概述

巴倫(lun)  （英語為(wei) “balun”，由balanced（平衡）”的前三個(ge) 字母“bal”與(yu) “unbalanced（不平衡）”的兩(liang) 個(ge) 字母“un”組合而成）為(wei) 一種三端口器件，或者說是一種通過將匹配輸入轉換為(wei) 差分輸出而實現平衡傳(chuan) 輸線電路與(yu) 不平衡傳(chuan) 輸線電路之間的連接的寬帶射頻傳(chuan) 輸線變壓器。巴倫(lun) 的功能在於(yu) 使係統具有不同阻抗或與(yu) 差分/單端信令兼容，並且用於(yu) 手機和數據傳(chuan) 輸網絡等現代通信係統。

功能

巴倫(lun) 具有如下三項基本功能：

1. 將電流或電壓從(cong) 不平衡轉換至平衡
2. 通過某些構造進行共模電流抑製
3. 通過某些構造進行阻抗轉換（阻抗比不等於(yu) 1:1）
巴倫(lun) 分為(wei) 多種類型，其中的某些用於(yu) 阻抗轉換，還有某些用於(yu) 連接具有不同阻抗的傳(chuan) 輸線。阻抗轉換巴倫(lun) 可實現阻抗匹配、直流隔離以及將平衡端口與(yu) 單端端口匹配。共模扼流圈因為(wei) 可消除共模信號，因此在某種意義(yi) 上說也是一種巴倫(lun) 。巴倫(lun) 用於(yu) 推挽放大器、寬帶天線、平衡混頻器、平衡倍頻器及調製器、移相器以及任何需要在兩(liang) 條線路上傳(chuan) 輸幅度相等且相位相差180度的電路設計。

用途

巴倫(lun) 的最常見用途為(wei) 將不平衡信號連入用於(yu) 長距離傳(chuan) 輸的平衡傳(chuan) 輸線。與(yu) 采用同軸電纜的單端信令相比，采用平衡傳(chuan) 輸線的差分信令受噪聲和串擾的影響更小，可使用更低的電壓，而且成本效益更高。因此，巴倫(lun) 可用作本地視頻、音頻及數字信號與(yu) 長距離傳(chuan) 輸線之間的接口。巴倫(lun) 的用途包括：
– 無線電及基帶視頻
– 雷達、發射機、衛星
– 電話網絡、無線網絡調製解調器/路由器

原理

巴倫(lun) 的理想S參數如下：
S12 = – S13 = S21 = – S31

S11 = -∞

巴倫(lun) 的兩(liang) 個(ge) 輸出幅度相等，相位相反：
– 在頻域中，這表示兩(liang) 個(ge) 輸出之間具有180°的相位偏移；
– 在時域中，這表示一個(ge) 平衡輸出的電壓為(wei) 另一平衡輸出的負值。

此外，兩(liang) 條線路當中的一條的導體(ti) 須明確接地。

舉(ju) 例而言，平衡線路由電位幅度相等且相位相反的導體(ti) 構成。由於(yu) 微帶線和同軸電纜采用不同尺寸的導體(ti) ，因此可謂不平衡線路。巴倫(lun) 的設計目的正是在於(yu) 解決(jue) 此類不平衡線路導致的問題——巴倫(lun) 可在電流以相反相位傳(chuan) 輸的平衡（或差分）傳(chuan) 輸線與(yu) 返回電流經地下傳(chuan) 輸的不平衡（或單端）傳(chuan) 輸線之間轉換。

