巴伦基础知识及实用性能参数

了解巴伦，一种用于混音器、放大器和信号传输的特殊变压器。

平衡-不平衡转换器（Balun）是一种在平衡信号和非平衡信号之间进行转换的设备，最初是用来驱动电视传输系统中使用的差分天线的。此后，平衡-不平衡转换器的应用范围已扩展到包括平衡混频器、放大器和所有类型的信号线。尽管平衡-不平衡转换器得到了广泛的应用，但初学者可能会发现有关平衡-不平衡转换器的可用信息是零碎和混乱的。本文旨在概述平衡-不平衡转换器的工作原理，以及它们的一些最重要的性能参数和应用。

理想的平衡器

电信号传输总是需要两个导体。单端（不平衡）系统在一个导体上传输信号，并将第二个导体用作地线。差分（平衡）系统使用两个导体来传输相位相差180度的信号。

用于平衡和非平衡配置之间接口的组件称为平衡-不平衡转换器（BALanced-to-UNbalanced的缩写）。平衡-不平衡转换器用作功率分配器，产生幅度相等但相位相差180度的两个输出。

平衡-不平衡转换器是一种三端口器件。一个端口是不平衡的，而其他两个端口共同形成一个单一的平衡端口。图1显示了理想平衡-不平衡转换器的典型输入和输出波形，其中端口1是不平衡端口，端口2和3构成平衡端口。

一个理想的平衡器

图1.理想的平衡-不平衡变压器将输入信号分为幅度相等但极性相反的两个信号。图片由Steve Arar提供

以下两个方程可用于描述平衡-不平衡转换器在其常规S参数方面的基本功能。首先，我们有：

方程式1

平衡-不平衡转换器是互易装置，这意味着它们在两个方向上具有相同的传输特性。因此，除了方程1，我们还有：

方程式2

请注意，S23（端口2和3之间的传输）没有限制。换句话说，构成平衡端口的两个输出可能具有隔离，也可能不具有隔离。

现在我们已经熟悉了理想平衡-不平衡转换器的特性，让我们来看看该设备的一些最重要的性能参数。这些包括：

插入损耗

返回损失

振幅不平衡

相位不平衡

共模增益。

共模抑制比

插入损耗

平衡-不平衡转换器的插入损耗也称为差模增益（Gdm）。对于传统的S参数，该参数由下式给出：

方程式3

巴伦数据表将提供一个或多个特定频率下的单端插入损耗值。它们可能还包括S21和S31对频率的曲线，如图2所示，该图转载自Hyperlabs的HL9492巴伦数据表。

Hyperlabs平衡-不平衡转换器的S21和S31与频率的关系。

图2:S21和S31与HL9492的频率对比。图像由Hyperlabs提供

由于输入功率在两个输出之间平均分配，插入损耗理论上应为-3 dB。然而，任何现实世界的平衡-不平衡变压器实现都将涉及损耗机制，这些机制会进一步降低传输到平衡输出的功率，导致插入损耗值比-3 dB更负。这种损耗的大小取决于平衡-不平衡变压器设计的细节。

实现平衡不平衡转换器的方法有很多种，这些方法都会影响频率响应的整体形状。例如，图3显示了由同轴电缆构成的传输线平衡不平衡转换器的模拟频率响应。在这种情况下，称为半波长共振的现象设定了可用带宽的上限。

同轴电缆传输线平衡不平衡转换器中的半波长谐振。

图3.同轴电缆传输线平衡-不平衡转换器中的半波长谐振。图片由Robert M. Smith提供

回波损耗

回波损耗是指入射信号从平衡-不平衡转换器的端口反射或返回时所经历的损耗。图4显示了HL9492的单端回波损耗。

Hyperlabs平衡-不平衡转换器的单端回波损耗与频率的关系。

图4. HL9492的单端回波损耗与频率的关系。图像由Hyperlabs提供

当插入损耗低而输入回波损耗高时，该设备可以将输入功率的较大部分传输到输出。这为我们提供了更大的动态范围。

在图4中，端口2和3的回波损耗被单独表征。我们也可以将端口2和3有效地表征为单个平衡端口，正如我们在图1的讨论中所做的那样。如图5所示，该模型允许我们适当地终止不平衡端口（端口1）并将差分信号应用于平衡端口。

