传输线巴伦的原理设计、制作及测试

1、传输线平衡器（巴伦）的原理、设计、制作及测试一、平衡器（巴伦）的由来平衡器即Balancing Device，其主要作用是完成由单端传输（如：同轴线、微带线等） 变换为差分传输（如：半波振子天线，推挽电路等）之间的变换，又称为平衡-不平衡变换器即Balance-Unbalanee ,英文将其合并缩写成一个新词Balun，音译为巴伦。以下文中所提到的平衡器、平衡-不平衡变换器、巴伦，都是指这一类器件。巴伦在无线电中有着广泛的用途，由于其原理结构多种多样，并且可以互相组合， 使得许多朋友在自制巴伦时有无从下手的感觉，哪种结构适合？如何选择材料？如何计算制作参数？如何衡量巴伦的性能？对于我们业余爱好

2、者，主要就是用在天线的馈电和高频功放中， 完成平衡-不平衡及阻抗变换的作用，工作在短波1.8MHZ30MHZ，并要求取材和制作容易。结合我对巴伦的认识理解，认为传输线结构的巴伦，更适合短波通信，其性能好、取材方便、制作容易，但其理论不易理解，造成很多朋友将其搞成了磁耦合变压器结构，出现频带窄、 功率容量小、驻波不平坦的问题，结果当然达不到传输线变换器的效果。下面就我个人对传输线变换器的粗浅理解，简单描述一下做巴伦的情况，如需要更深入的了解可以参考有关文 献资料，有不当之处，还请各位前辈指正，谢谢！丽2口形环爭效电品b袪拉弟炳赴二、传输线平衡器（巴伦）的简单原理平衡器有很多种，按平衡条件可以分为

3、四大类： 扼流式（扼制不平衡电流）、对称式（对 地阻抗平衡）、倒相式（电压倒相）、磁耦合式（电流共扼）。我这里主要描述一下基于传输 线变换器的平衡-不平衡变换，同时具备阻抗变换作用的巴伦，兼有扼流式和磁耦合式的特 征。Niw2Zu2：1电缤变换器结构图2卩脚亍】电覘变陨番菇阳阳V/2 *沏阳乩血115电敦变議冉閏结构厠-描挠工作的双电嫌变換器电甜姑ffiIE_-風电（Sift合桥合展器S2口传输线变换器的结构如上图，它是在高频磁环上缠绕一组或几组传输线，利用不同的连接方法来完成阻抗变换和平衡-不平衡变换作用。能量从变换器的始端到终端是通过传输线 的分布电容、分布电感以及电磁能量交换的形式来传送

4、的，这和通常的绕匝变压器不同， 它克服了绕匝变压器在高频时由于线圈的分布电容所带来的不利影响，改善了高频特性。此外，每对传输线的两导线电流的幅度相等方向相反，因而他们在磁芯中产生的磁通相互抵消，这样磁芯的损耗很小，即使磁芯截面积很小，也具有较大的功率容量。所以，它具有频带宽、 体积小、功率容量大等优点，传输线变换器在低频端可以等效为传统的低频变换器，其低频响应的恶化是由于传输线两导体之间由于磁化电感引起的并联电纳，它决定了变换器的最低工作频率。在高频端它是具有一定特征阻抗的传输线，为避免产生任何谐振现象， 特别是对于复数负载，它会引起实质上的幅度波动增加，传输线的长度不超过上限频率波长的八分之

5、一，过短低频特性会变差。为了选择用于 RF变换的磁芯，需要知道磁芯的饱和磁通和它的非线性特性，按最低工作频率的最大功率计算最大磁通密度。既然是用传输线变换器做平衡-不平衡变换，那么在平衡端含有的不平衡分量的多少， 就是平衡-不平衡变换的重要指标，可以用类似电路中的共模信号和差模信号来描述不平衡 信号和平衡信号，那就可以用共模抑制比来描述这个指标了，我觉得也可以称做不平衡抑制。它即受阻抗变换比例的影响，也受共模电感量的影响。三、传输线平衡器（巴伦）计算软件的使用基于前述原理，可以给出若干相关的计算公式，但计算是一个试算-调整参数-再算-再调整，反反复复多次寻找最适合结果的过程，同时对磁芯的各项参

