巴倫基礎(chǔ)知識(shí)及實(shí)用性能參數(shù)

了解巴倫，一種用于混音器、放大器和信號(hào)傳輸?shù)奶厥?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/變壓器">變壓器。

平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器（Balun）是一種在平衡信號(hào)和非平衡信號(hào)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的設(shè)備，最初是用來驅(qū)動(dòng)電視傳輸系統(tǒng)中使用的差分天線的。此后，平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到包括平衡混頻器、放大器和所有類型的信號(hào)線。盡管平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器得到了廣泛的應(yīng)用，但初學(xué)者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)有關(guān)平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的可用信息是零碎和混亂的。本文旨在概述平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的工作原理，以及它們的一些最重要的性能參數(shù)和應(yīng)用。

理想的平衡器

電信號(hào)傳輸總是需要兩個(gè)導(dǎo)體。單端（不平衡）系統(tǒng)在一個(gè)導(dǎo)體上傳輸信號(hào)，并將第二個(gè)導(dǎo)體用作地線。差分（平衡）系統(tǒng)使用兩個(gè)導(dǎo)體來傳輸相位相差180度的信號(hào)。

用于平衡和非平衡配置之間接口的組件稱為平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器（BALanced-to-UNbalanced的縮寫）。平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器用作功率分配器，產(chǎn)生幅度相等但相位相差180度的兩個(gè)輸出。

平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器是一種三端口器件。一個(gè)端口是不平衡的，而其他兩個(gè)端口共同形成一個(gè)單一的平衡端口。圖1顯示了理想平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的典型輸入和輸出波形，其中端口1是不平衡端口，端口2和3構(gòu)成平衡端口。

一個(gè)理想的平衡器

圖1.理想的平衡-不平衡變壓器將輸入信號(hào)分為幅度相等但極性相反的兩個(gè)信號(hào)。圖片由Steve Arar提供

以下兩個(gè)方程可用于描述平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器在其常規(guī)S參數(shù)方面的基本功能。首先，我們有：

方程式1

平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器是互易裝置，這意味著它們?cè)趦蓚€(gè)方向上具有相同的傳輸特性。因此，除了方程1，我們還有：

方程式2

請(qǐng)注意，S23（端口2和3之間的傳輸）沒有限制。換句話說，構(gòu)成平衡端口的兩個(gè)輸出可能具有隔離，也可能不具有隔離。

現(xiàn)在我們已經(jīng)熟悉了理想平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的特性，讓我們來看看該設(shè)備的一些最重要的性能參數(shù)。這些包括：

插入損耗

返回?fù)p失

振幅不平衡

相位不平衡

共模增益。

共模抑制比

插入損耗

平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的插入損耗也稱為差模增益（Gdm）。對(duì)于傳統(tǒng)的S參數(shù)，該參數(shù)由下式給出：

方程式3

巴倫數(shù)據(jù)表將提供一個(gè)或多個(gè)特定頻率下的單端插入損耗值。它們可能還包括S21和S31對(duì)頻率的曲線，如圖2所示，該圖轉(zhuǎn)載自Hyperlabs的HL9492巴倫數(shù)據(jù)表。

Hyperlabs平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的S21和S31與頻率的關(guān)系。

圖2:S21和S31與HL9492的頻率對(duì)比。圖像由Hyperlabs提供

由于輸入功率在兩個(gè)輸出之間平均分配，插入損耗理論上應(yīng)為-3 dB。然而，任何現(xiàn)實(shí)世界的平衡-不平衡變壓器實(shí)現(xiàn)都將涉及損耗機(jī)制，這些機(jī)制會(huì)進(jìn)一步降低傳輸?shù)狡胶廨敵龅墓β?，?dǎo)致插入損耗值比-3 dB更負(fù)。這種損耗的大小取決于平衡-不平衡變壓器設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。

實(shí)現(xiàn)平衡不平衡轉(zhuǎn)換器的方法有很多種，這些方法都會(huì)影響頻率響應(yīng)的整體形狀。例如，圖3顯示了由同軸電纜構(gòu)成的傳輸線平衡不平衡轉(zhuǎn)換器的模擬頻率響應(yīng)。在這種情況下，稱為半波長(zhǎng)共振的現(xiàn)象設(shè)定了可用帶寬的上限。

同軸電纜傳輸線平衡不平衡轉(zhuǎn)換器中的半波長(zhǎng)諧振。

圖3.同軸電纜傳輸線平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器中的半波長(zhǎng)諧振。圖片由Robert M. Smith提供

回波損耗

回波損耗是指入射信號(hào)從平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的端口反射或返回時(shí)所經(jīng)歷的損耗。圖4顯示了HL9492的單端回波損耗。

Hyperlabs平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的單端回波損耗與頻率的關(guān)系。

圖4. HL9492的單端回波損耗與頻率的關(guān)系。圖像由Hyperlabs提供

當(dāng)插入損耗低而輸入回波損耗高時(shí)，該設(shè)備可以將輸入功率的較大部分傳輸?shù)捷敵?。這為我們提供了更大的動(dòng)態(tài)范圍。

