基于变压器的RF巴伦配置及参数介绍

平衡 - 不平衡收缩（平衡 - 不平衡的收缩）是一个双端口组件，当差分平衡RF功能块必须连接到单端接地参考时，放置在源和负载之间。虽然它在RF讨论中经常被“掩盖”，因为它没有为RF信号链增加明显的价值，但这种无源元件在常见情况下是必不可少的。

例如，当单端功率放大器（PA）驱动偶极天线元件（平衡负载）或鞭状天线（单端）馈入差分前端时需要它放大器。您可能熟悉用于将广播电视的屋顶，无线300Ω偶极天线连接到75Ω同轴电缆的大众市场低成本平衡 - 不平衡变压器，然后连接到电视机本身（一些较旧的电视假设偶极天线位于电视上，因此只有一对300Ω平衡螺丝端子输入，在这种情况下需要另一个平衡 - 不平衡转换器来实现从同轴电缆到电视输入的反向转换。

然而，对平衡 - 不平衡转换器的需求超越了电视及其天线：近年来，RF IC越来越多地将差分配置用于其内部拓扑结构，因为这样可以提高噪声抗扰度并提高整体RF性能，并且由于IC设计的性质，成本非常低。

Baluns不是新的，甚至是相对较新的组件。从无线电话的早期开始就使用它们来解决单端/平衡困境。现在，便携式，手持式和物联网应用的增长意味着对微型，相对低功率的平衡 - 不平衡转换器的需求巨大。这些可以使用类似于用于带通滤波器，定向耦合器和SAW型振荡器的基于陶瓷的制造来构造。

巴伦参数，拓扑和构造

几乎所有射频巴伦的设计都基于变压器，具有讽刺意味的是，它是电动工具箱中最古老的部件之一。与用于向上或向下升压电压的传统变压器（变压器的历史作用）不同，类似变压器的平衡 - 不平衡变压器用于拓扑变换和信号路径隔离。平衡 - 不平衡变换器必须充当RF传输线，并且通常需要比变压器需要更宽的带宽和更好的带宽信号处理特性。

构建平衡 - 不平衡变换器的最明显方法是采用双绕组变压器设计（图1），一侧接地，另一侧浮动（差分）。平衡 - 不平衡转换器没有标识的“输入”和“输出”端口，但可以任意一种方式使用;换句话说，相同的平衡 - 不平衡变换器组件可用于单端到平衡变换以及相反的变换。

图1：最简单的巴伦配置之一是使用兼容RF的变压器构建的;平衡侧的中心抽头是可选的，通常不需要。

当使用类似变压器的绕组构建平衡 - 不平衡转换器时，它还可以通过选择适当的初级/来提供电阻性的源 - 负载阻抗匹配。次级匝数比，使用众所周知的公式：

这允许单个组件提供两个角色，从而降低成本，占地面积和BOM。

像变压器一样，baluns乍一看似乎是简单的组件，但实际上并不简单。 Baluns具有重要的顶级RF参数，包括频率范围，带宽，插入损耗，幅度不平衡，相位不平衡，线性度，失真，额定功率，尺寸和成本。 （这些具有无源组件的标准定义，因此这里不需要经过它们。）请注意，一些供应商指定-1 dB点的带宽以及更常见的-3 dB点;在更严格的1 dB带宽内使用平衡 - 不平衡转换器将带来更好的性能，更低的失真和更好的线性度。

尽管基本平衡 - 不平衡转换器具有类似变压器的简单拓扑结构，但许多其他设计和配置都是可行的并且在实践中使用，这取决于操作参数优先级，频率和带宽，功率级别，可用组件和成本。请注意，除了接地/浮动转换之外，并非所有应用都需要电流隔离;一些平衡 - 不平衡变换器用于提供转换而不是隔离;一个基本的非隔离型有点类似于AC线自耦变压器（图2）。

