巴倫，在電路中起到平衡和非平衡信號(hào)之間相互轉(zhuǎn)作用，最初是為了推動(dòng)電視傳輸系統(tǒng)中使用的差分天線而設(shè)計(jì)的。隨著時(shí)間的推移，巴倫的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到包括混頻器、放大器以及各種類型的信號(hào)線。然而，盡管巴倫被廣泛使用，但很多朋友對(duì)此并沒有深入理解。本文旨在提供一個(gè)關(guān)于巴倫工作原理的概述，同時(shí)介紹一些其最重要的性能參數(shù)和應(yīng)用場景。

理想的巴倫

電信號(hào)傳輸總是需要兩個(gè)導(dǎo)體。單端（非平衡）系統(tǒng)通過一個(gè)導(dǎo)體傳遞信號(hào)，并使用第二個(gè)導(dǎo)體作為地。差分（平衡）系統(tǒng)使用兩個(gè)導(dǎo)體傳遞相位相差180度的信號(hào)。

用于在平衡和非平衡配置之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的設(shè)備被稱為巴倫，其縮寫為BALanced-to-UNbalanced。巴倫充當(dāng)功率分配器的角色，產(chǎn)生兩個(gè)輸出，其幅度相等但相位相差180度。

巴倫是一個(gè)三端口元件。一個(gè)端口是非平衡的，而另外兩個(gè)端口共同形成一個(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形成平衡端口。

圖1

用S參數(shù)表示其傳輸特性：

巴倫是互易設(shè)備，這意味著它們?cè)趦蓚€(gè)方向上具有相同的傳輸特性。所以：

請(qǐng)注意，對(duì)于S23，即端口2和端口3之間的傳輸，沒有限制。換句話說，形成平衡端口的兩個(gè)輸出可能具有隔離，也可能沒有。

既然我們熟悉了理想巴倫的性質(zhì)，讓我們來看看一些該元件最重要的性能參數(shù)。這些包括：

1. 插入損耗。

2. 回波損耗。

3. 幅度（不）平衡。

4. 相位（不）平衡。

5. 共模增益。

6. 共模抑制比。

7. 插入損耗
   

8. 巴倫的插入損耗也被稱為其差分模式的增益（Gdm）。使用S參數(shù)表示：

9. 

10. 巴倫數(shù)據(jù)手冊(cè)將提供在一個(gè)或多個(gè)特定頻率下的單端插入損耗值。它們可能還包括針對(duì)頻率的S21和S31的曲線，正如圖2所示，該圖是從Hyperlabs的HL9492巴倫的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中摘錄的。

11. 

12. 圖2

由于輸入功率被平均分配到兩個(gè)輸出，理論上插入損耗應(yīng)該是-3 dB。然而，任何實(shí)際的巴倫實(shí)現(xiàn)都會(huì)由損耗，導(dǎo)致插入損耗值與-3 dB有誤差。這種損耗的大小取決于巴倫設(shè)計(jì)的具體情況。

有幾種不同的實(shí)現(xiàn)巴倫的方法可能會(huì)影響整體的頻率響應(yīng)形狀。例如，圖3展示了使用同軸電纜構(gòu)建的傳輸線巴倫的模擬頻率響應(yīng)。在這種情況下，被稱為半波長諧振限定了可用帶寬的上限。

圖3

回波損耗

回波損耗是指入射信號(hào)從巴倫的端口反射或返回時(shí)所產(chǎn)生的損耗。圖4顯示了HL9492的單端回波損耗。

圖4

當(dāng)插入損耗較低而輸入回波損耗較高時(shí)，該器件可以將大部分輸入功率傳輸?shù)捷敵龆?。這為我們提供了更大的動(dòng)態(tài)范圍。

在圖4中，分別表征了端口2和端口3的回波損耗。我們還可以有效地將端口 2 和 3 描述為一個(gè)單一的平衡端口，就像我們?cè)趫D 1 的討論中所做的那樣。該模型如圖 5 所示，允許我們適當(dāng)端接非平衡端口（端口 1），并將差分信號(hào)施加到平衡端口。

