巴伦基础知识和实用性能参数
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巴伦,在电路中起到平衡和非平衡信号之间相互转作用,最初是为了推动电视传输系统中使用的差分天线而设计的。随着时间的推移,巴伦的应用范围已经扩展到包括混频器、放大器以及各种类型的信号线。然而,尽管巴伦被广泛使用,但很多朋友对此并没有深入理解。本文旨在提供一个关于巴伦工作原理的概述,同时介绍一些其最重要的性能参数和应用场景。
理想的巴伦
电信号传输总是需要两个导体。单端(非平衡)系统通过一个导体传递信号,并使用第二个导体作为地。差分(平衡)系统使用两个导体传递相位相差180度的信号。
用于在平衡和非平衡配置之间进行转换的设备被称为巴伦,其缩写为BALanced-to-UNbalanced。巴伦充当功率分配器的角色,产生两个输出,其幅度相等但相位相差180度。
巴伦是一个三端口元件。一个端口是非平衡的,而另外两个端口共同形成一个单一的平衡端口。图1展示了理想巴伦的典型输入和输出波形,其中端口1是非平衡端口,端口2和端口3形成平衡端口。
图1
用S参数表示其传输特性:
巴伦是互易设备,这意味着它们在两个方向上具有相同的传输特性。所以:
请注意,对于S23,即端口2和端口3之间的传输,没有限制。换句话说,形成平衡端口的两个输出可能具有隔离,也可能没有。
既然我们熟悉了理想巴伦的性质,让我们来看看一些该元件最重要的性能参数。这些包括:
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插入损耗。
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回波损耗。
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幅度(不)平衡。
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相位(不)平衡。
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共模增益。
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共模抑制比。
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插入损耗
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巴伦的插入损耗也被称为其差分模式的增益(Gdm)。使用S参数表示:
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巴伦数据手册将提供在一个或多个特定频率下的单端插入损耗值。它们可能还包括针对频率的S21和S31的曲线,正如图2所示,该图是从Hyperlabs的HL9492巴伦的数据数据手册中摘录的。
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图2
由于输入功率被平均分配到两个输出,理论上插入损耗应该是-3 dB。然而,任何实际的巴伦实现都会由损耗,导致插入损耗值与-3 dB有误差。这种损耗的大小取决于巴伦设计的具体情况。
有几种不同的实现巴伦的方法可能会影响整体的频率响应形状。例如,图3展示了使用同轴电缆构建的传输线巴伦的模拟频率响应。在这种情况下,被称为半波长谐振限定了可用带宽的上限。
图3
回波损耗
回波损耗是指入射信号从巴伦的端口反射或返回时所产生的损耗。图4显示了HL9492的单端回波损耗。
图4
当插入损耗较低而输入回波损耗较高时,该器件可以将大部分输入功率传输到输出端。这为我们提供了更大的动态范围。
在图4中,分别表征了端口2和端口3的回波损耗。我们还可以有效地将端口 2 和 3 描述为一个单一的平衡端口,就像我们在图 1 的讨论中所做的那样。该模型如图 5 所示,允许我们适当端接非平衡端口(端口 1),并将差分信号施加到平衡端口。
图5
理想情况下,差分信号应完全通过巴伦,导致回波损耗为–∞。然而,如上图所示,实际的巴伦只反映了入射信号的一小部分。图 6 显示了 Macom MABA-011131 巴伦的平衡输出回波损耗。
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图6
入射到平衡端口上的平衡信号大部分被吸收,但入射到平衡端口上的共模信号大部分被反射。理想情况下,共模信号平衡端口的回波损耗为0 dB。如图 7 所示。
图7
实际上巴伦可能会表现出模式转换。当将差分信号施加到平衡端口时,我们可能会观察到一个小的共模信号从器件反射。共模信号的应用还可能产生一个小的模式转换的差模信号,该信号从器件反射回来。
幅度和相位平衡
幅度和相位平衡参数用于测量巴伦将单端信号转换为差分信号的能力,反之亦然。
幅度平衡表征了平衡端口的功率幅度之间的匹配。幅度不平衡等于两个插入损耗项之间的幅度差(S21和 S31).理想情况下,两个端口的输出功率应该相等,使我们的幅度不平衡为零。然而,在实际中,由于巴伦的设计和制造,总会有一些不匹配。
同样,虽然理想情况下输出信号应该彼此相差 180 度,但由于实际平衡-不平衡转换器的缺陷,总会有一些偏差。相位角与理想 180 度的偏差称为相位不平衡。
低性能巴伦通常具有 ±1 dB 的幅度不平衡和 ±10 度的相位不平衡。然而,更高性能的巴伦的幅度和相位不平衡值分别小至 ±0.2 dB 和 ±2 度。
共模增益和抑制比
如上所述,理想情况下,入射到平衡端口上的共模信号会完全反射出来。实际中,一些输入共模功率被吸收,在单端输出端产生不需要的信号。由于器件是互易的,这也意味着功率可以从非平衡端口分散到平衡输出。我们可以使用以下公式来计算巴伦的共模增益来量化这种效应:
CMRR(共模抑制比)表征器件在产生所需差分信号的同时对共模信号的衰减程度
举例说明
计算巴伦的共模抑制比(CMRR)
假设在给定频率下,巴伦的传输特性以传统S参数表示为S21 = 0.66 ∠ 0 度和S31 = 0.75 ∠ -170 度。让我们计算该巴伦的差动模式增益、共模增益和共模抑制比。
首先,我们将找到相位不平衡和幅度不平衡。从上述S参数中我们可以看到,该巴伦与理想的180度相位角有10度的偏差,这给我们带来了相位不平衡。将这些S参数转换为分贝值,我们看到|S21| = -3.61 dB和|S31| = -2.5 dB。这些值对应于1.11 dB的幅度不平衡。
将S参数的线性形式代入方程3和方程4得到Gdm = -0.06 dB和Gcm = -19.4 dB。使用这些增益值或原始的S参数在方程5中,我们发现共模抑制比等于19.3 dB。
高的共模抑制比与良好的幅度和相位平衡特性直接相关。我们通过的例子代表了一种典型的低性能巴伦,其幅度不平衡为±1 dB,相位不平衡为±10度。正如我们看到的,这种巴伦可以提供大约20 dB的共模抑制比。