발룬 이라는 용어는 균형 잡힌(balanced) 및 균형 잡히지 않은 (unbalanced) 단어에서 파생되었습니다 . 발룬 은 균형 잡힌(차동) 및 균형 잡히지 않은(단일 종단) 전송 회선 간의 전환을 돕는 장치입니다. 간단히 말해서, 단일 참조점(불균형)이 있는 신호를 두 개의 반대 위상(균형 잡힌)이 있는 차동 신호로 변환하고 그 반대도 마찬가지입니다.
발룬은 3포트 장치로, 불평형 신호용 포트 1개와 균형 출력용 포트 2개가 있습니다. 이상적으로 균형 출력은 진폭은 같지만 위상은 반대여야 하며, 즉 두 출력 사이에 180도 위상 편이가 있어야 합니다. 발룬은 일반적으로 RF 및 마이크로파 시스템에서 다양한 임피던스 레벨을 맞추고 공통 모드 노이즈를 제거하는 데 사용됩니다. 일반적으로 신호 무결성이 가장 중요한 안테나 시스템, 차동 신호 및 테스트 장비에 사용됩니다.
균형 시스템과 불균형 시스템이란 무엇인가?
발룬을 더 잘 이해하기 위해 균형 시스템과 불균형 시스템의 의미를 이해해 보겠습니다. 신호 전송에서 시스템은 균형 시스템 또는 불균형 시스템으로 분류할 수 있으며, 각 유형은 신호가 전송되는 방식과 노이즈에 얼마나 잘 저항하는지에 중요한 역할을 합니다.
- 균형 시스템: 균형 시스템에서 두 개의 도체는 동일한 크기의 신호를 전달하지만 위상은 반대입니다. 일반적으로 위상이 180도 다릅니다. 이 설계는 두 신호에서 생성된 전자기장이 서로 상쇄되도록 하여 균형 시스템이 외부 노이즈와 간섭에 매우 강합니다. 두 도체가 신호 전송에 동등하게 기여하기 때문에 수집된 노이즈는 두 도체에서 동등하게 공유되고 효과적으로 상쇄됩니다. 이 노이즈 제거 기능은 균형 시스템을 고속 통신 네트워크 및 전문 오디오 시스템과 같이 신호 무결성을 유지하는 것이 중요한 환경에 이상적입니다.
- 불균형 시스템: 이와 대조적으로 불균형 시스템은 단일 도체를 통해 신호를 전송하며, 두 번째 도체(일반적으로 접지 또는 차폐)는 참조 지점 역할을 하며 종종 고정된 전위(예: 0볼트)로 유지됩니다. 균형 시스템과 달리 불균형 시스템은 신호가 단 하나의 도체로만 전달되고 간섭이 신호에 직접 영향을 미치기 때문에 외부 노이즈에 더 취약합니다. 더 간단하고 저렴하지만 노이즈에 대한 이러한 취약성은 장거리 또는 노이즈가 많은 환경에서의 효과를 제한합니다.
균형 시스템과 불균형 시스템에 발룬이 필요한 이유는 무엇입니까?
균형 시스템과 불균형 시스템을 인터페이싱할 때(예: 다이폴 안테나(균형)를 동축 케이블(균형)에 연결하는 경우) 적절한 신호 전송을 보장하기 위해 발룬이 필요합니다. 발룬은 균형 신호를 불균형 신호(또는 그 반대)로 변환할 뿐만 아니라 두 시스템 간의 임피던스를 일치시킵니다. 발룬이 없으면 시스템에서 임피던스 불일치가 발생하여 신호 반사, 전력 손실 및 노이즈 증가가 발생할 수 있습니다. 이러한 문제는 전체 시스템 성능을 저하시키며, 특히 무선 주파수(RF) 시스템, 안테나 시스템 및 오디오-비주얼 설정과 같이 신호 무결성이 가장 중요한 애플리케이션에서 그렇습니다.
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발룬은 어떻게 작동하나요?
