电信号传输始终需要两个导体。单端（不平衡）系统在一根
导线上传输信号，并使用第二根导线作为接地。差分（平衡）系统使用两个导体来传输彼此相位相差 180 度的信号。
用于连接平衡和不平衡配置的组件称为巴伦——BALanced-to-UNbalanced 的缩写。巴伦充当功率
分配器，产生两个幅度相等但相位相差 180 度的输出。
巴伦是一种三端口设备。一个端口是不平衡的，而另外两个端口一起形成一个平衡端口。图 1 显示了理想巴伦的典型输入和输出波形，其中端口 1 是不平衡端口，端口 2 和 3 形成平衡端口。
理想的巴伦。
图 1.理想的巴伦将输入信号分成两个幅度相等但极性相反的信号。图片由 Steve Arar 提供
以下两个方程可用于描述巴伦传统 S 参数的基本功能。首先，我们有：S21 = ?S31 等式 1。
巴伦是互易器件，这意味着它们在两个方向上具有相同的传输特性。因此，除了公式 1 之外，我们还有：
S21 = S12 = ?S31 = ?S13 等式2。
请注意，端口 2 和端口 3 之间的传输S 23没有任何限制。换句话说，形成平衡端口的两个输出可能有隔离，也可能没有隔离。
现在我们已经熟悉了理想巴伦的特性，接下来让我们看看该设备的一些重要的性能参数。这些包括：
插入损耗。
回波损耗。
幅度不平衡。
相位不平衡。
共模增益。
共模抑制比。
插入损耗
巴伦的插入损耗也称为差模增益 ( G dm )。对于传统的 S 参数，该参数由下式给出：
G d m = S 21 ? S 31 √ 2
等式 3。
巴伦数据表将提供一个或多个特定频率下的单端插入损耗值。它们还可能包括S 21和S 31与频率的关系曲线，如图 2（摘自 Hyperlabs HL9492巴伦的数据表）所示。
S21 和 S31 与 Hyperlabs 巴伦的频率对比。
图 2. HL9492 的S 21和S 31与频率的关系。图片由Hyperlabs提供
由于输入功率在两个输出之间平均分配，因此插入损耗理论上应为 –3 dB。然而，任何现实世界的巴伦实施都会涉及损耗机制，进一步降低传输到平衡输出的功率，导致插入损耗值比 –3 dB 更负。这种损耗的大小取决于巴伦设计的细节。
有几种不同的实现巴伦的方法可以影响频率响应的整体形状。例如，图 3 显示了用同轴
电缆构造的传输线巴伦的模拟频率响应。在这种情况下，一种称为半波长谐振的现象设定了可用带宽的上限。
同轴电缆传输线巴伦中的半波长谐振。
图 3.同轴电缆传输线巴伦中的半波长谐振。图片由Robert M. Smith提供
回波损耗
回波损耗是事件信号从巴伦端口反射或返回时所经历的损耗。图 4 显示了 HL9492 的单端回波损耗。
Hyperlabs 巴伦的单端回波损耗与频率的关系。
图 4. HL9492 的单端回波损耗与频率的关系。图片由Hyperlabs提供
当插入损耗较低且输入回波损耗较高时，该器件可以将较大部分的输入功率传输到输出。这为我们提供了更大的动态范围。
在图 4 中，端口 2 和端口 3 的回波损耗分别具有特征。我们还可以有效地将端口 2 和 3 描述为单个平衡端口，正如我们在图 1 的讨论中所做的那样。如图 5 所示，该模型允许我们适当地终止不平衡端口（端口 1）并应用差分信号到平衡端口。
为了模拟回波损耗，巴伦的端口 2 和 3 被视为单个平衡端口。
图 5.表征端口 2 和 3 的回波损耗，就像它们是单个平衡端口一样。图片由 Steve Arar 提供
理想情况下，差分信号应完全通过巴伦，从而导致回波损耗为 –∞。然而，如上所述，实际的巴伦反射一小部分入射信号。图 6 显示了 Macom MABA-011131巴伦的平衡输出回波损耗。
