芯耀
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巴伦（Baluns）是一种在平衡信号和非平衡信号之间进行转换的设备，最初设计用于驱动电视发射系统中使用的差分天线。从那以后，巴伦的应用范围已扩展到包括平衡混频器、放大器以及各种类型的信号线。然而，尽管巴伦应用广泛，但初学者可能会发现，现有的关于巴伦的信息零散且令人困惑。本文旨在概述巴伦的工作原理，以及其一些最重要的性能参数和应用。
一、理想的巴伦
电信号传输总是需要两根导线。单端（非平衡）系统在一根导线上传输信号，并将第二根导线用作接地。差分（平衡）系统使用两根导线来传输彼此相位相差180°的信号。
用于在平衡和非平衡配置之间实现接口功能的组件被称为巴伦（balun），是“平衡到非平衡”（BALanced-to-UNbalanced）的缩写。巴伦起到功率分配器的作用，产生两个幅度相等但彼此相位相差180°的输出。
巴伦是一种三端口设备。一个端口是非平衡的，而另外两个端口协同工作以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构成平衡端口。
图1. 一个理想的巴伦将输入信号分解为两个幅度相等但极性相反的信号。
以下两个方程可以用传统的S参数来描述巴伦的基本功能。首先，我们有：
公式1：
S21=−S31巴伦是可逆器件，这意味着它们在两个方向上具有相同的传输特性。因此，除了公式1之外，我们还有： 公式2：S21= S12 = −S31 = −S13
请注意，对于S23（端口2和端口3之间的传输参数）没有限制条件。换句话说，构成平衡端口的两个输出可能有隔离，也可能没有隔离。
既然我们已经熟悉了理想巴伦的特性，那我们来看看这种器件的一些最重要的性能参数。这些参数包括：
- 插入损耗。
- 回波损耗。
- 幅度不平衡度。
- 相位不平衡度。
- 共模增益。
- 共模抑制比。
二、插入损耗
巴伦的插入损耗也被称为其差模增益（Gdm）。根据传统的S参数，这个参数由以下公式给出：
公式3：
巴伦的数据手册会给出在一个或多个特定频率下的单端插入损耗值。数据手册中可能还会包含S21和S31随频率变化的曲线，如图2所示——该图来自某款巴伦的数据手册。
图2. 巴伦的S21和S31随频率变化的关系图。
由于输入功率在两个输出端之间平均分配，理论上插入损耗应为–3dB。然而，任何实际的巴伦器件都会存在损耗机制，这些机制会进一步降低传输到平衡输出端的功率，导致插入损耗值<–3dB。这种损耗的大小取决于巴伦设计的具体细节。
有几种不同的巴伦实现方法，这些方法会影响频率响应的整体形状。例如，图3展示了一个由同轴电缆构成的传输线巴伦的模拟频率响应。在这种情况下，一种被称为半波长谐振的现象设定了可用带宽的上限。
图3. 同轴电缆传输线巴伦中的半波长谐振。
三、回波损耗
回波损耗是指入射信号从巴伦的端口反射（即返回）时所经历的损耗。图4展示了该巴伦的单端回波损耗情况。
图4. 巴伦的单端回波损耗随频率变化的关系图。
当插入损耗较低且输入回波损耗较高时，该器件能够将输入功率中更大的一部分传输到输出端。这为我们提供了更大的动态范围。
在图4中，端口2和端口3的回波损耗是分别进行表征的。我们也可以像在讨论图1时所做的那样，将端口2和端口3作为一个单一的平衡端口来进行有效表征。如图5所示的这个模型，使我们能够适当地端接非平衡端口（端口1），并向平衡端口施加差分信号。
图5. 将端口2和端口3的回波损耗当作它们是一个单一的平衡端口来进行表征。
理想情况下，差分信号应该完全通过巴伦，从而使得回波损耗为负无穷大（–∞）。然而，正如上文所示，实际的巴伦会反射一小部分入射信号。图 6展示了另一款巴伦的平衡输出回波损耗情况。
