦合电感的两端分别与所述第七可调电容和第八可调电容的第一端电连接,所述第七可调电容和第八可调电容的第二端接地。
结合第一方面,在第一方面第五种可能的实现方式中,所述初级电感包括第一初级电感和第二初级电感,所述第一初级电感两端分别与第三差分端口的第一端和第二端电连接,所述第二初级电感两端分别与第四差分端口的第一端和第二端电连接;所述次级电感包括第一次级电感和第二次级电感,所述第一次级电感的第一端与所述第二次级电感的第一端电连接,所述第一次级电感的第二端和所述第二次级电感的第二端分别与第五差分端口的第一端和第二端电连接。
结合第一方面第五种可能的实现方式,在第一方面第六种可能的实现方式中,对应所述第一初级电感和第二初级电感设置有第三耦合电感和第四耦合电感,所述第三耦合电感与所述第一初级电感耦合连接,所述第四耦合电感与所述第二初级电感耦合连接,所述第三耦合电感的两端与第九可调电容电连接,所述第四耦合电感的两端与第十可调电容电连接;对应所述第一次级电感和第二次级电感设置有第五耦合电感和第六耦合电感,所述第五耦合电感与所述第一次级电感耦合连接,所述第六耦合电感与所述第二次级电感耦合连接,所述第五耦合电感的第一端与所述第六耦合电感的第一端电连接,所述第五耦合电感的第二端与第十一可调电容的第一端电连接,所述第十一可调电容的第二端接地,所述第六耦合电感的第二端与第十二可调电容的第一端电连接,所述第十二可调电容的第二端接地。
结合第一方面,在第一方面第七种可能的实现方式中,所述初级电感包括第三初级电感、第四初级电感、第五初级电感和第六初级电感,所述第三初级电感的第一端与所述第四初级电感的第一端电连接,所述第三初级电感的第二端与第六差分端口的第一端电连接,所述第四初级电感的第二端与第七差分端口的第一端电连接;所述第五初级电感的第一端与所述第六初级电感的第一端电连接,所述第五初级电感的第二端与所述第六差分端口的第二端电连接,所述第六初级电感的第二端与所述第七差分端口的第二端电连接;所述次级电感包括第三次级电感、第四次级电感、第五次级电感和第六次级电感,所述第三次级电感的第一端与第八差分端口的第一端电连接,所述第四次级电感的第一端与第八差分端口的第二端电连接,所述第三次级电感的第二端与所述第五次级电感的第一端电连接,所述第四次级电感的第二端与所述第六次级电感的第一端电连接,所述第五次级电感的第二端与所述第六次级电感的第二端电连接。
结合第一方面第七种可能的实现方式,在第一方面第八种可能的实现方式中,对应所述第三初级电感、第四初级电感、第五初级电感和第六初级电感分别设置有第七耦合电感、第八耦合电感、第九耦合电感和第十耦合电感,所述第七耦合电感与所述第三初级电感耦合连接,所述第八耦合电感与所述第四初级电感耦合连接,所述第九耦合电感与所述第五初级电感耦合连接,所述第十耦合电感与所述第六初级电感耦合连接;所述第七耦合电感的第一端与第十三可调电容的第一端电连接,所述第八耦合电感第一端与第十四可调电容的第一端电连接,所述第十三可调电容的第二端和所述第十四可调电容的第二端接地;所述第九耦合电感的第一端与第十五可调电容的第一端电连接,所述第十耦合电感第一端与第十六可调电容的第一端电连接,所述第十五可调电容的第二端和所述第十六可调电容的第二端接地。
结合第一方面第八种可能的实现方式,在第一方面第九种可能的实现方式中,对应所述第三次级电感、第四次级电感、第五次级电感和第六次级电感分别设置有第十一耦合电感、第十二耦合电感、第十三耦合电感和第十四耦合电感,所述第十一耦合电感与所述第三次级电感耦合连接,所述第十二耦合电感与所述第四次级电感耦合连接,所述第十三耦合电感与所述第五次级电感耦合连接,所述第十四耦合电感与所述第六次级电感耦合连接;所述第十一耦合电感的第一端与所述第十二耦合电感的第一端电连接,所述第十一耦合电感的第二端与所述第十三耦合电感的第一端电连接,所述第十二耦合电感的第二端与所述第十四耦合电感的第一端电连接,所述第十三耦合电感的第二端和所述第十四耦合电感的第二端分别与第十十七可调电容的两端电连接。
