Balun变换器基础知识

巴伦有着悠久而辉煌的历史，1939年，作为一种为帝国大厦1的电视发射天线供电的装置，首次在文献中被记载。从那时起，设计就有了巨大的发展，应用也从驱动差分天线发展到包括平衡混频器、放大器和所有类型的信号线。balun长期以来在低频音频、视频和天线驱动应用中无处不在。对高速、低噪声数据传输的需求推动了巴伦向更高频率和卓越性能的发展。 尽管有了这些进步，关于巴伦人的信息仍然是分散和混乱的；本申请说明旨在通过澄清巴伦的基本特征来解决此问题。首先，我们将定义巴伦是什么，它做什么，以及它与其他组件的区别。接下来，我们将定义通用balun规范，然后使用该规范讨论不同类型的balun及其属性。最后，我们将讨论balun的应用，以及如何确定不同用途所需的balun类型。

Balun是具有匹配输入和差分输出的任意三端口设备。用所需（理想）S参数最简洁地描述：

请注意这意味着什么： •巴伦是一种三端口功率分配器，类似于威尔金森或电阻功率分配器。 •两个输出将相等且相反。 -在频域中，这意味着输出具有180°相移。 -在时域中，这意味着一个平衡输出的电压是另一个平衡输出的负电压。 •不平衡输入与输入传输线阻抗匹配（通常为50Ω）。 •与隔离器或环行器不同，巴伦是一种可双向使用的器件。

 还请注意，这并不意味着： •两个输出不一定匹配。 •balun的输出可能与输入阻抗相同，也可能与输入阻抗不同。 •S23上没有限制，因此输出可能有也可能没有隔离。 •因此，差模和共模信号的输出上可能存在不同的回波损耗。

Balun变换器是平衡和不平衡的组合，表示Balun将在平衡（也称为“差分”）传输线（传输线中都有反向电流）和不平衡（也称为“单端”）传输线（返回电流在地中传输）之间转换。然而，这种描述掩盖了Balun的简单性。Balun具有与威尔金森功分器、电阻功分器或正交混合耦合器相同的功率输出。然而，Balun的输出之间有180°相位差，而功率分配器有0°相位差，正交混合耦合器有90°相位差。

在低频时，Balun和变压器通常互换使用，因为低频巴伦几乎总是使用磁通耦合变压器实现。出于这个原因，我们常说Balun变换器是一种变压器，但更准确的说法是，有时可以使用变压器来实现Balun变换器。许多其他结构形式也可用于实现Balun变换的功能，我们将在第四节中讨论。在讨论不同类型巴伦结构的优点之前，我们需要了解哪些性能指标对巴伦很重要。

频率范围：与所有射频/微波电路一样，每个性能指标仅在某些特定带宽上有效。在不牺牲性能的情况下，将带宽从octave, to decade, to multi-decade（octave指两个freq之间log2(f2/f1)的值，decade指两个freq之间log10(f2/f1)的值）是一项重大挑战。一般来说，Marki的巴伦可以分为两种类型。具有磁耦合的器件性能低于10 MHz，而仅具有电容耦合的器件的低端性能限制在1 GHz左右，但可在毫米波频率下工作。

相位平衡：最重要的性能标准是平衡输出与具有相等功率和180°相位的接近程度，称为平衡。相位平衡是衡量反转输出与非反转输出180°异相的程度，通常以度为单位。它是许多巴伦应用中最关键的参数。除了巴伦结构的质量外，输出线长度的匹配程度也决定了平衡。标准微波巴伦的典型相位平衡为±15°最大值和±10°典型值，而高性能Marki巴伦接近±5°最大值和±2°典型值

振幅平衡：与相位平衡相关，振幅平衡也由结构和线路匹配确定。虽然它被称为振幅平衡，但它通常以dB为单位，实际上给出了输出功率大小之间的匹配。低性能平衡-不平衡转换器的最大振幅为±1.5 dB，典型振幅为±1 dB，而Marki产品的最大振幅接近±0.5 dB，典型振幅接近±0.2 dB。

