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Los baluns, dispositivos que convierten entre señales balanceadas y no balanceadas, fueron diseñados originalmente para controlar antenas diferenciales utilizadas en sistemas de transmisión de televisión. Desde entonces, las aplicaciones de los baluns se han ampliado para incluir mezcladores balanceados, amplificadores y líneas de señal de todo tipo. Sin embargo, a pesar de su uso generalizado, los principiantes pueden encontrar la información disponible sobre los baluns fragmentada y confusa. Este artículo tiene como objetivo proporcionar una descripción general de cómo funcionan los baluns, así como algunos de sus parámetros de rendimiento y aplicaciones clave.
El balún ideal
La transmisión de señales eléctricas siempre requiere dos conductores. Los sistemas de un solo extremo (no balanceados) transmiten la señal en un conductor y utilizan el segundo conductor como tierra. Los sistemas diferenciales (equilibrados) utilizan ambos conductores para transmitir señales que están desfasadas 180 grados entre sí.
El componente utilizado como interfaz entre configuraciones balanceadas y no balanceadas se llama Balún– abreviatura de BALanced-to-UNbalanced. Un balun actúa como divisor de potencia, produciendo dos salidas del mismo tamaño pero desfasadas 180 grados.
Un balun es un dispositivo con tres terminales. Un puerto tiene un solo extremo, mientras que los otros dos puertos trabajan juntos para formar un puerto único y equilibrado. La Figura 1 muestra las formas de onda típicas de entrada y salida de un balun ideal, donde el puerto 1 es el puerto no balanceado y los puertos 2 y 3 forman el puerto balanceado.
Ilustración 1. Un balun ideal divide la señal de entrada en dos señales de igual amplitud pero de polaridad opuesta. Imagen cortesía de Steve Arar
Las siguientes dos ecuaciones se pueden utilizar para describir la funcionalidad básica del balun en términos de sus parámetros S tradicionales. Primero tenemos:
$$S_{21}~=~-S_{31}$$
Ecuación 1.
Los baluns son dispositivos recíprocos, es decir, tienen las mismas propiedades de transmisión en ambas direcciones. Por lo tanto, además de la Ecuación 1, tenemos:
$$S_{21}~=~S_{12}~=~-S_{31}~=~-S_{13}$$
Ecuación 2.
Tenga en cuenta que no hay restricción S23la transmisión entre los puertos 2 y 3. En otras palabras, las dos salidas que componen el puerto balanceado pueden estar aisladas o no.
Ahora que estamos familiarizados con las características de un balun ideal, echemos un vistazo a algunos de los parámetros clave de rendimiento del dispositivo. Éstas incluyen:
- Pérdida de inserción.
- Pérdida de devolución.
- Desequilibrio de amplitud.
- Desequilibrio de fases.
- Ganancia en modo común.
- Relación de rechazo en modo común.
Pérdida de inserción
La pérdida de inserción de un balun también se conoce como ganancia push-pull (GRAMODM). En los parámetros S convencionales, este parámetro viene dado por:
$$G_{dm} ~=~ \frac{S_{21}~-~S_{31}}{\sqrt{2}}$$
Ecuación 3.
Las hojas de datos de Balun contienen valores para la pérdida de inserción de un solo extremo en una o más frecuencias específicas. También pueden contener curvas de S21 Y S31 versus frecuencia, como se muestra en la Figura 2, reproducida de la hoja de datos del balun Hyperlabs HL9492.
Figura 2. S21 Y S31 vs. frecuencia para el HL9492. Imagen cortesía de Hyperlabs
Dado que la potencia de entrada se divide en partes iguales entre las dos salidas, la pérdida de inserción debería ser teóricamente de -3 dB. Sin embargo, cualquier implementación real de un balun incluye mecanismos de pérdida que reducen aún más la potencia entregada a las salidas balanceadas, dando como resultado valores de pérdida de inserción superiores a -3 dB. La magnitud de esta pérdida depende de los detalles del diseño del balun.
Existen diferentes métodos para implementar baluns que pueden afectar la forma general de la respuesta de frecuencia. Por ejemplo, la Figura 3 muestra la respuesta de frecuencia simulada de un balun de línea de transmisión construido con cables coaxiales. En este caso, un fenómeno conocido como resonancia de media longitud de onda establece el límite superior del ancho de banda utilizable.
Figura 3. Resonancia de media onda en un balun de línea de transmisión de cable coaxial. Imagen cortesía de Robert M. Smith
Pérdida de devolución
La pérdida de retorno es la pérdida experimentada por la señal incidente cuando se refleja o regresa desde las terminales del balun. La Figura 4 muestra la pérdida de retorno de un solo extremo del HL9492.
Figura 4. Pérdida de retorno de un solo extremo frente a frecuencia para el HL9492. Imagen cortesía de Hyperlabs
Cuando la pérdida de inserción es baja y la pérdida de retorno de entrada es alta, el dispositivo puede transferir más potencia de entrada a la salida. Esto nos da un mayor rango dinámico.
La Figura 4 muestra las pérdidas de retorno de los puertos 2 y 3 individualmente. También sería útil caracterizar los puertos 2 y 3 como un puerto único y simétrico, como lo hicimos en nuestra discusión de la Figura 1. Este modelo, mostrado en la Figura 5, nos permite terminar adecuadamente el puerto no balanceado (Puerto 1) y aplicar una señal diferencial al puerto balanceado.
Figura 5. Caracterice la pérdida de retorno de los puertos 2 y 3 como si fueran un puerto único y equilibrado. Imagen cortesía de Steve Arar
Idealmente, una señal diferencial debería pasar completamente a través del balun, lo que resultaría en una pérdida de retorno de -∞. Sin embargo, como se muestra arriba, un balun práctico refleja una pequeña porción de la señal incidente. La Figura 6 muestra la pérdida de retorno de salida simétrica del balun Macom MABA-011131.