附图说明
图1为传统技术中基于可调电容的变压器的示意图;
图2为本申请实施例提供的电感可调的原理电路图;
图3为本申请实施例提供的一种双端口电感可调变压器的示意图;
图4为本申请实施例提供的另一种双端口电感可调变压器的示意图;
图5为本申请实施例提供的又一种双端口电感可调变压器的示意图;
图6为本申请实施例提供的双端口电感可调变压器的等效变压器的示意图;
图7为本申请实施例提供的一种基于常规电压合成的电感可调变压器的示意图;
图8为本申请实施例提供的基于常规电压合成的电感可调变压器的等效变压器示意图;
图9为本申请实施例提供的一种四合一电压合成电感可调变压器的示意图;
图10为本申请实施例提供的四合一电压合成电感可调变压器的等效变压器示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。
本申请实施例中电感可调的基本原理如图2所示,图2列举了一个电感Ls可调的基本电路原理示意图。电感感值为Ls,用来调谐该电感感值的耦合电感为Lt,这两个电感之间的耦合系数为kst。最终,该网络的等效电感Lse可用如下公式表示:
该公式中ω为频率,可以看到通过改变电容Ct的值,可以改变整个电感的等效电感值。
基于上述电感可调的原理,本申请实施例中基于电感可调的变压器,包括初级电感Lp和次级电感Ls,所述初级电感Lp和所述次级电感Ls耦合连接,对应所述初级电感Lp和所述次级电感Ls分别设置有耦合电感,所述初级电感Lp和所述次级电感Ls分别与对应的耦合电感耦合连接,每个所述耦合电感均对应设置有可调电容,所述可调电容与所述耦合电感电连接。
如图3-5为本申请实施例提供的三种双端口电感可调变压器,图3-5中的双端口电感可调变压器的初级电感Lp和所述次级电感Ls均设置有一组,所述初级电感Lp与第一耦合电感Ltp1耦合连接,所述初级电感Lp的两端分别与第一差分端口P1的第一端和第二端电连接;所述次级电感Ls与第二耦合电感Lts1耦合连接,所述次级电感Ls的两端分别与第二差分端口P2的第一端和第二端电连接。
进一步地,参见图3,图3提供的双端口电感可调变压器中对应所述第一耦合电感Ltp1设置第一可调电容C1,所述第一可调电容C1的两端分别与所述第一耦合电感Ltp1的两端电连接;对应所述第二耦合电感Lts1设置第二可调电容C2,所述第二可调电容C2的两端分别与所述第二耦合电感Lts1的两端电连接。
与图3不同的,图4提供的双端口电感可调变压器中对应所述第一耦合电感Ltp1设置第三可调电容C3,所述第三可调电容C3的第一端与所述第一耦合电感Ltp1的第一端电连接,所述第三可调电容C3的第二端和所述第一耦合电感Ltp1的第二端接地;对应所述第二耦合电感Lts1设置第四可调电容C4,所述第四可调电容C4的第一端与所述第二耦合电感Lts1的第一端电连接,所述第四可调电容C4的第二端和所述第二耦合电感Lts1的第二端接地。
与上述两种双端口电感可调变压器不同的,图5提供的双端口电感可调变压器对应所述第一耦合电感Ltp1设置第五可调电容C5和第六可调电容C6,所述第一耦合电感Ltp1的两端分别与所述第五可调电容C5和第六可调电容C6的第一端电连接,所述第五可调电容C5和第六可调电容C6的第二端接地;对应所述第二耦合电感Lts1设置第七可调电容C7和第八可调电容C8,所述第二耦合电感Lts1的两端分别与所述第七可调电容C7和第八可调电容C8的第一端电连接,所述第七可调电容C7和第八可调电容C8的第二端接地。
