傳輸線平衡器巴倫的原理設(shè)計(jì)制作及測試

一、平衡器（巴倫）的由來平衡器即BalancingDevice，其主要作用是完成由單端傳輸（如：同軸線、微帶線等）變換為差分傳輸（如：半波振子天線，推挽電路等）之間的變換，又稱為平衡-不平衡變換器即Balance-Unbalance，英文將其合并縮寫成一個新詞Balun，音譯為巴倫。以下文中所提到的平衡器、平衡-不平衡變換器、巴倫，都是指這一類器件。巴倫在無線電中有著廣泛的用途，由于其原理結(jié)構(gòu)多種多樣，并且可以互相組合，使得許多朋友在自制巴倫時有無從下手的感覺，哪種結(jié)構(gòu)適合？如何選擇材料？如何計(jì)算制作參數(shù)？如何衡量巴倫的性能？對于我們業(yè)余愛好者，主要就是用在天線的饋電和高頻功放中，完成平衡-不平衡及阻抗變換的作用，工作在短波1.8MHZ~30MHZ，并要求取材和制作容易。結(jié)合我對巴倫的認(rèn)識理解，認(rèn)為傳輸線結(jié)構(gòu)的巴倫，更適合短波通信，其性能好、取材方便、制作容易，但其理論不易理解，造成很多朋友將其搞成了磁耦合變壓器結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)頻帶窄、功率容量小、駐波不平坦的問題，結(jié)果當(dāng)然達(dá)不到傳輸線變換器的效果。下面就我個人對傳輸線變換器的粗淺理解，簡單描述一下做巴倫的情況，如需要更深入的了解可以參考有關(guān)文獻(xiàn)資料，有不當(dāng)之處，還請各位前輩指正，謝謝！

二、傳輸線平衡器（巴倫）的簡單原理平衡器有很多種，按平衡條件可以分為四大類：扼流式（扼制不平衡電流）、對稱式（對地阻抗平衡）、倒相式（電壓倒相）、磁耦合式（電流共扼）。我這里主要描述一下基于傳輸線變換器的平衡-不平衡變換，同時具備阻抗變換作用的巴倫，兼有扼流式和磁耦合式的特征。

傳輸線變換器的結(jié)構(gòu)如上圖，它是在高頻磁環(huán)上纏繞一組或幾組傳輸線，利用不同的連接方法來完成阻抗變換和平衡-不平衡變換作用。能量從變換器的始端到終端是通過傳輸線的分布電容、分布電感以及電磁能量交換的形式來傳送的，這和通常的繞匝變壓器不同，它克服了繞匝變壓器在高頻時由于線圈的分布電容所帶來的不利影響，改善了高頻特性。此外，每對傳輸線的兩導(dǎo)線電流的幅度相等方向相反，因而他們在磁芯中產(chǎn)生的磁通相互抵消，這樣磁芯的損耗很小，即使磁芯截面積很小，也具有較大的功率容量。所以，它具有頻帶寬、體積小、功率容量大等優(yōu)點(diǎn)，

傳輸線變換器在低頻端可以等效為傳統(tǒng)的低頻變換器，其低頻響應(yīng)的惡化是由于傳輸線兩導(dǎo)體之間由于磁化電感引起的并聯(lián)電納，它決定了變換器的最低工作頻率。

在高頻端它是具有一定特征阻抗的傳輸線，為避免產(chǎn)生任何諧振現(xiàn)象，特別是對于復(fù)數(shù)負(fù)載，它會引起實(shí)質(zhì)上的幅度波動增加，傳輸線的長度不超過上限頻率波長的八分之一，過短低頻特性會變差。

