¿Qué es un Balun en una PCB de RF y lo Necesita?

Un término que se menciona frecuentemente en temas de diseño de PCBs RF es el uso de un balun, pero a veces puede ser poco claro qué hacen estos dispositivos o por qué son necesarios. En el diseño de PCBs RF, a veces es necesario hacer coincidir la impedancia y convertir entre señales balanceadas/desbalanceadas simultáneamente. Aquí es donde un balun resulta útil.

Si te estás preguntando qué es un balun con más detalle, sigue leyendo ya que este puede ser un tema rico. Algunas descripciones de baluns pueden ser bastante esotéricas o simplistas, así que haré mi mejor esfuerzo para ser conciso y relacionar esto con conceptos de diseño de PCBs con los que la mayoría de los diseñadores están familiarizados. Espero que tengas suficiente información de fondo para seleccionar tu balun e incorporarlo en el diseño de tu PCB.

¿Qué es un Balun?

Muy simplemente, un balun es un dispositivo que convierte una señal de CA (corriente alterna) no balanceada (de extremo único) en una señal de CA balanceada (diferencial). Un balun puede adoptar muchas formas, aunque la más comúnmente utilizada para señales de RF (radiofrecuencia) de baja frecuencia (por ejemplo, antenas de CATV y TV) es un transformador simple o un conjunto de inductores acoplados. Al convertir entre una señal de entrada de RF de extremo único y una señal diferencial, la señal puede ser introducida en un receptor diferencial, antena dipolo u otros componentes operados diferencialmente.

Aquí hay algunos ejemplos de baluns que puedes encontrar en sistemas RF comunes:

• Transformador simple. Este es probablemente el tipo más simple de balun, pero también es el más voluminoso.
• Transformador con derivación central. Esta es una mejor opción para un balun transformador. La derivación central en el transformador proporciona la red de referencia compartida para la señal equilibrada. La impedancia en cada lado del balun depende de la relación de vueltas entre el lado sin derivación y la mitad del lado con derivación.
• Acoplamiento en circuitos LC. Puedes crear un circuito con efectivamente la misma función de transformación de impedancia que un transformador con derivación central aprovechando el acoplamiento entre elementos reactivos en un circuito LC. Este es un tema más complejo que involucra simulaciones en circuitos LC. Puedes ver un ejemplo de un balun creado a partir de componentes LC en un proyecto reciente de Mark Harris.
• Diseños de balun distribuidos. Estos diseños de balun son más complejos ya que aprovechan la impedancia de acoplamiento entre pistas impresas en un PCB. Estructuras similares también se utilizan para colocar un balun en un circuito integrado.

El último tipo de balun que he listado abarca una amplia gama de diseños que requieren una cuidadosa disposición de elementos impresos en un PCB. Este es un aspecto del diseño de PCBs de RF que la mayoría de los diseñadores pueden encontrar esotérico. Afortunadamente, hay muchos diseños en libros de texto de ingeniería de microondas y en la literatura de investigación que proporcionan un buen punto de partida para el diseño de balun. La imagen a continuación muestra dos baluns transformadores y un simple balun de cuarto de longitud de onda que se puede imprimir en un PCB.

Los baluns encuentran su lugar en amplificadores pasivos, multiplicadores de frecuencia, desfasadores, moduladores y alimentaciones de antenas dipolo. Dentro de estas aplicaciones, un balun realiza dos funciones importantes.

Adaptación de Impedancia

Una función importante de un balun es proporcionar adaptación de impedancia entre los extremos balanceados y desbalanceados del balun. En los baluns transformadores, por ejemplo, esto se haría seleccionando la relación de vueltas adecuada, o más bien la relación de las inductancias de las bobinas primaria y secundaria. Un balun ideal tendrá una pérdida de retorno de S11 = infinito negativo.

Aislamiento

Debido a que los baluns transfieren potencia a través de acoplamiento eléctrico o magnético, proporcionan cierta aislación natural entre señales balanceadas y no balanceadas. Mientras el balun esté diseñado correctamente, esto ayuda de manera efectiva a aislar la EMI radiada de pasar entre cada lado del balun. El extremo balanceado del balun también tiene alta inmunidad al ruido de modo común si la señal se introduce en un receptor diferencial.

Cómo diseñar un PCB RF con un Balun

Hay dos desafíos al trabajar con baluns en un diseño de PCB RF: diseñar el propio balun, y diseñar las líneas balanceadas y no balanceadas. Sigue la misma estrategia que usarías en otros PCBs RF:

• Proporcionar aislamiento entre bloques de circuitos, como con cercas de vías o estructuras de banda prohibida electromagnética (EBGs)
• Optar por trazas más cortas y hacer coincidir las impedancias cuando sea necesario
• Intentar organizar el diseño de modo que los diferentes bloques funcionales estén en diferentes ubicaciones en la placa

Cuando se usa en una línea de alimentación de antena dipolo, coloque el balun justo al borde de la región del plano de tierra y dirija la salida balanceada directamente a la antena. Esto normalmente se hace en una antena invertida-F u otras antenas de microstrip. Yendo en la dirección opuesta, como con una antena monopolo o una conexión coaxial (es decir, antena desbalanceada con conector U.FL), debería hacer todo sobre un plano de tierra de todos modos. Para proporcionar alta aislación, puede colocar vías de guarda aterrizadas alrededor de las líneas de alimentación, así como entre la región de la antena y otros circuitos.

Una vez que entiendas qué es un balun, será mucho más fácil determinar qué tipo de balun será el mejor para tu PCB de RF. Una vez que tengas el balun que necesitas, puedes usar el conjunto completo de herramientas CAD en Altium Designer® para diseñar un balun impreso y el resto de tu diseño de PCB de RF. Cuando necesites compartir tu trabajo con tus colaboradores, puedes usar la plataforma Altium 365® para compartir y gestionar tus datos de diseño.

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