導(dǎo)言
巴倫有著悠久而輝煌的歷史，1939年，作為一種為帝國大廈1的電視發(fā)射天線供電的裝置，首次在文獻中被記載。從那時起，設(shè)計就有了巨大的發(fā)展，應(yīng)用也從驅(qū)動差分天線發(fā)展到包括平衡混頻器、放大器和所有類型的信號線。balun長期以來在低頻音頻、視頻和天線驅(qū)動應(yīng)用中無處不在。對高速、低噪聲數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笸苿恿税蛡愊蚋哳l率和卓越性能的發(fā)展。
盡管有了這些進步，關(guān)于巴倫人的信息仍然是分散和混亂的；本申請說明旨在通過澄清巴倫的基本特征來解決此問題。首先，我們將定義巴倫是什么，它做什么，以及它與其他組件的區(qū)別。接下來，我們將定義通用balun規(guī)范，然后使用該規(guī)范討論不同類型的balun及其屬性。最后，我們將討論balun的應(yīng)用，以及如何確定不同用途所需的balun類型。
Balun是具有匹配輸入和差分輸出的任意三端口設(shè)備。用所需（理想）S參數(shù)最簡潔地描述：
請注意這意味著什么：
·巴倫是一種三端口功率分配器，類似于威爾金森或電阻功率分配器。
·兩個輸出將相等且相反。
還請注意，這并不意味著：
·兩個輸出不一定匹配。
·balun的輸出可能與輸入阻抗相同，也可能與輸入阻抗不同。
·S23上沒有限制，因此輸出可能有也可能沒有隔離。
·因此，差模和共模信號的輸出上可能存在不同的回波損耗。
Balun變換器是平衡和不平衡的組合，表示Balun將在平衡（也稱為“差分”）傳輸線（傳輸線中都有反向電流）和不平衡（也稱為“單端”）傳輸線（返回電流在地中傳輸）之間轉(zhuǎn)換。然而，這種描述掩蓋了Balun的簡單性。Balun具有與威爾金森功分器、電阻功分器或正交混合耦合器相同的功率輸出。然而，Balun的輸出之間有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。
在低頻時，Balun和變壓器通常互換使用，因為低頻巴倫幾乎總是使用磁通耦合變壓器實現(xiàn)。出于這個原因，我們常說Balun變換器是一種變壓器，但更準確的說法是，有時可以使用變壓器來實現(xiàn)Balun變換器。許多其他結(jié)構(gòu)形式也可用于實現(xiàn)Balun變換的功能，我們將在第四節(jié)中討論。在討論不同類型巴倫結(jié)構(gòu)的優(yōu)點之前，我們需要了解哪些性能指標對巴倫很重要。
頻率范圍：與所有射頻/微波電路一樣，每個性能指標僅在某些特定帶寬上有效。在不犧牲性能的情況下，將帶寬從octave, to decade, to multi-decade（octave指兩個freq之間log2(f2/f1)的值，decade指兩個freq之間log10(f2/f1)的值）是一項重大挑戰(zhàn)。一般來說，Marki的巴倫可以分為兩種類型。具有磁耦合的器件性能低于10 MHz，而僅具有電容耦合的器件的低端性能限制在1 GHz左右，但可在毫米波頻率下工作。
相位平衡：最重要的性能標準是平衡輸出與具有相等功率和180°相位的接近程度，稱為平衡。相位平衡是衡量反轉(zhuǎn)輸出與非反轉(zhuǎn)輸出180°異相的程度，通常以度為單位。它是許多巴倫應(yīng)用中最關(guān)鍵的參數(shù)。除了巴倫結(jié)構(gòu)的質(zhì)量外，輸出線長度的匹配程度也決定了平衡。標準微波巴倫的典型相位平衡為±15°最大值和±10°典型值，而高性能Marki巴倫接近±5°最大值和±2°典型值
振幅平衡：與相位平衡相關(guān)，振幅平衡也由結(jié)構(gòu)和線路匹配確定。雖然它被稱為振幅平衡，但它通常以dB為單位，實際上給出了輸出功率大小之間的匹配。低性能平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的最大振幅為±1.5 dB，典型振幅為±1 dB，而Marki產(chǎn)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：如果將兩個相位相同的相同信號注入Balun的平衡端口（稱為“共模”或“偶?！毙盘枺?，它們將被反射或吸收。該信號從平衡端口到非平衡端口的衰減量稱為共模抑制比（CMRR），用dB表示。它由兩個信號的矢量相加決定，因此取決于Balun的振幅和相位平衡。振幅平衡、相位平衡和共模抑制比之間的關(guān)系如圖2所示。根據(jù)經(jīng)驗，振幅平衡改善0.1 dB對共模抑制比的改善幅度與相位平衡改善1°相同。低性能巴倫的共模抑制比為15-20 dB，而Marki巴倫的共模抑制比為25-55 dB。