在圖4中，端口2和3的回波損耗被單獨(dú)表征。我們也可以將端口2和3有效地表征為單個(gè)平衡端口，正如我們?cè)趫D1的討論中所做的那樣。如圖5所示，該模型允許我們適當(dāng)?shù)亟K止不平衡端口（端口1）并將差分信號(hào)應(yīng)用于平衡端口。

為了模擬回波損耗，平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的端口2和端口3被視為一個(gè)單一的平衡端口。

圖5.將端口2和3的回波損耗表征為單一的平衡端口。圖片由Steve Arar提供

理想情況下，差分信號(hào)應(yīng)完全通過平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，導(dǎo)致回波損耗為-∞。但是，如上所述，實(shí)際的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器只反射入射信號(hào)的一小部分。圖6顯示了Macom MABA-011131平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的平衡輸出回波損耗。

Macom平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的平衡輸出回波損耗。

圖6. MABA-011131的平衡輸出回波損耗。圖片由Macom提供

入射到平衡端口的平衡信號(hào)大部分被吸收，但入射到平衡端口的共模信號(hào)大部分被反射。理想情況下，平衡端口對(duì)共模信號(hào)的回波損耗為0 dB。如圖7所示。

在理想的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器中，入射到平衡端口的大部分共模信號(hào)都會(huì)被反射。

圖7.入射到平衡端口的大部分共模信號(hào)被反射回去。圖片由Steve Arar提供

值得一提的是，實(shí)際的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器可能會(huì)表現(xiàn)出模式轉(zhuǎn)換。當(dāng)向平衡端口施加差分信號(hào)時(shí)，我們可能會(huì)觀察到從設(shè)備反射出的小型共模信號(hào)。共模信號(hào)的應(yīng)用也可能產(chǎn)生從設(shè)備反射回來的小型、模式轉(zhuǎn)換的差模信號(hào)。

這些模式轉(zhuǎn)換效應(yīng)通常被認(rèn)為是可以忽略的，因此大多數(shù)數(shù)據(jù)表中都沒有包含有關(guān)它們的詳細(xì)信息。例如，我們上面看到的MABA-011131平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)表只提供了平衡端口的平衡插入損耗。

振幅和相位不平衡

振幅和相位不平衡參數(shù)衡量平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)或反之的效果。它們可能是平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器最重要的性能參數(shù)，值得我們?cè)谶@篇文章中花更多時(shí)間進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。目前，我們將簡(jiǎn)要介紹。

幅度平衡表征了平衡端口功率幅度的匹配。幅度不平衡等于兩個(gè)插入損耗項(xiàng)（S21和S31）之間的幅度差。理想情況下，兩個(gè)端口的輸出功率應(yīng)相等，從而使幅度不平衡為零。然而，實(shí)際上，由于平衡變壓器的設(shè)計(jì)和制造，總會(huì)出現(xiàn)一些失配。

同樣，雖然輸出信號(hào)在理想情況下應(yīng)該彼此相位相差180度，但由于實(shí)際平衡變壓器的缺陷，總會(huì)出現(xiàn)一些偏差。相位角與理想180度的偏差稱為相位不平衡。

低性能平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器通常具有±1 dB的幅度不平衡和±10度的相位不平衡。然而，高性能平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的幅度和相位不平衡值分別小至±0.2 dB和±2度。

共模增益和抑制比

如上所述，入射到平衡端口的共模信號(hào)在理想情況下會(huì)被完全反射。在實(shí)踐中，一些輸入共模功率被吸收，在單端輸出端產(chǎn)生不想要的信號(hào)。由于該設(shè)備是互易的，這也意味著功率可以從不平衡端口散射到平衡輸出端。我們可以通過以下方程來計(jì)算平衡-不平衡變壓器的共模增益，從而量化這種效應(yīng)：

方程式4

從低頻模擬設(shè)計(jì)改編而來的共模抑制比（CMRR）的概念現(xiàn)在可以應(yīng)用。 CMRR表征了器件在產(chǎn)生所需差分信號(hào)的同時(shí)衰減共模信號(hào)的能力。方程3和4得出：

方程式5

讓我們通過一個(gè)例子來鞏固這些概念。

計(jì)算平衡-不平衡變換器的 CMRR

假設(shè)在給定頻率下，平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)S參數(shù)的傳輸特性為S21 = 0.66 ∠ 0度，S31 = 0.75 ∠ –170度。讓我們計(jì)算一下這個(gè)平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的差模增益、共模增益和共模抑制比。

首先，我們將找到相位不平衡和幅度不平衡。從上面的S參數(shù)可以看出，該設(shè)備與理想的180度相位角有10度的偏差，這導(dǎo)致了相位不平衡。將這些S參數(shù)轉(zhuǎn)換為分貝值，我們看到|S21| = –3.61 dB和|S31|= –2.5 dB。這些值對(duì)應(yīng)于1.11 dB的幅度不平衡。