寬帶變壓器（包括巴倫）在射頻電路中有許多應(yīng)用。例如，一些功率放大器的高頻限值由磁耦合變壓器的漏感和分布式繞組間電容決定。在寬帶應(yīng)用中，我們不能簡(jiǎn)單地消除這些寄生效應(yīng)，而是需要找到替代解決方案。
　　這就是輸電線路變壓器的用武之地。這些變壓器使它們的繞組充當(dāng)傳輸線。通過(guò)這樣做，它們將漏感和繞組間電容結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生我們所知道的特性阻抗效應(yīng)。輸電線路變壓器可以提供比磁耦合變壓器寬得多的帶寬，并且可以在市場(chǎng)上作為標(biāo)準(zhǔn)件提供。
　　在上一篇文章中，我們了解了如何使用雙線線圈來(lái)構(gòu)建 Guanella 1：1 巴倫。在本文中，我們將了解圍繞雙線線圈構(gòu)建的另外兩種有用的配置：反相器配置和延遲線配置。然后，我們將這些電路組合起來(lái)，產(chǎn)生一個(gè)寬帶 1：4 阻抗匹配電路，稱為 Guanella 1：4 巴倫。
　　雙線線圈作為巴倫的核心元件
　　在我們開始之前，讓我們回顧一下我們已經(jīng)學(xué)到的內(nèi)容。圖 1 顯示了 Guanella 1：1 巴倫，它使用單個(gè)雙線線圈構(gòu)建。它將輸入端的不平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出端的平衡信號(hào)?！　uanella 1：1 巴倫示意圖。

　　圖 1.Guanella 1：1 巴倫。圖片由 Steve Arar 提供
　　此原理圖使用傳輸線變壓器的通用符號(hào)。這個(gè)符號(hào)，就像傳統(tǒng)變壓器的符號(hào)一樣，看起來(lái)像一對(duì)電感器符號(hào)。這可能會(huì)誤導(dǎo)初學(xué)者，因此值得強(qiáng)調(diào)的是，圖 1 中的每個(gè)電感符號(hào)實(shí)際上都代表傳輸線的一個(gè)導(dǎo)體。
　　傳輸線可以是：
　　使用線對(duì)、雙絞線或同軸線構(gòu)建的雙線線圈。
　　加載鐵氧體磁珠的直線傳輸線。
　　反相器配置
　　圖 1 中的巴倫動(dòng)作并不是雙線線圈可以實(shí)現(xiàn)的唯一重要功能。圖 2 顯示了雙線線圈的另一種有用的布置。這種結(jié)構(gòu)可以用作寬帶反相器。　　使用雙線線圈實(shí)現(xiàn)的寬帶相位逆變器。

　　圖 2.使用雙線線圈實(shí)現(xiàn)寬帶反相器。圖片由 Steve Arar 提供
　　要了解此電路的工作原理，請(qǐng)回想一下，當(dāng)傳輸線連接到匹配的負(fù)載時(shí)，沿傳輸線長(zhǎng)度的電壓信號(hào)的幅度是恒定的。因此我們有 V1 = V2.
　　需要復(fù)習(xí)一下傳輸線波形嗎？請(qǐng)參閱這篇文章：“傳輸線理論：觀察反射系數(shù)和駐波”。
　　請(qǐng)注意，下繞組在 input 處接地，而上繞組在 output 處接地。通過(guò)反轉(zhuǎn)負(fù)載端的傳輸線連接，我們反轉(zhuǎn)了電壓極性，導(dǎo)致負(fù)載電壓為：
　　$$V_{OUT}~=~-V_{2}~=~-V_{1}$$
　　方程 1.　　為了幫助您了解實(shí)際實(shí)現(xiàn)，圖 3 顯示了通過(guò)將同軸電纜纏繞在磁芯上實(shí)現(xiàn)的反相器電路。

　　圖 3.使用同軸電纜構(gòu)建的反相器電路。圖片由 Steve Arar 提供
　　逆變器電路的輸入阻抗匹配 （Z在 = Z0 = RL） 的 S S T然而，當(dāng)我們接近 DC 時(shí)，輸入阻抗接近零。
　　偶模電流的影響
　　上述解釋隱含地假設(shè)僅存在奇數(shù)模式電流，但是當(dāng)偶數(shù)模式電流流過(guò)傳輸線時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況？圖 4 再現(xiàn)了雙線線圈的等效電路模型?！　‰p線線圈的等效電路模型。