圖5

理想情況下，差分信號(hào)應(yīng)完全通過巴倫，導(dǎo)致回波損耗為–∞。然而，如上圖所示，實(shí)際的巴倫只反映了入射信號(hào)的一小部分。圖 6 顯示了 Macom MABA-011131 巴倫的平衡輸出回波損耗。

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圖6

入射到平衡端口上的平衡信號(hào)大部分被吸收，但入射到平衡端口上的共模信號(hào)大部分被反射。理想情況下，共模信號(hào)平衡端口的回波損耗為0 dB。如圖 7 所示。

圖7

實(shí)際上巴倫可能會(huì)表現(xiàn)出模式轉(zhuǎn)換。當(dāng)將差分信號(hào)施加到平衡端口時(shí)，我們可能會(huì)觀察到一個(gè)小的共模信號(hào)從器件反射。共模信號(hào)的應(yīng)用還可能產(chǎn)生一個(gè)小的模式轉(zhuǎn)換的差模信號(hào)，該信號(hào)從器件反射回來。

幅度和相位平衡

幅度和相位平衡參數(shù)用于測量巴倫將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)的能力，反之亦然。

幅度平衡表征了平衡端口的功率幅度之間的匹配。幅度不平衡等于兩個(gè)插入損耗項(xiàng)之間的幅度差（S21和 S31).理想情況下，兩個(gè)端口的輸出功率應(yīng)該相等，使我們的幅度不平衡為零。然而，在實(shí)際中，由于巴倫的設(shè)計(jì)和制造，總會(huì)有一些不匹配。

同樣，雖然理想情況下輸出信號(hào)應(yīng)該彼此相差 180 度，但由于實(shí)際平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的缺陷，總會(huì)有一些偏差。相位角與理想 180 度的偏差稱為相位不平衡。

低性能巴倫通常具有 ±1 dB 的幅度不平衡和 ±10 度的相位不平衡。然而，更高性能的巴倫的幅度和相位不平衡值分別小至 ±0.2 dB 和 ±2 度。

共模增益和抑制比

如上所述，理想情況下，入射到平衡端口上的共模信號(hào)會(huì)完全反射出來。實(shí)際中，一些輸入共模功率被吸收，在單端輸出端產(chǎn)生不需要的信號(hào)。由于器件是互易的，這也意味著功率可以從非平衡端口分散到平衡輸出。我們可以使用以下公式來計(jì)算巴倫的共模增益來量化這種效應(yīng)：

CMRR（共模抑制比）表征器件在產(chǎn)生所需差分信號(hào)的同時(shí)對(duì)共模信號(hào)的衰減程度

舉例說明

計(jì)算巴倫的共模抑制比（CMRR）

假設(shè)在給定頻率下，巴倫的傳輸特性以傳統(tǒng)S參數(shù)表示為S21 = 0.66 ∠ 0 度和S31 = 0.75 ∠ -170 度。讓我們計(jì)算該巴倫的差動(dòng)模式增益、共模增益和共模抑制比。

首先，我們將找到相位不平衡和幅度不平衡。從上述S參數(shù)中我們可以看到，該巴倫與理想的180度相位角有10度的偏差，這給我們帶來了相位不平衡。將這些S參數(shù)轉(zhuǎn)換為分貝值，我們看到|S21| = -3.61 dB和|S31| = -2.5 dB。這些值對(duì)應(yīng)于1.11 dB的幅度不平衡。

將S參數(shù)的線性形式代入方程3和方程4得到Gdm = -0.06 dB和Gcm = -19.4 dB。使用這些增益值或原始的S參數(shù)在方程5中，我們發(fā)現(xiàn)共模抑制比等于19.3 dB。

高的共模抑制比與良好的幅度和相位平衡特性直接相關(guān)。我們通過的例子代表了一種典型的低性能巴倫，其幅度不平衡為±1 dB，相位不平衡為±10度。正如我們看到的，這種巴倫可以提供大約20 dB的共模抑制比。