在同軸電纜內(nei) 部，由於(yu) 內(nei) 導體(ti) 與(yu) 屏蔽層內(nei) 側(ce) 的電流所產(chan) 生的電場局限於(yu) 此兩(liang) 者之間的空間內(nei) ，因此該兩(liang) 電流幅度相等且相位相反。與(yu) 此同時，趨膚效應使得屏蔽層外側(ce) 產(chan) 生另一電流，當該電流較大時，可使得作為(wei) 饋電線的所述同軸電纜成為(wei) 天線，向外輻射強度與(yu) 電流大小成正比的電磁場。由於(yu) 同軸電纜具有對稱的物理結構，而且其內(nei) 部兩(liang) 導體(ti) 上的電路幅度相等且相位相反，因此其內(nei) 部結構本身產(chan) 生的輻射極小。然而，某些因素可破壞其兩(liang) 導體(ti) 內(nei) 的電流平衡（即破壞“幅度相等，相位相反”這一狀態），在此情況下，該饋電線內(nei) 部也將如屏蔽層外側(ce) 的電流一樣產(chan) 生較大電磁輻射。這一不平衡現象將導致方向圖扭曲，幹擾以及損耗。

為(wei) 具體(ti) 應用確定巴倫(lun) 種類時的關(guan) 鍵規格參數包括：

• 頻率覆蓋範圍
• 相位平衡度
• 幅度平衡度
• 共模抑製比
• 阻抗比/匝數比
• 插入損耗及回波損耗
• 平衡端口隔離度
• 直流/對地隔離度
• 群延遲平坦度

巴倫(lun) 性能指標

巴倫(lun) 分為(wei) 多種類型，微波射頻設計中使用的巴倫(lun) 類型取決(jue) 於(yu) 所需的帶寬，工作頻率以及該設計的物理結構。大多數巴倫(lun) 內(nei) 部通常含有兩(liang) 根相互絞合後纏繞於(yu) 磁性或非磁性芯體(ti) 上的絕緣銅線。

為(wei) 特定應用確定巴倫(lun) 種類時的關(guan) 鍵規格參數包括：/strong>

• > 頻率覆蓋範圍
• > 相位平衡度
• > 幅度平衡度
• > 共模抑製比
• > 阻抗比/匝數比
• > 插入損耗及回波損耗
• > 平衡端口隔離度
• > 直流/對地隔離度
• > 群延遲平坦度

相位平衡度

巴倫(lun) 的一項重要標準指標為(wei) 其平衡性，即兩(liang) 個(ge) 平衡輸出（一個(ge) 為(wei) 反相180°輸出，另一個(ge) 為(wei) 非反相輸出）與(yu) “功率水平相等，相位相差180°”這一理想狀態的接近程度。兩(liang) 個(ge) 輸出之間的相位角度差與(yu) 180°的偏離程度稱為(wei) 巴倫(lun) 的相位不平衡度。

幅度平衡度

該項指標由巴倫(lun) 的結構和線路匹配程度決(jue) 定，通常以dB為(wei) 單位。幅度平衡是指輸出功率的大小之間相匹配，兩(liang) 輸出功率大小之間的差值稱為(wei) 幅度不平衡度，單位為(wei) dB。一般情況下，幅度平衡度每提高0.1dB，或相位平衡度每提高1°，則共模抑製比（CMRR）將提高0.1dB。

共模抑製比（CMRR）
當具有相同相位的兩(liang) 個(ge) 相同信號注入巴倫(lun) 的平衡端口時，可能會(hui) 產(chan) 生發射或接收兩(liang) 種不同的結果。CMRR是指該信號從(cong) 平衡端口傳(chuan) 輸至不平衡端口的過程中所發生的衰減量，單位為(wei) dB。CMRR由此兩(liang) 信號的矢量相加結果決(jue) 定，而該矢量相加結果進一步取決(jue) 於(yu) 巴倫(lun) 的幅度平衡度和相位平衡度。

阻抗比/匝數比
不平衡阻抗與(yu) 平衡阻抗之比通常以1:n表示。差分阻抗為(wei) 平衡信號線路之間的阻抗，而且為(wei) 信號線路對地阻抗的兩(liang) 倍。匝數比為(wei) 磁通耦合巴倫(lun) 變壓器的一項參數，其表示該變壓器初級繞組匝數與(yu) 次級繞組匝數的比值。匝數比的平方等於(yu) 阻抗比，比如當匝數比為(wei) 1:2時，阻抗比為(wei) 1:4。通過磁通耦合變壓器，可設計出高阻抗比的巴倫(lun) 。

