O que é um Balun em PCB RF e Você Precisa de Um?

Um termo que é frequentemente mencionado em tópicos de projeto de PCBs RF é o uso de um balun, mas às vezes pode ser incerto o que esses dispositivos fazem ou por que são necessários. No projeto de PCBs RF, às vezes há a necessidade de casar impedâncias e converter entre sinais balanceados/desbalanceados simultaneamente. É aí que um balun se torna útil.

Se você está se perguntando o que é um balun em mais detalhes, continue lendo, pois este pode ser um tópico rico. Algumas descrições de baluns podem ser bastante esotéricas ou simplistas, então farei o meu melhor para ser sucinto e relacionar isso aos conceitos de design de PCB com os quais a maioria dos projetistas está familiarizada. Espero que você tenha informações suficientes para selecionar seu balun e incorporá-lo ao layout do seu PCB.

O que é um Balun?

De forma muito simples, um balun é um dispositivo que converte um sinal de CA (corrente alternada) desbalanceado (de extremidade única) em um sinal de CA balanceado (diferencial). Um balun pode assumir várias formas, embora o mais comumente usado para sinais de RF (radiofrequência) de baixa frequência (por exemplo, antenas de CATV e TV) seja um transformador simples ou um conjunto de indutores acoplados. Ao converter entre um sinal de entrada de RF de extremidade única e um sinal diferencial, o sinal pode ser inserido em um receptor diferencial, antena dipolo ou outros componentes operados diferencialmente.

Aqui estão alguns exemplos de baluns que você pode encontrar em sistemas RF comuns:

• Transformador simples. Este é provavelmente o tipo mais simples de balun, mas também é o mais volumoso.
• Transformador com derivação central. Esta é uma opção melhor para um balun transformador. A derivação central no transformador fornece a rede de referência compartilhada para o sinal balanceado. A impedância de cada lado do balun depende da relação de voltas entre o lado sem derivação e uma metade do lado com derivação.
• Acoplamento em circuitos LC. Você pode criar um circuito com efetivamente a mesma função de transformação de impedância que um transformador com derivação central, aproveitando o acoplamento entre elementos reativos em um circuito LC. Este é um tópico mais complexo que envolve simulações em circuitos LC. Você pode ver um exemplo de um balun criado a partir de componentes LC em um projeto recente de Mark Harris.
• Designs de balun distribuídos. Estes designs de balun são mais complexos, pois aproveitam o acoplamento de impedância entre trilhas impressas em uma PCB. Estruturas semelhantes também são usadas para colocar um balun em um circuito integrado.

O último tipo de balun que listei abrange uma grande variedade de designs que exigem um layout cuidadoso de elementos impressos em uma PCB. Este é um aspecto do design de PCBs RF que a maioria dos projetistas pode considerar esotérico. Felizmente, existem muitos designs em livros de engenharia de micro-ondas e na literatura de pesquisa que fornecem um bom ponto de partida para o design de balun. A imagem abaixo mostra dois baluns transformadores e um simples balun de quarto de onda que pode ser impresso em uma PCB.

Baluns encontram sua aplicação em amplificadores passivos, multiplicadores de frequência, deslocadores de fase, moduladores e alimentações de antenas dipolo. Dentro dessas aplicações, um balun desempenha duas funções importantes.

Correspondência de Impedância

Uma função importante de um balun é fornecer a correspondência de impedância entre as extremidades balanceadas e desbalanceadas do balun. Em baluns transformadores, por exemplo, isso seria feito selecionando a razão de voltas apropriada, ou melhor, a razão das indutâncias das bobinas primária e secundária. Um balun ideal terá uma perda de retorno de S11 = infinito negativo.

Isolamento

Porque os baluns transferem energia através de acoplamento elétrico ou magnético, eles fornecem alguma isolação natural entre sinais balanceados e desbalanceados. Contanto que o balun seja projetado corretamente, isso ajuda de forma eficaz a isolar a EMI irradiada de passar entre cada lado do balun. A extremidade balanceada do balun também tem alta imunidade a ruídos de modo comum se o sinal for alimentado em um receptor diferencial.

Como Fazer o Layout de uma PCB RF Com um Balun

Existem dois desafios ao trabalhar com baluns em um layout de PCB RF: fazer o layout do próprio balun e fazer o layout das linhas balanceadas e desbalanceadas. Siga a mesma estratégia que você usaria em outras PCBs RF:

• Fornecer isolamento entre blocos de circuito, como com cercas de vias ou estruturas de banda proibida eletromagnética (EBGs)
• Optar por trilhas mais curtas e combinar impedâncias quando necessário
• Tentar organizar o layout de modo que diferentes blocos funcionais estejam em diferentes localizações na placa

Quando usado em uma linha de alimentação de antena dipolo, coloque o balun bem próximo à borda da região do plano de terra e direcione a saída balanceada diretamente para a antena. Isso é normalmente feito em uma antena invertida-F ou outras antenas de microfita. Indo na direção oposta, como com uma antena monopolo ou uma conexão coaxial (ou seja, antena desbalanceada com conector U.FL), você deve fazer tudo sobre um plano de terra independentemente. Para proporcionar alta isolação, você pode colocar vias de guarda aterradas ao redor das linhas de alimentação, bem como entre a região da antena e outros circuitos.

Uma vez que você entende o que é um balun, fica muito mais fácil determinar qual tipo de balun será melhor para o seu PCB de RF. Depois de obter o balun de que precisa, você pode usar o conjunto completo de ferramentas CAD no Altium Designer® para projetar um balun impresso e o restante do seu layout de PCB de RF. Quando precisar compartilhar seu trabalho com seus colaboradores, você pode usar a plataforma Altium 365® para compartilhar e gerenciar seus dados de design.

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