巴倫基礎知識及實(shí)用性能參數
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平衡-不平衡轉換器（Balun）是一種在平衡信號和非平衡信號之間進(jìn)行轉換的設備，最初是用來(lái)驅動(dòng)電視傳輸系統中使用的差分天線(xiàn)的。此后，平衡-不平衡轉換器的應用范圍已擴展到包括平衡混頻器、放大器和所有類(lèi)型的信號線(xiàn)。盡管平衡-不平衡轉換器得到了廣泛的應用，但初學(xué)者可能會(huì )發(fā)現有關(guān)平衡-不平衡轉換器的可用信息是零碎和混亂的。本文旨在概述平衡-不平衡轉換器的工作原理，以及它們的一些最重要的性能參數和應用。
理想的平衡器
電信號傳輸總是需要兩個(gè)導體。單端（不平衡）系統在一個(gè)導體上傳輸信號，并將第二個(gè)導體用作地線(xiàn)。差分（平衡）系統使用兩個(gè)導體來(lái)傳輸相位相差180度的信號。
用于平衡和非平衡配置之間接口的組件稱(chēng)為平衡-不平衡轉換器（BALanced-to-UNbalanced的縮寫(xiě)）。平衡-不平衡轉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分為幅度相等但極性相反的兩個(gè)信號。圖片由Steve Arar提供
以下兩個(gè)方程可用于描述平衡-不平衡轉換器在其常規S參數方面的基本功能。首先，我們有：
方程式1
平衡-不平衡轉換器是互易裝置，這意味著(zhù)它們在兩個(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
請注意，S23（端口2和3之間的傳輸）沒(méi)有限制。換句話(huà)說(shuō)，構成平衡端口的兩個(gè)輸出可能具有隔離，也可能不具有隔離。
現在我們已經(jīng)熟悉了理想平衡-不平衡轉換器的特性，讓我們來(lái)看看該設備的一些最重要的性能參數。這些包括：
插入損耗
返回損失
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-不平衡轉換器的插入損耗也稱(chēng)為差模增益（Gdm）。對于傳統的S參數，該參數由下式給出：
方程式3
巴倫數據表將提供一個(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對頻率的曲線(xiàn)，如圖2所示，該圖轉載自Hyperlabs的HL9492巴倫數據表。
Hyperlabs平衡-不平衡轉換器的S21和S31與頻率的關(guān)系。
圖2:S21和S31與HL9492的頻率對比。圖像由Hyperlabs提供
由于輸入功率在兩個(gè)輸出之間平均分配，插入損耗理論上應為-3 dB。然而，任何現實(shí)世界的平衡-不平衡變壓器實(shí)現都將涉及損耗機制，這些機制會(huì )進(jìn)一步降低傳輸到平衡輸出的功率，導致插入損耗值比-3 dB更負。這種損耗的大小取決于平衡-不平衡變壓器設計的細節。
實(shí)現平衡不平衡轉換器的方法有很多種，這些方法都會(huì )影響頻率響應的整體形狀。例如，圖3顯示了由同軸電纜構成的傳輸線(xiàn)平衡不平衡轉換器的模擬頻率響應。在這種情況下，稱(chēng)為半波長(cháng)共振的現象設定了可用帶寬的上限。
同軸電纜傳輸線(xiàn)平衡不平衡轉換器中的半波長(cháng)諧振。
圖3.同軸電纜傳輸線(xiàn)平衡-不平衡轉換器中的半波長(cháng)諧振。圖片由Robert M. Smith提供
回波損耗
回波損耗是指入射信號從平衡-不平衡轉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
當插入損耗低而輸入回波損耗高時(shí)，該設備可以將輸入功率的較大部分傳輸到輸出。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，正如我們在圖1的討論中所做的那樣。如圖5所示，該模型允許我們適當地終止不平衡端口（端口1）并將差分信號應用于平衡端口。
為了模擬回波損耗，平衡-不平衡轉換器的端口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，差分信號應完全通過(guò)平衡-不平衡轉換器，導致回波損耗為-∞。但是，如上所述，實(shí)際的平衡-不平衡轉換器只反射入射信號的一小部分。圖6顯示了Macom MABA-011131平衡-不平衡轉換器的平衡輸出回波損耗。
Macom平衡-不平衡轉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大部分被吸收，但入射到平衡端口的共模信號大部分被反射。理想情況下，平衡端口對共模信號的回波損耗為0 dB。如圖7所示。
在理想的平衡-不平衡轉換器中，入射到平衡端口的大部分共模信號都會(huì )被反射。
圖7.入射到平衡端口的大部分共模信號被反射回去。圖片由Steve Arar提供
值得一提的是，實(shí)際的平衡-不平衡轉換器可能會(huì )表現出模式轉換。當向平衡端口施加差分信號時(shí)，我們可能會(huì )觀(guān)察到從設備反射出的小型共模信號。共模信號的應用也可能產(chǎn)生從設備反射回來(lái)的小型、模式轉換的差模信號。
這些模式轉換效應通常被認為是可以忽略的，因此大多數數據表中都沒(méi)有包含有關(guān)它們的詳細信息。例如，我們上面看到的MABA-011131平衡-不平衡轉換器的數據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衡量平衡-不平衡轉換器將單端信號轉換為差分信號或反之的效果。它們可能是平衡-不平衡轉換器最重要的性能參數，值得我們在這篇文章中花更多時(shí)間進(jìn)行更詳細的解釋。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（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計和制造，總會(huì )出現一些失配。
同樣，雖然輸出信號在理想情況下應該彼此相位相差180度，但由于實(shí)際平衡變壓器的缺陷，總會(huì )出現一些偏差。相位角與理想180度的偏差稱(chēng)為相位不平衡。
低性能平衡-不平衡轉換器通常具有±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。由于該設備是互易的，這也意味著(zhù)功率可以從不平衡端口散射到平衡輸出端。我們可以通過(guò)以下方程來(lái)計算平衡-不平衡變壓器的共模增益，從而量化這種效應：
方程式4
從低頻模擬設計改編而來(lái)的共模抑制比（CMRR）的概念現在可以應用。 CMRR表征了器件在產(chǎn)生所需差分信號的同時(shí)衰減共模信號的能力。方程3和4得出：
方程式5
讓我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)鞏固這些概念。
計算平衡-不平衡變換器的 CMRR
假設在給定頻率下，平衡-不平衡轉換器的傳統S參數的傳輸特性為S21 = 0.66 ∠ 0度，S31 = 0.75 ∠ –170度。讓我們計算一下這個(gè)平衡-不平衡轉換器的差模增益、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參數可以看出，該設備與理想的180度相位角有10度的偏差，這導致了相位不平衡。將這些S參數轉換為分貝值，我們看到|S21| = –3.61 dB和|S31|= –2.5 dB。這些值對應于1.11 dB的幅度不平衡。
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