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(cè)試 、平衡器（巴倫）的由來(lái) 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(wú)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(wú)從下手的感覺(jué)， 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(duì)于我們業(yè)余愛(ài)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(duì)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(wèn)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(duì)傳輸線變換器的粗淺理解，簡(jiǎn)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(qǐng)各位前輩指正，謝謝！ a til 二、傳輸線平衡器（巴倫）的簡(jiǎn)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(duì)稱式（對(duì)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(lái)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(guò)傳輸線的分布電容、 分布電感以及電磁能量交換的形式來(lái)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(lái)的不利影響， 改善了高頻特性。 此外， 每對(duì)傳輸線的兩導(dǎo)線電流的幅 度相等方向相反，因而他們?cè)诖判局挟a(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(duì)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(zhǎng)度不超過(guò)上 限頻率波長(zhǎng)的八分之一，過(guò)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(lái)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(lái)描述這個(gè)指 標(biāo)了，我覺(jué)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(guò)程， 同時(shí)對(duì)磁芯的各項(xiàng)參數(shù) 都要熟悉， 因此，我結(jié)合自己對(duì)傳輸線變換器的理解和巴倫的特點(diǎn)以及對(duì)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(qǐng)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(guò)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(qǐng)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(méi)有詳盡的特性參數(shù)，無(wú)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(kù)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(wèn)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(zhǎng)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(qǐng)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(lái)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(duì)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(zhǎng)度裁剪， 太長(zhǎng)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(chǎng)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(guò)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(cè)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(cè)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(wú)感電阻制作，其功率應(yīng)當(dāng)滿足測(cè)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(guò) 20M HZ其頻率特性急劇變壞。 B.共模抑制比一一通過(guò)測(cè)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(lái)計(jì)算，不平衡功率是通過(guò)將平衡端的假負(fù)載平均分為兩部分,其中點(diǎn)對(duì)于平衡的差分信號(hào)是零點(diǎn)，因此中點(diǎn)對(duì)地的信號(hào)功率就是不平 衡信號(hào)的功率，就是通過(guò)巴倫泄漏過(guò)來(lái)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(duì)于較高阻抗的假負(fù)載對(duì)共模信號(hào)有部分衰減，需要在測(cè) 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(cè)量輸出端功率，一般是通過(guò)將兩 個(gè)相同的巴倫的

18、平衡端對(duì)接，即將平衡信號(hào)在變?yōu)椴黄胶獾?0歐同軸測(cè) 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(cè)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(cè)量：200W （通過(guò)式功率計(jì)） *駐波測(cè)量：1.00?99.9 *頻率范圍：1.8MHZ?60MHZ 用于測(cè)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(cè)試的1: 4巴倫 用于測(cè)試的1: 9巴倫 B.駐波及共模抑制比的測(cè)量: C?插入損耗的測(cè)量 15%^ DIGITAL SWR&POWER METER 613.83 PUR12.8 OMrOTF 理認(rèn)^ DIGITAL SWR4P0WER METER