　　圖 4.雙線線圈的等效電路模型。圖片由 Steve Arar 提供
　　如果繞組的電抗 （L） 很小，則分流電流可以流過(guò)傳輸線。在圖 2 的反相器電路中，分流電流從端子 1 流向端子 3，再?gòu)哪抢锪飨蚪拥亍＿@會(huì)導(dǎo)致傳輸線的輸入阻抗下降，并在磁芯中產(chǎn)生磁通量。
　　我上面提供的是對(duì)反相器電路的直觀解釋。如果這還不能讓您滿意，可以在 Ali M. Niknejad 的《高速模擬和數(shù)字通信電路的電磁學(xué)》一書中找到更嚴(yán)格的分析。
　　延遲線配置
　　圖 5 顯示了雙線線圈的另一種簡(jiǎn)單而有用的布置。您可能知道這是我們通常用于將能量從源傳輸?shù)截?fù)載的傳輸線布置。使用匹配的負(fù)載 （RS = Z0 = RL），則此配置的行為類似于 delay line。　　雙線線圈的延遲線配置。

　　圖 5.雙線線圈的延遲線配置。圖片由 Steve Arar 提供
　　將傳輸線盤繞在鐵氧體磁芯上不會(huì)影響電路引入差分信號(hào)的延遲。理想情況下，來(lái)自這些信號(hào)的磁場(chǎng)在內(nèi)核內(nèi)部相互抵消。鐵氧體磁芯只能增加共模信號(hào)在從源極傳輸?shù)截?fù)載時(shí)所經(jīng)歷的電感。
　　使用 Balun 饋送偶極子天線
　　到目前為止，我們已經(jīng)了解了雙線線圈如何實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容：
　　延遲線。
　　相逆變器電路。
　　寬帶 1：1 巴倫。
　　現(xiàn)在是時(shí)候考慮構(gòu)建具有更高變比的寬帶變壓器了。我們首先研究?jī)煞N基本的 1：4 巴倫配置，它們可用于從不平衡源饋送對(duì)稱偶極子天線。盡管這兩種巴倫都有重要的缺點(diǎn)，但它們可以幫助我們了解一個(gè)對(duì)我們的目的更實(shí)用的電路——Guanella 1：4 巴倫。
　　為了給偶極子天線供電，我們需要為天線的每個(gè)元件提供相同幅度和相反極性的電壓。圖 6 顯示了如何將半波長(zhǎng)傳輸線用于此目的?！　榕紭O子天線饋送的半波長(zhǎng)巴倫。

　　圖 6.用于饋送偶極子天線的半波長(zhǎng)巴倫。圖片由 Steve Arar 提供
　　半波長(zhǎng)傳輸線為天線的右側(cè)元件產(chǎn)生相反的極性信號(hào)。因?yàn)榘氩ㄩL(zhǎng)線路只在特定頻率下提供預(yù)期的相位反轉(zhuǎn)，所以電路是窄帶的。
　　圖 7 顯示了另一種解決方案，這次使用了我們之前討論的反相器電路。　　為偶極子天線供電的反相器。

　　圖 7.使用反相器為偶極子天線供電。圖片由 Steve Arar 提供
　　如圖 6 所示，施加到天線的總電壓是信號(hào)源提供的總電壓的兩倍。因此，兩個(gè)電路都提供 1 到 4 的阻抗轉(zhuǎn)換。
　　圖 7 中的巴倫提供了相對(duì)較寬的帶寬，我們可以通過(guò)解決其主要限制 — 由傳輸線延遲引起的額外相移來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)。除了電路架構(gòu)產(chǎn)生的預(yù)期相位反轉(zhuǎn)外，傳輸線的延遲還會(huì)引入不需要的時(shí)間滯后。這個(gè)時(shí)間滯后會(huì)使電路的相移偏離理想的 180 度，尤其是當(dāng)我們使用越來(lái)越高的頻率時(shí)。
　　我們可以通過(guò)在應(yīng)用于天線左側(cè)元件的信號(hào)路徑中使用相同的傳輸線來(lái)規(guī)避這個(gè)問(wèn)題。這均衡了兩條路徑的延遲，在更寬的帶寬上在天線上創(chuàng)建一對(duì)具有相同幅度和相反極性的信號(hào)。這就是 delay line configuration 變得有用的地方，我們將在下一節(jié)中看到?！　uanella 1：4 Balun 和 1：N2巴倫