為了選擇用于RF變換的磁芯，需要知道磁芯的飽和磁通和它的非線性特性，按最低工作頻率的最大功率計(jì)算最大磁通密度。

既然是用傳輸線變換器做平衡-不平衡變換，那么在平衡端含有的不平衡分量的多少，就是平衡-不平衡變換的重要指標(biāo)，可以用類似電路中的共模信號和差模信號來描述不平衡信號和平衡信號，那就可以用共模抑制比來描述這個指標(biāo)了，我覺得也可以稱做不平衡抑制。它即受阻抗變換比例的影響，也受共模電感量的影響。

三、傳輸線平衡器（巴倫）計(jì)算軟件的使用基于前述原理，可以給出若干相關(guān)的計(jì)算公式，但計(jì)算是一個試算-調(diào)整參數(shù)-再算-再調(diào)整，反反復(fù)復(fù)多次尋找最適合結(jié)果的過程，同時對磁芯的各項(xiàng)參數(shù)都要熟悉，因此，我結(jié)合自己對傳輸線變換器的理解和巴倫的特點(diǎn)以及對磁芯的了解，試寫了一個用于計(jì)算傳輸線巴倫的小軟件，希望能解決手工計(jì)算的麻煩。軟件運(yùn)行后出現(xiàn)如圖窗口，請輸入所設(shè)計(jì)的傳輸線巴倫的最高工作頻率、最低工作頻率、最大功率并選擇一款磁環(huán)和試?yán)@匝數(shù)，磁環(huán)編號中前兩位數(shù)字是磁環(huán)的外徑后兩位代表不同性能的磁材，第一次計(jì)算可以隨便選擇一個，試?yán)@匝數(shù)也可以隨便寫個整數(shù)，如10，然后點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，右下角會根據(jù)計(jì)算的結(jié)果給出需要調(diào)整的參數(shù)，調(diào)整后繼續(xù)計(jì)算，直到獲得滿意的結(jié)果，如果始終不能獲得有意義的結(jié)果，則可能是頻率覆蓋范圍太寬，或功率太大，適當(dāng)降低一些在試試。

經(jīng)過反復(fù)計(jì)算得到的結(jié)果是一個傳輸線變換基本單元的數(shù)據(jù)（磁環(huán)編號，穿繞匝數(shù)），然后根據(jù)所需巴倫的阻抗變換比（電壓比的平方=阻抗比），選擇適當(dāng)接線結(jié)構(gòu)，軟件中給出了部分常用的電壓比的結(jié)構(gòu)圖供參考，右上方的按鈕上的是電壓比，圖中寫出了相應(yīng)的阻抗比。另外請注意，本軟件在計(jì)算最大磁通時是按最差情況估算的，實(shí)際承受的功率要高的多，共模抑制是按不小于20db計(jì)算的，即不平衡功率<1%，這兩項(xiàng)約束條件體現(xiàn)在共模阻抗和最大磁通，可以根據(jù)自己的需要選擇，而不必理會給出的建議，但若不知道如何選擇，還是按建議調(diào)整計(jì)算為好。插損、駐波和帶寬與穿繞匝數(shù)和線徑有一定影響，需要在實(shí)際試制中加以考慮。還有就是只能以我提供的磁環(huán)進(jìn)行計(jì)算，其他磁環(huán)沒有詳盡的特性參數(shù)，無法給與計(jì)算。

四、傳輸線平衡器（巴倫）的制作實(shí)例例1：最低工作頻率，最高工作頻率40MHZ，最大功率：1000W，電壓比1：1，即阻抗比1：1

將以上參數(shù)輸入，試?yán)@匝數(shù)按缺省的10，隨便先選擇一款磁環(huán)如：NH2246（外徑22mm的磁環(huán)），“計(jì)算”后，建議“增加圈數(shù)”，