阻抗比/匝數(shù)比：當Balun的不平衡阻抗與輸入傳輸線匹配時，平衡阻抗可以是任何值。不平衡阻抗與平衡阻抗之比為阻抗比，通常表示為1:n（即1:1、1:2、1:4）。請注意，差分阻抗位于平衡信號線之間。這是信號和接地之間阻抗的兩倍。一個相關(guān)值是匝數(shù)比，對于磁通耦合巴倫變壓器，該值是初級繞組與次級繞組的比率。阻抗比是匝數(shù)比的平方（即1:2匝數(shù)比產(chǎn)生1:4阻抗比）。更高的輸出阻抗將在降低的電流下提供更高的電壓，這對于匹配到高阻抗半導(dǎo)體器件是可取的。使用磁通耦合變壓器設(shè)計高阻抗比Balun很容易，但對于傳輸線變壓器和其他高頻結(jié)構(gòu)來說要困難得多。
插入和回波損耗：較低的插入損耗和較高的回波損耗將意味著后級電路可用的功率更大，動態(tài)范圍得到改善，系統(tǒng)前級的信號失真更小。在無隔離的巴倫中，如在大功率功分器中，對于共模和差模信號，平衡端口的回波損耗將不同。在沒有隔離的理想Balun中，共模信號將得到完美反射，回波損耗為0 dB，而差分信號將完全通過，回波損耗為
. 為了正確地描述這種效應(yīng)，可以使用混合模式S參數(shù)而不是標準S參數(shù)來確定設(shè)備如何使用差分輸入工作。
平衡端口隔離：通常簡稱為隔離，其含義與其他功分器和耦合器中的含義相同，即從一個平衡端口到另一個平衡端口的插入損耗，單位為dB。大多數(shù)巴倫不提供高隔離，因為偶數(shù)模式被反射，而不是用電阻負載正確端接。例外情況是180°混合電路，其中偶數(shù)模式輸出到可電阻端接的端口。
直流/接地隔離：與平衡端口隔離不同，直流隔離是指不平衡端口是否與其中一個平衡端口有直流連接。接地隔離是指不平衡接地與平衡信號或接地之間是否存在連接。
群延遲平坦度：對于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，平坦的群延遲將確保最小的失真量。群延遲平坦度是頻率間平均延遲的差值。通過直接在VNA上測量或檢查輸入振幅偏移鍵控信號的輸出眼圖，可以最容易地評估該參數(shù)。不必要的群延遲波動與較差的寬帶匹配有關(guān)。具有較高回波損耗的巴倫具有較高的群延遲平坦度。
從體量上來看，最常見的巴倫類型是磁通耦合巴倫變壓器。這是一種Balun變壓器，通過將兩根單獨的導(dǎo)線繞在磁芯（與任何變壓器相同）上，并將一次繞組的一側(cè)接地而形成。這會在一次側(cè)造成不平衡狀態(tài)，在二次側(cè)造成平衡狀態(tài)。此外，二次側(cè)的匝數(shù)與一次側(cè)的匝數(shù)之比可以是任意的，從而產(chǎn)生任意的阻抗比（變壓器的理論在許多介紹性電氣工程文本中都有解釋）。
磁通耦合巴倫變壓器將在二次側(cè)產(chǎn)生n倍于一次側(cè)電壓的交流電壓，而電流將比一次側(cè)小n倍，產(chǎn)生如上所述的n2輸出阻抗，其中n是二次側(cè)匝數(shù)與一次側(cè)匝數(shù)之比。通常用于平衡-不平衡變壓器的電路符號如圖4所示。電路圖通常使用點約定來指示哪一側(cè)對應(yīng)于輸入極性。線繞磁通耦合變壓器通常在二次繞組中有一個中心抽頭。在次級繞組的中間存在虛擬接地，并且將該點連接到二次系統(tǒng)的接地可以改善輸出平衡。
理想情況下，只要需要balun功能，就可以使用磁通耦合變壓器。眾所周知，其結(jié)構(gòu)相對簡單，可提供任意阻抗比，易于調(diào)諧，并提供直流和接地隔離。不幸的是，它們通常限于低于1GHz的頻率。在更高的頻率下，磁性材料中的偶極子無法足夠快地切換，巴倫失去耦合。導(dǎo)線之間的寄生電容會導(dǎo)致高頻信號直接傳輸?shù)降孛?，而不會通過磁性材料進行耦合。磁性材料也總是具有較大的損耗角正切，導(dǎo)致微波頻率下的高信號損耗。
