Co to jest Balun w PCB RF i czy jest Ci potrzebny?

Jednym z terminów, który często pojawia się w tematach dotyczących projektowania PCB RF, jest użycie baluna, ale czasami może być niejasne, co te urządzenia robią lub dlaczego są potrzebne. W projektowaniu PCB RF czasami pojawia się potrzeba dopasowania impedancji i jednoczesnej konwersji między sygnałami zbalansowanymi/niezbalansowanymi sygnałami. Tutaj z pomocą przychodzi balun.

Jeśli zastanawiasz się, czym dokładniej jest balun, czytaj dalej, ponieważ może to być obszerny temat. Niektóre opisy balunów mogą być raczej ezoteryczne lub uproszczone, więc postaram się być zwięzły i odnieść to do koncepcji projektowania PCB, z którymi większość projektantów jest zaznajomiona. Mam nadzieję, że będziesz miał wystarczająco dużo informacji wstępnych, aby wybrać swój balun i włączyć go do układu swojej płytki PCB.

Czym jest Balun?

Bardzo prosto rzecz ujmując, balun to urządzenie, które konwertuje niesymetryczny (jednostronny) sygnał AC na symetryczny (różnicowy) sygnał AC. Balun może przyjmować wiele form, chociaż najczęściej używaną dla sygnałów RF o niskiej częstotliwości (np. CATV i anteny telewizyjne) jest prosty transformator lub zestaw sprzężonych induktorów. Przez konwersję między jednostronnym sygnałem RF a sygnałem różnicowym, sygnał może być wprowadzony do różnicowego odbiornika, anteny dipolowej lub innych komponentów pracujących w trybie różnicowym.

Oto kilka przykładów balunów, które można znaleźć w typowych systemach RF:

• Prosty transformator. To prawdopodobnie najprostszy typ baluna, ale jest również najbardziej nieporęczny.
• Transformator z odczepem środkowym. Jest to lepsza opcja dla transformatora baluna. Odczep środkowy na transformatorze zapewnia wspólną sieć odniesienia dla zbalansowanego sygnału. Impedancja po każdej stronie baluna zależy od stosunku zwojów między stroną bez odczepu a połową strony z odczepem.
• Sprzęganie w obwodach LC. Można stworzyć obwód z efektywnie taką samą funkcją transformacji impedancji jak transformator z odczepem środkowym, wykorzystując sprzęganie między elementami reaktywnymi w obwodzie LC. Jest to bardziej złożony temat, obejmujący symulacje w obwodach LC. Przykład baluna stworzonego z komponentów LC można zobaczyć w niedawnym projekcie Marka Harrisa.
• Rozproszone projekty balunów. Te projekty balunów są bardziej skomplikowane, ponieważ wykorzystują sprzężenie impedancji między ścieżkami drukowanymi na PCB. Podobne struktury są również używane do umieszczenia baluna w układzie scalonym.

Ostatni typ baluna, który wymieniłem, obejmuje szeroki zakres projektów wymagających starannego rozmieszczenia elementów drukowanych na PCB. Jest to jeden z aspektów projektowania PCB RF, który dla wielu projektantów może wydawać się ezoteryczny. Na szczęście w podręcznikach z inżynierii mikrofalowej i literaturze badawczej znajduje się wiele projektów, które mogą stanowić dobry punkt wyjścia do projektowania baluna. Poniższy obrazek pokazuje dwa baluny transformatorowe oraz prosty balun o długości ćwierć fali, który można wydrukować na PCB.

Baluny znajdują zastosowanie w pasywnych wzmacniaczach, mnożnikach częstotliwości, przesuwnikach fazowych, modulatorach oraz zasilaniach anten dipolowych. W tych aplikacjach balun pełni dwie ważne funkcje.

Dopasowanie Impedancji

Jedną z ważnych funkcji baluna jest zapewnienie dopasowania impedancji między zbalansowanym a niezbalansowanym końcem baluna. Na przykład, w balunach transformatorowych, osiąga się to poprzez wybór odpowiedniego stosunku zwojów, czyli stosunku indukcyjności cewki pierwotnej do indukcyjności cewki wtórnej. Idealny balun będzie miał stratę zwrotną S11 równą minus nieskończoności.

Izolacja

Ponieważ baluny przenoszą moc poprzez sprzężenie elektryczne lub magnetyczne, zapewniają pewną naturalną izolację między sygnałami symetrycznymi i niesymetrycznymi. Dopóki balun jest zaprojektowany poprawnie, pomaga to w izolowaniu promieniowanego EMI przed przenikaniem między każdą stroną baluna. Zbalansowany koniec baluna ma również wysoką odporność na szumy wspólnego trybu, jeśli sygnał jest podawany do odbiornika różnicowego.

Jak zaprojektować układ PCB RF z balunem

Przy pracy z balunami na płytce PCB RF istnieją dwa wyzwania: rozmieszczenie samego baluna oraz rozmieszczenie linii niesymetrycznych i symetrycznych. Postępuj zgodnie z tą samą strategią, której użyłbyś w innych PCB RF:

• Zapewnij izolację między blokami obwodów, na przykład za pomocą ogrodzeń z przelotkami lub struktur pasmowych (EBGs)
• Wybieraj krótsze ścieżki i dopasowuj impedancje w razie potrzeby
• Postaraj się zaprojektować układ tak, aby różne bloki funkcjonalne znajdowały się w różnych miejscach na płytce

Gdy używany jest na linii zasilającej anteny dipolowej, umieść balun tuż przy krawędzi regionu płaszczyzny masy i poprowadź zbalansowane wyjście bezpośrednio do anteny. Jest to zazwyczaj stosowane w antenie typu inverted-F lub innych antenach mikropaskowych. Idąc w przeciwnym kierunku, na przykład z anteną monopolową lub połączeniem koncentrycznym (tj. niezbalansowana antena z złączem U.FL), powinieneś i tak robić wszystko nad płaszczyzną masy. Aby zapewnić wysoką izolację, możesz umieścić uziemione przelotki strażnicze wokół linii zasilających, jak również między regionem anteny a innymi układami.

Gdy już zrozumiesz, czym jest balun, znacznie łatwiej będzie Ci określić, który typ baluna będzie najlepszy dla Twojej płytki PCB RF. Kiedy już będziesz miał potrzebny balun, możesz użyć kompletnego zestawu narzędzi CAD w Altium Designer®, aby zaprojektować drukowany balun oraz resztę układu Twojej płytki PCB RF. Kiedy będziesz chciał podzielić się swoją pracą z współpracownikami, możesz użyć platformy Altium 365® do udostępniania i zarządzania danymi projektowymi.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu aby uzyskać bardziej szczegółowy opis funkcji lub obejrzeć jeden z webinarów na żądanie.