將試?yán)@匝數(shù)改為18，“計(jì)算”后，建議“減少圈數(shù)”。

將試?yán)@匝數(shù)改為17，“計(jì)算”后，建議“更換磁環(huán)”。

更換磁環(huán)為NH4578，“計(jì)算”后，試?yán)@匝數(shù)為8，獲得滿足條件的結(jié)果。

例2：最低工作頻率，最高工作頻率50MHZ最大功率：500W，電壓比1：2，即阻抗比1：4

例3：最低工作頻率6MHZ，最高工作頻率30MHZ最大功率：200W，電壓比1：3，即阻抗比1：9

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，制作的傳輸線巴倫，基本可以達(dá)到預(yù)期的效果，但在實(shí)際制作中由于選材和制作工藝的差異，會有些出入，請大家依據(jù)自己的實(shí)際情況適當(dāng)增減圈數(shù)就應(yīng)該可以達(dá)到要求，一般磁環(huán)不用試來試去的，這里推薦大家主要選擇以下三種常用規(guī)格，基本可以滿足大部分做天線巴倫的需要。

NH2246：200W以下，頻帶偏高些（6MHz~30MHz），外形22X11X5NH3158：中高功率，頻帶覆蓋寬（1MHz~50MHz），外形31X18X7NH4578：可以上KW的高功率，頻帶高端略低（1.6MHz~30MHz），外形45X26X8

另外傳輸線變壓器應(yīng)該采用相應(yīng)特征阻抗的同軸電纜制作，但在實(shí)際制作中由于特殊阻抗的同軸纜很難找到，且所做天線巴倫基本在短波工作，對傳輸線的結(jié)構(gòu)和阻抗要求不是很高，使用雙絞傳輸線代替也是可以的，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，也可以用聚酯漆包線并繞而成，需要絞距均勻，松緊一致。繞制線圈前，可以按軟件給出的傳輸線長度裁剪，太長會影響頻率高端的駐波，在大功率用途時，應(yīng)考慮用盡可能粗的導(dǎo)線繞制，減小損耗和發(fā)熱。傳輸線結(jié)構(gòu)做的好的話，磁環(huán)更本不發(fā)熱，其原理已經(jīng)決定了，只有頻率低端的共模功率需要磁環(huán)提供共模阻抗，主要的能量交換是在傳輸線的分布電感和分布電容間轉(zhuǎn)換傳遞的，不需要磁環(huán)提供磁場的變換，這一點(diǎn)是與磁耦合平衡器原理的巴倫的本質(zhì)的不同，盡管都是在磁環(huán)上繞線，其結(jié)構(gòu)和原理卻完全不同，磁耦合變壓器可以使用屏蔽，而且初次之間也應(yīng)該使用屏蔽，傳輸線變壓器則不能用屏蔽，包括金屬外殼，它會破壞共模抑制效果的。

下圖是傳輸線巴倫的制作過程，為表明1：4和1：9的接線順序，磁環(huán)間和接線都留出了比較大的距離，實(shí)際的巴倫不能這樣大的空間，接線應(yīng)該盡量短才好。

圖例1、電纜用的是BELDEN6320UL18AGW雙絞線磁環(huán)是NH4578，外徑45mm圖例2、纏繞的方法圖例3、穿繞需要的圈數(shù)圖例4、剝?nèi)ル娎|外護(hù)套剝?nèi)ソ^緣層按顏色排好線序一個就是1：1的圖例5、兩個就是1：4的圖例6、三個就是1：9的

巴倫模型圖：

HFSS中畫出的巴倫結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)：

1，正面微帶部分，上面是扇形，下面是109歐姆~50歐姆的阻抗匹配線

2，反面槽線部分，兩個扇形開槽，在圓心處通過的槽線連通，其他部分是銅皮

3，中間是介質(zhì)，低介電常數(shù)，很薄

目前情況：

按要求是要在一個微帶線口輸入，經(jīng)過耦合到背面的扇形槽，再傳輸?shù)搅硪粋€扇形槽，再耦合指第二條微帶線輸出，仿真觀察其S參數(shù)，駐波比等。

背面除槽線部分設(shè)置為了銅皮，正面的微帶線業(yè)是有限電導(dǎo)率的邊界條件；