פיזור המסתורין מעל שנאי ת”ר חלק 2: שנאי Balun ו- Unun

מבוא

שנאי Balun ושנאי Unun מהווים חלקים חיוניים בשרשרות האותות בת”ר (RF) עבור יישומים רבים. תכנונים של שנאי Balun נקשרים בדרך כלל לשנאי ליבה וחוט, אם כי אפשר גם לממש אותם בטכנולוגיות של קווים קואקסיאליים וקווי Stripline עם צימוד. ההתנהגות של שנאי Balun ושנאי Unun הוצגה בחלק 1 של סדרה זו, כאשר קבענו ששני סוגי התקנים אלו מתוכננים למטרות של תיאום עכבות. ההבדל העיקרי בין השניים הוא בכך, ששנאי Balun מתוכננים כדי ליצור תיאום עכבות בין מעגלים מאוזנים למעגלים לא מאוזנים, בעוד ששנאי Unun מספקים תיאום עכבות בין שני מעגלים לא מאוזנים.

חלק 1 של הסדרה שלנו “פיזור המסתורין מעל שנאי ת”ר” דן בתיאוריה הבסיסית וביישומים של שנאי ת”ר. מאמר זה פונה לחקירה מעמיקה יותר של שנאי Balun ושנאי Unun, כשעיקר המוקד הוא בשנאי Balun בגלל השכיחות היותר גדולה שלהם ביישומים של העולם הממשי.

יישומים נפוצים של שנאי Balun

השימוש הנפוץ ביותר בשנאי Balun הוא כאשר מגבר הספק עם נתיב אותות מיוחס, משמש כדי לדחוף עומס מאוזן. דוגמאות לכך כוללות אנטנות דו קוטביות (דיפול) או אנטנות בחיבור יחיד (single ended), כמו למשל אנטנות שוט (whip) שאמורות להזין מגבר חזית נוסף (עיין באיור 1). בעבר, שימשו שנאי balun באופן נרחב גם בתעשיית הטלוויזיה בכבלים (CATV), למשל לצורך תיאום בין אנטנה דו קוטבית של 300 אוהם לשידורי טלוויזיה עם כבל קואקסיאלי של 75 אוהם. כעת, עם פיתוח המעגלים המשולבים לת”ר (RFIC), שנאי Balun משמשים באופן נרחב מטרה של שיפור החסינות לרעש ולדחיית אות משותף. העלייה בכמות יישומי דור 5 (5G) הובילה אף היא לדרישה עצומה לשנאי balun רחבי פס כדי ליצור ממשק למקמ”שי (transceiver) רדיו משולבים ברמה גבוהה, דרך השימוש בכניסות ויציאות הפרשיות.

שנאי unun משמשים לעתים קרובות כאשר קו הזנה לא מאוזן דוחף אנטנה לא מאוזנת וקיים חוסר תיאום עכבות (אימפדאנסים) בין קו ההזנה לבין האנטנה. כאשר אנטנת שוט עם עכבת כניסה נמוכה תהיה מחוברת דרך שנאי unum  לתיאום עכבות נקבל צימוד יעיל יותר של קו הזנה של 50 אוהם אל האנטנה.

איור 1: המרת מעגל לא מאוזן למעגל מאוזן (שמאל) והמרת מעגל מאוזן למעגל לא מאוזן (ימין).

מבוא לתיאוריית שנאי balun ולמערכות מאוזנות ולא מאוזנות

בטרם נתעמת עם התיאוריה של שנאי balun, חשוב שנבין את ההבדל בין מקורות ועומסים מאוזנים ושאינם מאוזנים, בעלי שני חיבורים. במעגל מאוזן, האותות עוברים לאורך שני נתיבים, כאשר לכל אחד מהם יש עכבה שווה להארקה. העכבה של מערכת מאוזנת מוגדרת באמצעות העכבה שבין שני הנתיבים, כאשר במערכת שאינה מאוזנת, חיבור אחד מחובר להארקה.