图2：非隔离平衡 - 不平衡变压器可以是使用单个绕组构建，带有接地中心抽头;原理图类似于用于调整交流电源线设置的自耦变压器，但设计必须具有射频规范。

与大多数性能参数一样，选择巴伦时必须进行权衡和妥协。 。对于诸如IoT单元和单频带智能手机之类的设备，所需的操作频率占据相对窄的频带，通常仅为标称频率的百分之几。这简化了平衡 - 不平衡转换器的设计，并允许在其他参数折衷方面具有更大的灵活性。然而，必须在分离频带中工作的多频带智能手机具有更大的平衡 - 不平衡转换器挑战。解决方案是要么使用多个特定波段的平衡 - 不平衡转换器，要么使用宽带平衡 - 不平衡转换器，这可能会降低整个感兴趣范围内的线性度和平坦度，同时还会增加插入损耗。

单个平衡 - 不平衡变压器通常可以在许多情况下，满足应用程序的多个设计标准。然而，正如有时需要多级滤波器来代替更简单的单级滤波器以平衡设计目标之间的权衡和折衷，可以在各种配置中使用多个平衡 - 不平衡变换器。图3显示了一个用于实现宽通带的实现，而图4显示了一个平衡 - 不平衡变压器，它被预补偿以克服幅度和相位不平衡。

图3：当单个平衡 - 不平衡变换器和简单配置不能满足多个设计目标时，可以在更复杂的配置中使用两个（或更多）;这里，两个用作宽带A/D转换器的变压器耦合输入。 （图片由Analog Devices提供）

图4：另一种多巴伦配置，同样适用于宽带A/D转换器输入，使用补偿巴伦型变压器与另一个巴伦串联。

许多应用的额定功率也很低，由于损耗导致的功耗不是问题。但是，必须检查平衡 - 不平衡变换器规范的峰值功率处理以及平均能力，特别是在信号占空比很高的情况下，例如在传输大块数据时，如使用高级无线协议所做的那样。与基于陶瓷的实施方案相比，小型线绕平衡 - 不平衡转换器可用于处理这些稍高的功率水平，而占用面积和高度仅略微增加。

Balun示例显示了低功耗设计的多样性

Baluns的功率处理等级大约为数百瓦，存在严重的电流处理和耗散问题。它们可以由重型接线，管道或同轴电缆构成;当功率水平在几千瓦并且频率在几GHz范围内时，使用专门设计的RF波导。

低功率应用具有非常不同的物理场景。例如，M/A-COM的MABA-007159-000000是一种线绕1：1 RF传输线巴伦/变压器，工作频率范围为4.5至3000 MHz（图5）。它可以处理高达250 mW或30 mA。尽管其原理图简单（图6），但它是一个射频元件，因此必须通过射频参数进行表征，包括插入损耗，输入阻抗（古老的史密斯圆图），相位不平衡和幅度不平衡（图7）。尽管它采用非整体结构，但它是一种表面贴装元件，占地面积约为3.8×3.6 mm，可与标准元件处理生产设备配合使用。

图5：M/A-COM MABA-007159-000000使用线绕组件方法构建1：1 RF传输线平衡 - 不平衡变压器/变压器，用于4.5至3000 MHz的宽带操作。

图6：MABA-007159-000000的原理图与AC线路或小信号变压器无法区分。

图7：尽管有简单的原理图，M/A-COM提供了设计人员使用这种宽带巴伦所需的一组RF性能图。

其他应用使用集成的单片平衡 - 不平衡转换器，如STMicroelectronics BAL-CW1250D3，专为2400 MHz至2500 MHz WLAN应用而设计;它的尺寸仅为1.2×1.2 mm，采用5焊球倒装芯片封装。这款50Ω输入巴伦专门用于匹配ST-Ericsson RFIC CW1250，CW1150，CW1260收发器的系统配置（图8），并采用集成无源器件技术在非导电玻璃基板上制造。与M/A-COM部分一样，供应商提供了一整套RF规范，但在这里，它们仅适用于该器件与宽带M/A-COM器件相比更窄的带宽（图9）。

图8：作为单片器件构建，窄带STMicroelectronics BAL-CW1250D3巴伦被设计为特定ST-的BOM和接口的一部分爱立信收发器。

图9：供应商再次提供了一套全面的RF图，包括插入损耗，差分和单端回波损耗，振幅和相位不平衡以及二次谐波失真。