射频PCB设计

2020-12-02

在射频PCB设计主题中经常提及的一个术语是平衡-不平衡变换器的使用(yòng)，但有(yǒu)时可(kě)能(néng)不清楚这些器件的作用(yòng)或需要它们的原因。在RF PCB设计中，有(yǒu)时需要阻抗匹配并同时在平衡/不平衡信号之间转换。这是不平衡变压器派上用(yòng)场的地方。

如果您想更详细地了解什么是不平衡变压器，因為(wèi)这可(kě)能(néng)是一个丰富的话题。某些不平衡变压器的描述可(kě)能(néng)相当深奥或过于简单，因此我会尽量简洁，并将其与大多(duō)数设计师熟悉的PCB设计概念联系起来。希望您有(yǒu)足够的背景信息来选择不平衡变压器，并将其合并到您的PCB布局中。

很(hěn)简单，不平衡变压器是一种将不平衡（单端）交流信号转换為(wèi)平衡（差分(fēn)）交流信号的设备。平衡-不平衡转换器可(kě)以采用(yòng)多(duō)种形式，尽管最常用(yòng)的低频RF信号（例如，CATV和TV天線(xiàn)）是简单的变压器或一组耦合電(diàn)感器。通过在单端RF输入信号和差分(fēn)信号之间转换，可(kě)以将信号输入到差分(fēn)接收器，偶极天線(xiàn)或其他(tā)差分(fēn)操作的组件中。

以下是一些常见的射频系统中的不平衡变压器示例：

简单的变压器。这可(kě)能(néng)是最简单的巴伦类型，但也是最大的。的 

中心抽头变压器。对于变压器巴伦来说，这是一个更好的选择。变压器的中心抽头為(wèi)平衡信号提供了共享参考网络。平衡-不平衡变换器每一侧的阻抗取决于未抽头侧和一半抽头侧之间的匝数比。

LC電(diàn)路中的耦合。通过利用(yòng)LC電(diàn)路中電(diàn)抗元件之间的耦合，可(kě)以创建具有(yǒu)与中心抽头变压器相同的阻抗转换功能(néng)的電(diàn)路。这是一个涉及LC電(diàn)路仿真的更复杂的主题。

分(fēn)布式巴伦设计。这些巴伦设计更加复杂，因為(wèi)它们利用(yòng)了印刷在PCB上的走線(xiàn)之间的耦合阻抗。类似的结构也用(yòng)于将平衡-不平衡变换器放置在集成電(diàn)路中。

我列出的平衡-不平衡转换器的最终类型涉及多(duō)种设计，需要仔细在PCB上布置印刷元件。这是大多(duō)数设计人员可(kě)能(néng)发现深奥的RF PCB设计的一方面。值得庆幸的是，微波工程教科(kē)书和研究文(wén)献中有(yǒu)许多(duō)设计為(wèi)巴伦设计提供了良好的起点。下图显示了两个变压器巴伦和一个简单的四分(fēn)之一波長(cháng)巴伦，可(kě)以将其印刷到PCB上。

 

巴伦示例。顶部和中间：两个变压器不平衡变压器。底部：四分(fēn)之一波長(cháng)巴伦。

巴伦人在无源放大器，倍频器，移相器，调制器和偶极天線(xiàn)馈源中找到了家。在这些应用(yòng)中，不平衡变压器执行两项重要功能(néng)。

阻抗匹配

平衡-不平衡变换器的一项重要功能(néng)是在平衡-不平衡变换器的平衡端与不平衡端之间提供阻抗匹配。例如，在变压器不平衡变压器中，可(kě)以通过选择合适的匝数比，或者选择初级和次级線(xiàn)圈電(diàn)感之比来实现。理(lǐ)想的不平衡变压器的回波损耗為(wèi)S11 =负无穷大。

隔离

由于不平衡变压器通过電(diàn)耦合或磁耦合来传输功率，因此它们在平衡和不平衡信号之间提供了一定的自然隔离。只要平衡-不平衡变换器的设计正确，这就能(néng)很(hěn)好地帮助隔离辐射的EMI，使其不通过平衡-不平衡变换器的两侧之间。如果将信号馈入差分(fēn)接收器，则平衡-不平衡转换器的平衡端也具有(yǒu)较高的共模噪声抗扰性。

如何使用(yòng)巴伦布局RF PCB

在射频PCB布局中使用(yòng)平衡不平衡变压器时，存在两个挑战：布置平衡不平衡变压器本身，以及布置不平衡和平衡的線(xiàn)路。遵循与其他(tā)RF PCB相同的策略：

在電(diàn)路块之间提供隔离，例如使用(yòng)通孔围栏或電(diàn)子带隙结构（EBG）

选择较短的走線(xiàn)并在需要时匹配阻抗

尝试将布局网格化，以使不同的功能(néng)块位于板上的不同位置

在偶极天線(xiàn)馈線(xiàn)上使用(yòng)时，将平衡不平衡变压器放置在接地平面區(qū)域的边缘，并将平衡输出直接路由到天線(xiàn)。这通常在倒F天線(xiàn)或其他(tā)微带天線(xiàn)上完成。换个方向，例如使用(yòng)单极天線(xiàn)或同轴连接（即带有(yǒu)U.FL连接器的不平衡天線(xiàn)），无论如何都应在接地平面上进行所有(yǒu)操作。為(wèi)了提供高隔离度，您可(kě)以在馈線(xiàn)周围以及天線(xiàn)區(qū)域和其他(tā)電(diàn)路之间放置接地的保护通孔。

示例Wifi天線(xiàn)，在馈線(xiàn)上有(yǒu)一个不平衡变压器。

一旦了解了平衡-不平衡变压器，就可(kě)以更轻松地确定哪种平衡-不平衡变压器最适合您的RF PCB。