Cos'è un Balun in una PCB RF e ne hai bisogno?

Un termine che viene spesso utilizzato nei temi di progettazione di PCB RF è l'uso di un balun, ma a volte può essere poco chiaro cosa facciano questi dispositivi o perché siano necessari. Nella progettazione di PCB RF, a volte c'è la necessità di adattare l'impedenza e convertire contemporaneamente tra segnali bilanciati/sbilanciati. Qui è dove un balun diventa utile.

Se ti stai chiedendo cosa sia un balun in modo più dettagliato, continua a leggere poiché questo può essere un argomento ricco. Alcune descrizioni dei balun possono essere piuttosto esoteriche o semplicistiche, quindi farò del mio meglio per essere conciso e collegare questo ai concetti di progettazione PCB con cui la maggior parte dei progettisti è familiare. Spero che tu abbia abbastanza informazioni di base per selezionare il tuo balun e incorporarne uno nel layout del tuo PCB.

Cos'è un Balun?

Molto semplicemente, un balun è un dispositivo che converte un segnale AC sbilanciato (single-ended) in un segnale AC bilanciato (differenziale). Un balun può assumere diverse forme, sebbene la più comune per i segnali RF a bassa frequenza (ad esempio, antenne CATV e TV) sia un semplice trasformatore o un insieme di induttori accoppiati. Convertendo tra un segnale RF in ingresso single-ended e un segnale differenziale, il segnale può essere inserito in un ricevitore differenziale, un'antenna dipolo o altri componenti operati in modo differenziale.

Ecco alcuni esempi di balun che puoi trovare nei comuni sistemi RF:

• Trasformatore semplice. Questo è probabilmente il tipo più semplice di balun, ma è anche il più ingombrante.
• Trasformatore con presa centrale. Questa è un'opzione migliore per un balun trasformatore. La presa centrale sul trasformatore fornisce la rete di riferimento condivisa per il segnale bilanciato. L'impedenza su ciascun lato del balun dipende dal rapporto di trasformazione tra il lato non prelevato e una metà del lato con presa.
• Accoppiamento nei circuiti LC. È possibile creare un circuito con una funzione di trasformazione dell'impedenza effettivamente uguale a quella di un trasformatore con presa centrale sfruttando l'accoppiamento tra elementi reattivi in un circuito LC. Questo è un argomento più complesso che coinvolge simulazioni nei circuiti LC. È possibile vedere un esempio di un balun creato da componenti LC in un progetto recente di Mark Harris.
• Progetti di balun distribuiti. Questi progetti di balun sono più complessi in quanto sfruttano l'impedenza di accoppiamento tra le tracce stampate su un PCB. Strutture simili sono utilizzate anche per posizionare un balun in un circuito integrato.

L'ultimo tipo di balun che ho elencato copre una vasta gamma di progetti che richiedono un'attenta disposizione degli elementi stampati su un PCB. Questo è un aspetto del design di PCB RF che molti progettisti possono trovare esoterico. Fortunatamente, ci sono molti progetti nei libri di testo di ingegneria delle microonde e nella letteratura di ricerca che forniscono un buon punto di partenza per la progettazione di balun. L'immagine sottostante mostra due balun trasformatori e un semplice balun di un quarto di lunghezza d'onda che può essere stampato su un PCB.

I balun trovano la loro applicazione in amplificatori passivi, moltiplicatori di frequenza, sfasatori, modulatori e alimentazioni di antenne dipolo. In queste applicazioni, un balun svolge due importanti funzioni.

Adattamento dell'Impedenza

Una funzione importante di un balun è fornire l'adattamento dell'impedenza tra le estremità bilanciate e sbilanciate del balun. Nei balun trasformatori, ad esempio, ciò sarebbe ottenuto selezionando il rapporto di trasformazione appropriato, o meglio il rapporto tra le induttanze delle bobine primaria e secondaria. Un balun ideale avrà una perdita di ritorno di S11 = meno infinito.

Isolamento

Poiché i balun trasferiscono potenza attraverso accoppiamento elettrico o magnetico, offrono una certa isolazione naturale tra segnali bilanciati e sbilanciati. Finché il balun è progettato correttamente, ciò aiuta efficacemente a isolare l'EMI irradiato dal passaggio tra ciascun lato del balun. L'estremità bilanciata del balun ha anche un'alta immunità al rumore in modo comune se il segnale viene alimentato in un ricevitore differenziale.

Come progettare un layout di un PCB RF con un balun

Ci sono due sfide nel lavorare con i balun in un layout di PCB RF: progettare il layout del balun stesso e progettare il layout delle linee sbilanciate e bilanciate. Segui la stessa strategia che useresti in altri PCB RF:

• Fornire isolamento tra i blocchi di circuito, ad esempio con recinzioni di via o strutture a banda proibita elettromagnetica (EBGs)
• Optare per tracce più corte e abbinare le impedenze quando necessario
• Cercare di grigliare il layout in modo che i diversi blocchi funzionali siano in posizioni diverse sulla scheda

Quando utilizzato su una linea di alimentazione di un'antenna a dipolo, posizionare il balun proprio fino al bordo della regione del piano di massa e instradare l'uscita bilanciata direttamente all'antenna. Questo viene normalmente fatto su un'antenna a F invertita o altre antenne a microstriscia. Procedendo nella direzione opposta, come con un'antenna monopolo o una connessione coassiale (cioè, antenna sbilanciata con connettore U.FL), si dovrebbe comunque fare tutto sopra un piano di massa. Per fornire un'alta isolazione, è possibile mettere delle vie di guardia collegate a massa attorno alle linee di alimentazione, così come tra la regione dell'antenna e altre parti del circuito.

Una volta che si comprende cosa sia un balun, è molto più semplice determinare quale tipo di balun sia il migliore per il proprio PCB RF. Una volta ottenuto il balun di cui si ha bisogno, si possono utilizzare il set completo di strumenti CAD in Altium Designer® per progettare un balun stampato e il resto del layout del PCB RF. Quando si ha la necessità di condividere il proprio lavoro con i collaboratori, si può utilizzare la piattaforma Altium 365® per condividere e gestire i dati di progettazione.

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