铜管巴伦

从铜管巴伦说起……最近，我优化了一款叠双菱天线，在和同轴电缆馈线进行匹配时，设计使用了一种铜管巴伦。

有朋友问，不接这个铜管巴伦行不行？或者像长城天线那样，用同轴电缆做U形环巴伦，行不行？针对这些问题，我进行了比较深入的学习。

今天就把学习体会，向坛友做个汇报。

在无线电接收和发射系统中，天线是馈线的负载，因此，天线和馈线的匹配非常重要。

在我们使用的WIFI频段，最常用的馈线就是50欧姆同轴电缆，而使用的天线，却是五花八门，既有输入阻抗为73.1欧姆的半波偶极天线，也有输入阻抗为292欧姆的折合半波偶极天线，不能不考虑匹配的问题。

匹配的方法，就是使用巴伦。

那么，什么是巴伦？最初我以为，巴伦就是英文Balance的音译。

Balance不就是平衡的意思嘛。

后来才知道，巴伦是由Balance和Unbalance两个单词组合而成：Balance—Unbalance，Balance是平衡的意思，Unbalance 是不平衡的意思。

把这两个词合成缩写为一个单词——Balun，音译为巴伦。

所以，巴伦就是“平衡—不平衡”的意思。

我们在天馈系统经常要用到巴伦，就是要进行平衡不平衡的转换。

为什么要进行平衡不平衡转换？我们知道，很多天线如半波振子天线、折合振子天线、环形天线等都是平衡馈电的，它们都有两个馈电点，两个馈电点的信号电压（或电流）的相位是互为反相的。

而主馈电缆常常使用同轴电缆，同轴电缆属于不平衡（不对称）馈线，其内导体是馈电点，而外导体是地线点。

不平衡馈电的同轴电缆直接连接到平衡结构的天线上，就会破坏天线的对称性，使天线两臂上的电流大小不等。

这种不平衡性会造成馈线上的驻波加大，导致辐射功率的损耗。

有些巴伦还有另外一个作用，就是进行阻抗变换。

比如长城天线所用的1：4的U形环半波巴伦，就是一种既进行平衡不平衡转换，又兼顾阻抗转换的巴伦——它把同轴电缆的50欧姆特性阻抗，转换为天线的200欧姆的输入阻抗（这就是1：4的含义）。

同时，又把同轴电缆的不平衡馈电和长城天线的平衡结构相匹配。

关于天馈系统不平衡造成的不良影响和1:4半波U形环巴伦的原理，请参照我《漫谈长城天线的巴伦》一文，有比较详细的描述，这里不再赘述。

这里准备只说说“硬型巴伦”。

——这个词可是我自己杜撰的，因为这类巴伦，都是应用了刚性材料，比如铜管，铜棒等等，这些材料不能弯折，需要一定的空间来安装。

我把用非刚性同轴电缆制作的巴伦，称为“软型巴伦”，因为这些同轴电缆，可以盘绕、弯曲，可以在比较狭小的空间安放。

（关于硬型和软型的分类，只是根据材料的刚性程度划分的。

我胡乱分，你们就胡乱听。

如果和某些教科书有冲突，有人找我问责，我就闪人。

哈哈）首先介绍1/4波长短路棒巴伦。

我从某本教科书上截了一个图：干脆把他的说明也截下来：这本教科书说的比较简单，下面我稍微详细的解说一下。

我另外画一张图：振子的左臂与同轴电缆外导体（屏蔽层）连接，即图中A点。

振子右臂与同轴电缆内导体（芯线）、λ/4波长短路棒上端连接。

见图中B点。

λ/4波长短路棒下端则通过金属短路环和同轴电缆外导体（屏蔽层）连接。

从上图可以看出，从A点到B点的距离为两个１／４波长，即λ/4＋λ/4=λ/ 2 。

所以，同轴电缆芯线的信号从B 点传到到A点，正好走了１／2波程，相位正好相差180度。

就把同轴电缆的不对称变成对称了。

（随便说一下：１／４波长金属短路棒的直径，应和同轴电缆馈线外导体的直径相同，上面示意图中金属短路棒画细了。

大家凑合看吧。

）你也许会有疑问——这样接法，A点和B点，岂不是被短路了？，恰恰相反，从A、B两点看进去，阻抗为无穷大！这就是１／４波长传输线的绝妙之处！！上图是一段１／４波长传输线，例如我们常用的７５Ω和５０Ω同轴电缆，选取一定的长度，便可成为某一频率的１／４波长传输线。

