原创 平衡－不平衡变压器

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下文中的注是我自己添加的，如有翻译不当或者描述错误，敬请指正！

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平衡-不平衡变压器

Balun(BALanced to UNbalanced)用于将平衡信号转换为不平衡信号，反之亦然。此外，它还能提供阻抗变换功能，因此被命名为平衡-不平衡变压器(Balun
Transformer)。

下面将描述各种商用Balun的特性。

变压器的种类

以下是最常用的几种变压器：

1
Ruthroff变压器

最常见的形式是使用双线绕在铁氧体或者铁芯上。图1(a)是变压器的等效电路，图1(b)是实际的实现形式。这类变压器带宽通常被限制在1.5GHz一下。能够隔离初级和次级以及改变阻抗比。阻抗比越高，则带宽越窄。这种改变可通过次级线圈中间抽头得到，如图1(c)。

         图1(a)                                 图1(b)                    

           图1(c)

图2，显示了这类变压器（1:4的阻抗比，次级线圈中间抽头）的性能。

                         图2

注1：VSWR 电压驻波比
(Voltage Standing Wave Ratio) VSWR=(1+|r|)/(1-|r|)
r :为发射系数

2
Guanella变压器（传输线变压器）

随着频率的升高，Ruthroff变压器的插入损耗随之增大，不平衡性以及电压驻波比也随之增大。传输线变压器克服了这些局限。

图3(a)是1:1变压器的等效电路，图3(b)是其最简单的一种实现形式，图3(c)是其替代形式，图3(d)是1:4变压器。

传输线变压器的带宽可以达到3GHz或者更高。

          图3(c)                                                图3(d)

注2：LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic)

图4显示了使用LTCC材料[注2]的传输线变压器的性能。

                           图4

3
Marchand变压器（玛春德巴伦）

传输线变压器没有隔离初级和次级。当电路需要隔离时，必须采用外部隔直(DC)。Marchand变压器解决了此问题。图5是它的原理图。

              图5

Marchand变压器刚问世时，它使用同轴空腔，非常笨重。经过多年的研究，它已经可以用微带线以及近年来使用的LTCC（例如Mini-Circuits公司那些带TCN和NCS的产品）来实现。LTCC变压器非常小巧（1206或者0805的封装大小）。商用Marchand变压器频率范围大于600MHz。理论上，它们可以提供任意的阻抗比，但商用的变压器通常限制在1:1，1:2，1:3和1:4这些比率上。图6展示了使用LTCC材料的变压器的性能。除了体积小之外，LTCC材料的变压器能在-55° 到100°C的温度范围内稳定工作。

                    图6

术语解释

插入损耗(Insertion Loss)

在网络分析仪出现之前，两个平衡-不平衡变压器直接连接，一起测量插入损耗。单个变压器的插入损耗是把测量结果除以二。

近年来，平衡-不平衡变压器用三端口网络描述，就像一个双向180°的分相器(two-way 180° splitter)。通常次级端口的阻抗不是50欧姆，阻抗变换对于精确测量非常重要。一个做法是在次级端接一个电阻式匹配元件(resistive matching pads)。使用这种方法测量从初级同名端到次级同名端以及从初级同名端到次级异名端(在减去匹配元件的损耗以及理论上分路的3dB损耗)的插入损耗。这两种损耗的平均值被定为插入损耗。

例如Agilent的PNA系列网络分析仪提供了阻抗变换和端口扩展功能，因此无需端接电阻式匹配元件，也能够在用户自定义的输入和输出阻抗的情况下测量。

幅度和相位的不平衡度（Unbalance-Amplitude and
Phase）

一个理想的平衡-不平衡变压器，在初级输入（非平衡端），在次级的两个端口的输出电压应该是幅度完全一致，相位相差180°。实际的变压器却总是有差别的，即幅度不平衡（用dB描述）和相位偏离180°（用度描述）。一个用三端口网络描述的变压器，提供了两种插入损耗（从初级同名端到次级同名端以及从初级同名端到次级异名端）。这两种损耗的dB差值被定义为幅度不平衡度。次级的两个端口相位偏离180°的角度值被定义为相位不平衡度。

输入返回损耗（Input Return Loss）[注3]

当次级的端接是理想的阻抗匹配情况，在初级测量的返回损耗就是输入返回损耗。它是变压器阻抗变换效率的一个指标。

注3：返回损耗(Return Loss)－当高速信号到达一条未良好匹配的传输线末端时，传输线会将一部分信号能量反射回发送端，此时反射信号和原始信号混杂，并使原始信号失真。返回损耗就定义为原始信号和反射信号的比，单位为dB。假如在某个频率上的返回损耗为 20dB，那么表明返回信号比原始信号在此频率上小20dB。这也是为什么虽然称为损耗，但是我们还要加大返回损耗的原因。简单的说，返回损耗表征了反射信号的相对强度，因此，可以用来衡量传输线是否良好匹配。

参考文献：

1) Ruthroff, C.L., “Some Broadband
Transformers,” Proc IRE, vol 47, August 1959, pp 1337-1342

2) Guanella, G., “ New Method of Impedance
Matching in Radio-Frequency Circuits”, Brown Boveri Review, September 1944, pp.
327-329

3) Marchand, N., “Transmission-Line
Conversion transformers”, Electronics, Vol 17, December 1944, pp 142-145