全面深度剖析射频变压器之巴伦（Balun）

　　在当今飞速发展的射频微波行业中，射频变压器扮演着至关重要的角色，而巴伦（Balun）作为其中的典型代表，更是备受关注。下面我们将全面深入地对射频变压器及其巴伦进行详细解读。
　　射频变压器简介
　　从本质上来说，变压器是由两条或多条导线通过磁场相互耦合而构成的。当交流电通过一组线圈时，会产生交变磁通，该磁通通过磁芯在另一组线圈中感应出电流，感应电流的大小由磁耦合比例决定。它不仅能够进行阻抗变换，还能实现电压的升降。通过绕制多组不同耦合比例的线圈，就能实现多种功能。因此，射频变压器品类繁多、用途广泛，在射频微波领域得到了极为广泛的应用。
　　射频变压器常见的制作方式是将多根导线绕在磁芯上，在高频应用中也可采用空心磁芯，其性能通常用匝数比来表征。它的用途十分广泛，例如可以馈入直流、实现电路间的直流隔离、抑制共模干扰、进行阻抗匹配变换、连接平衡与非平衡电路以及实现电压电流的升降等。目前，主流的工艺包括绕线磁芯式、传输线型、低温共烧陶瓷（LTCC）和单片微波集成电路（MMIC），其封装和性能选型也极为丰富。
　　变压器原理与实际工程应用

　　理想变压器模型虽然在现实中无法直接实现，但对于理解变压器的底层工作原理具有重要的参考价值。当交流电流通过初级线圈时，会在磁芯中产生交变的磁通量，这符合法拉第电磁感应定律。依靠磁芯的互感磁场，会在次级线圈中感应出成比例的电流和电压。感应电流和电压的大小仅与线圈匝数比有关，同时也取决于线圈和磁芯之间的磁耦合程度。因此，次级等效阻抗等于匝数比的平方乘以初级阻抗。

　　然而，实际的变压器会存在各种寄生电阻、寄生电感和寄生电容，还包括互寄生电容和自寄生电容。非理想变压器的集总等效模型直观地展示了初、次级线圈的寄生电阻、寄生电感，以及磁芯损耗电阻和线圈有效电感等。从这个模型可以看出，实际变压器的带宽有限，存在插入损耗和功率承受上限，并且各项性能会随频率、温度和功率大小的变化而变化。

　　一般而言，实际射频变压器的低频截止频率主要由线圈的等效电感决定，而高频截止频率则主要受线圈之间和线圈自身的寄生电容控制。在工作带宽内产生的插入损耗，主要来自初级和次级线圈的欧姆损耗以及磁芯内部的损耗发热。由于线圈欧姆损耗会随频率和温度变化，这些因素直接限制了变压器的实际可用带宽。

　　此外，许多射频变压器由于线圈之间磁场耦合不完全，会产生漏感。漏感的电抗与频率成正比，这些寄生参数会导致高频回波损耗变差，同时低频插入损耗增大。对于结构更为复杂的射频变压器，如多绕组、带抽头或外加额外器件的类型，其性能特性完全取决于电路拓扑和绕线结构工艺。例如，巴伦器件就是利用射频变压器实现的，用于高效连接平衡差分射频电路和非平衡单端射频电路，同时完成阻抗变换。与之类似的 Unun 非巴伦则用于实现非平衡转非平衡电路互连，同样可以通过射频变压器来实现。常见的磁通耦合式巴伦变压器，是将多根独立导线绕在磁芯上，并将初级一端接地。这样，从初级非平衡端输入的单端射频信号，经过阻抗变换后，会在次级变成差分平衡信号输出。

　　带磁芯（一般为铁磁材料）的射频变压器会受到多种不良因素的影响，导致性能变差。例如，磁芯的励磁电感会限制射频变压器的低频性能，其大小由磁芯磁导率、磁芯横截面积和线圈匝数决定。励磁电感会增大低频插入损耗，同时降低回波损耗。另外，磁芯的磁导率会随温度变化，温度升高时磁导率增大，进而使低频插入损耗更高。
　　射频变压器的主流工艺类型

　　绕线磁芯式射频变压器：这种变压器是将绝缘铜线等导线绕在环形磁芯等磁芯材料上制成的。它可以有一组或多组次级线圈，还能做成中心抽头结构，以实现更多的电路功能。依靠线圈和磁芯之间的电感耦合特性，磁芯和绕线尺寸越小，工作频率就可以越高。然而，小型化也存在弊端，尺寸减小后，线圈和磁芯的电阻损耗会增大，低频下的插入损耗也会明显增加。

