射頻PCB設(shè)計(jì)

在射頻PCB設(shè)計(jì)主題中經(jīng)常提及的一個(gè)術(shù)語是平衡-不平衡變換器的使用，但有時(shí)可能不清楚這些器件的作用或需要它們的原因。在RF PCB設(shè)計(jì)中，有時(shí)需要阻抗匹配并同時(shí)在平衡/不平衡信號之間轉(zhuǎn)換。這是不平衡變壓器派上用場的地方。
如果您想更詳細(xì)地了解什么是不平衡變壓器，因?yàn)檫@可能是一個(gè)豐富的話題。某些不平衡變壓器的描述可能相當(dāng)深?yuàn)W或過于簡單，因此我會(huì)盡量簡潔，并將其與大多數(shù)設(shè)計(jì)師熟悉的PCB設(shè)計(jì)概念聯(lián)系起來。希望您有足夠的背景信息來選擇不平衡變壓器，并將其合并到您的PCB布局中。
很簡單，不平衡變壓器是一種將不平衡（單端）交流信號轉(zhuǎn)換為平衡（差分）交流信號的設(shè)備。平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器可以采用多種形式，盡管最常用的低頻RF信號（例如，CATV和TV天線）是簡單的變壓器或一組耦合電感器。通過在單端RF輸入信號和差分信號之間轉(zhuǎn)換，可以將信號輸入到差分接收器，偶極天線或其他差分操作的組件中。
以下是一些常見的射頻系統(tǒng)中的不平衡變壓器示例：
簡單的變壓器。這可能是最簡單的巴倫類型，但也是最大的。
中心抽頭變壓器。對于變壓器巴倫來說，這是一個(gè)更好的選擇。變壓器的中心抽頭為平衡信號提供了共享參考網(wǎng)絡(luò)。平衡-不平衡變換器每一側(cè)的阻抗取決于未抽頭側(cè)和一半抽頭側(cè)之間的匝數(shù)比。
LC電路中的耦合。通過利用LC電路中電抗元件之間的耦合，可以創(chuàng)建具有與中心抽頭變壓器相同的阻抗轉(zhuǎn)換功能的電路。這是一個(gè)涉及LC電路仿真的更復(fù)雜的主題。
分布式巴倫設(shè)計(jì)。這些巴倫設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，因?yàn)樗鼈兝昧擞∷⒃?/span>PCB上的走線之間的耦合阻抗。類似的結(jié)構(gòu)也用于將平衡-不平衡變換器放置在集成電路中。
我列出的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的最終類型涉及多種設(shè)計(jì)，需要仔細(xì)在PCB上布置印刷元件。這是大多數(shù)設(shè)計(jì)人員可能發(fā)現(xiàn)深?yuàn)W的RF PCB設(shè)計(jì)的一方面。值得慶幸的是，微波工程教科書和研究文獻(xiàn)中有許多設(shè)計(jì)為巴倫設(shè)計(jì)提供了良好的起點(diǎn)。下圖顯示了兩個(gè)變壓器巴倫和一個(gè)簡單的四分之一波長巴倫，可以將其印刷到PCB上。

巴倫示例。頂部和中間：兩個(gè)變壓器不平衡變壓器。底部：四分之一波長巴倫。
巴倫人在無源放大器，倍頻器，移相器，調(diào)制器和偶極天線饋源中找到了家。在這些應(yīng)用中，不平衡變壓器執(zhí)行兩項(xiàng)重要功能。
阻抗匹配
平衡-不平衡變換器的一項(xiàng)重要功能是在平衡-不平衡變換器的平衡端與不平衡端之間提供阻抗匹配。例如，在變壓器不平衡變壓器中，可以通過選擇合適的匝數(shù)比，或者選擇初級和次級線圈電感之比來實(shí)現(xiàn)。理想的不平衡變壓器的回波損耗為S11 =負(fù)無窮大。
隔離
由于不平衡變壓器通過電耦合或磁耦合來傳輸功率，因此它們在平衡和不平衡信號之間提供了一定的自然隔離。只要平衡-不平衡變換器的PCB設(shè)計(jì)正確，這就能很好地幫助隔離輻射的EMI，使其不通過平衡-不平衡變換器的兩側(cè)之間。如果將信號饋入差分接收器，則平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的平衡端也具有較高的共模噪聲抗擾性。
如何使用巴倫布局RF PCB
在射頻PCB設(shè)計(jì)布局中使用平衡不平衡變壓器時(shí)，存在兩個(gè)挑戰(zhàn)：布置平衡不平衡變壓器本身，以及布置不平衡和平衡的線路。遵循與其他RF PCB相同的策略：
在電路塊之間提供隔離，例如使用通孔圍欄或電子帶隙結(jié)構(gòu)（EBG）
選擇較短的走線并在需要時(shí)匹配阻抗
嘗試將布局網(wǎng)格化，以使不同的功能塊位于板上的不同位置
在偶極天線饋線上使用時(shí)，將平衡不平衡變壓器放置在接地平面區(qū)域的邊緣，并將平衡輸出直接路由到天線。這通常在倒F天線或其他微帶天線上完成。換個(gè)方向，例如使用單極天線或同軸連接（即帶有U.FL連接器的不平衡天線），無論如何都應(yīng)在接地平面上進(jìn)行所有操作。為了提供高隔離度，您可以在饋線周圍以及天線區(qū)域和其他電路之間放置接地的保護(hù)通孔。