上述三种双端口电感可调变压器中第一差分口P1的两端为“P1+、P1-”,第二差分口P2的两端为“P2+、P2-”。如图6所示,上述三种二端口网络可以最终等效成一个常规变压器模型。
通过调节可调电容的容值,可以改变变压器初级或者次级线圈的感值,电容值越大变压器感值变化越大。而改变主圈/次圈的感值比,可以调整变压器的阻抗变比,有利于宽带匹配电路的设计。
图7提供了一种基于常规电压合成的电感可调变压器,参见图7,所述初级电感包括第一初级电感Lp1和第一初级电感Lp2,所述第一初级电感Lp1两端分别与第三差分端口P3的第一端和第二端电连接,所述第一初级电感Lp2两端分别与第四差分端口P4的第一端和第二端电连接。
所述次级电感包括第一次级电感Ls1和第二次级电感Ls2,所述第一次级电感Ls1的第一端与所述第二次级电感Ls2的第一端电连接,所述第一次级电感Ls1的第二端和所述第二次级电感Ls2的第二端分别与第五差分端口P5的第一端和第二端电连接。
对应所述第一初级电感Lp1和第一初级电感Lp2设置有第三耦合电感Ltp2和第四耦合电感Ltp3,所述第三耦合电感Ltp2与所述第一初级电感Lp1耦合连接,所述第四耦合电感Ltp3与所述第一初级电感Lp2耦合连接,所述第三耦合电感Ltp2的两端与第九可调电容C9电连接,所述第四耦合电感Ltp3的两端与第十可调电容C10电连接。
对应所述第一次级电感Ls1和第二次级电感Ls2设置有第五耦合电感Lts2和第六耦合电感Lts3,所述第五耦合电感Lts2与所述第一次级电感Ls1耦合连接,所述第六耦合电感Lts3与所述第二次级电感Ls2耦合连接,所述第五耦合电感Lts2的第一端与所述第六耦合电感Lts3的第一端电连接,所述第五耦合电感Lts2的第二端与第十一可调电容C11的第一端电连接,所述第十一可调电容C11的第二端接地,所述第六耦合电感Lts3的第二端与第十二可调电容C12的第一端电连接,所述第十二可调电容C12的第二端接地。
第三差分端口P3的“P3+、P3-”端口和第四差分端口P4的“P4+、P4-”端口为两个输入端口,第五差分端口P5的“P5+、P5-”端口为输出端口。该合成变压器的作用是将第三差分端口P3和第四差分端口P4输入的信号进行电压合成后从端口第五差分端口P5输出。图7只列举了一种两输入一输出的电压合成的电感可调变压器实施例,同理可得到多输入一输出的其他电感可调变压器实施例。如图8所示,上述基于常规电压合成的电感可调变压器的等效变压器模型。通过引入电感可调,改变可调电容的容值,可以调谐变压器初级圈或次级圈的感值。
与上述提供的基于电感可调的变压器不同,图9提供了一种四合一电压合成电感可调变压器。参见图9,本实施例中的四合一电压合成电感可调变压器中所述初级电感包括第三初级电感Lp3、第四初级电感Lp4、第五初级电感Lp5和第六初级电感Lp6,所述第三初级电感Lp3的第一端与所述第四初级电感Lp4的第一端电连接,所述第三初级电感Lp3的第二端与第六差分端口P6的负端电连接,所述第四初级电感Lp4的第二端与第七差分端口P7的正端电连接;所述第五初级电感Lp5的第一端与所述第六初级电感Lp6的第一端电连接,所述第五初级电感Lp5的第二端与所述第六差分端口P6的正端电连接,所述第六初级电感Lp6的第二端与所述第七差分端口P7的负端电连接。
所述次级电感包括第三次级电感Ls3、第四次级电感Ls4、第五次级电感Ls5和第六次级电感Ls6,所述第三次级电感Ls3的第一端与第八差分端口P8的负端电连接,所述第四次级电感Ls4的第一端与第八差分端口P8的正端电连接,所述第三次级电感Ls3的第二端与所述第五次级电感Ls5的第一端电连接,所述第四次级电感Ls4的第二端与所述第六次级电感Ls6的第一端电连接,所述第五次级电感Ls5的第二端与所述第六次级电感Ls6的第二端电连接。
