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BalancingDevice,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-Unbalance,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？对于我们业余爱好者,主要就是用在天线的馈

2、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！；.72U形历等效电路法位弟肝腋二、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四大类：扼流式扼制不平衡电流、对

3、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./2=«|52；1电缆变换器结构图(d)同轴电缆变换器结构图2V&二Z/3<5Al=Z“3/?.=2.25Z图5.61：1,5电缆变换器的结构图推挽工作的双电缆变换器电路结构If4=2Z0AAA-图5.8同轴电缆功率合成器双电缆混合标合成器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

4、感以及电磁能量交换的形式来传送的,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.止匕外,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,为防止产生任何谐振现象,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

5、不超过上限频率波长的八分之一,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,可以给出假设干相关的计算公式,但计算是一个试算-调整参数-再算-再调整,反反复复屡次寻找最适合结果的过程,

6、同时对磁芯的各项参数都要熟悉,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,那么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

7、结果是一个传输线变换根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,软件中给出了局部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%,这两项约束条件表达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,但假设不知道如何选择,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

8、没有详尽的特性参数,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,三暴茂工作率最衽工作镇率羲大功率魁醵退出而明而一叫flow<4tn体需谖长度«妁荣茶忤阵1小于?UT共酗抗海大于下静曜大越通BaJaT齿小于?际共模电感篁uH|?需事加联S2V最高工作频率40MHi最低工作频率Ts一一KH2最大功率|1QWWatts试绕距数丽退出p=j“计算后,建议“减少圈数.

9、将试绕匝数改为18,传输线长度皿约束条件529小于<|417共模阻抗0血苫南大于|250最大酸通航5T|106小于<|330共模电感量<uH应需减少置额将试绕匝数改为17,“计算后,建议“更换磁环惇幽幽Hsen共椁阻抗S触Q|22&届大颜B.(>7)100共模屯感蜀出)Eo约小于?hn大于?丽小于?丽需更斛迸讦用56*i最高工作舞率而MHr最假工作蝮率MHz最大功率Watts试蟆快效pi-一,lU|退出II计算更换磁环为NH4578,“计算后,试绕匝数为8,获得满足条件的结果.最大功率：500W,电压比50MHz,最高工作频率：最低工作频率1.5MHZ例24:1

10、:2,即阻抗比1工rVW基无2:1最高工作班率RoKiz舱原工ft镇耳fs北,融大功率团0Tatts蟠加趺FT一退出计算用通运9)妁触条件|«&一小手工|UT一S2糜-大于丽-大圜13GT)卮小于画一其横电垂宴(uH)国itMIfia,仅帙彝/I化中五独财克科技出艮班公司EFHh,Z同1明工/典廉E*h蝠m3Eg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但在实际制作中由根本可以到达预期的效果,根据以上计算结果,制作的传输线巴伦,请大家依据自己的实际情况适当增减圈数就应该可会有些出入,于选材和制作工艺的差异,根本可这里推荐

11、大家主要选择以下三种常用规格,以到达要求,一般磁环不用试来试去的,以满足大局部做天线巴伦的需要.22X11X5,外形：200W以下,频带偏高些6MHz30MHzNH224631X18X7,外形1MHz50MHz中高功率,频带覆盖宽NH315845X26X8,外形1.6MHz30MHz的高功率,频带高端略低NH4578：可以上KW但在实际制作中由于特殊阻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,对传输线的结构和阻抗要求不是很抗的同轴缆很难找到,且所做天线巴伦根本在短波工作,需要绞距高,使用双绞传输线代替也是可以的,经济实惠,也可以用聚酯漆包线并绕而成,可以按软件给出的传输线长度裁剪,太

12、长会影响频率高端的均匀,松紧一致.绕制线圈前,传输线结构做的减小损耗和发热.驻波,在大功率用途时,应考虑用尽可能粗的导线绕制,只有频率低端的共模功率需要磁环提供共模其原理已经决定了,好的话,磁环更本不发热,不需要磁环提供磁阻抗,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,其尽管都是在磁环上绕线,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,传输而且初次之间也应该使用屏蔽,磁耦合变压器可以使用屏蔽,结构和原理却完全不同,线变压器那么不能用屏蔽,包括金属外壳,它会破坏共模抑制效果的.下列图是传输线巴伦的制作过程,为说明1：4和1：9的接线顺序,磁环间和接线都留出了比拟大的距

13、离,实际的巴伦不能这样大的空间,接线应该尽量短才好.BELDEN6320UL18AGW双绞线磁环是NH4578,外径45mm穿绕需要的圈数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的两个就是1：4的三个就是1：9的五、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.假负载的阻抗是根据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.实验说明使用多个贴片电阻并联到达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

14、模抑制比通过测量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局部,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局部衰减,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

15、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0.5dbo2、2021型数字驻波表+巴伦测试附件A.2021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* 频率范围：1.8MHZ60MHz* 功率探头Vp:14V* 50欧平衡差分负载组件：1:1巴伦,16W* 200欧平衡差分负载组件：1:4巴伦,20W* 450欧平衡差分负载组件：1:4巴伦,16W局频探头2021数字驻波表用于测试的三个巴伦.驻涉及共模抑制比的测量:BREDOTAVGPEPSWRCMRfiUG+13.94-0.000SMRl.eiCMR25-52ISlVDIG