巴倫的原理、設(shè)計(jì)、制作

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1、傳輸線平衡器（巴倫）的原理、設(shè)計(jì)、制作及測試 、平衡器（巴倫）的由來 平衡器即Balancing Device，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-Unbalanee，英文將其合并縮寫成一個(gè)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(shí)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

2、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(shí)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(gè)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！ a til 二、傳輸線平衡器（巴倫）的簡單原理

3、 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(shí)具備阻抗變換作用 的巴倫，兼有扼流式和磁耦合式的特征。 B5.6 -二?sa 矗朮浜aa ??E AAAr- 3.^.^ ?,多舫戡性血旺TJFUHF脾故埔電勰 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

4、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(shí)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

5、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(huì)引起實(shí)質(zhì)上的幅度波動(dòng)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(huì)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(hào) 和差模信號(hào)來描述不平衡信號(hào)和平衡信號(hào)， 那就可以用共模抑制比來描述這個(gè)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，

6、 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(gè)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(shí)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(gè)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(hào)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(gè)， 試?yán)@匝數(shù) 也可以隨便寫

7、個(gè)整數(shù)，如 10，然后點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，右下角會(huì)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 經(jīng)過反復(fù)計(jì)算得到的結(jié)果是一個(gè)傳輸線變換基本單元的數(shù)據(jù)（磁環(huán)編號(hào)，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(shí)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

8、，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(huì)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1.8MHZ最高工作頻率40MHZ 最大功率：iooow電壓比1： 1，即阻抗比1：1 10，隨便先選擇一款磁環(huán) “增加圈數(shù)”， 將以上參數(shù)輸入，試?yán)@匝數(shù)按缺省的 如：NH2246（外徑22mm勺磁環(huán)），“計(jì)算”后，建議

9、 Rn VR1 F MHz ST XT> I — Wfcttf |3H 遲出 計(jì)畀1 些毎亀—tuiO ■■ 將試?yán)@匝數(shù)改為18,“計(jì)算”后，建議“減少圈數(shù)” 睡4fl *J 特柵沁Z [41? 辰百工作腕砰 氐工祥黴豐［n血百 ffil- liJQG Tfctti tnTJ I |l06 遲出 W ［昭 將試?yán)@匝數(shù)改為17,“計(jì)算”后，建議“更換磁環(huán)” -i 小

10、干* CM?話博 |5r^ 昶鬲工庫壇軍k> *T> 空氈工ftifi率|i k IH= □ ksf 1EK珈卑 !1lXi& Kattj ■ RAffilPn irfD 小千Y IDO " 退土 G] MbfaAK fidD za 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 臨托首家變隹茂帑助計(jì)口 y 元 1: 1 2 :L [1: 2 3 :1 1: 3 2 :3 ffi 就 合 厶 口］ 成2 二

11、1 1帕 RHi || JQh |1000 mt? F ■S工作頻車 是大功率 試城剛數(shù) 計(jì)算 Site 共橫阻杭(oh*5> hn 大于〉 [250 (*T> ?S5 |320 共橫電毎*

12、4 問岡 [tis 1 而一 [tis 1 而一 [tis 1 而一 例3:最低工作頻率 6MHZ最咼工作頻率 30MHZ 最大功率：200Vy電壓比1: 3,即阻抗比1: 9 Mx 屮| 2:1 1:2 3:1 11 = 3] 2: R」 Ks：Rl=1：9 NtC216 傳箱域長度 bT< 嚴(yán)離工作裁軍 [30 KHz 大千、 謹(jǐn)庇工柞總朿 畐 服 最大功畢 愴00 fatts 謹(jǐn)大危通亦CaT> 試統(tǒng)匝救 \w 小于< ■a 其模昵

13、再年fuH》 推枕 合底2 | 約歪條件 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(huì)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~30M），外形 22X11X5 NH3158中高功率，頻帶覆蓋

14、寬（1MHz~50MHz，外形31X18X7 NH4578可以上KW的高功率，頻帶高端略低（1.6MHz~30MH），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(huì)影響頻率高端的駐波， 在大功率用途時(shí)， 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

15、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(huì)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 BELDEN 6320UL

16、18AGW^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(gè)就是 1:1的 圖例5、兩個(gè)就是1 : 4的 圖例6、三個(gè)就是1 : 9的 五、傳輸線平衡器（巴倫）的測試 1、巴倫的駐波比、共模抑制比、插入損耗: A駐波比一一巴倫的平衡輸出端接匹配的假負(fù)載，在使用頻帶內(nèi)測量同 軸端的駐波比，一般小于1.5就可以了。假負(fù)載的阻抗是按照巴倫的阻 抗比計(jì)算的，一般可以用無感電阻制作，其功率應(yīng)當(dāng)滿足測量功率的需 要。實(shí)驗(yàn)表明使用多個(gè)貼片電阻并聯(lián)達(dá)到所須阻值和功率有非常好的效 果，而使用引線的電阻頻率超

17、過 20M HZ其頻率特性急劇變壞。 B.共模抑制比一一通過測量巴倫平衡輸出端的不平衡功率和輸入巴倫的 功率的比來計(jì)算，不平衡功率是通過將平衡端的假負(fù)載平均分為兩部分,其中點(diǎn)對于平衡的差分信號(hào)是零點(diǎn)，因此中點(diǎn)對地的信號(hào)功率就是不平 衡信號(hào)的功率，就是通過巴倫泄漏過來的共模信號(hào)功率，將此功率與輸 入功率之比再換算為分貝就是其共模抑制比，其數(shù)值越大約好，一般大 于20db即可。對于較高阻抗的假負(fù)載對共模信號(hào)有部分衰減，需要在測 量的結(jié)果中予以扣除。 C.插入損耗一一巴倫的插入損耗是指巴倫的輸出功率和輸入功率之比， 然而輸出是平衡信號(hào)的巴倫不便直接測量輸出端功率，一般是通過將兩 個(gè)相同的巴倫的

18、平衡端對接，即將平衡信號(hào)在變?yōu)椴黄胶獾?0歐同軸測 量其損耗，然后在除以2,得到一個(gè)巴倫的插損（即認(rèn)為兩個(gè)巴倫是一樣 的），同樣是分貝值，越小越好，通常 <0.5db。 2、2020型數(shù)字駐波表+巴 倫測試附件 2020型數(shù)字駐波表主要技術(shù)指標(biāo)： *功率探頭 Vp： <14V *最大功率測量：200W （通過式功率計(jì)） *駐波測量：1.00?99.9 *頻率范圍：1.8MHZ?60MHZ 用于測試的1:1巴倫 *450歐平衡差分負(fù)載組件：1: 4巴倫，＜16W 用于測試的1: 4巴倫 用于測試的1: 9巴倫 B.駐波及共模抑制比的測量: C?插入損耗的測量 15%^ DIGITAL SWR&POWER METER 613.83 PUR12.8 OMrOTF 理認(rèn)^ DIGITAL SWR4P0WER METER