芯耀
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巴倫（Baluns）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，最初設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)電視發(fā)射系統(tǒng)中使用的差分天線。從那以后，巴倫的應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到包括平衡混頻器、放大器以及各種類型的信號(hào)線。然而，盡管巴倫應(yīng)用廣泛，但初學(xué)者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的關(guān)于巴倫的信息零散且令人困惑。本文旨在概述巴倫的工作原理，以及其一些最重要的性能參數(shù)和應(yīng)用。
一、理想的巴倫
電信號(hào)傳輸總是需要兩根導(dǎo)線。單端（非平衡）系統(tǒng)在一根導(dǎo)線上傳輸信號(hào)，并將第二根導(dǎo)線用作接地。差分（平衡）系統(tǒng)使用兩根導(dǎo)線來(lái)傳輸彼此相位相差180°的信號(hào)。
用于在平衡和非平衡配置之間實(shí)現(xiàn)接口功能的組件被稱為巴倫（balun），是“平衡到非平衡”（BALanced-to-UNbalanced）的縮寫(xiě)。巴倫起到功率分配器的作用，產(chǎn)生兩個(gè)幅度相等但彼此相位相差180°的輸出。
巴倫是一種三端口設(shè)備。一個(gè)端口是非平衡的，而另外兩個(gè)端口協(xié)同工作以形成一個(gè)單一的平衡端口。圖1展示了理想巴倫的典型輸入和輸出波形，其中端口1是非平衡端口，端口2和端口3構(gòu)成平衡端口。
圖1. 一個(gè)理想的巴倫將輸入信號(hào)分解為兩個(gè)幅度相等但極性相反的信號(hào)。
以下兩個(gè)方程可以用傳統(tǒng)的S參數(shù)來(lái)描述巴倫的基本功能。首先，我們有：
公式1：
S21=?S31巴倫是可逆器件，這意味著它們?cè)趦蓚€(gè)方向上具有相同的傳輸特性。因此，除了公式1之外，我們還有：?公式2：S21=?S12?=??S31?=??S13
請(qǐng)注意，對(duì)于S23（端口2和端口3之間的傳輸參數(shù)）沒(méi)有限制條件。換句話說(shuō)，構(gòu)成平衡端口的兩個(gè)輸出可能有隔離，也可能沒(méi)有隔離。
既然我們已經(jīng)熟悉了理想巴倫的特性，那我們來(lái)看看這種器件的一些最重要的性能參數(shù)。這些參數(shù)包括：
- 插入損耗。
- 回波損耗。
- 幅度不平衡度。
- 相位不平衡度。
- 共模增益。
- 共模抑制比。
二、插入損耗
巴倫的插入損耗也被稱為其差模增益（Gdm）。根據(jù)傳統(tǒng)的S參數(shù)，這個(gè)參數(shù)由以下公式給出：
公式3：
巴倫的數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)給出在一個(gè)或多個(gè)特定頻率下的單端插入損耗值。數(shù)據(jù)手冊(cè)中可能還會(huì)包含S21和S31隨頻率變化的曲線，如圖2所示——該圖來(lái)自某款巴倫的數(shù)據(jù)手冊(cè)。
圖2. 巴倫的S21和S31隨頻率變化的關(guān)系圖。
由于輸入功率在兩個(gè)輸出端之間平均分配，理論上插入損耗應(yīng)為–3dB。然而，任何實(shí)際的巴倫器件都會(huì)存在損耗機(jī)制，這些機(jī)制會(huì)進(jìn)一步降低傳輸?shù)狡胶廨敵龆说墓β?，?dǎo)致插入損耗值<–3dB。這種損耗的大小取決于巴倫設(shè)計(jì)的具體細(xì)節(jié)。
有幾種不同的巴倫實(shí)現(xiàn)方法，這些方法會(huì)影響頻率響應(yīng)的整體形狀。例如，圖3展示了一個(gè)由同軸電纜構(gòu)成的傳輸線巴倫的模擬頻率響應(yīng)。在這種情況下，一種被稱為半波長(zhǎng)諧振的現(xiàn)象設(shè)定了可用帶寬的上限。
圖3. 同軸電纜傳輸線巴倫中的半波長(zhǎng)諧振。
三、回波損耗
回波損耗是指入射信號(hào)從巴倫的端口反射（即返回）時(shí)所經(jīng)歷的損耗。圖4展示了該巴倫的單端回波損耗情況。
圖4. 巴倫的單端回波損耗隨頻率變化的關(guān)系圖。
當(dāng)插入損耗較低且輸入回波損耗較高時(shí)，該器件能夠?qū)⑤斎牍β手懈蟮囊徊糠謧鬏數(shù)捷敵龆?。這為我們提供了更大的動(dòng)態(tài)范圍。
在圖4中，端口2和端口3的回波損耗是分別進(jìn)行表征的。我們也可以像在討論圖1時(shí)所做的那樣，將端口2和端口3作為一個(gè)單一的平衡端口來(lái)進(jìn)行有效表征。如圖5所示的這個(gè)模型，使我們能夠適當(dāng)?shù)囟私臃瞧胶舛丝冢ǘ丝?），并向平衡端口施加差分信號(hào)。
圖5. 將端口2和端口3的回波損耗當(dāng)作它們是一個(gè)單一的平衡端口來(lái)進(jìn)行表征。
理想情況下，差分信號(hào)應(yīng)該完全通過(guò)巴倫，從而使得回波損耗為負(fù)無(wú)窮大（–∞）。然而，正如上文所示，實(shí)際的巴倫會(huì)反射一小部分入射信號(hào)。圖 6展示了另一款巴倫的平衡輸出回波損耗情況。
圖6. 巴倫的平衡輸出回波損耗。
