Что такое балун в РЧ печатной плате и нужен ли он вам?

Один из терминов, который часто встречается в темах дизайна ПП для РЧ, это использование балуна, но иногда может быть неясно, что эти устройства делают или зачем они нужны. В дизайне РЧ ПП иногда возникает необходимость одновременно согласовывать импеданс и преобразовывать сбалансированные/несбалансированные сигналы. Вот тут-то и пригождается балун.

Если вы задаетесь вопросом, что такое балун более подробно, продолжайте читать, поскольку это может быть обширная тема. Некоторые описания балунов могут быть довольно эзотерическими или упрощенными, поэтому я постараюсь быть кратким и связать это с концепциями дизайна печатных плат, с которыми большинство дизайнеров знакомы. Надеюсь, у вас будет достаточно базовой информации, чтобы выбрать свой балун и интегрировать его в макет вашей печатной платы.

Что такое балун?

Очень просто, балун - это устройство, которое преобразует несимметричный (однополюсный) AC сигнал в симметричный (дифференциальный) AC сигнал. Балун может иметь множество форм, хотя наиболее часто используемый для сигналов низкочастотного РЧ (например, CATV и ТВ антенны) представляет собой простой трансформатор или набор связанных индукторов. Преобразуя между однополюсным РЧ входным сигналом и дифференциальным сигналом, сигнал может быть подан на дифференциальный приемник, дипольную антенну или другие компоненты, работающие в дифференциальном режиме.

Вот несколько примеров балунов, которые вы можете найти в обычных РЧ системах:

• Простой трансформатор. Вероятно, это самый простой тип балуна, но он также самый громоздкий.
• Трансформатор с отводом от середины. Это лучший вариант для трансформаторного балуна. Отвод от середины трансформатора обеспечивает общую точку отсчета для сбалансированного сигнала. Импеданс с каждой стороны балуна зависит от соотношения витков между неотводной и одной половиной отводной стороны.
• Связь в LC-цепях. Вы можете создать схему с эффективно такой же функцией преобразования импеданса, как у трансформатора с отводом от середины, используя связь между реактивными элементами в LC-цепи. Это более сложная тема, включающая симуляции в LC-цепях. Вы можете увидеть пример балуна, созданного из LC-компонентов, в недавнем проекте Марка Харриса.
• Распределенные конструкции балунов. Эти конструкции балунов более сложные, поскольку они используют связь импеданса между дорожками, напечатанными на печатной плате. Подобные структуры также используются для размещения балуна в интегральной схеме.

Последний тип балуна, который я перечислил, охватывает большой диапазон конструкций, требующих тщательного планирования расположения печатных элементов на печатной плате. Это один из аспектов проектирования РЧ печатных плат, который может показаться многим разработчикам эзотерическим. К счастью, в учебниках по микроволновой инженерии и научной литературе есть множество конструкций, которые могут служить хорошей отправной точкой для проектирования балуна. На изображении ниже показаны два трансформаторных балуна и простой балун четвертьволновой длины, который можно напечатать на печатной плате.

Балуны находят свое применение в пассивных усилителях, умножителях частоты, фазовращателях, модуляторах и питаниях дипольных антенн. В этих приложениях балун выполняет две важные функции.

Согласование импедансов

Одна из важных функций балуна - обеспечение согласования импедансов между сбалансированным и несбалансированным концами балуна. Например, в балунах-трансформаторах это достигается выбором соответствующего соотношения витков, или, иначе говоря, соотношения индуктивностей первичной и вторичной обмоток. Идеальный балун будет иметь коэффициент возврата потерь S11 = минус бесконечность.

Изоляция

Поскольку балуны передают мощность через электрическую или магнитную связь, они обеспечивают некоторую естественную изоляцию между сбалансированными и несбалансированными сигналами. При правильном проектировании балуна это хорошо помогает изолировать излучаемые электромагнитные помехи (EMI) от передачи между каждой стороной балуна. Сбалансированный конец балуна также обладает высокой устойчивостью к общему шуму, если сигнал подается на дифференциальный приемник.

Как разместить на плате RF PCB балун

Существует две задачи при работе с балунами на плате RF PCB: размещение самого балуна и размещение несбалансированных и сбалансированных линий. Следуйте той же стратегии, которую вы бы использовали в других RF PCB:

• Обеспечьте изоляцию между блоками схемы, например, с помощью ограждений через переходные отверстия или структур электромагнитной запрещенной зоны (EBG)
• Используйте более короткие трассы и согласуйте импедансы при необходимости
• Постарайтесь разместить элементы схемы так, чтобы различные функциональные блоки находились в разных местах на плате

При использовании на линии питания дипольной антенны, разместите балун прямо у края области заземляющей плоскости и направьте сбалансированный выход непосредственно к антенне. Обычно это делается на антенне типа инвертированной F или других микрополосковых антеннах. Делая наоборот, например, с монопольной антенной или коаксиальным соединением (т.е., несбалансированная антенна с разъемом U.FL), вам следует все равно выполнять все операции над заземляющей плоскостью. Для обеспечения высокой изоляции вы можете разместить заземленные защитные переходные отверстия вокруг линий питания, а также между областью антенны и другой схемотехникой.

Как только вы поймете, что такое балун, вам будет намного легче определить, какой тип балуна лучше всего подойдет для вашей РЧ печатной платы. Как только у вас будет нужный балун, вы можете использовать полный набор инструментов CAD в Altium Designer® для размещения печатного балуна и остальной части вашей РЧ платы. Когда вам нужно поделиться своей работой с коллегами, вы можете использовать платформу Altium 365® для обмена и управления данными вашего проекта.

Мы только начали знакомство с возможностями Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из вебинаров по запросу.