Was ist ein Balun in einer RF-PCB und benötigen Sie einen?

Ein Begriff, der oft im Zusammenhang mit RF-PCB-Design verwendet wird, ist die Verwendung eines Baluns, aber es kann manchmal unklar sein, was diese Geräte tun oder warum sie benötigt werden. Im RF-PCB-Design gibt es manchmal die Notwendigkeit, die Impedanz anzupassen und gleichzeitig zwischen symmetrischen/unsymmetrischen Signalen zu konvertieren. Hier kommt ein Balun ins Spiel.

Wenn Sie sich genauer fragen, was ein Balun ist, lesen Sie weiter, denn dies kann ein umfangreiches Thema sein. Einige Beschreibungen von Baluns können eher esoterisch oder vereinfacht sein, daher werde ich mein Bestes geben, um prägnant zu sein und dies mit PCB-Designkonzepten in Verbindung zu bringen, mit denen die meisten Designer vertraut sind. Hoffentlich haben Sie genügend Hintergrundinformationen, um Ihren Balun auszuwählen und einen in Ihr PCB-Layout zu integrieren.

Was ist ein Balun?

Sehr einfach ausgedrückt, ist ein Balun ein Gerät, das ein unausgeglichenes (single-ended) AC-Signal in ein ausgeglichenes (differenzielles) AC-Signal umwandelt. Ein Balun kann viele Formen annehmen, obwohl der am häufigsten für Niederfrequenz-RF-Signale (z.B. CATV und TV-Antennen) verwendete eine einfache Transformator oder ein Satz gekoppelter Induktoren ist. Durch die Umwandlung zwischen einem single-ended RF-Eingangssignal und einem differenziellen Signal kann das Signal in einen differenziellen Empfänger, eine Dipolantenne oder andere differenziell betriebene Komponenten eingespeist werden.

Hier sind einige Beispiele für Baluns, die Sie in gängigen RF-Systemen finden können:

• Einfacher Transformator. Dies ist wahrscheinlich die einfachste Art von Balun, aber auch die sperrigste.
• Mittenanzapfungs-Transformator. Dies ist eine bessere Option für einen Transformator-Balun. Die Mittenanzapfung am Transformator bietet das gemeinsame Referenznetz für das ausgewogene Signal. Die Impedanz auf jeder Seite des Baluns hängt vom Windungsverhältnis zwischen der nicht angezapften und einer Hälfte der angezapften Seite ab.
• Kopplung in LC-Schaltkreisen. Sie können einen Schaltkreis erstellen, der effektiv die gleiche Impedanztransformation wie ein Mittenanzapfungs-Transformator aufweist, indem Sie die Kopplung zwischen reaktiven Elementen in einem LC-Schaltkreis nutzen. Dies ist ein komplexeres Thema, das Simulationen in LC-Schaltkreisen umfasst. Ein Beispiel für einen aus LC-Komponenten erstellten Balun können Sie in einem kürzlich durchgeführten Projekt von Mark Harris sehen.
• Verteilte Balun-Designs. Diese Balun-Designs sind komplexer, da sie die Kopplungsimpedanz zwischen auf einer PCB gedruckten Leiterbahnen nutzen. Ähnliche Strukturen werden auch verwendet, um einen Balun in einem integrierten Schaltkreis zu platzieren.

Der letzte Typ von Balun, den ich aufgeführt habe, umfasst eine große Bandbreite an Designs, die eine sorgfältige Anordnung von gedruckten Elementen auf einer PCB erfordern. Dies ist ein Aspekt des RF PCB-Designs, den die meisten Designer möglicherweise als esoterisch empfinden. Glücklicherweise gibt es viele Designs in Lehrbüchern zur Mikrowellentechnik und in der Forschungsliteratur, die einen guten Ausgangspunkt für das Balun-Design bieten. Das Bild unten zeigt zwei Transformator-Baluns und einen einfachen Viertelwellenlängen-Balun, der auf eine PCB gedruckt werden kann.

Baluns finden ihren Einsatz in passiven Verstärkern, Frequenzvervielfachern, Phasenschiebern, Modulatoren und Dipolantennenspeisungen. Innerhalb dieser Anwendungen erfüllt ein Balun zwei wichtige Funktionen.

Impedanzanpassung

Eine wichtige Funktion eines Baluns ist die Bereitstellung der Impedanzanpassung zwischen den symmetrischen und unsymmetrischen Enden des Baluns. Bei Transformator-Baluns würde dies beispielsweise durch Auswahl des geeigneten Windungsverhältnisses erfolgen, oder genauer gesagt, des Verhältnisses der Induktivitäten der Primär- und Sekundärspule. Ein idealer Balun hätte einen Rückflussverlust von S11 = negativ unendlich.

Isolation

Da Baluns Leistung durch elektrische oder magnetische Kopplung übertragen, bieten sie eine gewisse natürliche Isolation zwischen symmetrischen und unsymmetrischen Signalen. Solange der Balun korrekt entworfen ist, hilft dies effektiv dabei, gestrahlte EMI daran zu hindern, zwischen den beiden Seiten des Baluns zu passieren. Das symmetrische Ende des Baluns hat auch eine hohe Störfestigkeit gegenüber Gleichtaktstörungen, wenn das Signal in einen differentiellen Empfänger eingespeist wird.

Wie man ein RF PCB mit einem Balun layoutet

Es gibt zwei Herausforderungen bei der Arbeit mit Baluns in einem RF PCB-Layout: das Layout des Baluns selbst und das Layout der unsymmetrischen und symmetrischen Leitungen. Folgen Sie derselben Strategie, die Sie auch bei anderen RF PCBs anwenden würden:

• Stellen Sie eine Isolierung zwischen Schaltungsbereichen her, beispielsweise mit Via-Zäunen oder elektromagnetischen Bandlückenstrukturen (EBGs)
• Wählen Sie kürzere Leiterbahnen und passen Sie die Impedanzen bei Bedarf an
• Versuchen Sie, das Layout zu rastern, sodass verschiedene Funktionsblöcke an unterschiedlichen Stellen auf der Platine angeordnet sind

Wenn sie bei einer Dipolantennen-Zuleitung verwendet wird, platzieren Sie den Balun direkt am Rand des Masseflächenbereichs und führen Sie den ausbalancierten Ausgang direkt zur Antenne. Dies wird normalerweise bei einer invertierten-F-Antenne oder anderen Mikrostreifenantennen gemacht. In die andere Richtung, wie bei einer Monopolantenne oder einer Koaxialverbindung (d.h. unausgeglichene Antenne mit U.FL-Anschluss), sollten Sie trotzdem alles über einer Massefläche machen. Um eine hohe Isolation zu gewährleisten, können Sie geerdete Schutzvias um die Zuleitungen herum sowie zwischen dem Antennenbereich und anderer Schaltungstechnik platzieren.

Sobald Sie verstehen, was ein Balun ist, ist es viel einfacher zu bestimmen, welcher Typ von Balun am besten für Ihre RF-PCB geeignet ist. Sobald Sie den benötigten Balun haben, können Sie den kompletten Satz an CAD-Tools in Altium Designer® nutzen, um einen gedruckten Balun und den Rest Ihres RF-PCB-Layouts zu entwerfen. Wenn Sie Ihre Arbeit mit Ihren Mitarbeitern teilen müssen, können Sie die Plattform Altium 365® verwenden, um Ihre Entwurfsdaten zu teilen und zu verwalten.

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