入射到平衡端口的平衡信號(hào)大部分會(huì)被吸收，但入射到平衡端口的共模信號(hào)大部分會(huì)被反射。理想情況下，平衡端口對(duì)于共模信號(hào)的回波損耗為0dB。這在圖7中有所說(shuō)明。
圖7. 入射到平衡端口的大部分共模信號(hào)被反射回去。
值得一提的是，實(shí)際的巴倫可能會(huì)出現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。當(dāng)向平衡端口施加差分信號(hào)時(shí)，我們可能會(huì)觀察到從該器件反射回一個(gè)小的共模信號(hào)。當(dāng)施加一個(gè)共模信號(hào)時(shí)，也可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的、經(jīng)過(guò)模式轉(zhuǎn)換的差模信號(hào)從器件反射回來(lái)。
通常認(rèn)為這些模式轉(zhuǎn)換效應(yīng)可以忽略不計(jì)，因此大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中并未包含關(guān)于它們的詳細(xì)信息。
四、幅度和相位不平衡
幅度和相位不平衡參數(shù)用于衡量巴倫將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，或者將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)的能力優(yōu)劣。對(duì)于巴倫來(lái)說(shuō)，它們可能是最重要的性能參數(shù)了，而要深入講解這些參數(shù)，本文的篇幅和時(shí)間可能不夠。目前，我們先做簡(jiǎn)要說(shuō)明。
幅度平衡表征的是平衡端口之間功率幅度的匹配程度。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)該相等，此時(shí)幅度不平衡為零。然而在實(shí)際中，由于巴倫的設(shè)計(jì)和制造工藝的原因，總是會(huì)存在一些不匹配的情況。
同樣地，雖然理想狀態(tài)下輸出信號(hào)彼此之間的相位差應(yīng)該是180°，但由于實(shí)際巴倫存在的缺陷，總會(huì)有一些偏差。與理想的180°相位角的偏差就被稱為相位不平衡。
低性能的巴倫通常具有±1dB的幅度不平衡和±10°的相位不平衡。然而，高性能的巴倫的幅度和相位不平衡值分別可低至±0.2dB和±2°。
五、共模增益和共模抑制比
如前所述，理想情況下，入射到平衡端口的共模信號(hào)會(huì)被完全反射。但在實(shí)際中，一部分輸入的共模功率會(huì)被吸收，從而在單端輸出端產(chǎn)生不期望的信號(hào)。由于該器件是可逆的，這也意味著功率可能會(huì)從非平衡端口散射到平衡輸出端。我們可以使用以下公式來(lái)計(jì)算巴倫的共模增益，從而量化這種影響：
公式4：
現(xiàn)在可以應(yīng)用源自低頻模擬設(shè)計(jì)的共模抑制比（CMRR）這一概念了。共模抑制比表征了該器件在產(chǎn)生所需的差分信號(hào)的同時(shí)對(duì)共模信號(hào)的衰減能力。由公式3和公式4可得出：
公式5：
讓我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)鞏固這些概念。
六、計(jì)算巴倫的共模抑制比
假設(shè)在給定頻率下，根據(jù)傳統(tǒng)的S參數(shù)，一個(gè)巴倫的傳輸特性為S21=0.66∠0°以及S31=0.75∠-170°。讓我們來(lái)計(jì)算這個(gè)巴倫的差模增益、共模增益以及共模抑制比。
首先，我們來(lái)求相位不平衡和幅度不平衡。從上述S參數(shù)中我們可以看出，該器件與理想的180°相位角有10°的偏差，這就是我們所說(shuō)的相位不平衡。將這些S參數(shù)轉(zhuǎn)換為dB值，我們得到|S21|=-3.61dB，|S31|=-2.5dB。這些值對(duì)應(yīng)的幅度不平衡為1.11dB。
將S參數(shù)的線性形式代入公式3和公式4，結(jié)果分別是差模增益Gdm=-0.06dB，共模增益Gcm=-19.4dB。將這些增益值或者原始的S參數(shù)代入公式5，我們發(fā)現(xiàn)共模抑制比等于19.3dB。
高共模抑制比與良好的幅度和相位平衡特性直接相關(guān)。我們分析的這個(gè)例子代表了一個(gè)典型的低性能巴倫，其幅度不平衡為±1dB，相位不平衡為±10°。正如我們所看到的，這個(gè)巴倫可以提供大約20dB的共模抑制比。
總結(jié)
巴倫作為平衡與非平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換的核心器件，其性能直接決定信號(hào)傳輸質(zhì)量與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)插入損耗、回波損耗、幅度/相位平衡及共模抑制比等關(guān)鍵參數(shù)，可系統(tǒng)評(píng)估其差分信號(hào)轉(zhuǎn)換能力。理想巴倫雖需滿足零損耗與完美平衡，但實(shí)際器件受設(shè)計(jì)工藝限制，需在帶寬、損耗與隔離間權(quán)衡優(yōu)化。高性能巴倫通過(guò)降低幅度/相位不平衡（≤±0.2dB/±2°）與提升共模抑制比（>40dB），可顯著抑制共模干擾與模式轉(zhuǎn)換效應(yīng)，成為精密通信、雷達(dá)及射頻前端電路中保障信號(hào)完整性的關(guān)鍵元件。