6、数都要熟悉，因此，我结合 自己对传输线变换器的理解和巴伦的特点以及对磁芯的了解，试写了一个用于计算传输线巴伦的小软件，希望能解决手工计算的麻烦。软件运行后出现如图窗口， 请输入所设计的传输线巴伦的最高工作频率、最低工作频率、最大功率并选择一款磁环和试绕匝数，磁环编号中前两位数字是磁环的外径后两位代表不同性能的磁材，第一次计算可以随便选择一个，试绕匝数也可以随便写个整数，如10，然后点击“计算”按钮，右下角会根据计算的结果给出需要调整的参数，调整后继续计算，直到 获得满意的结果，如果始终不能获得有意义的结果，则可能是频率覆盖范围太宽，或功率太大，适当降低一些在试试。经过反复计算得到的结果是一个传

7、输线变换基本单元的数据（磁环编号，穿绕匝数），然后根据所需巴伦的阻抗变换比（电压比的平方=阻抗比），选择适当接线结构，软件中给出了部分常用的电压比的结构图供参考，右上方的按钮上的是电压比，图中写出了相应的阻抗比。另外请注意，本软件在计算最大磁通时是按最差情况估算的，实际承受的功率要高的多，共模抑制是按不小于 20db计算的，即不平衡功率 1%，这两项约束条件体现在共模阻抗和 最大磁通，可以根据自己的需要选择，而不必理会给出的建议，但若不知道如何选择，还是按建议调整计算为好。插损、驻波和带宽与穿绕匝数和线径有一定影响，需要在实际试制中加以考虑。还有就是只能以我提供的磁环进行计算，其他磁环没有详尽

8、的特性参数，无法给与计算。四、传输线平衡器（巴伦）的制作实例例1 :最低工作频率 1.8MHZ，最高工作频率 40MHZ，最大功率：1000W，电压比1： 1,即阻抗比1: 1将以上参数输入，试绕匝数按缺省的10，随便先选择一款磁环如：NH2246 （外径22mm的磁环），“计算”后，建议“增加圈数”，1驱祐3传霜妊长度约束条件hn嚴高工作頻车40班k共榔a抗（oh*幻巖吒工作頻車1 6MHt|甜大十16(巖犬麻通& （*T）10小于|?30退出计算共傩惑重仙 F将试绕匝数改为18, “计算”后，建议“减少圈数”|1IH22462J传输线扶度（m）小于|529(417最咼工作频率（40MHz共

9、模阻抗（OHms）1.8MHi254丈于|250最夫功率|1QQOVatts蛊丈讎通亦（m?）试绕匝魏1IS1106卜于|330退出【计尊1共模电感壘uH） 22需减少圈数将试绕匝数改为17,“计算”后，建议“更换磁环”。创釣束银件|5001UT屯）iHz拥腕抗（OHm）皑1&工作無军L8Kit大于|250量大功军11000Wms星KE-旳Ee (T)试疑匝談InhT250hTB工带卿範一ITTIt大功率|io6o试城建拔IF-HT I涼五雄尹加粧刿BU舉处词 E丛 跖ILQ工门I嚴“di曲iM c例2:最低工作频率 1.5MHZ，最高工作频率 50MHZ最大功率：500W，电压比1 : 2,

10、即阻抗比1： 4Efs2:13rl132:31ffi挽1合合成?J理元1:1HK3158NHi特需堀虽度()|4t&共fllffl抗（0HW）小于电醍鬲工作後專1*0谨底工作频頁inMHz27t大于JSoaft*議大讎通亦nT)滾境匝敖计乳其馆电鹽鬣(uH)I前计iwaiL便粮玮I灼集華件 Kn5so克糾技逞JS百總2司mcm庚CttlkldBlO iED例3:最低工作频率 6MHZ，最高工作频率 30MHZ最大功率：200W，电压比1： 3，即阻抗比1： 9根据以上计算结果， 制作的传输线巴伦，基本可以达到预期的效果，但在实际制作中由于选材和制作工艺的差异，会有些出入，请大家依据自己的实际情

