Balun trong PCB RF là gì và Bạn có cần một cái không?

Một thuật ngữ thường được nhắc đến trong các chủ đề về thiết kế PCB RF là sử dụng balun, nhưng đôi khi việc hiểu rõ thiết bị này làm gì hoặc tại sao chúng cần thiết có thể không rõ ràng. Trong thiết kế PCB RF, đôi khi có nhu cầu phải khớp trở kháng và chuyển đổi giữa các tín hiệu cân bằng/không cân bằng đồng thời. Đây là lúc mà balun trở nên hữu ích.

Nếu bạn đang tự hỏi balun là gì một cách chi tiết hơn, hãy tiếp tục đọc vì đây có thể là một chủ đề phong phú. Một số mô tả về balun có thể khá khó hiểu hoặc đơn giản, vì vậy tôi sẽ cố gắng trình bày ngắn gọn và liên hệ điều này với các khái niệm thiết kế PCB mà hầu hết các nhà thiết kế đều quen thuộc. Hy vọng, bạn sẽ có đủ thông tin nền tảng để chọn balun của mình và tích hợp nó vào bố cục PCB của bạn.

Balun là gì?

Rất đơn giản, một balun là thiết bị chuyển đổi tín hiệu AC không cân bằng (đơn cuối) tín hiệu AC thành tín hiệu AC cân bằng (tín hiệu chênh lệch). Balun có thể có nhiều hình thức, mặc dù loại thường được sử dụng cho tín hiệu RF tần số thấp (ví dụ, CATV và ăng-ten TV) là một máy biến áp đơn giản hoặc một bộ cuộn cảm ghép nối. Bằng cách chuyển đổi giữa tín hiệu đầu vào RF đơn cuối và tín hiệu chênh lệch, tín hiệu có thể được đưa vào một bộ thu chênh lệch, ăng-ten dipole, hoặc các thành phần hoạt động chênh lệch khác.

Dưới đây là một số ví dụ về balun bạn có thể tìm thấy trong các hệ thống RF phổ biến:

• Biến áp đơn giản. Đây có lẽ là loại balun đơn giản nhất, nhưng cũng là loại cồng kềnh nhất.
• Biến áp có vòi chia giữa. Đây là một lựa chọn tốt hơn cho biến áp balun. Vòi chia giữa trên biến áp cung cấp mạng tham chiếu chung cho tín hiệu cân bằng. Trở kháng ở mỗi bên của balun phụ thuộc vào tỷ lệ vòng quấn giữa phần không chia và một nửa phần chia.
• Sự kết hợp trong mạch LC. Bạn có thể tạo ra một mạch với chức năng biến đổi trở kháng hiệu quả tương tự như biến áp có vòi chia giữa bằng cách tận dụng sự kết hợp giữa các yếu tố phản ứng trong một mạch LC. Đây là một chủ đề phức tạp hơn liên quan đến việc mô phỏng trong mạch LC. Bạn có thể xem một ví dụ về balun được tạo từ các thành phần LC trong dự án gần đây của Mark Harris.
• Thiết kế balun phân tán. Những thiết kế balun này phức tạp hơn vì chúng tận dụng trở kháng kết hợp giữa các đường dẫn in trên PCB. Các cấu trúc tương tự cũng được sử dụng để đặt một balun trong một mạch tích hợp.

Loại balun cuối cùng mà tôi đã liệt kê bao gồm một phạm vi rộng lớn các thiết kế yêu cầu sự sắp xếp cẩn thận các yếu tố in trên PCB. Đây là một khía cạnh của thiết kế PCB RF mà hầu hết các nhà thiết kế có thể thấy là khó hiểu. May mắn thay, có nhiều thiết kế trong sách giáo khoa về kỹ thuật vi sóng và văn liệu nghiên cứu cung cấp một điểm khởi đầu tốt cho thiết kế balun. Hình dưới đây cho thấy hai balun biến áp và một balun bốn phần tư bước sóng đơn giản có thể được in lên PCB.

Balun được sử dụng trong các bộ khuếch đại thụ động, bộ nhân tần số, bộ dịch pha, bộ điều chế, và nguồn cấp cho ăng-ten dipole. Trong những ứng dụng này, balun thực hiện hai chức năng quan trọng.

Khớp Nối Trở Kháng

Một chức năng quan trọng của balun là cung cấp khả năng khớp nối trở kháng giữa hai đầu cân bằng và không cân bằng của balun. Ví dụ, trong balun biến áp, điều này được thực hiện bằng cách chọn tỷ lệ vòng quay phù hợp, hay nói cách khác là tỷ lệ giữa độ tự cảm của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Một balun lý tưởng sẽ có mức lỗ hồi S11 = vô cùng âm.

Cách Ly

Vì balun truyền công suất thông qua ghép nối điện hoặc từ, chúng cung cấp một số cách ly tự nhiên giữa tín hiệu cân bằng và không cân bằng. Miễn là balun được thiết kế đúng cách, điều này giúp cách ly tốt sự nhiễu xạ EMI từ việc truyền qua mỗi bên của balun. Đầu cân bằng của balun cũng có khả năng miễn dịch nhiễu chế độ chung cao nếu tín hiệu được đưa vào một bộ thu vi sai.

Cách Bố Trí Một PCB RF Với Balun

Có hai thách thức khi làm việc với balun trong bố trí PCB RF: bố trí chính balun, và bố trí các đường không cân bằng và cân bằng. Hãy theo dõi cùng một chiến lược bạn sẽ sử dụng trong các PCB RF khác:

• Cung cấp cách ly giữa các khối mạch, chẳng hạn như với hàng rào via hoặc cấu trúc băng tần điện từ (EBGs)
• Chọn đường dẫn ngắn hơn và khớp trở kháng khi cần thiết
• Cố gắng sắp xếp bố cục sao cho các khối chức năng khác nhau nằm ở các vị trí khác nhau trên bảng mạch

Khi sử dụng trên đường dẫn của ăng-ten dipole, đặt balun ngay sát mép của khu vực mặt đất và định tuyến đầu ra cân bằng trực tiếp đến ăng-ten. Điều này thường được thực hiện trên ăng-ten dạng F đảo ngược hoặc các ăng-ten microstrip khác. Đi theo hướng ngược lại, chẳng hạn như với ăng-ten đơn cực hoặc kết nối đồng trục (tức là, ăng-ten không cân bằng với đầu nối U.FL), bạn nên thực hiện mọi thứ trên một mặt đất bất kể. Để cung cấp độ cách ly cao, bạn có thể đặt các via bảo vệ nối đất xung quanh các đường dẫn, cũng như giữa khu vực ăng-ten và các mạch khác.

Một khi bạn hiểu balun là gì, việc xác định loại balun nào sẽ tốt nhất cho PCB RF của bạn trở nên dễ dàng hơn. Khi bạn đã có balun cần thiết, bạn có thể sử dụng bộ công cụ CAD đầy đủ trong Altium Designer® để thiết kế một balun in và phần còn lại của bố cục PCB RF của bạn. Khi bạn cần chia sẻ công việc của mình với các cộng sự, bạn có thể sử dụng nền tảng Altium 365® để chia sẻ và quản lý dữ liệu thiết kế của mình.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể xem trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.