電信號傳輸始終需要兩個導(dǎo)體。單端（不平衡）系統(tǒng)在一根導(dǎo)線上傳輸信號，并使用第二根導(dǎo)線作為接地。差分（平衡）系統(tǒng)使用兩個導(dǎo)體來傳輸彼此相位相差 180 度的信號。
　　用于連接平衡和不平衡配置的組件稱為巴倫——BALanced-to-UNbalanced 的縮寫。巴倫充當(dāng)功率分配器，產(chǎn)生兩個幅度相等但相位相差 180 度的輸出。
　　巴倫是一種三端口設(shè)備。一個端口是不平衡的，而另外兩個端口一起形成一個平衡端口。圖 1 顯示了理想巴倫的典型輸入和輸出波形，其中端口 1 是不平衡端口，端口 2 和 3 形成平衡端口。

　　理想的巴倫。

　　圖 1.理想的巴倫將輸入信號分成兩個幅度相等但極性相反的信號。圖片由 Steve Arar 提供
　　以下兩個方程可用于描述巴倫傳統(tǒng) S 參數(shù)的基本功能。首先，我們有：S21 = ?S31　等式 1。
　　巴倫是互易器件，這意味著它們在兩個方向上具有相同的傳輸特性。因此，除了公式 1 之外，我們還有：
　　S21 = S12 = ?S31 = ?S13　　等式2。
　　請注意，端口 2 和端口 3 之間的傳輸S 23沒有任何限制。換句話說，形成平衡端口的兩個輸出可能有隔離，也可能沒有隔離。
　　現(xiàn)在我們已經(jīng)熟悉了理想巴倫的特性，接下來讓我們看看該設(shè)備的一些重要的性能參數(shù)。這些包括：
　　插入損耗。
　　回波損耗。
　　幅度不平衡。
　　相位不平衡。
　　共模增益。
　　共模抑制比。
　　插入損耗
　　巴倫的插入損耗也稱為差模增益 ( G dm )。對于傳統(tǒng)的 S 參數(shù)，該參數(shù)由下式給出：
　G d m = S 21 ? S 31 √ 2    
　　等式 3。
　　巴倫數(shù)據(jù)表將提供一個或多個特定頻率下的單端插入損耗值。它們還可能包括S 21和S 31與頻率的關(guān)系曲線，如圖 2（摘自 Hyperlabs HL9492巴倫的數(shù)據(jù)表）所示。

　　S21 和 S31 與 Hyperlabs 巴倫的頻率對比。

　　圖 2. HL9492 的S 21和S 31與頻率的關(guān)系。圖片由Hyperlabs提供
　　由于輸入功率在兩個輸出之間平均分配，因此插入損耗理論上應(yīng)為 –3 dB。然而，任何現(xiàn)實世界的巴倫實施都會涉及損耗機制，進(jìn)一步降低傳輸?shù)狡胶廨敵龅墓β剩瑢?dǎo)致插入損耗值比 –3 dB 更負(fù)。這種損耗的大小取決于巴倫設(shè)計的細(xì)節(jié)。
　　有幾種不同的實現(xiàn)巴倫的方法可以影響頻率響應(yīng)的整體形狀。例如，圖 3 顯示了用同軸電纜構(gòu)造的傳輸線巴倫的模擬頻率響應(yīng)。在這種情況下，一種稱為半波長諧振的現(xiàn)象設(shè)定了可用帶寬的上限。
　　同軸電纜傳輸線巴倫中的半波長諧振。

　　圖 3.同軸電纜傳輸線巴倫中的半波長諧振。圖片由Robert M. Smith提供
　　回波損耗
　　回波損耗是事件信號從巴倫端口反射或返回時所經(jīng)歷的損耗。圖 4 顯示了 HL9492 的單端回波損耗。

　　Hyperlabs 巴倫的單端回波損耗與頻率的關(guān)系。

　　圖 4. HL9492 的單端回波損耗與頻率的關(guān)系。圖片由Hyperlabs提供
　　當(dāng)插入損耗較低且輸入回波損耗較高時，該器件可以將較大部分的輸入功率傳輸?shù)捷敵?。這為我們提供了更大的動態(tài)范圍。
　　在圖 4 中，端口 2 和端口 3 的回波損耗分別具有特征。我們還可以有效地將端口 2 和 3 描述為單個平衡端口，正如我們在圖 1 的討論中所做的那樣。如圖 5 所示，該模型允許我們適當(dāng)?shù)亟K止不平衡端口（端口 1）并應(yīng)用差分信號到平衡端口。