Macom 巴伦的平衡输出回波损耗。
图 6. MABA-011131 的平衡输出回波损耗。图片由Macom提供
入射到平衡端口的平衡信号大部分被吸收，但是入射到平衡端口的共模信号大部分被反射。理想情况下，共模信号的平衡端口的回波损耗为 0 dB。图 7 对此进行了说明。
在理想的巴伦中，入射到平衡端口的大部分共模信号都会被反射。
图 7.入射到平衡端口的大部分共模信号都会被反射回来。图片由 Steve Arar 提供
值得一提的是，实用的巴伦可能会表现出模式转换。当将差分信号施加到平衡端口时，我们可能会观察到设备反射出一个小的共模信号。共模信号的应用还可能产生从设备反射回来的小的、模式转换的差模信号。
通常认为这些模式转换影响可以忽略不计，因此大多数数据表中不包含有关它们的详细信息。例如，我们上面查看的 MABA-011131 巴伦的数据表仅提供平衡端口的平衡插入损耗。
幅度和相位不平衡
幅度和相位不平衡参数测量巴伦将单端信号转换为差分信号的效果，反之亦然。它们可能是巴伦重要的性能参数，值得我们在本文中进行更彻底的解释。现在，我们将保持简短的解释。
幅度平衡表征平衡端口的功率大小之间的匹配。幅度不平衡等于两个插入损耗项（ S 21和S 31 ）之间的幅度差。理想情况下，两个端口的输出功率应相等，从而使幅度不平衡为零。然而，实际上，由于巴伦的设计和制造，总会存在一些不匹配的情况。
同样，虽然输出信号在理想情况下应彼此相差 180 度，但由于实际巴伦的缺陷，总会存在一些偏差。相位角与理想180度的偏差称为相位不平衡。
低性能巴伦通常具有 ±1 dB 的幅度不平衡和 ±10 度的相位不平衡。然而，高性能巴伦的幅度和相位不平衡值分别小至 ±0.2 dB 和 ±2 度。
共模增益和抑制比
如上所述，理想情况下，入射到平衡端口的共模信号会被完全反射。实际上，一些输入共模功率被吸收，在单端输出处产生不需要的信号。由于该设备是互易的，这也意味着功率可以从不平衡端口分散到平衡输出。我们可以通过使用以下公式计算巴伦的共模增益来量化这种影响：
Gcm = S 21 + S 31 √ 2 _ _
等式 4。
现在可以应用源自低频模拟设计的共模抑制比 ( CMRR )概念。CMRR表征器件在产生所需差分信号时衰减共模信号的程度。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。
让我们通过一个例子来巩固这些概念。
计算巴伦的 CMRR
假设在给定频率下，巴伦的传统 S 参数的传输特性为S 21 = 0.66 ∠ 0 度和S 31 = 0.75 ∠ –170 度。我们来计算一下该巴伦的差模增益、共模增益和CMRR 。
首先，我们要找到相位不平衡和幅度不平衡。从上面的 S 参数中我们可以看到，该设备与理想的 180 度相位角有 10 度的偏差，这给我们带来了相位不平衡。将这些 S 参数转换为分贝值，我们可以看到 | S 21 | = –3.61 dB 和 | S 31 |= –2.5 dB。这些值对应于 1.11 dB 的幅度不平衡。
将 S 参数的线性形式代入公式 3 和公式 4，分别得出G dm = –0.06 dB 和G cm = –19.4 dB。使用这些增益值或公式 5 中的原始 S 参数，我们发现 CMRR等于19.3 dB。
高CMRR与良好的幅度和相位平衡特性直接相关。我们研究的示例代表了典型的低性能巴伦，其幅度不平衡为 ±1 dB，相位不平衡为 ±10 度。正如我们所见，该巴伦可提供约 20 dB 的CMRR。