由于這些困難，電容耦合傳輸線巴倫被開發(fā)出來。這是一組一端接地的耦合線，這樣耦合將在兩條線中產(chǎn)生相等和相反的信號。將接地轉(zhuǎn)換為傳輸線可使信號得到不同的使用。這可以通過多種方式實現(xiàn)，最常用的方法是將雙線傳輸線纏繞在磁芯上，以利用低頻磁耦合和高頻電容耦合（圖3c）。這個基本結(jié)構(gòu)可以用許多不同的方式連接起來；更常見的形式包括1:4阻抗比的Ruthroff巴倫和1:4的Guonella巴倫。
該功能還可以通過微帶傳輸線來執(zhí)行，其中接地層簡單地逐漸變細為底部傳輸線。這種結(jié)構(gòu)稱為錐形巴倫（也稱為微帶到平衡帶狀線巴倫，圖6），具有高頻操作的優(yōu)點，但缺點是沒有低頻能力和難以實現(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)。反過來，錐形巴倫與其他類型的耦合線巴倫非常相似，例如Marchand巴倫（圖7）、共面波導(dǎo)巴倫、同軸巴倫、平面變壓器（螺旋）巴倫以及許多其他類型的耦合線電路，這些類型的耦合線電路可以用作巴倫，這里將不進行討論。
這些類型的BALUN都基于傳輸線的四分之一波長部分，這意味著它們需要更長（和更高的損耗）才能在更低的頻率下工作。這將實際的低端頻帶限制在500 MHz到1 GHz左右。在低介電基板上，零件將更大（通常損耗更低），而在高介電基板上，零件將更小（損耗更高）。例如，2.2介質(zhì)襯底上1 GHz處的四分之一波長部分將為2.15英寸長，因此Marchand巴倫的最小長度將為4.3英寸長。相反，在10千兆赫時，相同的巴倫長度為0.430英寸，并且易于使用標準制造方法打印。
前面提到的所有平衡-不平衡變換器都屬于一種類型，其中使用某種耦合使不平衡傳輸線的地面浮動，從而形成平衡傳輸線。另一種類型的巴倫是先進行同相功率分配，然后對其中一個輸出施加180°相移，從而產(chǎn)生平衡輸出。不要將該結(jié)構(gòu)與180°功分器混淆，下文將對其進行討論。該相移可以是窄帶的，例如半波傳輸線，或者是寬帶相移，例如反相器（圖8）。該技術(shù)通常用于創(chuàng)建用于測試和測量的更高頻率巴倫。半波巴倫使用四分之一波變壓器的階梯與半波傳輸部分相結(jié)合來擴展簡單單頻巴倫的帶寬。另一種方法是在一個臂上使用90°相移的耦合器，在另一個臂上使用-90°相移的耦合器。這些巴倫可以實現(xiàn)多倍頻程帶寬，如果他們使用交指蘭格耦合器。
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Balun Type |
Max BW Ratio |
Practical Frequency Range |
Balance |
Isolation |
Common Impedance Ratios |
Applications |
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Flux Coupled Balun Transformer |
106:1 |
20Hz – 1 GHz |
Fair - Excellent |
With center tap |
Arbitrary |
Balanced Transmission Lines, Differential Antennas |
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Wire-wound Transmission Line Balun |
105:1 |
500 kHz – 10 GHz |
Fair - Excellent |
No |
1:1, 1:4 |
Interface to Differential ICs (ADC/DACs) |
|
Capacitively Coupled Transmission Line Balun |
102:1 |
.5 – 65 GHz |
Fair - Excellent |
No |
1:2 |
Balanced Mixers, Push-Pull Amplifiers, Signal Combining |
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Power Divider - Inverter Balun |