איור 2 מתאר את ההבדל בין תגובת אות במעגל מאוזן ובמעגל לא מאוזן. המעגל הלא מאוזן מראה את המתח שמתפתח בין קו יחיד להארקה. כמות הזרם שזורמת בין ההארקה לבין המקור שווה לזרם במעגל. המעגל המאוזן מציג אות הפרשי שזורם כאשר המתח הוא הפרש הפוטנציאלים בין שני המוליכים. במקרה זה, הזרם הזורם להארקה במוליך אחד יהיה שווה לזרם הזורם מההארקה למוליך השני.

איור 2: מעגל לא מאוזן (שמאל) ומעגל מאוזן (ימין)

מערכות נפוצות עם שני חיבורים:

• קווי הזנת ת”ר (RF)

ÿ    כבלים קואקסיאליים (75 אוהם או 50 אוהם) לא מאוזנים

ÿ    קווי נתונים מהירים (100 אוהם או 120 אוהם)

ÿ    מוליכים מקבילים (קווי סולם) (450 אוהם)

ÿ    קווי מוליך פתוח (600 אוהם)

• עומסים

ÿ    מקלטים

ÿ    אנטנות בזמן שידור

ÿ    מודד או מכשיר בדיקה עם מקלט

• מקורות של אותות

ÿ    אנטנות בזמן קליטה

ÿ    משדרים

ÿ    מחוללי אותות

ÿ    מודדים או מכשירי בדיקה עם מחולל

הבנה של ההבדל בין אותות משותפים לאותות הפרשיים חיונית ביותר להבנת חשיבותם של שנאי balun. במעגל מאוזן, אותות משותפים, הם אלו שהעוצמה שלהם והקוטביות שלהם שוות בשני המוליכים. מאידך, העוצמה באותות הפרשיים תהיה שווה, אך הקוטביות תהיה מנוגדת. בדרך כלל, אותות הפרשיים יהיו עמידים יותר בהרבה. עמידות זו נובעת מהעובדה שלאותות הפרשיים יש עמידות מובנית לרעש. במערכת אופיינית, רעש חיצוני מופיע בצורה שווה בשני המוליכים שקיימים בתצורה מאוזנת ומופיע כאות משותף. אות הפרשי מיוצג על ידי ההפרש במתח בין שני המוליכים. מאחר שהאות המשותף שווה בשני המוליכים, הוא מתבטל.

מצבים וטכנולוגיות של שנאי balun

קיימים שני מצבים עיקריים של שנאי balun: שנאי balun זרם ושנאי balun מתח (עיין באיור 3). שנאי balun זרם פועלים מתוך אילוץ זרמים שווים בשני המוליכים המאוזנים, ולמעשה מבטלים את הזרמים המשותפים. שנאי balun מתח פועלים על ידי אילוץ מתח שווה בכל אחד מהמוליכים המאוזנים. זו התאמה טובה יותר באופן מוחלט ליישומים של תאום עכבות.

בדומה לרוב השנאים, אפשר לייצר שנאי balun בעזרת טכנולוגיות של קווי תמסורת העשויים ליבה וחוט (למשל כבלי קואקס), קרמיקה שנכבשה בטמפרטורה נמוכה (LTCC) ומעגלים משולבים מונוליתיים שמיועדים לגלי מיקרו (MMIC). קיימות שתי גרסאות עיקריות של שנאי balun העשויים ליבה וחוט: שנאי בידוד ושנאים עצמיים, שניהם שנאי balun מתח (איור 4). מעל כמה גי’גה הרץ, יש צורך לעתים להשתמש בשנאי balun בקווי תמסורת על מנת לקבל את הביצועים הרצויים. אחד מן הסוגים של קווי תמסורת בעלי הביצועים הטובים ביותר, עשוי בטופולוגית שנאי balun מסוג Marchand (איור 5). רבים מבין שנאי balun העשויים קרמיקה שנכבשה בטמפרטורה נמוכה ומבין שנאי balun העשויים מעגלים משולבים מונוליתיים המיועדים לגלי מיקרו של חברת Mini–Circuits משתמשים בטופולוגית balun מסוג Marchand.