共模抑制比：如果将两个相位相同的相同信号注入Balun的平衡端口（称为“共模”或“偶模”信号），它们将被反射或吸收。该信号从平衡端口到非平衡端口的衰减量称为共模抑制比（CMRR），用dB表示。它由两个信号的矢量相加决定，因此取决于Balun的振幅和相位平衡。振幅平衡、相位平衡和共模抑制比之间的关系如图2所示。根据经验，振幅平衡改善0.1 dB对共模抑制比的改善幅度与相位平衡改善1°相同。低性能巴伦的共模抑制比为15-20 dB，而Marki巴伦的共模抑制比为25-55 dB。

阻抗比/匝数比：当Balun的不平衡阻抗与输入传输线匹配时，平衡阻抗可以是任何值。不平衡阻抗与平衡阻抗之比为阻抗比，通常表示为1:n（即1:1、1:2、1:4）。请注意，差分阻抗位于平衡信号线之间。这是信号和接地之间阻抗的两倍。一个相关值是匝数比，对于磁通耦合巴伦变压器，该值是初级绕组与次级绕组的比率。阻抗比是匝数比的平方（即1:2匝数比产生1:4阻抗比）。更高的输出阻抗将在降低的电流下提供更高的电压，这对于匹配到高阻抗半导体器件是可取的。使用磁通耦合变压器设计高阻抗比Balun很容易，但对于传输线变压器和其他高频结构来说要困难得多。

插入和回波损耗：较低的插入损耗和较高的回波损耗将意味着后级电路可用的功率更大，动态范围得到改善，系统前级的信号失真更小。在无隔离的巴伦中，如在大功率功分器中，对于共模和差模信号，平衡端口的回波损耗将不同。在没有隔离的理想Balun中，共模信号将得到完美反射，回波损耗为0 dB，而差分信号将完全通过，回波损耗为. 为了正确地描述这种效应，可以使用混合模式S参数而不是标准S参数来确定设备如何使用差分输入工作。

平衡端口隔离：通常简称为隔离，其含义与其他功分器和耦合器中的含义相同，即从一个平衡端口到另一个平衡端口的插入损耗，单位为dB。大多数巴伦不提供高隔离，因为偶数模式被反射，而不是用电阻负载正确端接。例外情况是180°混合电路，其中偶数模式输出到可电阻端接的端口。

直流/接地隔离：与平衡端口隔离不同，直流隔离是指不平衡端口是否与其中一个平衡端口有直流连接。接地隔离是指不平衡接地与平衡信号或接地之间是否存在连接。

群延迟平坦度：对于数据传输应用，平坦的群延迟将确保最小的失真量。群延迟平坦度是频率间平均延迟的差值。通过直接在VNA上测量或检查输入振幅偏移键控信号的输出眼图，可以最容易地评估该参数。不必要的群延迟波动与较差的宽带匹配有关。具有较高回波损耗的巴伦具有较高的群延迟平坦度

从体量上来看，最常见的巴伦类型是磁通耦合巴伦变压器。这是一种Balun变压器，通过将两根单独的导线绕在磁芯（与任何变压器相同）上，并将一次绕组的一侧接地而形成。这会在一次侧造成不平衡状态，在二次侧造成平衡状态。此外，二次侧的匝数与一次侧的匝数之比可以是任意的，从而产生任意的阻抗比（变压器的理论在许多介绍性电气工程文本中都有解释）。

磁通耦合巴伦变压器将在二次侧产生n倍于一次侧电压的交流电压，而电流将比一次侧小n倍，产生如上所述的n2输出阻抗，其中n是二次侧匝数与一次侧匝数之比。通常用于平衡-不平衡变压器的电路符号如图4所示。电路图通常使用点约定来指示哪一侧对应于输入极性。线绕磁通耦合变压器通常在二次绕组中有一个中心抽头。在次级绕组的中间存在虚拟接地，并且将该点连接到二次系统的接地可以改善输出平衡。

