Qu'est-ce qu'un Balun dans une PCB RF et en avez-vous besoin ?

Un terme souvent utilisé dans les discussions sur la conception de PCB RF est l'utilisation d'un balun, mais il peut parfois être flou de savoir ce que ces dispositifs font ou pourquoi ils sont nécessaires. Dans la conception de PCB RF, il y a parfois un besoin de faire correspondre l'impédance et de convertir simultanément entre des signaux équilibrés/déséquilibrés. C'est là que le balun devient utile.

Si vous vous demandez ce qu'est un balun plus en détail, continuez à lire car cela peut être un sujet riche. Certaines descriptions des baluns peuvent être plutôt ésotériques ou simplistes, donc je vais faire de mon mieux pour être succinct et relier cela aux concepts de conception de PCB que la plupart des concepteurs connaissent. J'espère que vous aurez suffisamment d'informations de base pour sélectionner votre balun et en intégrer un dans votre agencement de PCB.

Qu'est-ce qu'un Balun ?

Très simplement, un balun est un dispositif qui convertit un signal AC déséquilibré (à terminaison unique) en un signal AC équilibré (différentiel). Un balun peut prendre de nombreuses formes, bien que le plus couramment utilisé pour les signaux RF de basse fréquence (par exemple, les antennes CATV et TV) soit un transformateur simple ou un ensemble d'inducteurs couplés. En convertissant entre un signal d'entrée RF à terminaison unique et un signal différentiel, le signal peut être entré dans un récepteur différentiel, une antenne dipôle ou d'autres composants fonctionnant de manière différentielle.

Voici quelques exemples de baluns que vous pouvez trouver dans des systèmes RF courants :

• Transformateur simple. C'est probablement le type de balun le plus simple, mais c'est aussi le plus encombrant.
• Transformateur à prise médiane. C'est une meilleure option pour un balun transformateur. La prise médiane sur le transformateur fournit le réseau de référence partagé pour le signal équilibré. L'impédance de chaque côté du balun dépend du rapport de transformation entre le côté non tapé et une moitié du côté tapé.
• Couplage dans les circuits LC. Vous pouvez créer un circuit avec essentiellement la même fonction de transformation d'impédance qu'un transformateur à prise médiane en tirant parti du couplage entre les éléments réactifs dans un circuit LC. C'est un sujet plus complexe impliquant des simulations dans les circuits LC. Vous pouvez voir un exemple de balun créé à partir de composants LC dans un projet récent de Mark Harris.
• Conceptions de balun distribuées. Ces conceptions de balun sont plus complexes car elles tirent parti de l'impédance de couplage entre les pistes imprimées sur un PCB. Des structures similaires sont également utilisées pour placer un balun dans un circuit intégré.

Le dernier type de balun que j'ai listé couvre une large gamme de conceptions qui nécessitent une disposition soignée des éléments imprimés sur un PCB. C'est un aspect de la conception de PCB RF que la plupart des concepteurs peuvent trouver ésotérique. Heureusement, il existe de nombreux designs dans les manuels d'ingénierie des micro-ondes et la littérature de recherche qui fournissent un bon point de départ pour la conception de balun. L'image ci-dessous montre deux baluns transformateurs et un simple balun d'un quart de longueur d'onde qui peut être imprimé sur un PCB.

Les baluns trouvent leur place dans les amplificateurs passifs, les multiplicateurs de fréquence, les déphaseurs, les modulateurs et les alimentations d'antennes dipôles. Dans ces applications, un balun remplit deux fonctions importantes.

Adaptation d'Impédance

Une fonction importante d'un balun est de fournir une adaptation d'impédance entre les extrémités équilibrées et déséquilibrées du balun. Dans le cas des baluns transformateurs, par exemple, cela serait réalisé en sélectionnant le rapport de transformation approprié, ou plutôt le rapport des inductances des bobines primaire et secondaire. Un balun idéal aura une perte de retour de S11 = moins l'infini.

Isolation

Parce que les baluns transfèrent la puissance par couplage électrique ou magnétique, ils fournissent une certaine isolation naturelle entre les signaux équilibrés et déséquilibrés. Tant que le balun est correctement conçu, cela aide agréablement à isoler les EMI rayonnées de passer entre chaque côté du balun. L'extrémité équilibrée du balun a également une haute immunité au bruit en mode commun si le signal est introduit dans un récepteur différentiel.

Comment disposer un PCB RF avec un balun

Il y a deux défis à travailler avec des baluns dans une disposition de PCB RF : disposer le balun lui-même, et disposer les lignes déséquilibrées et équilibrées. Suivez la même stratégie que vous utiliseriez dans d'autres PCBs RF :

• Fournir une isolation entre les blocs de circuits, comme avec des clôtures de via ou des structures à bande interdite électromagnétique (EBGs)
• Opter pour des pistes plus courtes et adapter les impédances lorsque nécessaire
• Essayer de griller la disposition afin que différents blocs fonctionnels soient situés à différents endroits sur la carte

Lorsqu'il est utilisé sur une ligne d'alimentation d'antenne dipôle, placez le balun juste à la limite de la région du plan de masse et acheminez la sortie équilibrée directement vers l'antenne. Cela est normalement effectué sur une antenne de type inverted-F ou d'autres antennes microstrip. Dans le cas contraire, comme avec une antenne monopôle ou une connexion coaxiale (c'est-à-dire, une antenne déséquilibrée avec connecteur U.FL), vous devriez tout de même procéder au-dessus d'un plan de masse. Pour fournir une haute isolation, vous pouvez placer des vias de garde reliés à la masse autour des lignes d'alimentation, ainsi qu'entre la région de l'antenne et les autres circuits.

Une fois que vous comprenez ce qu'est un balun, il est beaucoup plus facile de déterminer quel type de balun sera le meilleur pour votre PCB RF. Une fois que vous avez le balun dont vous avez besoin, vous pouvez utiliser l'ensemble complet d'outils CAO dans Altium Designer® pour concevoir un balun imprimé et le reste de votre agencement de PCB RF. Lorsque vous avez besoin de partager votre travail avec vos collaborateurs, vous pouvez utiliser la plateforme Altium 365® pour partager et gérer vos données de conception.

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