巴伦传输线平衡器巴伦的原理设计制作及测试平衡器巴伦.doc

　巴 伦
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-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1.8MHZ~30MHZ，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！

 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。

       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”，

 将试绕匝数改为18，“计算”后，建议“减少圈数”。 

 将试绕匝数改为17，“计算”后，建议“更换磁环”。 

 更换磁环为NH4578，“计算”后，试绕匝数为8，获得满足条件的结果。

 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，即阻抗比1：4

 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（6MHz~30MHz），外形22X11X5
NH3158：中高功率，频带覆盖宽（1MHz~50MHz），外形31X18X7
NH4578：可以上KW的高功率，频带高端略低（1.6MHz~30MHz），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。
 下图是传输线巴伦的制作过程，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。 

图例1、电缆用的是BELDEN 6320UL 18AGW 双绞线 磁环是NH4578，外径45mm
图例2、缠绕的方法
图例3、穿绕需要的圈数
图例4、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
图例5、两个就是1：4的
图例6、三个就是1：9的

巴伦模型图： vU/ D7  
HFSS中画出的巴伦结构图
8]0:1 {@  
R/<=mZ  
结构： VZA3IbK}  
1，正面微带部分，上面是扇形，下面是109欧姆~50欧姆的阻抗匹配线 1
}`LTPW9  
2，反面槽线部分，两个扇形开槽，在圆心处通过0.6mm的槽线连通，其他部分是铜皮 U?U(;nSR\A  
3，中间是介质，低介电常数，很薄 `f'C[a"  
1]/N2&  
目前情况： %9c|%#3  
按要求是要在一个微带线口输入，经过耦合到背面的扇形槽，再传输到另一个扇形槽，再耦合指第二条微带线输出，仿真观察其S参数，驻波比等。 iAz UaF  
背面除槽线部分设置为了铜皮，正面的微带线业是有限电导率的边界条件； 2uo8jF.h  
选择的是模式驱动； 8)Tj
H'  
在两条微带线末端选择的集总端口，竖着画的积分线 712=rUI%!  
-g2{68 1`r  
现象及问题: @c"yAy^t  
HFSS里的检查倒是全钩，算了半个小时过后，什么结果都没有，所以我想肯定哪里出问题了，但自己确实找不出来，是边界条件设置问题还是激励设置问题呢？我是按自己想法设置的激励和边界，也不知道正确的该怎么设置，包括驱动模式等，希望知道的朋友帮忙解答一下正确的设置方法，谢谢了