 理想情况下，只要需要balun功能，就可以使用磁通耦合变压器。众所周知，其结构相对简单，可提供任意阻抗比，易于调谐，并提供直流和接地隔离。不幸的是，它们通常限于低于1GHz的频率。在更高的频率下，磁性材料中的偶极子无法足够快地切换，巴伦失去耦合。导线之间的寄生电容会导致高频信号直接传输到地面，而不会通过磁性材料进行耦合。磁性材料也总是具有较大的损耗角正切，导致微波频率下的高信号损耗。

由于这些困难，电容耦合传输线巴伦被开发出来。这是一组一端接地的耦合线，这样耦合将在两条线中产生相等和相反的信号。将接地转换为传输线可使信号得到不同的使用。这可以通过多种方式实现，最常用的方法是将双线传输线缠绕在磁芯上，以利用低频磁耦合和高频电容耦合（图3c）。这个基本结构可以用许多不同的方式连接起来；更常见的形式包括1:4阻抗比的Ruthroff巴伦和1:4的Guonella巴伦。

该功能还可以通过微带传输线来执行，其中接地层简单地逐渐变细为底部传输线。这种结构称为锥形巴伦（也称为微带到平衡带状线巴伦，图6），具有高频操作的优点，但缺点是没有低频能力和难以实现的几何结构。反过来，锥形巴伦与其他类型的耦合线巴伦非常相似，例如Marchand巴伦（图7）、共面波导巴伦、同轴巴伦、平面变压器（螺旋）巴伦以及许多其他类型的耦合线电路，这些类型的耦合线电路可以用作巴伦，这里将不进行讨论。

 这些类型的BALUN都基于传输线的四分之一波长部分，这意味着它们需要更长（和更高的损耗）才能在更低的频率下工作。这将实际的低端频带限制在500 MHz到1 GHz左右。在低介电基板上，零件将更大（通常损耗更低），而在高介电基板上，零件将更小（损耗更高）。例如，2.2介质衬底上1 GHz处的四分之一波长部分将为2.15英寸长，因此Marchand巴伦的最小长度将为4.3英寸长。相反，在10千兆赫时，相同的巴伦长度为0.430英寸，并且易于使用标准制造方法打印。

前面提到的所有平衡-不平衡变换器都属于一种类型，其中使用某种耦合使不平衡传输线的地面浮动，从而形成平衡传输线。另一种类型的巴伦是先进行同相功率分配，然后对其中一个输出施加180°相移，从而产生平衡输出。不要将该结构与180°功分器混淆，下文将对其进行讨论。该相移可以是窄带的，例如半波传输线，或者是宽带相移，例如反相器（图8）。该技术通常用于创建用于测试和测量的更高频率巴伦。半波巴伦使用四分之一波变压器的阶梯与半波传输部分相结合来扩展简单单频巴伦的带宽。另一种方法是在一个臂上使用90°相移的耦合器，在另一个臂上使用-90°相移的耦合器。这些巴伦可以实现多倍频程带宽，如果他们使用交指兰格耦合器。

 最后一种类型的平衡-不平衡变换器是180°功分器，它是一种在输出之间具有隔离的平衡-不平衡变换器。这些是使用180°混合接头实现的（图9）。它们在功能上类似于90°混合耦合器，但它们在非隔离端口之间的相移为180°。它们的特性是，从两个输入中，共模或偶数模将从一个端口（∑或和端口）输出，而差模或奇数模将出现在不同的端口（∑或差端口）。通过用50Ω负载端接和端口，180°混合耦合器可制成180°功分器。这些类型的电路与电容耦合巴伦具有相同的四分之一波长长度要求。180°混合耦合器的常见示例包括鼠笼耦合器、不对称锥形耦合线耦合器和magic-T（图10）。有趣的是，威尔金森功分器实际上是一种180°混合型，其和端口端接一个集总电阻器，称为隔离电阻器。