איור 3: שנאי balun מתח (שמאל) ושנאי balun זרם (ימין)

שנאי balun מסוג ליבה וחוט (שנאי balun בידוד ושנאים עצמיים)

שנאי balun בידוד הם שנאים לת”ר כאשר הצד הלא מאוזן מחובר להארקה והצד המאוזן מחובר לעומס. בדומה לשנאי ת”ר סטנדרטיים, אפשר להשתמש ביחס הכריכות כדי ליצור השנאה של עכבות. איור 4 מתאר שנאי balun עצמיים עם כניסות מאוזנות בכל אחד מהקצוות של הכריכות, עם חיבור מרכזי להארקה ועם קצה אחד של הכריכות שיוצר חיבור לא מאוזן. אחד היתרונות החשובים שקיים בשנאי מסוג זה, טמון בעובדה שהכניסה והיציאה מופרדים מבחינה חשמלית, תכונה שמאפשרת רמה מסוימת של הגנה למערכות שמועדות ללולאות הארקה במתחי ההארקה שלהן.

לשנאים עצמיים יש קונפיגורציה שונה מזה של שנאי ת”ר אופייניים, מאחר שלטופולוגיה יש רק נתיב מוליך יחיד. אפשר לייצר שנאי balun עצמיים על ידי ליפוף כריכת חוט יחיד סביב ליבת פריט או על ידי חיווט צולב של הכריכה הראשית והכריכה המשנית. נקודת מגע בין שני הקצוות של הכריכה משמשת לגישה אל פוטנציאלים שונים של מתח יחסי למתח הכניסה של השנאי. קונפיגורציה זו משלבת נתיב זרם ישר אל ההארקה עבור כל חיבור, תוך כדי פיזור הצטברות סטטית כלשהי.

שנאי balun ושנאי unun לקווי תמסורת

שנאי balun לקווי תמסורת בנויים בדרך כלל מקו תמסורת כגון כבל קואקסיאלי שכרוך סביב ליבת פריט, ובמקרים מסוימים פשוט כרוך סביב אוויר. שנאי balun מסוג 1:1 כזה, יוצר היגב (reactance) גבוה של משנק (chock) במוליך החיצוני של הכבל הקואקסיאלי ולמעשה, מקטין אותות משותפים בזמן שהוא מאפשר לזרמים הפנימיים של קו התמסורת הקואקסיאלי לעבור ללא הפרעה (כלומר שנאי balun מסוג Guanella). בנוסף, הקונפיגורציות כוללות גם שנאי balun דו תיילי (bifilar) בצימוד קיבולי, שבהם שני חוטים כרוכים אחד סביב השני, וכן קווי תמסורת בעלי צימוד קיבולי ומגנטי הכרוכים אחד סביב השני, ולאחר מכן כרוכים סביב ליבה משותפת. המטרה שלשמה משתמשים בליבה מגנטית עם מצמדים (couplers) של קווי תמסורת רחבי פס היא לאפשר פעולה בתדירות נמוכה.

שנאי balun רחבי פס בנויים גם עם המרות אימפדאנס (עכבה) שונות עם כמה צורות של קווי תמסורת, במקביל ובטור. במקרה זה, המרת האימפדאנס היא 1:n², כאשר n הוא מספר קווי התמסורת בטור – במקביל. תצורות של שנאי balun לקווי תמסורת של רבע גל ושל חצי גל אפשריות גם הן, על אף שסוגים אלו של שנאי balun מתאימים במיוחד ליישומים של טווח תדירות פעולה צר.

שנאי balun למעגלי LTCC ולמעגלי MMIC

ייצור של שנאי balun יכול להיות כרוך גם בשימוש במבנים מתכתיים מישוריים עם טכנולוגיות כגון מעגלי קרמיקה שנכבשה בטמפרטורה נמוכה (LTCC) ומעגלים משולבים מונוליתיים המיועדים לגלי מיקרו (MMIC). בחירה כזו של תכנון וייצור לעתים קרובות תהיה קניינית. באופן כללי, היתרון העיקרי הטמון בתכנונים כאלו הוא עקבת מעגל קטנה שאותה אפשר לשלב באופן ישיר במכלול לגלי מיקרו. בשונה משנאי balun אחרים, שנאי balun מבוססי LTCC ו- MMIC מיוצרים באמצעות מכונות הרכבה בעלות דיוק גבוה ושיטות ייצור של מוליכים למחצה, אשר מניבים הדירות גבוהה יותר בהרבה.