발룬은 핵심적으로 전력 분배기 역할을 하지만 주요 차이점이 있습니다. 전력 분배기와 같은 장치가 신호를 두 개의 동상 신호로 분할하는 반면, 발룬은 180° 위상이 다른 두 개의 신호를 생성합니다. 싱글 엔드 입력(언밸런스)은 일반적으로 50옴인 전송선 임피던스에 맞춰지고, 밸런스 출력은 동일하고 반대 신호를 전달합니다.
주파수 영역에서 한 출력은 다른 출력의 음의 위상입니다. 시간 영역에서 이는 한 밸런스 출력이 양의 전압을 가질 때 다른 출력은 동일한 음의 전압을 갖는다는 것을 의미합니다.
발룬의 주요 성능 사양
발룬을 평가하거나 설계할 때 몇 가지 성능 지표가 중요합니다.
- 위상 밸런스: 위상 밸런스는 차동 출력이 이상적인 180도 위상 편이와 얼마나 일치하는지를 측정합니다. 위상 밸런스가 좋지 않으면 신호 왜곡이 발생할 수 있으며, 특히 고속 데이터 전송이나 RF 통신과 같이 정확한 신호 타이밍에 의존하는 애플리케이션에서 그렇습니다. 고품질 발룬은 ±2°~±5° 이내의 위상 밸런스를 제공합니다. 자세한 내용은 여기를 클릭하세요 .
- 진폭 균형: 이 매개변수는 두 밸런스 출력 간의 크기 일치를 설명합니다. 완벽한 진폭 균형은 두 출력 모두 동일한 신호 강도를 갖도록 보장합니다. 진폭 균형의 일반적인 값은 고성능 발룬에서 ±0.2dB에서 표준 설계에서 ±1.5dB까지입니다. 자세한 내용은 여기를 클릭하세요 .
- 공통 모드 제거율(CMRR): CMRR은 발룬이 두 밸런스 출력(공통 모드 신호)에 공통된 신호를 얼마나 효과적으로 제거하는지 측정합니다. 이는 노이즈와 간섭을 줄이는 데 중요합니다. 높은 CMRR(예: 25-55dB)은 통신 시스템이 장거리에서 신호 무결성을 유지하는 데 필수적입니다. CMRR에 대해 자세히 알아보세요 .
- 임피던스 비율: 언밸런스 포트와 밸런스 포트 사이의 임피던스 비율은 신호가 전송되는 방식에 영향을 미칩니다. 이 비율은 발룬의 구조에 의해 결정되며, 고임피던스 안테나나 증폭기와 같은 다양한 장치와 매칭하는 데 중요합니다. 일반적인 발룬은 1:1 , 1:2 또는 1:4 임피던스 비율을 가질 수 있습니다.
- 삽입 손실 및 반사 손실: 삽입 손실은 발룬을 통과할 때 얼마나 많은 신호 전력이 손실되는지를 나타내는 반면 반사 손실은 얼마나 많은 전력이 입력에서 반사되는지를 나타냅니다. 신호 저하를 최소화하고 시스템 효율성을 개선하려면 낮은 삽입 손실과 높은 반사 손실이 바람직합니다.
- 절연: 절연은 두 개의 밸런스 출력이 서로 전기적으로 얼마나 잘 절연되어 있는지 측정합니다. 높은 절연은 한 출력의 신호가 다른 출력에 간섭하지 않도록 합니다. 많은 발룬이 높은 절연을 제공하지 않지만 180도 하이브리드와 같은 일부 디자인은 우수한 절연을 제공할 수 있습니다.
발룬의 종류
발룬은 주파수, 대역폭 및 응용 분야에 따라 다양한 기술을 사용하여 제작할 수 있습니다. 가장 일반적인 유형은 다음과 같습니다.
1. 플럭스 결합 발룬 변압기: 이 전통적인 설계는 변압기와 유사한 코어 소재와 권선을 통한 자기 결합을 사용합니다. 저주파(최대 1GHz)에서 매우 효과적이며 우수한 임피던스 변환을 제공합니다. 플럭스 결합 변압기는 오디오, 비디오 및 안테나 애플리케이션에서 널리 사용됩니다.
