【变换器Transformers · 巴伦 - - 平衡与非平衡Baluns and ununs】

1. 介绍

在RF信号链中平衡巴伦和非平衡巴伦转换器对于许多应用至关重要。射频巴伦设计最常与芯线变压器相关联，但也可以通过同轴和耦合带状线技术实现。本系列的第 1 部分介绍了巴伦和巴伦的行为，我们确定这两种器件都是为阻抗匹配而设计的。它们之间的主要区别在于，巴伦设计用于匹配平衡和非平衡电路之间的阻抗，而非平衡转换器在两个不平衡电路之间提供阻抗匹配。

2. 常见巴伦应用

巴伦最常见的用途是使用单端功率放大器来驱动平衡负载。示例包括偶极子天线或单端天线，例如鞭状天线，它们需要为额外的前端放大器供电（见图 1）。过去，巴伦也广泛用于有线电视行业，例如在广播电视的300Ω偶极子天线与75Ω同轴电缆之间匹配时。随着射频集成电路（RFIC）的发展，巴伦现在也被广泛用于提高抗噪性和共模抑制。5G 应用的增长也导致了对小型宽带巴伦的巨大需求，这些巴伦使用差分输入和输出与高度集成的无线电收发器连接。
如果不平衡的馈线驱动不平衡的天线，并且馈线和天线之间存在阻抗不匹配，则通常使用非平衡巴伦。具有低输入阻抗的鞭状天线将受益于阻抗变换非平衡巴伦，从而有效地将50Ω馈线与天线耦合。

图 1：非平衡到平衡电路转换（左）和平衡到非平衡转换（右）

3. 巴伦理论与平衡系统和非平衡系统简介

在研究巴伦理论之前，重要的是要了解平衡和非平衡两端源和负载之间的差异。在平衡电路中，信号沿着两条路径传播，每条路径对地阻抗相等。平衡系统的阻抗由两条路径之间的阻抗定义，而在不平衡系统中，一个端子接地。

图2显示了平衡电路和非平衡电路中信号响应之间的差异。不平衡电路显示单条线路和接地之间建立的电压。接地和电源之间流动的电流量等于电路中的电流。平衡电路显示差分信号流动，其中电压是两条线之间的电位差。在这种情况下，一条线路上流向地的电流等于另一条线路上从地流出的电流。

图 2：不平衡电路（左）和平衡电路（右）

4. 常见的双端系统：

4.1. 射频馈线

 同轴电缆（75Ω 或 50Ω）不平衡
 高速数据线（100Ω 或 120Ω）
 梯形线 （450Ω）
 明线 （600Ω）

4.2. 负载

 接收机
 传输过程中的天线
 带接收器的仪表或测试仪器

4.3. 信号源

 接收期间的天线
 发射机
 信号发生器
 带发生器的仪表或测试仪器
了解共模信号和差分信号之间的区别对于理解巴伦的重要性至关重要。在平衡电路中，共模信号是两条线路之间幅度和极性相等的信号。另一方面，差分信号的幅度相等，但极性相反。一般来说，差分信号要稳定性更好。这是因为差分信号具有固有的抗噪性。在典型系统中，外部噪声同样存在于平衡配置的两条线路上，表现为共模信号。差分信号由两条线路之间的电压差表示。由于两条线路上的共模信号相等，因此它被抵消了。

5. 巴伦模式与技术

巴伦有两种主要模式：电流巴伦和电压巴伦（见图3）。电流平衡-不平衡转换器通过在两条平衡线路上强制电流相等来工作，从而有效地消除了共模电流。电压巴伦在每条平衡线上施加相等的电压;这最终更适合阻抗匹配应用。
与大多数变压器一样，巴伦可以使用芯线传输线（例如同轴电缆）、低温共烧陶瓷 （LTCC） 和单片微波集成电路 （MMIC） 技术制造。芯线平衡-不平衡转换器有两种主要版本：隔离变压器和自耦变压器，它们都是电压平衡-不平衡转换器（图 4）。在几千兆赫兹以上，通常需要使用传输线巴伦才能达到理想的性能。性能最好的输电线路巴伦品种之一是Marchand巴伦（图5）。Mini-Circuits 的许多 LTCC 和 MMIC 巴伦都使用 Marchand 巴伦拓扑。

图 3：电压巴伦（左）和电流巴伦（右）

图 4：自耦变压器巴伦示意图

图 5：Marchand 巴伦示意图

6. 铁芯线平衡-不平衡转换器（隔离和自耦变压器平衡-不平衡转换器）

隔离巴伦变压器是射频变压器，其不平衡侧接地，平衡侧连接到负载。与标准射频变压器类似，绕组的比率也可用于产生阻抗变换。图 4 显示了一个自耦变压器巴伦，绕组两端都有平衡输入，中心抽头接地，绕组的一端形成不平衡端口。这种变压器的一个主要优点是输入和输出是电气分离的，可以为接地电平电压中容易出现接地回路的系统提供一定程度的保护。

自耦变压器的配置与典型的射频变压器不同，因为这种拓扑只有一条导电路径。自耦变压器巴伦可以通过将单根导线缠绕在铁氧体磁芯上，或通过交叉布线初级和次级绕组来制造。绕组两端之间的抽头点用于访问与变压器输入电压相关的不同电压电位。这种配置为每个端子都包含一条直流电流接地路径，可消除任何静电积聚。