פרמטרים חשובים בביצועים של שנאי balun

רוב פרמטרי הביצועים של שנאי balun קיימים גם בשנאי ת”ר, אבל המבנה הייחודי שלהם והשימוש בשנאי balun מציב שיקולים נוספים:

1. איזון פאזה (מופע)
2. איזון אמפליטודה (משרעת)
3. יחס דחיית אותות משותפים (CMRR)
4. בידוד חיבור מאוזן
5. בידוד מתח ישר/ הארקה
6. שטיחות השהיית חבורה

איזון פאזה ואמפליטודה

איזון (או חוסר איזון) של פאזה ואמפליטודה הם אמצעים למדידת השוויון וההיפוך של המתח והזרם במוצא המאוזן של שנאי balun. בעיקרון, כל אי איזון בפאזה או באמפליטודה של המתח או של הזרם בקו מאוזן מוביל הפסדים נוספים וזרמים תועים (stray). איזון הפאזה הוא המדד לעד כמה קרוב  ההפרש של הפאזה בין הכניסה ההפוכה לבין הכניסה הלא הפוכה למצב אידיאלי של 180º. איזון האמפליטודה הוא הערך המוחלט של הספק המוצא בכל קו מאוזן. מבחינת הפרמטרים האלו, כל קו מאוזן צריך להיות קרוב ככל האפשר למצב שווה. במציאות, הגורמים הקובעים לגבי איזון פאזה ואמפליטודה בשנאי balun כוללים את תכונות החומר, שיטות הייצור והתיאום בין הקווים במוצא. שנאי balun מודרניים בעלי ביצועים גבוהים מוגדרים בדרך כלל לחוסר איזון בפאזה שלא יעלה על כמה מעלות ולחוסר איזון באמפליטודה שלא יעלה על כמה dB בודדים.

יחס דחיית אותות משותפים

יחס דחיית אותות משותפים (CMRR) הוא מדד לאיכות ההנחתה בין החיבור המאוזן לבין החיבור הלא מאוזן באותות משותפים. יחס זה תלוי באי האיזון של האמפליטודה ושל הפאזה. לשנאי balun עם איזון טוב יותר של אמפליטודה ופאזה יהיה גם יחס CMRR משופר יותר. קו מנחה מקובל הוא ששיפור של 0.1 dB באיזון האמפליטודה או שיפור של מעלה אחת באיזון הפאזה, ישפר את יחס CMRR של שנאי balun בשיעור של 1 dB בערך.

בידוד חיבור מאוזן ובידוד מתח ישר/ הארקה

בידוד חיבור מאוזן הוא מדד ליחס שבין עוצמת האות בכניסה לבין עוצמת האות ביציאה, בין חיבור מאוזן אחד למשנהו (הפסדי מעבר). ברוב המקרים, הפרמטר הזה לא יהיה גבוה מאוד ברוב התכנונים של שנאי balun. בידוד זרם ישר (DC) הוא מדד למוליכות של זרם ישר בין החיבור הלא מאוזן לחיבורים המאוזנים כאשר בידוד ההארקה, הוא מדד לבידוד בין ההארקה של החיבור הלא מאוזן לבין ההארקה (או ההארקה המדומה) של החיבורים המאוזנים. ערכי בידוד אלו חשובים כדי לקבוע את עמידותו של ההתקן בפני רעש והפרעות. פוטנציאל הבידוד של שנאי balun מוגבל לעתים קרובות על ידי הטופולוגיה של שנאי balun.