插入損耗及回波損耗
差分插入損耗越低，共模回波損耗越高，則表示通過巴倫(lun) 的插入信號功率越大，動態範圍越寬，信號失真度越小。在無隔離的理想巴倫(lun) 中，共模信號可以0dB的回波損耗完全反射，而差分信號則以-∞的回波損耗完整通過。

平衡端口隔離度
平衡端口隔離度是指從(cong) 一個(ge) 平衡端口至另一平衡端口的插入損耗，單位為(wei) dB。由於(yu) 大部分巴倫(lun) 將偶模反射而出，而非以電阻性負載對其進行適當端接，因此其平衡端口隔離度並不高。一種例外情形為(wei) 180°混合電路，該電路將偶模輸出至可以電阻方式端接的端口。
 

基本類型的巴倫(lun)

微波射頻設計中使用的巴倫(lun) 類型取決(jue) 於(yu) 所需的帶寬，工作頻率以及該設計的物理結構。差分功率分配用途中可使用的巴倫(lun) 類型為(wei) 變壓器巴倫(lun) 、電容和/或磁耦合傳(chuan) 輸線巴倫(lun) 、混合耦合器巴倫(lun) ，而且此類巴倫(lun) 還可用於(yu) 功分器及逆變器聯用的情形中。巴倫(lun) 的用途廣泛，下至單端信號和差分信號之間的轉換，上至模式噪聲和信號的消除。對於(yu) 巴倫(lun) 而言，最重要的特性為(wei) 其功率平衡度和相位平衡度。

磁通耦合變壓器巴倫(lun) 為(wei) 最常見的一類巴倫(lun) ，其基本上由磁芯及纏繞於(yu) 磁芯上的兩(liang) 條不同導線構成，其中，通過將初級繞組的一側(ce) 接地，在初級側(ce) 產(chan) 生不平衡條件，並在次級側(ce) 產(chan) 生平衡條件。次級側(ce) 匝數與(yu) 初級側(ce) 匝數之比可任意設置，從(cong) 而產(chan) 生任何所需的阻抗比。磁通耦合巴倫(lun) 變壓器次級側(ce) 產(chan) 生的交流電壓n倍於(yu) 初級側(ce) 的電壓，且電流相應地為(wei) 初級側(ce) 電流的1/n，從(cong) 而如上所述，產(chan) 生n2倍的輸出阻抗，其中，n為(wei) 次級側(ce) 匝數與(yu) 初級側(ce) 匝數之比。

上述繞線式磁通耦合變壓器的次級繞組中通常設有接地的中心抽頭，這一設計可改善輸出平衡性。

舉(ju) 例而言，磁通耦合變壓器最適合的工作頻率為(wei) 1GHz以下，當在更高頻率下工作時，常發生耦合損耗。在微波頻率下，變壓器內(nei) 的磁性材料的損耗角正切較高，因此導致較大的信號損耗。因此，通常由纏繞於(yu) 磁芯上的雙路傳(chuan) 輸線構成的電容性耦合傳(chuan) 輸線巴倫(lun) ，如瓜內(nei) 拉（Guanella）巴倫(lun) 通過低頻磁耦合與(yu) 高頻電容性耦合解決(jue) 高頻下的上述問題。

微波應用中經常使用的一種巴倫(lun) 為(wei) 馬相（Marchand）巴倫(lun) 。《各類螺旋巴倫(lun) 》這一視頻對交纏、對稱及Marchand螺旋巴倫(lun) 的概況以及GaAs MMIC平麵螺旋巴倫(lun) 的設計和模擬結果進行了介紹。

經典變壓器巴倫(lun)