11、况适当增减圈数就应该可 以达到要求，一般磁环不用试来试去的，这里推荐大家主要选择以下三种常用规格，基本可以满足大部分做天线巴伦的需要。NH2246 : 200W 以下，频带偏高些(6MHz30MHz)，外形 22X11X5NH3158 :中高功率，频带覆盖宽(1MHz50MHz)，外形31X18X7NH4578 :可以上KW 的高功率，频带高端略低(1.6MHz30MHz)，外形45X26X8另外传输线变压器应该采用相应特征阻抗的同轴电缆制作，但在实际制作中由于特殊阻抗的同轴缆很难找到， 且所做天线巴伦基本在短波工作，对传输线的结构和阻抗要求不是很高，使用双绞传输线代替也是可以的，经济实惠，也

12、可以用聚酯漆包线并绕而成， 需要绞距均匀，松紧一致。绕制线圈前， 可以按软件给出的传输线长度裁剪，太长会影响频率高端的 驻波，在大功率用途时，应考虑用尽可能粗的导线绕制，减小损耗和发热。传输线结构做的好的话，磁环更本不发热，其原理已经决定了，只有频率低端的共模功率需要磁环提供共模 阻抗，主要的能量交换是在传输线的分布电感和分布电容间转换传递的，不需要磁环提供磁场的变换，这一点是与磁耦合平衡器原理的巴伦的本质的不同，尽管都是在磁环上绕线，其结构和原理却完全不同，磁耦合变压器可以使用屏蔽，而且初次之间也应该使用屏蔽， 传输 线变压器则不能用屏蔽，包括金属外壳，它会破坏共模抑制效果的。F图是传输线巴

13、伦的制作过程，为表明1: 4和1: 9的接线顺序，磁环间和接线都留出了比较大的距离，实际的巴伦不能这样大的空间，接线应该尽量短才好。剥去电缆外护套 剥去绝缘层按颜色排好线序一个就是1: 1五、传输线平衡器（巴伦）的测试1、巴伦的驻波比、共模抑制比、插入损耗：A 驻波比一一巴伦的平衡输出端接匹配的假负载，在使用频带内测量同轴端的驻 波比，一般小于1.5就可以了。假负载的阻抗是按照巴伦的阻抗比计算的，一般可 以用无感电阻制作，其功率应当满足测量功率的需要。实验表明使用多个贴片电阻 并联达到所须阻值和功率有非常好的效果，而使用引线的电阻频率超过20MHZ其频率特性急剧变坏。B.共模抑制比一一通过测量

14、巴伦平衡输出端的不平衡功率和输入巴伦的功率的比 来计算，不平衡功率是通过将平衡端的假负载平均分为两部分，其中点对于平衡的 差分信号是零点，因此中点对地的信号功率就是不平衡信号的功率，就是通过巴伦 泄漏过来的共模信号功率，将此功率与输入功率之比再换算为分贝就是其共模抑制 比，其数值越大约好，一般大于20db即可。对于较高阻抗的假负载对共模信号有部分衰减，需要在测量的结果中予以扣除。C .插入损耗一一巴伦的插入损耗是指巴伦的输出功率和输入功率之比，然而输出 是平衡信号的巴伦不便直接测量输出端功率，一般是通过将两个相同的巴伦的平衡端对接，即将平衡信号在变为不平衡的50欧同轴测量其损耗，然后在除以2,得到一个巴伦的插损（即认为两个巴伦是一样的），同样是分贝值，越小越好，通常0.5db。2、2020型数字驻波表+巴伦测试附件A . 2020型数字驻波表主要技术指标：*最大功率测量：200W （通过式功率计）*驻波测量：1.0099.9* 频