为了模拟回波损耗，平衡-不平衡转换器的端口2和端口3被视为一个单一的平衡端口。

图5.将端口2和3的回波损耗表征为单一的平衡端口。图片由Steve Arar提供

理想情况下，差分信号应完全通过平衡-不平衡转换器，导致回波损耗为-∞。但是，如上所述，实际的平衡-不平衡转换器只反射入射信号的一小部分。图6显示了Macom MABA-011131平衡-不平衡转换器的平衡输出回波损耗。

Macom平衡-不平衡转换器的平衡输出回波损耗。

图6. MABA-011131的平衡输出回波损耗。图片由Macom提供

入射到平衡端口的平衡信号大部分被吸收，但入射到平衡端口的共模信号大部分被反射。理想情况下，平衡端口对共模信号的回波损耗为0 dB。如图7所示。

在理想的平衡-不平衡转换器中，入射到平衡端口的大部分共模信号都会被反射。

图7.入射到平衡端口的大部分共模信号被反射回去。图片由Steve Arar提供

值得一提的是，实际的平衡-不平衡转换器可能会表现出模式转换。当向平衡端口施加差分信号时，我们可能会观察到从设备反射出的小型共模信号。共模信号的应用也可能产生从设备反射回来的小型、模式转换的差模信号。

这些模式转换效应通常被认为是可以忽略的，因此大多数数据表中都没有包含有关它们的详细信息。例如，我们上面看到的MABA-011131平衡-不平衡转换器的数据表只提供了平衡端口的平衡插入损耗。

振幅和相位不平衡

振幅和相位不平衡参数衡量平衡-不平衡转换器将单端信号转换为差分信号或反之的效果。它们可能是平衡-不平衡转换器最重要的性能参数，值得我们在这篇文章中花更多时间进行更详细的解释。目前，我们将简要介绍。

幅度平衡表征了平衡端口功率幅度的匹配。幅度不平衡等于两个插入损耗项（S21和S31）之间的幅度差。理想情况下，两个端口的输出功率应相等，从而使幅度不平衡为零。然而，实际上，由于平衡变压器的设计和制造，总会出现一些失配。

同样，虽然输出信号在理想情况下应该彼此相位相差180度，但由于实际平衡变压器的缺陷，总会出现一些偏差。相位角与理想180度的偏差称为相位不平衡。

低性能平衡-不平衡转换器通常具有±1 dB的幅度不平衡和±10度的相位不平衡。然而，高性能平衡-不平衡转换器的幅度和相位不平衡值分别小至±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号在理想情况下会被完全反射。在实践中，一些输入共模功率被吸收，在单端输出端产生不想要的信号。由于该设备是互易的，这也意味着功率可以从不平衡端口散射到平衡输出端。我们可以通过以下方程来计算平衡-不平衡变压器的共模增益，从而量化这种效应：

方程式4

从低频模拟设计改编而来的共模抑制比（CMRR）的概念现在可以应用。 CMRR表征了器件在产生所需差分信号的同时衰减共模信号的能力。方程3和4得出：

方程式5

让我们通过一个例子来巩固这些概念。

计算平衡-不平衡变换器的 CMRR

假设在给定频率下，平衡-不平衡转换器的传统S参数的传输特性为S21 = 0.66 ∠ 0度，S31 = 0.75 ∠ –170度。让我们计算一下这个平衡-不平衡转换器的差模增益、共模增益和共模抑制比。

首先，我们将找到相位不平衡和幅度不平衡。从上面的S参数可以看出，该设备与理想的180度相位角有10度的偏差，这导致了相位不平衡。将这些S参数转换为分贝值，我们看到|S21| = –3.61 dB和|S31|= –2.5 dB。这些值对应于1.11 dB的幅度不平衡。