106:1 |
200 KHz – 65 GHz |
Fair |
Depends on Power Divider |
1:2 |
Test Instruments |
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Half Wave Balun |
<2:1 |
.5-60 GHz |
Good |
No |
1:2 |
Mixers |
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Rat Race Coupler |
<2:1 |
.5-50 GHz |
Fair |
Yes |
1:2 |
Mixers, Duplexers |
|
Asymmetric Tandem Coupler |
10:1 |
.5-40 GHz |
Fair |
Yes |
1:2 |
Mixers, Duplexers, Amplifiers, Antenna Arrays |
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Waveguide Magic T |
<2:1 |
1-146 GHz |
Fair |
Yes |
1:2 |
Mixers, Duplexers, Amplifiers |
最后一種類型的平衡-不平衡變換器是180°功分器，它是一種在輸出之間具有隔離的平衡-不平衡變換器。這些是使用180°混合接頭實現(xiàn)的（圖9）。它們在功能上類似于90°混合耦合器，但它們在非隔離端口之間的相移為180°。它們的特性是，從兩個輸入中，共?；蚺紨?shù)模將從一個端口（∑或和端口）輸出，而差?；蚱鏀?shù)模將出現(xiàn)在不同的端口（∑或差端口）。通過用50Ω負載端接和端口，180°混合耦合器可制成180°功分器。這些類型的電路與電容耦合巴倫具有相同的四分之一波長長度要求。180°混合耦合器的常見示例包括鼠籠耦合器、不對稱錐形耦合線耦合器和magic-T（圖10）。有趣的是，威爾金森功分器實際上是一種180°混合型，其和端口端接一個集總電阻器，稱為隔離電阻器。
平衡-不平衡變換器最常見的應(yīng)用是將不平衡信號連接到平衡傳輸線，用于遠距離通信。平衡傳輸線上的差分信號比同軸電纜上的單端信號更不受噪聲和串擾的影響，可以使用更低的電壓，并且成本更低。因此，它用于最常見的中長距離傳輸線，如RS-422、RS-485、雙絞線以太網(wǎng)、PCI Express、DisplayPort、HDMI和USB。因此，BALUN用于將本地視頻、音頻和數(shù)字信號連接到長距離傳輸線。在這些應(yīng)用中，最重要的特征是共模抑制比。巴倫的第二個最重要的應(yīng)用是驅(qū)動差分天線。業(yè)余業(yè)余業(yè)余業(yè)余無線電運營商提供了大量關(guān)于建造和操作各種天線方向圖的巴倫天線以最大化天線增益的技術(shù)文獻4。在差分信號中，共模電流的抑制是天線饋電巴倫最重要的指標，盡管性能也需要適當?shù)淖杩贡群团c天線的匹配。
另一個極高容量的應(yīng)用是使用巴倫創(chuàng)建平衡設(shè)備，如推挽放大器和平衡混頻器（圖11）。推挽放大器的工作原理是用一個平衡-不平衡變換器將信號分為正負兩種形式，對其進行放大，然后用另一個平衡-不平衡變換器重新組合信號。該方案的一個優(yōu)點是飽和輸出功率可以加倍。或者，對于給定的輸出功率，每個放大器的輸入功率可以減少一半，從而顯著減少由更高輸入功率產(chǎn)生的失真產(chǎn)物。另一個好處是，通過巴倫的共模抑制比，該方案將顯著降低放大器的二階失真輸出。在兩個放大器中，二階和所有其他偶數(shù)階失真產(chǎn)物將是相同的，而基波將是異相的。因此，輸出巴倫中將取消所有偶數(shù)訂單產(chǎn)品，而奇數(shù)訂單產(chǎn)品將通過。
正是這種偶數(shù)產(chǎn)品取消可用于大幅減少平衡混頻器（如圖11所示的雙平衡混頻器）中的雜散產(chǎn)品。在這種結(jié)構(gòu)中，不僅射頻和本振的偶數(shù)階失真產(chǎn)物被抵消，而且本振的基波也將被抵消到射頻和中頻端口。幾十年來，Marki微波公司一直在利用這項技術(shù)設(shè)計世界上最好的混頻器。由于我們?yōu)榛祛l器應(yīng)用設(shè)計巴倫的豐富經(jīng)驗，Marki微波公司現(xiàn)在可以提供離散巴倫，以滿足最苛刻的要求。