　　传输线型射频变压器：传输线变压器有多种电路结构，有的是在两个阻抗不匹配的负载之间布设一段精心设计的传输线，有的则是将多段传输线进行复杂组合排布。例如，只用一段传输线就能在两个阻抗不匹配的负载之间实现阻抗变换。有些传输线变压器也是用绝缘导线绕在铁氧体磁芯上制成的，外形与普通绕线磁芯变压器相似，常被归为绕线变压器一类。基础款传输线变压器由双导体传输线构成，一根导体从信号源接到负载，另一根导体接在段传输线输出端与负载之间，然后接地。在这种接法下，流过负载的电流是信号源输出电流的两倍，输出电压 V0 只有输入电压 V1 的一半，负载等效电阻只有信号源端看过去阻抗的四分之一，即实现了 1:4 的阻抗变换比。有一种常见的传输线变压器变体 —— 四分之一波长传输线变压器，它利用一段特定特性阻抗的传输线实现输入阻抗和负载阻抗之间的匹配。四分之一波长线的长度由工作中心频率决定，且带宽受限，只能在中心频率附近一个倍频程范围内正常工作。传输线变压器的一个显著优势是，线圈间的寄生电容和漏感都被传输线本身的参数等效吸收，因此与传统绕线磁芯变压器相比，其工作带宽要宽得多。

　　LTCC 变压器（低温共烧陶瓷变压器）：LTCC 属于多层结构器件，以陶瓷基材作为基板加工而成。LTCC 变压器内部采用耦合线结构，等效为传输线工作，既能进行阻抗变换，也能实现单端信号转平衡差分信号。它主要依靠电容耦合来完成工作，因此与铁氧体磁芯变压器相比，更适合高频工作，但低频性能会变差、指标下滑。LTCC 工艺的优点是可以将变压器做得体积小、结构结实耐用，特别适合高可靠性的应用场景。
　　MMIC 变压器：与 LTCC 工艺类似，MMIC 变压器也是采用高精度二维多层基板，搭配平面金属布线制作而成。通常是在基板上印制螺旋电感，两根传输线相互平行排布，构成变压器结构。MMIC 工艺非常适合制作高频变压器，生产一致性好、批量性能重复性高，散热和热稳定性也很出色。此外，MMIC 变压器还可以采用砷化镓（GaAs）集成无源器件（IPD）工艺来制作。
　　射频变压器的功能与应用简介
　　变压器的功能：射频变压器可以进行阻抗变换，将两个阻抗不同的电路进行匹配，同时也能对信号源电压进行升压或降压。
　　阻抗匹配型变压器：在射频电路中，两个节点阻抗不匹配会导致功率传输效率降低，还容易产生反射信号，干扰电路正常工作。使用阻抗匹配变压器可以有效消除反射，实现两个电路节点之间的功率传输。例如，一个 50Ω 平衡放大器可以利用变压器将阻抗匹配到 75Ω。

　　非巴伦与巴伦：对于非平衡传输线，可以使用自耦变压器结构进行阻抗匹配，即 Unun（非巴伦），实现不平衡到不平衡的转化。而巴伦变压器则用于连接平衡电路和非平衡电路。

　　直流隔离：射频变压器可以设计成初、次级直流相互隔离的结构。当有些射频链路需要在线路上加直流偏置，而有些电路又怕直流电压干扰时，使用这种变压器可以将两部分电路隔离开，互不影响。

　　直流馈入：如果电路某一部分需要通入直流供电，可以使用专用射频变压器往信号通路里叠加直流电流。例如，使用两个中心抽头变压器可以实现直流偏置馈电，从而省掉两个偏置器（Bias T）。

　　提升共模抑制能力：有些射频变压器的结构设计可以大幅提升平衡差分电路的共模抑制能力（CMR）。例如，给对称天线（如半波偶极子天线）用同轴线馈电时，必须加共模扼流圈（也叫电流型巴伦），以抑制同轴线屏蔽层外皮上多余的杂散电流。
　　射频扼流圈：一些变压器架构能够滤除信号线上的高频射频分量，起到射频扼流圈的作用。