Figura 6. Pérdida de retorno de salida equilibrada del MABA-011131. Imagen cortesía de Macom
Una señal balanceada que incide en el puerto balanceado se absorbe en gran medida, pero una señal de modo común que incide en el puerto balanceado se refleja en gran medida. Idealmente, la pérdida de retorno del puerto balanceado para una señal en modo común es 0 dB. Esto se muestra en la Figura 7.
Figura 7. La mayor parte de la señal en modo común que llega al puerto balanceado se refleja. Imagen cortesía de Steve Arar
Vale la pena señalar que un balun práctico puede tener conversión de modo. Al aplicar una señal diferencial al puerto balanceado, podemos observar que una pequeña señal de modo común se refleja desde el dispositivo. La aplicación de una señal de modo común también puede producir una pequeña señal de modo diferencial convertida en modo que rebota desde el dispositivo.
Normalmente, se supone que estos efectos de conversión de modo son insignificantes, razón por la cual la mayoría de las hojas de datos no proporcionan detalles sobre ellos. Por ejemplo, la hoja de datos del balun MABA-011131 que vimos anteriormente solo especifica la pérdida de inserción equilibrada para el puerto equilibrado.
Desequilibrio de amplitud y fase.
Los parámetros de amplitud y desequilibrio de fase miden qué tan bien un balun convierte una señal de un solo extremo en una señal diferencial o viceversa. Quizás sean los parámetros de rendimiento más importantes de un balun y merecen una explicación más detallada de la que tenemos tiempo en este artículo. Por ahora, las explicaciones serán breves.
El equilibrio de amplitud caracteriza la concordancia entre las cantidades de potencia de los puertos simétricos. la amplitud desequilibrio es igual a la diferencia de tamaño entre los dos términos de pérdida de inserción (S21 Y S31). Idealmente, la potencia de salida en ambos puertos debería ser igual, lo que daría como resultado un desequilibrio de amplitud cero. Sin embargo, en realidad siempre existe alguna discrepancia debido al diseño y fabricación del balun.
Aunque lo ideal es que las señales de salida estén desfasadas 180 grados entre sí, siempre se producen desviaciones debido a las imperfecciones de los prácticos baluns. La desviación del ángulo de fase de los 180 grados ideales se llama desequilibrio de fase.
Los baluns de baja potencia suelen tener un desequilibrio de amplitud de ±1 dB y un desequilibrio de fase de ±10 grados. Sin embargo, los baluns más potentes tienen valores de desequilibrio de amplitud y fase tan bajos como ±0,2 dB y ±2 grados, respectivamente.
Relación de ganancia y rechazo en modo común
Como se mencionó anteriormente, lo ideal es que una señal de modo común incidente en el puerto balanceado se refleje completamente. En la práctica, parte de la potencia de entrada en modo común se absorbe, lo que da como resultado una señal no deseada en la salida de un solo extremo. Dado que el dispositivo es recíproco, esto también significa que la energía puede filtrarse desde el puerto no balanceado a la salida balanceada. Podemos cuantificar este efecto utilizando la siguiente ecuación para calcular la ganancia en modo común del balun:
$$G_{cm} ~=~ \frac{S_{21}~+~S_{31}}{\sqrt{2}}$$
Ecuación 4.
El concepto de relación de rechazo de modo común (CMRR), adaptado del diseño analógico de baja frecuencia, ahora se puede aplicar. CMRR Caracteriza qué tan bien el dispositivo atenúa las señales de modo común mientras genera la señal de diferencia deseada. Las ecuaciones 3 y 4 conducen a:
$$CMRR ~=~| \frac{G_{dm}}{G_{cm}} | ~=~ | \frac{S_{21}~-~S_{31}}{S_{21}~+~S_{31}}|$$
Ecuación 5.
Reforcemos estos conceptos con un ejemplo.
Calcular el CMRR de un balun
Supongamos que a una frecuencia determinada, las características de transferencia de un balun en términos de sus parámetros S convencionales son las siguientes S21 = 0,66 ∠ 0 grados y S31 = 0,75 ∠ –170 grados. Calculemos la ganancia en modo diferencial, la ganancia en modo común y CMRR este balún.
Primero determinamos el desequilibrio de fase y el desequilibrio de amplitud. De los parámetros S anteriores podemos ver que el dispositivo tiene una desviación de 10 grados del ángulo de fase ideal de 180 grados, lo que nos indica nuestro desequilibrio de fase. Si convertimos estos parámetros S en valores de decibelios, vemos que |S21| = –3,61 dB y |S31|= –2,5 dB. Estos valores corresponden a un desequilibrio de amplitud de 1,11 dB.
Sustituyendo las formas lineales de los parámetros S en las Ecuaciones 3 y 4 se obtiene: GRAMODM = –0,06 dB y GRAMOcm = –19,4 dB cada uno. Usando estos valores de ganancia o los parámetros S originales en la Ecuación 5, encontramos que el CMRR es 19,3 dB.
Un alto CMRR está directamente relacionado con buenas propiedades de amplitud y equilibrio de fase. El ejemplo que trabajamos representa un típico balun de baja potencia con un desequilibrio de amplitud de ±1 dB y un desequilibrio de fase de ±10 grados. Como hemos visto, este balun puede tener un CMRR de unos 20 dB.
Resumen
En este artículo, aprendimos sobre los conceptos básicos y los parámetros clave de rendimiento de los baluns, que son esenciales para muchos sistemas de alta frecuencia. Espero que nuestra discusión haya mejorado su comprensión de estos importantes dispositivos.
Imagen destacada utilizada con permiso de Adobe Stock
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