基于變壓器的RF巴倫配置及參數(shù)介紹

平衡 - 不平衡收縮（平衡 - 不平衡的收縮）是一個雙端口組件，當(dāng)差分平衡RF功能塊必須連接到單端接地參考時，放置在源和負載之間。雖然它在RF討論中經(jīng)常被“掩蓋”，因為它沒有為RF信號鏈增加明顯的價值，但這種無源元件在常見情況下是必不可少的。

例如，當(dāng)單端功率放大器（PA）驅(qū)動偶極天線元件（平衡負載）或鞭狀天線（單端）饋入差分前端時需要它放大器。您可能熟悉用于將廣播電視的屋頂，無線300Ω偶極天線連接到75Ω同軸電纜的大眾市場低成本平衡 - 不平衡變壓器，然后連接到電視機本身（一些較舊的電視假設(shè)偶極天線位于電視上，因此只有一對300Ω平衡螺絲端子輸入，在這種情況下需要另一個平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)從同軸電纜到電視輸入的反向轉(zhuǎn)換。

然而，對平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的需求超越了電視及其天線：近年來，RF IC越來越多地將差分配置用于其內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)，因為這樣可以提高噪聲抗擾度并提高整體RF性能，并且由于IC設(shè)計的性質(zhì)，成本非常低。

Baluns不是新的，甚至是相對較新的組件。從無線電話的早期開始就使用它們來解決單端/平衡困境?，F(xiàn)在，便攜式，手持式和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的增長意味著對微型，相對低功率的平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的需求巨大。這些可以使用類似于用于帶通濾波器，定向耦合器和SAW型振蕩器的基于陶瓷的制造來構(gòu)造。

巴倫參數(shù)，拓撲和構(gòu)造

幾乎所有射頻巴倫的設(shè)計都基于變壓器，具有諷刺意味的是，它是電動工具箱中最古老的部件之一。與用于向上或向下升壓電壓的傳統(tǒng)變壓器（變壓器的歷史作用）不同，類似變壓器的平衡 - 不平衡變壓器用于拓撲變換和信號路徑隔離。平衡 - 不平衡變換器必須充當(dāng)RF傳輸線，并且通常需要比變壓器需要更寬的帶寬和更好的帶寬信號處理特性。

構(gòu)建平衡 - 不平衡變換器的最明顯方法是采用雙繞組變壓器設(shè)計（圖1），一側(cè)接地，另一側(cè)浮動（差分）。平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器沒有標(biāo)識的“輸入”和“輸出”端口，但可以任意一種方式使用;換句話說，相同的平衡 - 不平衡變換器組件可用于單端到平衡變換以及相反的變換。

圖1：最簡單的巴倫配置之一是使用兼容RF的變壓器構(gòu)建的;平衡側(cè)的中心抽頭是可選的，通常不需要。

當(dāng)使用類似變壓器的繞組構(gòu)建平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器時，它還可以通過選擇適當(dāng)?shù)某跫?來提供電阻性的源 - 負載阻抗匹配。次級匝數(shù)比，使用眾所周知的公式：

這允許單個組件提供兩個角色，從而降低成本，占地面積和BOM。

像變壓器一樣，baluns乍一看似乎是簡單的組件，但實際上并不簡單。 Baluns具有重要的頂級RF參數(shù)，包括頻率范圍，帶寬，插入損耗，幅度不平衡，相位不平衡，線性度，失真，額定功率，尺寸和成本。 （這些具有無源組件的標(biāo)準(zhǔn)定義，因此這里不需要經(jīng)過它們。）請注意，一些供應(yīng)商指定-1 dB點的帶寬以及更常見的-3 dB點;在更嚴(yán)格的1 dB帶寬內(nèi)使用平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器將帶來更好的性能，更低的失真和更好的線性度。

盡管基本平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器具有類似變壓器的簡單拓撲結(jié)構(gòu)，但許多其他設(shè)計和配置都是可行的并且在實踐中使用，這取決于操作參數(shù)優(yōu)先級，頻率和帶寬，功率級別，可用組件和成本。請注意，除了接地/浮動轉(zhuǎn)換之外，并非所有應(yīng)用都需要電流隔離;一些平衡 - 不平衡變換器用于提供轉(zhuǎn)換而不是隔離;一個基本的非隔離型有點類似于AC線自耦變壓器（圖2）。

圖2：非隔離平衡 - 不平衡變壓器可以是使用單個繞組構(gòu)建，帶有接地中心抽頭;原理圖類似于用于調(diào)整交流電源線設(shè)置的自耦變壓器，但設(shè)計必須具有射頻規(guī)范。