　　圖 8 顯示了一個(gè)寬帶傳輸線變壓器，它同時(shí)包含同相器電路和延遲線布置。頂部雙線線圈配置為同相延遲線，而底部雙線線圈則配置為反相延遲線。該電路由 Gustav Guanella 于 1944 年首次提出，被稱為 Guanella 1：4 巴倫?！　uanella 1：4 巴倫示意圖。

　　圖 8.Guanella 1：4 傳輸線變壓器或巴倫。圖片由 Steve Arar 提供
　　由于巴倫中集成的兩條傳輸線具有相同的長(zhǎng)度，因此它們提供相同的頻率相關(guān)相移。這允許電路在輸出端產(chǎn)生一對(duì)信號(hào)（理想情況下與頻率無(wú)關(guān)），幅度相同，但極性相反。對(duì)于兩個(gè)雙線線圈，輸出電壓是輸入電壓的兩倍。
　　假設(shè)電路是無(wú)損的，則電壓增益 2 對(duì)應(yīng)于阻抗轉(zhuǎn)換比 4。換句話說(shuō)，電路將 4R 的阻抗轉(zhuǎn)換為 R 的阻抗，或?qū)?R 的阻抗轉(zhuǎn)換為 4R。請(qǐng)注意，每條傳輸線的負(fù)載為總負(fù)載的一半 （RL).因此，上述電路的特性阻抗的最佳值為：
　　$$Z_{0}~=~ \frac{R_{L}}{2}$$
　　方程 2.
　　圖 9 顯示了 50 Ω 源具有適當(dāng)特性阻抗和負(fù)載電阻的電路的同軸實(shí)現(xiàn)。雖然圖中沒(méi)有顯示，但同軸電纜通常會(huì)加載鐵氧體磁珠?！　∈褂猛S電纜構(gòu)建的 Guanella 1：4 巴倫。

　　圖 9.Guanella 1：4 巴倫的同軸實(shí)現(xiàn)，適用于 50 Ω 源。圖片由 Steve Arar 提供
　　我們可以通過(guò)記住它由兩條等長(zhǎng)的傳輸線組成，并分別檢查其輸入和輸出側(cè)，來(lái)提高我們對(duì)這個(gè)巴倫的理解。
　　在輸入端：
　　傳輸線并聯(lián)。
　　增加了同相電流。
　　阻抗低于輸出側(cè)的阻抗。
　　在輸出端：
　　傳輸線串聯(lián)。
　　增加了同相電壓。
　　阻抗高于輸入側(cè)。
　　我們很快就會(huì)看到這種電路視圖如何幫助我們實(shí)現(xiàn)變比甚至高于 1：4 的變壓器。不過(guò)，在我們繼續(xù)之前，我們先了解一下歷史：我們剛剛研究的 Guanella 1：4 電路是舊式電視巴倫中最常用的配置。圖 10 顯示了一個(gè)示例?！　∈褂?Guanella 1：4 配置的舊電視巴倫的兩個(gè)視圖。

　　圖 10.舊電視中的巴倫通常使用 Guanella 1：4 電路。圖片由 D. Jackson 提供
　　構(gòu)建 1：N2巴倫
　　我們可以很容易地?cái)U(kuò)展驅(qū)動(dòng)并聯(lián)繞組并串聯(lián)輸出的想法，以產(chǎn)生 1：n2巴倫，其中 n 是一個(gè)整數(shù)，等于使用的雙線線圈的數(shù)量。如圖 11 所示。
　　Guanella 1：n2 傳輸線巴倫的原理圖。
　　圖 11.瓜內(nèi)拉 1：n2輸電線路變壓器。圖片由 Steve Arar 提供
　　在這種情況下，最佳特性阻抗為：
　　$$Z_{0}~=~ \frac{R_{L}}{n}$$
　　方程 3.
　　變壓器的輸入阻抗為：
　　$$R_{S}~=~ \frac{R_{L}}{n^{2}}$$
　　方程 4.
　　關(guān)鍵要點(diǎn)
　　可以圍繞單個(gè)雙線線圈構(gòu)建幾個(gè)有用的電路，包括：
　　1：1 巴倫。
　　反相器。
　　同相延遲線。
　　n 個(gè)雙線線圈的組合可用于創(chuàng)建 1：n2輸電線路變壓器。在這些電路中，高頻響應(yīng)受到未被傳輸線特性阻抗吸收的寄生效應(yīng)的限制，例如：
　　線圈的繞組內(nèi)電容。
　　線路特性阻抗隨頻率的偏差。
　　影響線路的損失機(jī)制。