这一段传输线在对应的频率上有一个非常重要的特性：Ａ端短路时，Ｂ端阻抗呈无限大；Ｂ端短路时，Ａ端阻抗呈无限大。

神奇的是，如果A端开路时，B端阻抗呈现无限小（就是短路了）！B端开路时，A 端也一样，呈现短路状态。

１／４波长线的这种特性为我们带来极大的方便，比如上面的金属短路棒巴伦，就利用了这一特性。

因为短路棒的长度为１／４波长，下端和同轴电缆外导体短接，从上端即从A、B两端看进去，阻抗就是无穷大！（其实，上面那个短路棒也可以用一段１／４波长的同轴电缆代替，同样可以起到平衡不平衡转换的作用。

但是，要求这段１／４波长的同轴电缆要与主馈同轴电缆平行，且保持一个恒定的距离。

如果使用软性同轴电缆就不容易做的了，所以很少被人采用。

） 如果上面１／４波长短路棒巴伦的原理弄懂了，那么，我在激情版叠双菱天线中使用的铜管巴伦就不难理解了。

它的正式名称叫开槽式平衡器，或称为缝隙式平衡器。

对照上面的短路棒巴伦示意图，可以看出，信号从同轴电缆的芯线，即图中B点（振子左臂），传输至A点（振子右臂），正好走了半个波长的路程，所以天线振子的两臂之间，信号正好相差180度，同轴电缆的不平衡馈电，变成了平衡的馈电了。

开槽铜管，既起到平衡不平衡转换的作用，又起到了对振子两臂的支撑作用，使天馈系统的机械结构更加稳定。

铜管和中心铜线，组成了一个空气介质的铜管同轴电缆。

中心铜线外径和铜管内经的比值，要控制在1：2.3左右。

这样才能保证铜管同轴电缆的特性阻抗为50欧姆。

铜管同轴电缆的介质为空气，所以馈线的绝缘层不要伸进１／４波长开槽线里面。

因为这样，就不是完全的空气介质了，就要考虑波长缩短系数的影响了。

开槽式铜管巴伦的长度，必须大于１／４波长，否则就起不到巴伦的作用，不能进行平衡不平衡转换，只是起到了支撑振子的作用。

就像德拉甘先生的叠双菱天线使用的铜管，实际只是一个空气介质的铜管同轴电缆。

因为德拉甘叠双菱天线的振子和反射板的距离，只有二十几毫米，支撑振子的铜管长度，达不到１／４波长，也就无法应用１／４波长传输线原理进行平衡不平衡转换。

还有一些老外制作的双菱天线，也是把铜管作为支撑振子的支柱。

他的铜管，只能接天线的一臂，天线的另一臂，要直接接馈线的芯线。

你要是把振子的两臂都接到铜管上，可就真的短路了。

所以，他们的铜管，要锯掉一块，以免和振子的另一臂接触，造成短路。

见下图：激情版叠双菱天线，天缘巧合，优化后的振子和反射板的距离，正好是31.09mm，铜管的长度刚好超过１／４波长，为我们使用开槽式铜管巴伦，提供了得天独厚的条件。