图6. 巴伦的平衡输出回波损耗。
入射到平衡端口的平衡信号大部分会被吸收，但入射到平衡端口的共模信号大部分会被反射。理想情况下，平衡端口对于共模信号的回波损耗为0dB。这在图7中有所说明。
图7. 入射到平衡端口的大部分共模信号被反射回去。
值得一提的是，实际的巴伦可能会出现模式转换现象。当向平衡端口施加差分信号时，我们可能会观察到从该器件反射回一个小的共模信号。当施加一个共模信号时，也可能会产生一个小的、经过模式转换的差模信号从器件反射回来。
通常认为这些模式转换效应可以忽略不计，因此大多数数据手册中并未包含关于它们的详细信息。
四、幅度和相位不平衡
幅度和相位不平衡参数用于衡量巴伦将单端信号转换为差分信号，或者将差分信号转换为单端信号的能力优劣。对于巴伦来说，它们可能是最重要的性能参数了，而要深入讲解这些参数，本文的篇幅和时间可能不够。目前，我们先做简要说明。
幅度平衡表征的是平衡端口之间功率幅度的匹配程度。幅度不平衡等于两个插入损耗项（S21和S31）之间的幅度差。理想情况下，两个端口的输出功率应该相等，此时幅度不平衡为零。然而在实际中，由于巴伦的设计和制造工艺的原因，总是会存在一些不匹配的情况。
同样地，虽然理想状态下输出信号彼此之间的相位差应该是180°，但由于实际巴伦存在的缺陷，总会有一些偏差。与理想的180°相位角的偏差就被称为相位不平衡。
低性能的巴伦通常具有±1dB的幅度不平衡和±10°的相位不平衡。然而，高性能的巴伦的幅度和相位不平衡值分别可低至±0.2dB和±2°。
五、共模增益和共模抑制比
如前所述，理想情况下，入射到平衡端口的共模信号会被完全反射。但在实际中，一部分输入的共模功率会被吸收，从而在单端输出端产生不期望的信号。由于该器件是可逆的，这也意味着功率可能会从非平衡端口散射到平衡输出端。我们可以使用以下公式来计算巴伦的共模增益，从而量化这种影响：
公式4：
现在可以应用源自低频模拟设计的共模抑制比（CMRR）这一概念了。共模抑制比表征了该器件在产生所需的差分信号的同时对共模信号的衰减能力。由公式3和公式4可得出：
公式5：
让我们通过一个例子来巩固这些概念。
六、计算巴伦的共模抑制比
假设在给定频率下，根据传统的S参数，一个巴伦的传输特性为S21=0.66∠0°以及S31=0.75∠-170°。让我们来计算这个巴伦的差模增益、共模增益以及共模抑制比。
首先，我们来求相位不平衡和幅度不平衡。从上述S参数中我们可以看出，该器件与理想的180°相位角有10°的偏差，这就是我们所说的相位不平衡。将这些S参数转换为dB值，我们得到|S21|=-3.61dB，|S31|=-2.5dB。这些值对应的幅度不平衡为1.11dB。
将S参数的线性形式代入公式3和公式4，结果分别是差模增益Gdm=-0.06dB，共模增益Gcm=-19.4dB。将这些增益值或者原始的S参数代入公式5，我们发现共模抑制比等于19.3dB。
高共模抑制比与良好的幅度和相位平衡特性直接相关。我们分析的这个例子代表了一个典型的低性能巴伦，其幅度不平衡为±1dB，相位不平衡为±10°。正如我们所看到的，这个巴伦可以提供大约20dB的共模抑制比。
总结
巴伦作为平衡与非平衡信号转换的核心器件，其性能直接决定信号传输质量与系统动态范围。通过插入损耗、回波损耗、幅度/相位平衡及共模抑制比等关键参数，可系统评估其差分信号转换能力。理想巴伦虽需满足零损耗与完美平衡，但实际器件受设计工艺限制，需在带宽、损耗与隔离间权衡优化。高性能巴伦通过降低幅度/相位不平衡（≤±0.2dB/±2°）与提升共模抑制比（>40dB），可显著抑制共模干扰与模式转换效应，成为精密通信、雷达及射频前端电路中保障信号完整性的关键元件。