2. 전송선 발룬: 전송선 발룬은 두 개 이상의 전송선으로 구성되어 있으며, 신호가 동등하게 분할되고 반전되도록 배열되어 있습니다. 이러한 발룬은 일반적으로 500MHz에서 65GHz까지의 고주파에서 사용되며, 종종 RF 및 마이크로파 애플리케이션에서 발견됩니다.
3. 용량 결합 전송선 발룬: 이 유형의 발룬은 용량 결합을 사용하여 신호 반전을 달성하며 광범위한 주파수 범위에서 효과적입니다. 용량 결합 발룬은 일반적으로 신호 결합, 믹서 및 푸시풀 증폭기와 같은 광대역 애플리케이션에 사용됩니다.
4. 180° 전력 분배기(하이브리드 접합): 이 발룬은 전력 분배기와 180도 위상 편이를 결합하여 그 사이에 절연이 있는 균형 잡힌 출력을 생성합니다. 이는 균형 잡힌 출력 사이의 절연이 중요한 믹서 및 앰프에서 일반적으로 사용됩니다.
테이퍼드 발룬: 테이퍼드 발룬은 점진적으로 임피던스가 변하는 전송 라인을 사용하여 균형 잡힌 신호 출력을 달성합니다. 이 유형의 발룬은 고주파에서 작동하지만 복잡한 형상으로 인해 구현하기 어렵습니다.
Marchand Balun: Marchand balun은 넓은 대역폭 기능을 갖춘 특정 유형의 전송선 balun으로, 종종 마이크로파 회로에 사용됩니다. 1/4파 전송선 섹션으로 구성되며 저주파 및 고주파 응용 분야에서 모두 사용할 수 있습니다.
발룬의 응용 분야
발룬은 다양한 분야에서 다양한 용도로 사용되는 매우 다재다능한 구성 요소입니다. 이는 싱글 엔드 신호를 차동 신호로 변환하고, 꼬인 쌍 케이블과 같은 균형 잡힌 회선을 통해 전송하는 동안 전자기 간섭(EMI)과 크로스토크를 줄이는 데 필수적입니다. 안테나 시스템에서 발룬은 동축 케이블과 같은 불균형 전송 회선을 다이폴과 같은 균형 잡힌 안테나에 연결하여 신호 성능을 저하시킬 수 있는 원치 않는 전류를 방지합니다.
푸시풀 앰프는 발룬을 사용하여 신호를 양수 및 음수 위상으로 분할하고 둘 다 증폭한 다음 재결합하여 효율성을 높이고 왜곡을 줄이며 잠재적으로 출력 전력을 두 배로 늘립니다. 밸런스 믹서에서 발룬은 공통 모드 간섭을 효과적으로 억제하여 스퓨리어스 신호와 노이즈를 최소화하는 데 중요한 역할을 합니다. 이는 RF 시스템에서 신호 순도를 유지하는 데 중요합니다. 테스트 및 측정 장비에서 발룬은 싱글 엔드 테스트 계측기가 차동 회로와 인터페이스할 수 있도록 합니다. 예를 들어 2포트 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 사용하여 차동 장치를 테스트할 때와 같습니다. 마지막으로 아날로그-디지털 컨버터(ADC)에서 발룬은 싱글 엔드 아날로그 신호를 정확한 디지털 변환에 필요한 차동 입력으로 변환하여 고주파에서도 신호 무결성을 보장합니다.
결론
발룬은 현대 전자 기기의 중요한 구성 요소로, 균형 시스템과 불균형 시스템 간의 격차를 메웁니다. 저주파 오디오 애플리케이션에서 고속 데이터 전송 및 RF 시스템에 이르기까지 발룬은 효율적인 임피던스 매칭, 노이즈 감소 및 신호 무결성을 제공합니다. 발룬의 유형, 사양 및 애플리케이션을 이해하면 엔지니어가 통신 시스템, 테스트 장비 또는 안테나 설계 등 특정 요구 사항에 맞는 올바른 발룬을 선택할 수 있습니다.
발룬 기술은 앞으로도 대역폭, 위상 균형, 소형화 측면에서 지속적인 개선을 보일 것으로 예상되며, 점점 복잡해지는 고속, 고주파 통신 분야에서도 그 중요성이 지속될 것입니다.