请看yahen同学制作的激情版叠双菱天线：Zhshao521同学制作的激情版叠双菱天线：下面是我制作的一个铜管巴伦，后面焊接了一块铜片，方便接到不同的反射板上。

下面是我做的铜管巴伦接上叠双菱，加到月饼盒反射板上。

这种缝隙式巴伦，常见于卫星锅的馈源天线。

下面的两个图我们可能不陌生吧：这是老外设计制作的一款馈源天线，我曾经用HFSS做过仿真。

加上反射板再次仿真：增益为8.8dBi 。

加了反射板，方向图就向下了。

我们还经常见到下面结构的馈源天线，其实它们和开槽式巴伦是同门师兄弟，都是利用了１／４波长传输线的原理。

直接用一条铜片，弯折成一体化的1/4波长开槽和振子，把铜管换成了两块平行板，开槽的长度，同样是1/4波长。

这种结构的巴伦，教科书上叫它：板线平衡器。

记得还有坛友发过这样的馈源天线：上面的2个图，是我从2个地方拿来的，实物照片和尺寸图不是完全对应的。

我们只是借用它来说说巴伦。

这是一个背射式的馈源天线，中间的覆铜板是振子，上面的覆铜板是反射板，最下面的小块覆铜板是固定用的。

这款背射式馈源天线，实际是应用了2个１／４波长短路线。

振子至下面的固定板的2个平行的支撑覆铜板组成一个１／４波长短路线，就是我们上面谈到的板线式的巴伦。

这段的长度，图纸没有标注，因为同轴电缆馈线的绝缘层伸进了开槽，槽中不是真空的，要考虑波长缩短系数的影响，所以这个开槽，应该短于1/4波长。

振子至反射板之间的支撑覆铜板，也是一段１／４波长短路线，图中标注是64mm长，可能是某个卫星频道的１／４波长。

图中上面的１／４波长短路线开槽中，也安放了一段同轴电缆介质，不知道有什么用处，可能是为了和下面的开槽保持一致吧。

其实，我觉得就让它是真空的更好，不会有介质损耗。

上下2个开槽，都应该是１／４波长短路线，从馈点向上、向下看过去，阻抗都是无穷大。

这样，就巧妙地利用这几块覆铜板，把振子和反射板牢牢地支撑固定住了。

还有一种扼流套平衡不平衡转换器，我们俗称套筒巴伦的，也是比较常用的。

这种套筒巴伦，是在同轴电缆馈线的外面，加上一段１／４波长的金属套管，金属套管和同轴电缆之间，存在一定的间隙。

金属套管靠近天线的一端，不和任何地方相连，金属套管的下端，与同轴电缆外导体（屏蔽层）焊接在一起。

这样，金属套管的内表面和同轴电缆馈线的外表面，就构成了一段终端短路的１／４波长传输线，在设计的频率上，该短路线的输入阻抗很大（理想情况下为无限大）。

从而抑制了同轴电缆外导体内侧电流的外溢，保证了对称天线的平衡馈电。

这种套筒巴伦的金属套筒，不能和振子接触，但是又要尽量靠近。

同样，它的长度，不能少于１／４波长。

这种套筒巴伦在全向天线应用的非常广泛。

很多朋友不知道全向天线是怎么和馈线匹配的。

其实很简单，就是应用了这种套筒巴伦。

实际制作中，经常是在馈线和天线相接的地方，套上一段１／４波长的同轴电缆外导体编织层，其作用相当于金属套管。

“编织层套管”靠近天线的一端，不和馈线的屏蔽层相连，而下端则和同轴电缆馈线的编织层焊接在一起。

通过调整这段编织层套管在馈线上的位置，就可以把驻波减到最小。

以上这些巴伦，都是使用金属套管这些刚性材料，刚才我们命名为硬型巴伦。

它们都毫无例外地应用了１／４波长传输线原理，所以它们的长度，都要大于１／４波长。

这样，就限制了那些没有足够的空间容纳１／４波长的铜管等硬材料的天线。

那么，用软材料，比如同轴电缆，能不能进行1：1的平衡不平衡转换？前几天，一位坛友问了我这个问题。

当时我回答是：不能。

后来，我在一些教科书和网上搜索了一遍，还真的发现了一种巴伦，正好符合要求。

这种巴伦，叫做“不对称U形环平衡不平衡转换器”。

见下图：如图所示，它由两段特性阻抗均为50欧的同轴电缆构成，其中一段为λ/4，另一段为3λ/4，两段同轴电缆的内导体分别与振子的两臂在A、B点相连，另一端与主馈同轴电缆相连于C点。

U形环两段同轴电缆的屏蔽线和主馈电缆的屏蔽层焊接在一起，但是和振子的两臂是绝缘的。

从图中可以看出，A、B两馈电点的波程正好相差3λ/4-λ/4=λ/2，这样，就保证了两馈电点的信号电压大小相等，方向相反。

因而实现了平衡馈电。

怎样理解这种“不对称U形环巴伦”的阻抗匹配？我们先重温一下四分之一波长变换的基本原理：其中Z0为图中四分之一波长电缆的特性阻抗Zout为负载阻抗Zin为输入阻抗你或许还记得，这个公式我们在匹配双菱阵列天线时用过的。