變壓器式巴倫的研究

摘 要：巴倫用于將不平衡信號轉(zhuǎn)為平衡信號，在微波技術(shù)和天線領域得到了廣泛的應用。其中變壓器式巴倫工作頻段寬且適合大功率使用。對變壓器式巴倫進行了研究，并通過等效變換對其工作原理進行了詳細的理論分析，最后討論了實際制作和測量的方法。

關鍵詞：巴倫；變壓器式巴倫；等效變換；平衡轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1506002

Study of Transformer Balun

TANG Wei，YANG Yumei，ZHANG Yuxing

(Electronic Engineering College，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，610054，China)

Abstract：In the field of the microwave and antenna system，Balun is used to link a symmetrical (balanced) circuit to asymmetrical (unbalanced) circuit.The transformer Balun with the characteristics of wide band are studied，which are analyzed by using the equivalent transform theory.Finally，how to design and measure the transformer Balun is studied in this paper.

Keywords：Balun;transformer Balun;equivalent transform;balance transform

1 引 言

巴倫是平衡-不平衡變換器(Balanced to Unbalanced)的音譯，用于將功率相等相位相反的平衡信號轉(zhuǎn)換為單端不平衡信號，送至不平衡負載；反之，亦可將不平衡信號轉(zhuǎn)換為平衡信號。此外，它還能提供阻抗變換功能，所以又叫做平衡饋電器^［1］。正是由于這些特點，使得巴倫在微波技術(shù)與天線領域得到了廣泛的應用。

常見的巴倫有高頻開路式、抵消式和變壓器式。其中高頻開路式巴倫工作帶寬窄；抵消式巴倫頻帶較寬，但使用大功率時受磁環(huán)磁飽和限制；而變壓器式巴倫主要是通過高頻變壓器實現(xiàn)平衡-不平衡轉(zhuǎn)換，原理就像推挽輸出變壓器一樣，把單向不平衡電流變換成雙向平衡電流(或相反)，工作頻段寬，且適用大功率使用^［2-4］。本文主要討論的就是變壓器式巴倫，并通過等效變換分析其工作原理。

2 理論分析

成品的變壓器式巴倫有用粗導線在磁環(huán)上制成的，也有用直徑較大的磁棒線圈或空心線圈做成的。最簡單的平衡變換器如圖1所示。

實際中這種變換器會由輸入端向輸出端饋送的一部分共模信號，導致輸出端不是純粹的奇模，從而不是完全平衡的。因此我們需要加入平衡電感，使次級線圈中心抽頭接地。同時如果不要求阻斷輸出端偶模向輸入端的泄漏，平衡電感可以和原來的傳輸線繞在同一磁環(huán)上^［5］。這就是常見的三線并繞法，如圖2所示。

方便分析，我們對其進行等效變換，如圖2(b)，按靜態(tài)的電路等效來分析，如果某一瞬間a端電壓是+V，中間抽頭b端即a′ 端則輸出+1/2V的電壓，而另一個輸出端c′ 對地相當于-1/2V的電壓，這兩端對地的電壓永遠極性相反，但幅度相等，所以是平衡的；而相應的輸入端因c端接地，電壓被強制為0，所以叫單端輸入或不平衡輸入。又由于輸入端和輸出端電壓的總幅度是相等的，因此電壓變比和阻抗變比都是1∶1。所以圖2(a) 又叫做1∶1巴倫。

對于某些本身阻抗不是50 Ω的天線，我們需要采用適當變比的轉(zhuǎn)換器，同時完成阻抗匹配和平衡變換的功能。比較常見的有1∶4巴倫，如圖3所示。

通過對1∶1巴倫的分析，我們同樣可以對1∶4巴倫進行靜態(tài)等效分析。設某一瞬間輸入端a的電壓為+V，同時a作為輸出端的電壓也是+V，由于是雙線并繞，兩個線圈匝數(shù)相等，所以b′ 端對地電壓是-V，輸出端a端和b′端 對地的電壓極性相反，但幅度相等，所以是平衡的；輸入端由于a′ 端接地，電壓被強制為0，所以是不平衡的。同時輸入端和輸出端的電壓幅度比是1∶2，即:U_i/U_o=1/2 對最大功率傳輸而言^［6］:P_i=P_o，所以:U²_i/R_i=U²_o/R_o，由此可得:R_i/R_o=1/4。這里：P_i為輸入功率、P_o為輸出功率、U_i為輸入電壓、U_o為輸出電壓、R_i為輸入阻抗、R_o為輸出阻抗。