对应所述第三初级电感Lp3、第四初级电感Lp4、第五初级电感Lp5和第六初级电感Lp6分别设置有第七耦合电感Ltp4、第八耦合电感Ltp5、第九耦合电感Ltp6和第十耦合电感Ltp7,所述第七耦合电感Ltp4与所述第三初级电感Lp3耦合连接,所述第八耦合电感Ltp5与所述第四初级电感Lp4耦合连接,所述第九耦合电感Ltp6与所述第五初级电感Lp5耦合连接,所述第十耦合电感Ltp7与所述第六初级电感Lp6耦合连接;
所述第七耦合电感Ltp4的第一端与第十三可调电容C13的第一端电连接,所述第八耦合电感Ltp5第一端与第十四可调电容C14的第一端电连接,所述第十三可调电容C13的第二端和所述第十四可调电容C14的第二端接地;所述第九耦合电感Ltp6的第一端与第十五可调电容C15的第一端电连接,所述第十耦合电感Ltp7第一端与第十六可调电容C16的第一端电连接,所述第十五可调电容C15的第二端和所述第十六可调电容C16的第二端接地。
对应所述第三次级电感Ls3、第四次级电感Ls4、第五次级电感Ls5和第六次级电感Ls6分别设置有第十一耦合电感Lts4、第十二耦合电感Lts5、第十三耦合电感Lts6和第十四耦合电感Lts7,所述第十一耦合电感Lts4与所述第三次级电感Ls3耦合连接,所述第十二耦合电感Lts5与所述第四次级电感Ls4耦合连接,所述第十三耦合电感Lts6与所述第五次级电感Ls5耦合连接,所述第十四耦合电感Lts7与所述第六次级电感Ls6耦合连接;
所述第十一耦合电感Lts4的第一端与所述第十二耦合电感Lts5的第一端电连接,所述第十一耦合电感Lts4的第二端与所述第十三耦合电感Lts6的第一端电连接,所述第十二耦合电感Lts5的第二端与所述第十四耦合电感Lts7的第一端电连接,所述第十三耦合电感Lts6的第二端和所述第十四耦合电感Lts7的第二端分别与第十七可调电容17的两端电连接。
四合一电压合成变压器相对于传统的电压合成变压器,平衡性(对称性)更好,是一种常用的功率合成与匹配电路。第六差分端口P6“P6+、P6-”和第七差分端口P7“P7+、P7-”为两个同相位的输入端口,第八差分端口P8“P8+、P8-”为输出端口。图10为四合一电压合成电感可调变压器的等效变压器示意图,通过调节可调电容的容值,可以改变等效电感的感值,从而进一步改变变压器的初级次级扎数比。
由上述实施例可知,本申请实施例提供的基于电感可调的变压器,通过对初级电感和所述次级电感分别引入额外的耦合电感,并在耦合电感上串联设置可调电容,通过耦合电感和可调电容来改变整个电路的等效感值,通过改变变压器的等效电感,来改变变压器的端口阻抗,实现匹配电路的调谐和优化。而且可调电容没有直接加在变压器的初级和次级电感上,因此可调电容的开关带来的损耗比常规的电路小。
需要说明的是,在本文中,诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
当然,上述说明也并不仅限于上述举例,本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现,在此不再赘述;以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制,如来替代,本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨,也应属于本申请的权利要求保护范围。
Claims (4)
1.一种基于电感可调的变压器,包括初级电感和次级电感,所述初级电感和所述次级电感耦合连接,其特征在于,对应所述初级电感和所述次级电感分别设置有耦合电感,所述初级电感和所述次级电感分别与对应的耦合电感耦合连接,每个所述耦合电感均对应设置有可调电容,所述可调电容与所述耦合电感电连接;