Marki提供高性能連接式和表面安裝式巴倫。我們的連接式巴倫通常用于將高速差分芯片與來自測試設(shè)備或接收器的不平衡信號連接，以進行測試。
這些裝置允許單端測試設(shè)備（如合成器、示波器、功率計和網(wǎng)絡(luò)分析儀）與差分設(shè)備（如電纜、差分放大器、接收器和發(fā)射器）連接。這對于差分設(shè)備非常重要，因為當使用差分信號激勵時，它們的行為通常與使用單端信號（可分解為差分和共模信號）激勵時完全不同。特別是，2端口VNA可用于測量具有一組匹配的巴倫的差分設(shè)備，但如果巴倫沒有隔離，則必須特別注意拆除巴倫。
我們的寬帶、高性能表面貼裝巴倫最常用作高速數(shù)字轉(zhuǎn)換器和外差傳輸系統(tǒng)之間的接口。在這種情況下，設(shè)計人員正在更換這些外差轉(zhuǎn)換器以前的最終中頻傳輸級。在此應(yīng)用中，平衡-不平衡變換器最重要的規(guī)格是相位平衡。
從12度相位平衡改善到3度相位平衡可以將ADC的偶數(shù)階動態(tài)范圍提高10 dB以上。將寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）與單端源匹配是一個困難的挑戰(zhàn)，尤其是在使用超級奈奎斯特采樣（頻率高于基本奈奎斯特區(qū)）時。前端的差分放大器將增加噪聲并降低線性度，而平衡-不平衡變換器將在不增加噪聲的情況下提供電壓增益（ADC響應(yīng)電壓，哪一個是√2更高或更多，取決于平衡-不平衡變換器差分輸出的阻抗比）。ADC的輸入阻抗通常遠高于50Ω，通常在kΩ范圍內(nèi)。這意味著輸出阻抗較高的平衡-不平衡變換器通常比1:1的平衡-不平衡變換器更適合ADC輸入。
圖12中示出了示例ADC匹配電路。它包括交流耦合電容器、并聯(lián)電阻和電感，以使電容式高阻抗ADC負載與傳輸線輸入相匹配。它還包括串聯(lián)電阻器，用于限制從ADC內(nèi)部采樣結(jié)構(gòu)返回模擬系統(tǒng)的任何電荷注入量。由于ADC的頻帶限制特性，通常需要在純50Ω系統(tǒng)中使用比所需系統(tǒng)帶寬寬得多的巴倫。
我司在研發(fā)、制造和銷售上提供20多條產(chǎn)品線包括：LTCC/LC濾波器、功分器、巴倫變壓器、耦合器、射頻轉(zhuǎn)接器（接頭）、射頻連接器（接頭）、射頻同軸負載、射頻同軸衰減器、電纜組件、寬帶錐形電感、微帶功分器和射頻玻璃絕緣子等2000多個活躍型號。
產(chǎn)品廣泛用于通信設(shè)備、計算機相關(guān)產(chǎn)品、智能家居、消費電子、汽車電子、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、以及新能源等行業(yè)，此外，在導(dǎo)航領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用。
產(chǎn)品亮點：
LTCC/LC濾波器、功分器、巴倫變壓器、耦合器：可以實現(xiàn)國產(chǎn)化原位替代Mini-Circuits、MarkiMACOM、線藝、PLUSE的相關(guān)產(chǎn)品。
射頻連接器/轉(zhuǎn)接器、電纜組件、同軸負載、衰減器：產(chǎn)品頻率覆DC-110G，接口類型全面，產(chǎn)品穩(wěn)定性好，使用壽命長，可以接受定制。
微帶功分器：產(chǎn)品頻率覆蓋DC-50GHz，功分路數(shù)：2-64路，可以接受定制。
寬帶錐形電感：產(chǎn)品頻率覆蓋DC-50GHz，指標好，性價比高，可以接受定制。
玻璃絕緣子（低頻單芯、射頻單芯、低頻聯(lián)排）：產(chǎn)品種類齊全，可選擇性多，性價比高，可以接受定制。
在過去的快10年里，恒利泰以苛刻的質(zhì)量標準，快速的覆蓋替換能力，使產(chǎn)品的價值惠及每一位科技人！我們充滿好奇！我們一絲不茍！我們無比熱情！
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