leyu体育官网登录入口:关于电气平衡的多重释义

  区分平衡系统与非平衡系统，是行业早已形成的基础认知。早在 1939 年，工程师尼尔斯・林登布拉德在介绍帝国大厦天线设计时，就阐述了巴伦（平衡转换器）的作用： 这种线路平衡转换器件遵循一个原理：必须让

  该案例中，同轴线缆连接偶极子天线。同轴屏蔽层外表面会产生额外电流，这部分电流和内芯、屏蔽层内侧传输的正常信号电流相互独立。

  沿着屏蔽层外侧流动的杂散电流，不会像线缆内部信号那样以标准横电磁波模式传输、被电磁场约束在线缆内部。整根同轴电缆会变相成为一根额外天线，进而和系统其他部件产生信号耦合干扰。

  想要解决这一个问题，就需要约束同轴电缆的电气边界条件，让线缆两端的内芯电流与屏蔽层电流的大小相等、方向相反，这也就是电气平衡的核心要求。

  不只是射频天线设计人需要掌握电气平衡知识，同轴屏蔽层上的多余电流本质就是共模电流。只要接触过电磁兼容、信号完整性相关工作，就会清楚杂散共模电流会给系统带来诸多问题。所有硬件工程师都应当理解：电气平衡与共模电流的关联，以及二者对设备正常运行造成的影响。

  但到底什么是电气平衡？不同应用场景下，解读也各不相同。这个概念被大范围的应用在多个技术领域，因此衍生出多种定义。本文不会创造新理论，只是梳理汇总业内现有说法，把这个概念讲解清楚。

  图1展示信号源与负载之间差分信号的基本传输原理，差分信号可有效抑制共模噪声。

  大家都知道，纯差分信号具备抗干扰能力。外界干扰会同等叠加在两路信号上，典型应用就是双绞线传输。我们结合双绞线进一步理解原理：

  外界干扰会通过电容耦合同时作用在双绞线的两根导线上，而差分接收器只识别两路信号的差值。想要在接收端实现噪声抵消，就一定要保证整条传输线上，两路信号始终大小相等、相位相反，当然，接收器自身的共模抑制能力也起到关键作用。

  简单来说，一方面两路信号彼此要保持平衡（幅值相等、极性相反）；另一方面，两路线路对外界干扰源的耦合程度也要保持一致。

  前文提到的帝国大厦天线设计，运用的也是同样原理。这份早期文献也是业内最早提及巴伦器件的资料之一，我们大家可以从早期工程案例中，理解前辈工程师对电气平衡的应用思路。

  帝国大厦楼顶架设了两套天线，分别用于电视信号和音频信号收发，设计的基本要求两套天线之间不能互相产生信号耦合干扰。

  电视天线由四根椭圆柱形导体组成；音频天线采用折叠偶极子构成环形结构，如图2。

  这套音频天线包含四组环形结构，布局类似车轮辐条。两两正对的偶极子天线，信号电流从同轴内芯流出，沿着环形线路传输后，再经同轴屏蔽层回流。

  电视天线垂直安装在音频天线下方数米处，它所感应出的干扰电流，在每一根导线上流向都完全一致。因此成对信号线中的感应干扰电流会同向流动，只会沿着线路表面传导，不会进入同轴馈线内部。

  原文对此解释：共用馈线与各个辐射单元的接线方式，让正对天线的工作电流方向相反；而外部天线感应出的干扰电流，在正对天线上方向相同。这些干扰电流会相互抵消，无法流入主馈线。

  想要实现这一效果，天线端一定要满足电流守恒。也就是说，给天线供电的同轴线缆，除了内芯与屏蔽层上大小相等、方向相反的正常电流外，不能出现其他额外电流。为此，工程师专门加装了线路平衡转换器，也就是如今常说的套筒巴伦。

  假设一对平行传输线，两根导线长度不一致，外界干扰会均匀耦合到两根线上。一般的情况下，感应出的共模电流可以相互抵消，但由于传输路径长度不同，信号到达接收端时会产生相位偏移，最终只能实现部分抵消。 即便两根导线对地耦合状态基本一致，这套系统也不能算作平衡系统。

  在无独立参考地、线路阻抗完全匹配、无信号反射、未外接天线的环境中，用同轴线缆配合阻抗匹配网络，在 433MHz 频率下转接平行双线。 这套看似毫无问题的系统，实际却极易拾取外界噪声，同时向外辐射干扰信号。哪怕有人靠近同轴线缆，信号强度和设备工作状态都可能会发生变化。但换成两根同轴线缆对接，这类问题就会消失。

  究其原因，故障点出在同轴与平行双线的衔接处，产生了模式转换。对称结构的平行双线，与非对称结构的同轴线缆对接时，普遍会出现这类问题。

  电气平衡有多种解读方式，很难用一条定义覆盖所有场景。业内主流定义分为以下几类：

  亨利・奥特（电磁兼容领域）：双导体电路中，两根信号线及其外接电路，对地（参考电位）以及其他导体的非零阻抗完全一致，即为平衡电路。

  W.L. 威克斯（天线工程领域）：第一种解读，平衡系统中两根导线对地电位的偏移量大小相等；第二种解读，针对传输线与天线，对称结构的两部分承载大小相等、方向相反的电流，就是平衡状态，电流不等则为非平衡状态。

  ·点位角度定义：沿着双线传输线路，在任意位置检测两根导线上的电流幅值，以此判定平衡状态。

  ·点位角度定义：仅依靠两根主线即可判定，且检测方式以电流测量为主，实操更简便，也更适用于多导体线路、天线等场景。

  同时，系统是否平衡，不只取决于线路和周边导体的相对位置，也和信号源、负载的接线方式、信号驱动方式密切相关。

  图3。两种定义电气平衡的模型。当线路与系统接地之间发生耦合时，该耦合可以包含在发电机或负载模块中。图片由Sam Gallagher提供

  上图两套通用模型，一套带系统地、一套不带系统地，均由信号源和负载组成，可用来分析数据传输、传输线、天线等绝大多数场景。 假设信号线与回路线上的电流会随位置变化，线路上有几率存在驻波等波形；线路对地的耦合干扰、外接传输线与天线，都可整合到信号源或负载模块中。

  耦合角度平衡：双线传输线的信号线与回路线，对地或其他第三方导体的耦合程度完全一致，系统即为平衡；

  点位角度平衡：在传输线某一位置处，信号线电流与回路线电流的大小相等、方向相反，该位置下系统处于平衡状态。

  本文梳理了电气平衡的不同解读方式，并结合多个实际案例、电路模型，区分了耦合判定、点位判定两大核心定义。下一篇文章将深入讲解：电气平衡与共模、差模信号分析之间的紧密关联。