3 實際制作與測量

3.1 制作

前面提到，成品變壓器式巴倫一般是由粗導線在磁環(huán)上繞制而成的。制作時需要注意以下幾點：

(1) 所用磁環(huán)的導磁率一般在100左右，磁芯的截面要足夠大，臨界場要高于入射的射頻場，并且工作頻率要低于或遠低于截至頻率，從而避免出現(xiàn)大功率飽和^［7］；

(2) 繞制磁環(huán)的導線需要和功率相配，不能太細，外皮絕緣并且能承受較高的電壓；

(3) 導線要絞合很緊再繞，因為絞合得越緊，線圈導線之間的寄生電容耦合越好，從而可以減弱磁芯的磁滯效應，并且可以在發(fā)射時有效減少變壓器漏感，提高發(fā)射效率；

(4) 繞的時候注意避免劃傷絕緣外皮而導致短路；

(5) 繞的圈數(shù)需要反復調(diào)整，因為圈數(shù)越多，變壓器磁環(huán)的磁通密度越小，磁環(huán)的熱損耗就越小，同時不會飽和，但是線圈間的寄生電容會增大，這會使高頻特性變差，圈數(shù)少則相反，所以需要掌握平衡。

3.2 測量

變壓器式巴倫制作完成后，需要通過測量其一系列指標，才能投入使用。巴倫比較重要的指標有：

(1) 插入損耗

在網(wǎng)絡分析儀出現(xiàn)之前，是通過把兩個巴倫變壓器直接連接，來一起測量插入損耗的。單個變壓器的插入損耗就是把測量結(jié)果除以二。可以將巴倫變壓器用三端口網(wǎng)絡描述，就像一個雙向180°的分相器，如圖4所示。

通常次級端口的阻抗不是50 Ω，阻抗變換對于精確測量非常重要。一個做法是在次級端接一個電阻式匹配元件。使用這種方法測量從初級同名端到次級同名端以及從初級同名端到次級異名端的插入損耗(實際中還需要減去匹配元件的損耗以及理論上分路的3 dB損耗)。這兩種損耗的平均值被定為插入損耗。另一種做法比較方便，就是使用例如Agilent的PNA系列網(wǎng)絡分析儀，它們提供了阻抗變換和端口擴展功能，所以無需端接電阻式匹配元件，可以直接在用戶自定義的輸入和輸出阻抗的情況下測量。

(2) 幅度和相位的不平衡度

一個理想的巴倫變壓器，理論上在次級的兩個平衡端口的輸出電壓應該是幅度完全一致，相位相反的。實際的變壓器卻總是有差別的，即幅度不平衡(用dB描述)和相位偏離(用度描述)。上一段提到了兩種插入損耗(從初級同名端到次級同名端以及從初級同名端到次級異名端)，這兩種損耗的dB差值就被定義為幅度不平衡度。次級的兩個端口相位偏離180°的角度值被定義為相位不平衡度。也就是說，可以通過測量插入損耗來得到巴倫變壓器的幅度相位不平衡度。

(3) 輸入返回損耗

當次級的端接是理想的阻抗匹配情況，在初級測量的返回損耗就是輸入返回損耗。它代表著巴倫變壓器的阻抗變換效率。

4 結(jié) 語

隨著當今通訊技術(shù)的發(fā)展，通訊容量的不斷擴大，要求天線在更寬的頻帶內(nèi)和更高的功率下工作。采用變壓器式巴倫完成天線與饋線之間阻抗匹配以及不平衡-平衡轉(zhuǎn)換是一種可行的解決方案，特別是對于阻抗變換比為整數(shù)的情況，電路結(jié)構(gòu)非常簡潔、緊湊，性能也很可靠。所以，對變壓器式巴倫進行研究，了解其工作原理，掌握其制作和測量方式是非常必要的。

參 考 文 獻

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［5］張玉興.射頻模擬電路［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［6］王元坤，李玉權(quán).線天線的寬頻帶技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1995.

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作者簡介 湯 唯 男，1983年出生，四川省成都市人，碩士研究生。主要從事射頻模擬電路和微波天線方面的研究。