שטיחות השהיית חבורה

השהיית חבורה היא הזמן שבמהלכו עוברים רכיבי התדירות של אות דרך התקן. שטיחות השהיית חבורה היא דרך למדוד את כמות העיוותים שייגרמו לאותות רחבי פס או לאותות מהירים בזמן שהם עוברים דרך התקן. בדרך כלל רצוי שכל רכיבי התדירות של אות יעברו בו זמנית. במקרה של שנאי balun, תיאום רחב פס טוב הוא יחסי לביצועים טובים של השהיית חבורה. שנאי balun שהתיאום שלהם טוב יותר ידגימו בדרך כלל שטיחות טובה יותר בהשהיית חבורה.

יישומים חשובים של שנאי balun ושנאי unun

שנאי balun שימשו במקור כדי לספק תיאום עכבות וכדי להציג יציאות מאוזנות כלפי אנטנות מאוזנות שקיבלו הזנה מקווי תמסורת לא מאוזנים. עם הופעתן של מערכות אלקטרוניקה של המצב המוצק, הכניסות והיציאות של התקני מצב מוצק רבים (למשל מגברים, ערבלים, ממירים מספרתי לאנלוגי ומאנלוגי לספרתי – DAC ו- ADC) מציגות חיבורים לא מאוזנים. על אף שאפשר לחבר באופן ישיר יציאות לא מאוזנות לקווי תמסורת נפוצים כגון כבלים קואקסיאליים, קווי אותות דיפרנציאלי יהיו בדרך כלל רגישים פחות לרעש ולערב דיבור (crosstalk). רבים מבין קווים אלו יקרים פחות ביחס לעלותם של כבלים קואקסיאליים המשמשים לשידור למרחקים ארוכים.

לדוגמה, איזון של מגברי דחסף (push–pull) וערבלים מאפשר תכנון עם פחות תוכן שווא (spurious) ועם יחס משופר של דחיית אותות משותפים, כלומר, ערבלים באיזון כפול (עיין באיורים 6 ו- 7). יש לשים לב שהחיבורים המרכזיים בשנאי balun שבאיור 7 משמשים לצורך יצירת ממתח של המגבר המאוזן. יישום נפוץ נוסף הוא איזון ותיאום עכבות בין ממירים רחבי פס ומקורות שאינם מאוזנים, אשר בדרך כלל מציגים עכבות חיבורים (port) שונות מאוד מאלו של חיבורי ממיר (עיין באיור 8).

איור 6: ערבל באיזון כפול עם שנאי balun בכניסה וביציאה

איור 7: מגבר מאוזן עם שנאי balun בכניסה וביציאה

איור 8: ממיר מאנלוגי לספרתי עם כניסה דיפרנציאלית שמומרת ליציאה מיוחסת.

מסקנות

שנאי balun הפכו להיות התקנים שימושיים ביותר, אשר נותנים מענה לאתגרים רבים שבהם אנו נתקלים במערכות ת”ר וגלי מיקרו, בהמרת מעגלים לא מאוזנים (מוארקים או מיוחסים להארקה) למעגלים מאוזנים (הפרשיים באופן מלא). שנאי balun מספקים גם תיאום עכבות בין מעגלים אלו ומשפרים את יחס דחיית האות המשותף בחיבורים פנימיים ובהתקנים. אפשר לייצר שנאי balun באמצעות מבחר של טכנולוגיות, בהן נכללים שנאי ליבה וחוט, שנאים לקווי תמסורת ואפילו טכנולוגיות של רכיבי LTCC ורכיבי MMIC בעלי פרופיל נמוך ועקבת מעגל (footprint) קטנה.

סימוכין

1. Understanding, Building, and Using Baluns and Ununs, CQ Communications, 2003 by Jerry Sevick W2FMI
2. More on the 1:1 Balun, Jerry Sevick
3. https://www.minicircuits.com/app/AN20-001.pdf
4. https://www.minicircuits.com/app/AN20-002.pdf
5. https://www.minicircuits.com/appdoc/TRAN14-2.html
6. RF and Microwave Transformer Fundamentals featured in Microwave Products Digest 10-2009

https://www.minicircuits.com/WebStore/Transformers.html

---