與大多數(shù)性能參數(shù)一樣，選擇巴倫時必須進行權(quán)衡和妥協(xié)。 。對于諸如IoT單元和單頻帶智能手機之類的設(shè)備，所需的操作頻率占據(jù)相對窄的頻帶，通常僅為標(biāo)稱頻率的百分之幾。這簡化了平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，并允許在其他參數(shù)折衷方面具有更大的靈活性。然而，必須在分離頻帶中工作的多頻帶智能手機具有更大的平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器挑戰(zhàn)。解決方案是要么使用多個特定波段的平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器，要么使用寬帶平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器，這可能會降低整個感興趣范圍內(nèi)的線性度和平坦度，同時還會增加插入損耗。

單個平衡 - 不平衡變壓器通常可以在許多情況下，滿足應(yīng)用程序的多個設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。然而，正如有時需要多級濾波器來代替更簡單的單級濾波器以平衡設(shè)計目標(biāo)之間的權(quán)衡和折衷，可以在各種配置中使用多個平衡 - 不平衡變換器。圖3顯示了一個用于實現(xiàn)寬通帶的實現(xiàn)，而圖4顯示了一個平衡 - 不平衡變壓器，它被預(yù)補償以克服幅度和相位不平衡。

圖3：當(dāng)單個平衡 - 不平衡變換器和簡單配置不能滿足多個設(shè)計目標(biāo)時，可以在更復(fù)雜的配置中使用兩個（或更多）;這里，兩個用作寬帶A/D轉(zhuǎn)換器的變壓器耦合輸入。 （圖片由Analog Devices提供）

圖4：另一種多巴倫配置，同樣適用于寬帶A/D轉(zhuǎn)換器輸入，使用補償巴倫型變壓器與另一個巴倫串聯(lián)。

許多應(yīng)用的額定功率也很低，由于損耗導(dǎo)致的功耗不是問題。但是，必須檢查平衡 - 不平衡變換器規(guī)范的峰值功率處理以及平均能力，特別是在信號占空比很高的情況下，例如在傳輸大塊數(shù)據(jù)時，如使用高級無線協(xié)議所做的那樣。與基于陶瓷的實施方案相比，小型線繞平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器可用于處理這些稍高的功率水平，而占用面積和高度僅略微增加。

Balun示例顯示了低功耗設(shè)計的多樣性

Baluns的功率處理等級大約為數(shù)百瓦，存在嚴(yán)重的電流處理和耗散問題。它們可以由重型接線，管道或同軸電纜構(gòu)成;當(dāng)功率水平在幾千瓦并且頻率在幾GHz范圍內(nèi)時，使用專門設(shè)計的RF波導(dǎo)。

低功率應(yīng)用具有非常不同的物理場景。例如，M/A-COM的MABA-007159-000000是一種線繞1：1 RF傳輸線巴倫/變壓器，工作頻率范圍為4.5至3000 MHz（圖5）。它可以處理高達250 mW或30 mA。盡管其原理圖簡單（圖6），但它是一個射頻元件，因此必須通過射頻參數(shù)進行表征，包括插入損耗，輸入阻抗（古老的史密斯圓圖），相位不平衡和幅度不平衡（圖7）。盡管它采用非整體結(jié)構(gòu)，但它是一種表面貼裝元件，占地面積約為3.8×3.6 mm，可與標(biāo)準(zhǔn)元件處理生產(chǎn)設(shè)備配合使用。

圖5：M/A-COM MABA-007159-000000使用線繞組件方法構(gòu)建1：1 RF傳輸線平衡 - 不平衡變壓器/變壓器，用于4.5至3000 MHz的寬帶操作。

圖6：MABA-007159-000000的原理圖與AC線路或小信號變壓器無法區(qū)分。

圖7：盡管有簡單的原理圖，M/A-COM提供了設(shè)計人員使用這種寬帶巴倫所需的一組RF性能圖。

其他應(yīng)用使用集成的單片平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器，如STMicroelectronics BAL-CW1250D3，專為2400 MHz至2500 MHz WLAN應(yīng)用而設(shè)計;它的尺寸僅為1.2×1.2 mm，采用5焊球倒裝芯片封裝。這款50Ω輸入巴倫專門用于匹配ST-Ericsson RFIC CW1250，CW1150，CW1260收發(fā)器的系統(tǒng)配置（圖8），并采用集成無源器件技術(shù)在非導(dǎo)電玻璃基板上制造。與M/A-COM部分一樣，供應(yīng)商提供了一整套RF規(guī)范，但在這里，它們僅適用于該器件與寬帶M/A-COM器件相比更窄的帶寬（圖9）。

圖8：作為單片器件構(gòu)建，窄帶STMicroelectronics BAL-CW1250D3巴倫被設(shè)計為特定ST-的BOM和接口的一部分愛立信收發(fā)器。

圖9：供應(yīng)商再次提供了一套全面的RF圖，包括插入損耗，差分和單端回波損耗，振幅和相位不平衡以及二次諧波失真。