7. 传输线的平衡巴伦和变阻抗巴伦

传输线巴伦变压器通常由传输线（例如缠绕在铁氧体磁芯上的同轴电缆）构成，在某些情况下仅由空气构成。这种 1：1 型巴伦变压器在同轴电缆的外导体上产生高扼流圈电抗，有效减少共模信号，同时允许同轴传输线的内部电流畅通无阻地通过（即瓜内拉巴伦）。此外，配置包括使用两根相互缠绕的导线的双线电容耦合巴伦，以及相互缠绕然后缠绕在公共磁芯上的电容和磁耦合传输线。使用带有宽带传输线耦合器的磁芯的目的是实现低频操作。

宽带巴伦变压器还使用串联和并联布置的多条传输线进行各种阻抗转换。在这种情况下，阻抗变换为 1：n²，其中 n 是串并联传输线的数量。四分之一波和半波传输线巴伦变压器也是可能的，尽管这些类型的巴伦最适合工作频率范围较窄的应用。

8. LTCC 和MMIC巴伦

巴伦生产还可能涉及使用具有LTCC和MMIC等技术的平面金属结构。这种设计和制造的选择通常是专有的。通常，这些设计的主要优点是占用空间小，可以很容易地集成到微波组件中。与其他巴伦不同，基于 LTCC 和 MMIC 的巴伦采用高精度装配机和半导体制造方法生产，可产生更高的可重复性。

9. 巴伦关键性能参数

巴伦与射频变压器具有大部分相同的性能参数，但巴伦的独特结构和使用引入了额外的考虑因素。这些参数包括：
1.相位平衡
2.振幅平衡
3. 共模抑制比
4. 平衡端口隔离
5. 直流/接地隔离
6.群延迟平坦度

9.1 相位和振幅平衡

相位和幅度平衡（或不平衡）是衡量巴伦平衡输出电压和电流相等和相反程度的指标。从本质上讲，平衡线路的电压/电流相位或幅度的任何不平衡都会产生额外的损耗和杂散电流。相位平衡测量反相输入和非反相输入之间的相位差与理想的 180° 异相的接近程度。幅度平衡是每条平衡线上输出功率的绝对值。对于这些参数，每条平衡线应尽可能接近相等。实际巴伦中相位和幅度平衡的决定因素包括材料特性、制造方法以及输出线之间的匹配。现代高性能巴伦通常规定不超过几度的相位不平衡和几分贝的幅度不平衡。

9.2. 共模抑制比

共模抑制比（CMRR）是衡量共模信号从平衡端口到非平衡端口的衰减程度的指标。该比率取决于振幅和相位不平衡。具有更好幅度和相位平衡的巴伦也将表现出增强的CMRR。一个普遍接受的准则是，幅度平衡每提高0.1 dB，或相位平衡提高1度，巴伦的CMRR就会提高约1 dB.

9.3 平衡端口隔离和DC/接地隔离

平衡端口隔离度是从一个平衡端口到另一个平衡端口的输入信号强度与输出信号强度之比（插入损耗）的量度。通常，在大多数巴伦设计中，该参数不是很高。直流隔离是非平衡端口和平衡端口之间直流电导率的量度，而接地隔离是非平衡端口接地与平衡端口的接地（或伪接地）之间隔离度的量度。这些隔离系数对于确定器件的抗噪声和抗干扰能力非常重要。巴伦的隔离电位通常受到巴伦拓扑的限制。

9.4 群延迟平坦度

群延迟是信号的频率分量通过设备所需的时间。群延迟的平坦度是衡量宽带或高速信号通过设备时会遇到的失真量的一种方式。通常希望信号的每个频率分量同时通过。在巴伦的情况下，良好的宽带匹配与良好的群延迟性能有关。具有更好回波损耗的巴伦通常具有更好的群延迟平坦度。

10. 重要的巴伦应用

巴伦最初用于提供阻抗匹配，并向由不平衡传输线馈送的平衡天线提供平衡输出。随着固态电子器件的出现，许多固态器件（例如放大器、混频器、DAC/ADC）的输出和输入都存在不平衡端口。虽然不平衡输出可以很容易地连接到常见的传输线，如同轴电缆，但差分信号线通常不太容易受到噪声和串扰的影响。其中许多线路也比用于长距离传输的同轴电缆便宜。

例如，平衡推挽放大器和混频器可实现减少杂散含量和增强CMRR的设计，即双平衡混频器（见图6和图7）。请注意，图7中巴伦上的中心抽头用于偏置平衡放大器。另一个常见的应用是宽带转换器与非平衡源的平衡和阻抗匹配，其端口阻抗通常与转换器端口的阻抗大不相同（见图8）。

图 6：在输入和输出上使用平衡-不平衡转换器的双平衡混频器

图 7：输入和输出端带有平衡-不平衡转换器的平衡放大器

图 8：差分输入转换为单端输出的 ADC

11. 结论

巴伦已成为非常有用的器件，可解决射频/微波系统的许多挑战，将非平衡电路（单端或接地参考）转换为平衡电路（全差分）。巴伦还在这些电路之间提供阻抗匹配，并增强互连和器件的 CMRR。巴伦可以使用多种技术制造，包括芯线变压器、传输线变压器，甚至是薄型、小尺寸的LTCC和MMIC技术。

英文原文： Mini-Circuits Applications 《Demystifying Transformers: Baluns and Ununs》