巴倫，在電路中起到平衡和非平衡信號之間相互轉作用，最初是為了推動電視傳輸系統中使用的差分天線而設計的。隨著時間的推移，巴倫的應用范圍已經擴展到包括混頻器、放大器以及各種類型的信號線。然而，盡管巴倫被廣泛使用，但很多朋友對此并沒有深入理解。本文旨在提供一個關于巴倫工作原理的概述，同時介紹一些其最重要的性能參數和應用場景。

理想的巴倫

電信號傳輸總是需要兩個導體。單端（非平衡）系統通過一個導體傳遞信號，并使用第二個導體作為地。差分（平衡）系統使用兩個導體傳遞相位相差180度的信號。

用于在平衡和非平衡配置之間進行轉換的設備被稱為巴倫，其縮寫為BALanced-to-UNbalanced。巴倫充當功率分配器的角色，產生兩個輸出，其幅度相等但相位相差180度。

巴倫是一個三端口元件。一個端口是非平衡的，而另外兩個端口共同形成一個單一的平衡端口。圖1展示了理想巴倫的典型輸入和輸出波形，其中端口1是非平衡端口，端口2和端口3形成平衡端口。

圖1

用S參數表示其傳輸特性：

巴倫是互易設備，這意味著它們在兩個方向上具有相同的傳輸特性。所以：

請注意，對于S23，即端口2和端口3之間的傳輸，沒有限制。換句話說，形成平衡端口的兩個輸出可能具有隔離，也可能沒有。

既然我們熟悉了理想巴倫的性質，讓我們來看看一些該元件最重要的性能參數。這些包括：

1. 插入損耗。

2. 回波損耗。

3. 幅度（不）平衡。

4. 相位（不）平衡。

5. 共模增益。

6. 共模抑制比。

7. 插入損耗
   

8. 巴倫的插入損耗也被稱為其差分模式的增益（Gdm）。使用S參數表示：

9. 

10. 巴倫數據手冊將提供在一個或多個特定頻率下的單端插入損耗值。它們可能還包括針對頻率的S21和S31的曲線，正如圖2所示，該圖是從Hyperlabs的HL9492巴倫的數據數據手冊中摘錄的。

11. 

12. 圖2

由于輸入功率被平均分配到兩個輸出，理論上插入損耗應該是-3 dB。然而，任何實際的巴倫實現都會由損耗，導致插入損耗值與-3 dB有誤差。這種損耗的大小取決于巴倫設計的具體情況。

有幾種不同的實現巴倫的方法可能會影響整體的頻率響應形狀。例如，圖3展示了使用同軸電纜構建的傳輸線巴倫的模擬頻率響應。在這種情況下，被稱為半波長諧振限定了可用帶寬的上限。

圖3

回波損耗

回波損耗是指入射信號從巴倫的端口反射或返回時所產生的損耗。圖4顯示了HL9492的單端回波損耗。

圖4

當插入損耗較低而輸入回波損耗較高時，該器件可以將大部分輸入功率傳輸到輸出端。這為我們提供了更大的動態(tài)范圍。

在圖4中，分別表征了端口2和端口3的回波損耗。我們還可以有效地將端口 2 和 3 描述為一個單一的平衡端口，就像我們在圖 1 的討論中所做的那樣。該模型如圖 5 所示，允許我們適當端接非平衡端口（端口 1），并將差分信號施加到平衡端口。

圖5

理想情況下，差分信號應完全通過巴倫，導致回波損耗為–∞。然而，如上圖所示，實際的巴倫只反映了入射信號的一小部分。圖 6 顯示了 Macom MABA-011131 巴倫的平衡輸出回波損耗。

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圖6

入射到平衡端口上的平衡信號大部分被吸收，但入射到平衡端口上的共模信號大部分被反射。理想情況下，共模信號平衡端口的回波損耗為0 dB。如圖 7 所示。

圖7

實際上巴倫可能會表現出模式轉換。當將差分信號施加到平衡端口時，我們可能會觀察到一個小的共模信號從器件反射。共模信號的應用還可能產生一個小的模式轉換的差模信號，該信號從器件反射回來。

幅度和相位平衡

幅度和相位平衡參數用于測量巴倫將單端信號轉換為差分信號的能力，反之亦然。

幅度平衡表征了平衡端口的功率幅度之間的匹配。幅度不平衡等于兩個插入損耗項之間的幅度差（S21和 S31).理想情況下，兩個端口的輸出功率應該相等，使我們的幅度不平衡為零。然而，在實際中，由于巴倫的設計和制造，總會有一些不匹配。

同樣，雖然理想情況下輸出信號應該彼此相差 180 度，但由于實際平衡-不平衡轉換器的缺陷，總會有一些偏差。相位角與理想 180 度的偏差稱為相位不平衡。

低性能巴倫通常具有 ±1 dB 的幅度不平衡和 ±10 度的相位不平衡。然而，更高性能的巴倫的幅度和相位不平衡值分別小至 ±0.2 dB 和 ±2 度。

共模增益和抑制比

如上所述，理想情況下，入射到平衡端口上的共模信號會完全反射出來。實際中，一些輸入共模功率被吸收，在單端輸出端產生不需要的信號。由于器件是互易的，這也意味著功率可以從非平衡端口分散到平衡輸出。我們可以使用以下公式來計算巴倫的共模增益來量化這種效應：

CMRR（共模抑制比）表征器件在產生所需差分信號的同時對共模信號的衰減程度

舉例說明

計算巴倫的共模抑制比（CMRR）

假設在給定頻率下，巴倫的傳輸特性以傳統S參數表示為S21 = 0.66 ∠ 0 度和S31 = 0.75 ∠ -170 度。讓我們計算該巴倫的差動模式增益、共模增益和共模抑制比。

首先，我們將找到相位不平衡和幅度不平衡。從上述S參數中我們可以看到，該巴倫與理想的180度相位角有10度的偏差，這給我們帶來了相位不平衡。將這些S參數轉換為分貝值，我們看到|S21| = -3.61 dB和|S31| = -2.5 dB。這些值對應于1.11 dB的幅度不平衡。

將S參數的線性形式代入方程3和方程4得到Gdm = -0.06 dB和Gcm = -19.4 dB。使用這些增益值或原始的S參數在方程5中，我們發(fā)現共模抑制比等于19.3 dB。

高的共模抑制比與良好的幅度和相位平衡特性直接相關。我們通過的例子代表了一種典型的低性能巴倫，其幅度不平衡為±1 dB，相位不平衡為±10度。正如我們看到的，這種巴倫可以提供大約20 dB的共模抑制比。