　　為了模擬回波損耗，巴倫的端口 2 和 3 被視為單個平衡端口。

　　圖 5.表征端口 2 和 3 的回波損耗，就像它們是單個平衡端口一樣。圖片由 Steve Arar 提供
　　理想情況下，差分信號應(yīng)完全通過巴倫，從而導(dǎo)致回波損耗為 –∞。然而，如上所述，實際的巴倫反射一小部分入射信號。圖 6 顯示了 Macom MABA-011131巴倫的平衡輸出回波損耗。
　　Macom 巴倫的平衡輸出回波損耗。
　　圖 6. MABA-011131 的平衡輸出回波損耗。圖片由Macom提供
　　入射到平衡端口的平衡信號大部分被吸收，但是入射到平衡端口的共模信號大部分被反射。理想情況下，共模信號的平衡端口的回波損耗為 0 dB。圖 7 對此進(jìn)行了說明。

　　在理想的巴倫中，入射到平衡端口的大部分共模信號都會被反射。

　　圖 7.入射到平衡端口的大部分共模信號都會被反射回來。圖片由 Steve Arar 提供
　　值得一提的是，實用的巴倫可能會表現(xiàn)出模式轉(zhuǎn)換。當(dāng)將差分信號施加到平衡端口時，我們可能會觀察到設(shè)備反射出一個小的共模信號。共模信號的應(yīng)用還可能產(chǎn)生從設(shè)備反射回來的小的、模式轉(zhuǎn)換的差模信號。
　　通常認(rèn)為這些模式轉(zhuǎn)換影響可以忽略不計，因此大多數(shù)數(shù)據(jù)表中不包含有關(guān)它們的詳細(xì)信息。例如，我們上面查看的 MABA-011131 巴倫的數(shù)據(jù)表僅提供平衡端口的平衡插入損耗。
　　幅度和相位不平衡
　　幅度和相位不平衡參數(shù)測量巴倫將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號的效果，反之亦然。它們可能是巴倫重要的性能參數(shù)，值得我們在本文中進(jìn)行更徹底的解釋?，F(xiàn)在，我們將保持簡短的解釋。
　　幅度平衡表征平衡端口的功率大小之間的匹配。幅度不平衡等于兩個插入損耗項（ S 21和S 31 ）之間的幅度差。理想情況下，兩個端口的輸出功率應(yīng)相等，從而使幅度不平衡為零。然而，實際上，由于巴倫的設(shè)計和制造，總會存在一些不匹配的情況。
　　同樣，雖然輸出信號在理想情況下應(yīng)彼此相差 180 度，但由于實際巴倫的缺陷，總會存在一些偏差。相位角與理想180度的偏差稱為相位不平衡。
　　低性能巴倫通常具有 ±1 dB 的幅度不平衡和 ±10 度的相位不平衡。然而，高性能巴倫的幅度和相位不平衡值分別小至 ±0.2 dB 和 ±2 度。
　　共模增益和抑制比
　　如上所述，理想情況下，入射到平衡端口的共模信號會被完全反射。實際上，一些輸入共模功率被吸收，在單端輸出處產(chǎn)生不需要的信號。由于該設(shè)備是互易的，這也意味著功率可以從不平衡端口分散到平衡輸出。我們可以通過使用以下公式計算巴倫的共模增益來量化這種影響：
　Gcm = S 21 + S 31 √ 2 _ _    
　　等式 4。

　　現(xiàn)在可以應(yīng)用源自低頻模擬設(shè)計的共模抑制比 ( CMRR )概念。CMRR表征器件在產(chǎn)生所需差分信號時衰減共模信號的程度。等式 3 和 4 得出：C M R R = | G d米G厘米_  | = | S 21 – S 31 S 21 + S 31    等式 5。

　　讓我們通過一個例子來鞏固這些概念。
　　計算巴倫的 CMRR
　　假設(shè)在給定頻率下，巴倫的傳統(tǒng) S 參數(shù)的傳輸特性為S 21  = 0.66 ∠ 0 度和S 31 = 0.75 ∠ –170 度。我們來計算一下該巴倫的差模增益、共模增益和CMRR 。
　　首先，我們要找到相位不平衡和幅度不平衡。從上面的 S 參數(shù)中我們可以看到，該設(shè)備與理想的 180 度相位角有 10 度的偏差，這給我們帶來了相位不平衡。將這些 S 參數(shù)轉(zhuǎn)換為分貝值，我們可以看到 | S 21 | = –3.61 dB 和 | S 31 |= –2.5 dB。這些值對應(yīng)于 1.11 dB 的幅度不平衡。
　　將 S 參數(shù)的線性形式代入公式 3 和公式 4，分別得出G dm = –0.06 dB 和G cm = –19.4 dB。使用這些增益值或公式 5 中的原始 S 參數(shù)，我們發(fā)現(xiàn) CMRR等于19.3 dB。
　　高CMRR與良好的幅度和相位平衡特性直接相關(guān)。我們研究的示例代表了典型的低性能巴倫，其幅度不平衡為 ±1 dB，相位不平衡為 ±10 度。正如我們所見，該巴倫可提供約 20 dB 的CMRR。