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類型分類：: 科普知識(shí)

數(shù)據(jù)分類：: 電阻加熱器

詳解巴倫原理及其應(yīng)用

發(fā)布日期：2022-10-18 點(diǎn)擊率：163

巴倫（英語(yǔ)為 balun）為一種三端口器件，取自balanced和unbalanced英文前綴，巴倫是基于變壓器的應(yīng)用，用于平衡和不平衡器的轉(zhuǎn)換，平衡端跨接信號(hào)，不平衡端有一端接地。巴倫能夠輸出等幅反相信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)阻抗變換用于阻抗匹配，用于手機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代通信系統(tǒng)。

在了解巴倫原理之前讓我們回顧一下學(xué)生時(shí)代物理壓器的基礎(chǔ)知識(shí)。

變壓器等效電路

上圖為變壓器初級(jí)線圈、次級(jí)線圈示意圖。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律公式E＝nΔΦ/Δt(n為線圈匝數(shù))，可以看出產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是閉合回路下磁通量發(fā)生變化，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小取決于磁通量變化的快慢和線圈匝數(shù)n。我們可以通過(guò)變壓器方程表示初級(jí)、次級(jí)變換關(guān)系，即輸出電壓等于輸入電壓乘以匝數(shù)比N，輸出電流為輸入電流除以N，輸出阻抗為輸入阻抗乘以匝數(shù)比的平方，即：

n=N2/N1

V2=nV1

I2=I1/n

Z2=n2Z1

巴倫分類

1、變壓器式巴倫

變壓器巴倫示意圖

變壓器式巴倫適用于大功率電路，一般通過(guò)在磁芯繞雙絞線實(shí)現(xiàn)。巴倫輸入端的一端接信號(hào)源電阻Rs，另一端接地，兩端與地之間具有不同的阻抗，是不平衡端口。巴倫的兩個(gè)輸出端口，端口２、３兩端都不接地，對(duì)地具有高阻抗，因此這兩個(gè)端口是平衡端口。將兩個(gè)平衡端口與地之間接有的負(fù)載電阻都設(shè)為RL時(shí)，它們電壓大小相等并且電勢(shì)相反，即：

V2/V3=-1

RIN=(1/n2)(2RL)

2、集總參數(shù)巴倫

集總參數(shù)巴倫一般通過(guò)L、C實(shí)現(xiàn)，MINI CIRCUITS公司提供了豐富的LC拓?fù)湫问降陌蛡惾缦聢D所示，具體可參照其官網(wǎng)產(chǎn)品。其中拓?fù)銼的基本思路是利用高通單元和低通單元結(jié)構(gòu)分別呈現(xiàn)電容性與電感性，通過(guò)適當(dāng)?shù)牟⒙?lián)措施，得到兩個(gè)輸出端口的相位反向特性。其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但L、C受頻率影響較大，帶寬較窄。

MINI CIRCUITS公司巴倫種類

3、分布參數(shù)巴倫

經(jīng)典Marchand Balun示意圖

典型的 Marchand 巴倫是一種同軸式的腔體結(jié)構(gòu)，每段傳輸線的長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)。后發(fā)展成為微帶結(jié)構(gòu) Marchand 巴倫，如圖 1 所示，每一段傳輸線的長(zhǎng)度都為λ/4，即電長(zhǎng)度θ=90°。信號(hào)從平衡端口 Port2 和 Port3 輸入，到不平衡端口 Port1 輸出?；蛘邚牟黄胶舛丝?Port1 輸入，到平衡端口Port2 和 Port3 輸出。

與之類似利用λ/4傳輸線的還有環(huán)行電橋結(jié)構(gòu)，如下圖所示。環(huán)行電橋比分支線電橋帶寬較寬，帶寬受3/4λ限制，巴倫結(jié)構(gòu)由1/4λ和3/4λ組成，信號(hào)從P1輸入，P2和P4相位差180°，P3為隔離端。耦合線巴倫使用最低截止頻率1~2GHz。

傳統(tǒng)環(huán)行巴倫結(jié)構(gòu)示意圖

為了拓展微帶結(jié)構(gòu)巴倫的使用帶寬，我們可以利用漸變線原理，例如超寬帶Ｖialdi天線，其輸入端為微帶饋電的不平衡端，天線的輻射口為平衡端。

Vialdi天線巴倫

通常巴倫關(guān)鍵指標(biāo)與功分器類似，包括帶寬、中心頻率、插入損耗、回波損耗、幅度和相位不平衡度，用于器件選型時(shí)參考。

巴倫應(yīng)用

以上我們列舉了種類豐富多樣的巴倫結(jié)構(gòu)，那在實(shí)際電路中有什么應(yīng)用呢。巴倫的應(yīng)用都是基于其能提供兩路差分信號(hào)以及能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗變換。其作用總結(jié)如下：

1、阻抗匹配實(shí)現(xiàn)器件間最大功率傳輸

2.、升壓或者降壓

3、隔直流通交流

4、用于平衡及不平衡電路之間的接口，例如推挽放大器，混頻器

5、平衡結(jié)構(gòu)中的共模抑制

以推挽放大器和雙平衡混頻器結(jié)構(gòu)為例，解釋巴倫為何能抑制偶次諧波，改善IP2性能。

推挽放大器

雙平衡混頻器

雙平衡混頻器由兩組二極管及一對(duì)巴倫組成，是最基本的混頻器結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)Loin送入正半周信號(hào)時(shí)，如果把Loin的正半周看成＋1，那么，IFout＝＋1×RFin＝RFin；當(dāng)Loin送入負(fù)半周，如果把Loin的負(fù)半周看成－1，那么，IFout＝-1×RFin＝－RFin,因此，可以把雙平衡混頻器看作IFout＝Loin×RFin，其中Loin＝＋1 或 —1的乘法器。采用巴倫可以阻隔直流信號(hào)，改善本振泄露，同時(shí)，差分信號(hào)的應(yīng)用可不必使用濾波器即能抑制偶次諧波，提高共模信號(hào)的抑制。

總結(jié)：巴倫形式多樣，磁芯繞制、LC形式、微帶平面形式、立體的魔T等都可以作為巴倫，實(shí)際使用中我們要根據(jù)帶寬、頻率、應(yīng)用電路（共模抑制電路、ADC電路、移相電路、混頻電路...）等需求靈活使用，發(fā)揮其性能。

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