所述初级电感包括第一初级电感和第二初级电感,所述第一初级电感两端分别与第三差分端口的第一端和第二端电连接,所述第二初级电感两端分别与第四差分端口的第一端和第二端电连接;所述次级电感包括第一次级电感和第二次级电感,所述第一次级电感的第一端与所述第二次级电感的第一端电连接,所述第一次级电感的第二端和所述第二次级电感的第二端分别与第五差分端口的第一端和第二端电连接;或者,
所述初级电感包括第三初级电感、第四初级电感、第五初级电感和第六初级电感,所述第三初级电感的第一端与所述第四初级电感的第一端电连接,所述第三初级电感的第二端与第六差分端口的第一端电连接,所述第四初级电感的第二端与第七差分端口的第一端电连接;所述第五初级电感的第一端与所述第六初级电感的第一端电连接,所述第五初级电感的第二端与所述第六差分端口的第二端电连接,所述第六初级电感的第二端与所述第七差分端口的第二端电连接;所述次级电感包括第三次级电感、第四次级电感、第五次级电感和第六次级电感,所述第三次级电感的第一端与第八差分端口的第一端电连接,所述第四次级电感的第一端与第八差分端口的第二端电连接,所述第三次级电感的第二端与所述第五次级电感的第一端电连接,所述第四次级电感的第二端与所述第六次级电感的第一端电连接,所述第五次级电感的第二端与所述第六次级电感的第二端电连接。
2.根据权利要求1所述的基于电感可调的变压器,其特征在于,对应所述第一初级电感和第二初级电感设置有第三耦合电感和第四耦合电感,所述第三耦合电感与所述第一初级电感耦合连接,所述第四耦合电感与所述第二初级电感耦合连接,所述第三耦合电感的两端与第九可调电容电连接,所述第四耦合电感的两端与第十可调电容电连接;
对应所述第一次级电感和第二次级电感设置有第五耦合电感和第六耦合电感,所述第五耦合电感与所述第一次级电感耦合连接,所述第六耦合电感与所述第二次级电感耦合连接,所述第五耦合电感的第一端与所述第六耦合电感的第一端电连接,所述第五耦合电感的第二端与第十一可调电容的第一端电连接,所述第十一可调电容的第二端接地,所述第六耦合电感的第二端与第十二可调电容的第一端电连接,所述第十二可调电容的第二端接地。
3.根据权利要求1所述的基于电感可调的变压器,其特征在于,对应所述第三初级电感、第四初级电感、第五初级电感和第六初级电感分别设置有第七耦合电感、第八耦合电感、第九耦合电感和第十耦合电感,所述第七耦合电感与所述第三初级电感耦合连接,所述第八耦合电感与所述第四初级电感耦合连接,所述第九耦合电感与所述第五初级电感耦合连接,所述第十耦合电感与所述第六初级电感耦合连接;
所述第七耦合电感的第一端与第十三可调电容的第一端电连接,所述第八耦合电感第一端与第十四可调电容的第一端电连接,所述第十三可调电容的第二端和所述第十四可调电容的第二端接地;所述第九耦合电感的第一端与第十五可调电容的第一端电连接,所述第十耦合电感第一端与第十六可调电容的第一端电连接,所述第十五可调电容的第二端和所述第十六可调电容的第二端接地。
4.根据权利要求2所述的基于电感可调的变压器,其特征在于,对应所述第三次级电感、第四次级电感、第五次级电感和第六次级电感分别设置有第十一耦合电感、第十二耦合电感、第十三耦合电感和第十四耦合电感,所述第十一耦合电感与所述第三次级电感耦合连接,所述第十二耦合电感与所述第四次级电感耦合连接,所述第十三耦合电感与所述第五次级电感耦合连接,所述第十四耦合电感与所述第六次级电感耦合连接;
所述第十一耦合电感的第一端与所述第十二耦合电感的第一端电连接,所述第十一耦合电感的第二端与所述第十三耦合电感的第一端电连接,所述第十二耦合电感的第二端与所述第十四耦合电感的第一端电连接,所述第十三耦合电感的第二端和所述第十四耦合电感的第二端分别与第十七可调电容的两端电连接。
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