巴倫（Balun）也稱平衡轉換器，是微波平衡混頻器、倍頻器、推挽放大器和天線饋電網絡等平衡電路布局的關鍵部件，可以說是無線局域網射頻前端電路設計的一項關鍵技術，直接影響著無線通信的性能和質量。而差分天線饋線的主要任務就是高效率的傳輸功率，同時要保證對稱陣子的平衡饋電。而在超短波頻段，如果采用平行雙導線做其饋電，雖然能保證這種平衡性，但由于其開放式的結構，將會產生強烈的反射，為防止電磁能量的漏失和不易受氣候和環境等因素的影響，饋線通常采用屏蔽式同軸電纜，但如果直接與天線端相連，將會破壞天線本身的對稱性。這種不平衡現象不僅改變了天線的輸入阻抗匹配，而且使天線方向圖發生畸變。

本文主要分析巴倫的特性，并利用分立元件及蛇形線設計一款微型巴倫，應用于RFID系統中，使RFID標簽性能得到明顯提高。

1、巴倫的原理分析

巴倫是一種三端口器件，由一個不平衡端口和兩個平衡端口組成。兩個平衡端口的信號有相同的幅值，但是有180°的相移。Machand于1944年首次提出了基于TEM模的同軸傳輸線巴倫結構。許多電路需要平衡的輸入和輸出，從而用來減少電路的噪聲和高次諧波，改善電路的動態范圍。

巴倫的形式有多種，但從總體上可分為有源巴倫和無源巴倫兩大類。有源巴倫由于要使用晶體管等有源器件，所以不可避免地會產生噪聲和功耗。而無源巴倫又可以分為集總元件形式巴倫、螺旋變壓器形式巴倫和分布參數形式巴倫三類。集總元件形式巴倫的優點是體積小、重量輕，但不容易達到180°的相移和相等的輸出幅值；螺旋變壓器形式巴倫僅適用于低頻和超高頻（UHF），并且有一定的損耗；分布參數形式巴倫可細分為180°混合環巴倫和Marchand巴倫。在微波頻段，180°混合環巴倫有相當好的頻率響應，但是過大的尺寸限制它應用于射頻頻段，即從200MHz到幾GHz。Marchand巴倫由于有較好的輸出等幅值和輸出180°相移，并且帶寬較寬，所以被許多設計者選用。但是Marchand巴倫由兩段四分之一波長耦合線構成，會占用較大的面積，特別是在低頻段。

2、巴倫的特性分析

巴倫主要有兩大特性：一是頻率寬帶特性，這也是巴倫受到青睞的主要原因之一；其次是具有阻抗匹配的功能。因而巴倫得到了在射頻電路當中的廣泛應用，也成為一項射頻電路設計的關鍵技術。

2.1、巴倫的頻率帶寬特性

用奇偶模的方法來分析巴倫的工作帶寬特性：

圖1、巴倫的奇偶模結構

偶模激勵時，該耦合電路的Y、Z參數為：

由此可以看出該耦合電路在電器長度θ（長度÷波長×360°）為任意長度下具有全阻特性，即z=0。理想情況下，巴倫的幅度平衡和相位平衡對頻率的依賴程度很低，這也是巴倫的工作帶寬較寬的原因，也是其在微波電路中得到廣泛應用的主要原因之一。但是巴倫也有其缺點，由于奇偶模相速的不同，奇偶模狀態下微帶線的物理長度也就不同；但在實際的巴倫設計中，耦合段的兩個微帶線的電參數和物理參數都是一樣的，因此，巴倫輸出端口之間的隔離度、輸入端口的駐波比和輸出信號的幅度平衡度不是很理想。但可以采取一些補償電路來改善巴倫的性能：在輸出端口之間并聯一個移相隔離網絡則可以提高巴倫的幅度平衡度；也可在輸入端口并聯一個電容則可以降低輸入端口的駐波比；另外，用多個相同結構的巴倫級聯在一起可以增大巴倫的工作帶寬等，詳細敘述可參閱相關資料。

2.2、巴倫的阻抗變換功能特性

巴倫的工作特性就是兩個平衡輸出端口的輸出信號等幅反相，即要有良好的相位平衡度、幅度平衡度和功率等分的特點。S參量表達的是功率波，它可以用人射波功率和反射波功率的方式定義巴倫的輸入、輸出之間的關系。在輸人輸出端口均匹配的情況下，三端口網絡巴倫所要滿足的條件是：

S11=0和S21=-S31

其中，，

由巴倫的工作特性可得出一個重要結論，即巴倫的輸入、輸出阻抗與耦合微帶線耦合系數的關系：

，其中，Zout為輸出阻抗，Zin為輸入阻抗。

根據耦合系數的不同，選擇不同的輸入輸出阻抗，也就實現了巴倫的阻抗變換功能。從而為設計電路提供許多方便。在實際設計工作中，不僅要考慮電路的性能。還要考慮微帶線的加工工藝水平。參閱相關文獻，經過分析可得，耦合系數增大，則偶模阻抗增大，奇模阻抗減小；微帶線間隙越小，對微帶線的工藝要求就越高。所以，應根據電路的需要和工藝水平選擇合適的耦合度。而巴倫的頻率帶寬直接與這兩段耦合線的耦合系數k有關，直耦合線的耦合系數大概為0.3左右，而上下耦合的螺旋耦合線的耦合系數可以達到0.45左右。在設計巴倫時，可根據輸入、輸出阻抗和巴倫的帶寬，確定傳輸線的特性阻抗。但必須強調的是：微帶巴倫阻抗方程是在均勻介質的前提下得出的，在實際的應用中應采取相應的措施補償。