經典變壓器也稱隔離變壓器，其內(nei) 具有兩(liang) 個(ge) 纏繞於(yu) 變壓器芯上的獨立線圈繞組，該芯既可以為(wei) 空（空氣芯），也可由陶瓷等磁性中性材料、磁導體(ti) 或軟鐵構成。其中，初級繞組接收輸入信號，而次級繞組輸出轉換後的信號。在理想的變壓器中，無論如何變化，電壓與(yu) 電流的比值永遠與(yu) 繞組匝數比的平方成正比，而且功率（單位為(wei) 瓦特）永遠保持不變。

優(you) 點：由於(yu) 輸入繞組和輸出繞組之間電氣隔離，因此該巴倫(lun) 可用於(yu) 連接地平電壓存在接地回路問題或電氣不兼容問題的電路。

自耦變壓器巴倫(lun) （電壓巴倫(lun) ）

自耦變壓器巴倫(lun) 具有一個(ge) 線圈，或具有兩(liang) 個(ge) 或兩(liang) 個(ge) 以上的線圈，這些線圈的電接線也纏繞於(yu) 鐵氧體(ti) 棒芯或環芯上。當僅(jin) 有一個(ge) 繞組時，該繞組兩(liang) 端之間必須設置至少一個(ge) 額外的電氣接頭或分接點。在該巴倫(lun) 中，通過一對電連線輸入的輸入電流起到初級線圈的作用，並用於(yu) 芯體(ti) 的磁化。

優(you) 點：與(yu) 其他變壓器類型的巴倫(lun) 不同，自耦變壓器巴倫(lun) 所有末端均可將直流電流接地。

傳(chuan) 輸線變壓器巴倫(lun) （扼流圈巴倫(lun) ）

此類型巴倫(lun) 有時也稱電流巴倫(lun) ，其可保證兩(liang) 個(ge) 輸出端的輸出電流相等，但輸出電壓不一定相等。同軸電纜內(nei) 部的電流大小相等且相位相反，因此其所產(chan) 生的磁場強度相等且方向相反，而且在大部分情況下可相互抵消。當將變壓器巴倫(lun) 與(yu) 傳(chuan) 輸線變壓器巴倫(lun) 組合時，可實現極寬的工作帶寬。人們(men) 常將Guanella傳(chuan) 輸線變壓器和巴倫(lun) 組合用作阻抗匹配變壓器。

優(you) 點：扼流圈巴倫(lun) 可防止額外電流通過電感阻抗沿傳(chuan) 輸線回流。

延遲線巴倫(lun)

延遲線巴倫(lun) 連有其上不設任何變壓器件且具有特定長度的傳(chuan) 輸線，通常用於(yu) 較窄的頻率範圍，其中，所連的傳(chuan) 輸線長度為(wei) 該傳(chuan) 輸線介質內(nei) 目標頻率的四分之一波長的倍數。此類巴倫(lun) 例如用於(yu) 同軸連接向平衡天線的轉接。

優(you) 點：產(chan) 生180°的相位偏移且提供平衡輸入。

自諧振巴倫(lun)

在物理材料製成的變壓器中，初級繞組和次級繞組之間以及各繞組內(nei) 的線匝之間存在少量的電容，這些電容形成了人們(men) 所不希望的自電容或寄生電容。當巴倫(lun) 內(nei) 的自感和自電容的電抗大小相等且性質相反時，將發生諧振。當在等於(yu) 或高於(yu) 諧振頻率的頻率下工作時，任何設計類型的巴倫(lun) 均表現不佳。巴倫(lun) 設計時一項考量為(wei) 盡可能使得其諧振頻率遠高於(yu) 工作頻率。隨著頻率升高，寄生電容的阻抗逐漸減小，直至在自諧振頻率（SRF）下與(yu) 理想電感的阻抗相等。

 

因此，上述電感的作用如同以自諧振頻率為(wei) 臨(lin) 界值的電感器一樣，一旦超出該值，阻抗便即急劇上升。而且，該電感器可作為(wei) 對自諧振頻率附近的信號進行衰減的扼流圈。