自制 DTMB 巴伦

网上关于天线巴伦的知识很多，但是也很杂，本人作为一个业务爱好者，可能无法正确区分，所以本篇文章难免有错误，请读者自行甄别。同时由于 DTMB 的小众领域，没有专门的知识资料可以参考，网上的给出的资料大多是短波波段、业务无线电波段的，几乎没有针对 UHF 波段的天线巴伦资料，所以本篇文章中的所有资料都是从短波波段、业务无线电波段的知识资料中整理出来的，可能并不完全适用于 UHF 波段。

1. 巴伦的定义

巴伦，英文 Balun，是平衡不平衡转换器的缩写。它的主要功能是防止共模电流，同时从不平衡传输线转换到平衡负载，还有一个很重要的作用就是做阻抗匹配。

1.1 平衡和不平衡

在同轴电缆等传输线中，信号电流全部沿着中心导体传输，屏蔽层作为电流返回路径。这种结构对“地”是不对称的，称为不平衡。

在平行双线或偶极子天线中，两根导体上的信号幅度相等、相位相差180度。这种结构对“地”是对称的，称为平衡。

巴伦将一个端口的单端（对地）信号，转换为另一个端口的差分（平衡）信号，反之亦然。

1.2 共模电流

在不进行转换的情况下，直接将不平衡线连接到平衡设备（如天线），会导致屏蔽层外表面产生不需要的共模电流。这种共模电流会带来诸多问题：辐射方向图畸变、增益降低、电缆本身成为辐射体（影响系统性能）、增加对其他设备的干扰（EMI）。巴伦通过强制信号以平衡模式传输，有效抑制了共模电流，确保能量被高效、可控地辐射或接收。

想象你有两根并排的线：

  ───▶
  ───▶    ← 共模

图 1.2.1 共模电流（我们不要的）

两根线同方向，参考“外部空间/大地”，磁场叠加，能量跑到线外面。👉 这是馈线在“当天线”。

  ───▶
 ◀───    ← 差模（信号）

图 1.2.2 差模电流（我们要的信号）

一根“去”，一根“回”，磁场互相抵消，能量集中在两线之间。👉 这是天线真正辐射/接收的电流。

为了要解释共模电流，还要引入一个 共模阻抗 的概念：

共模阻抗（Common Mode Impedance）：指的是在共模电流路径上，电路对共模信号的阻碍能力。高共模阻抗意味着共模电流难以流动，从而减少了不必要的辐射和干扰。一句话总结一下 共模阻抗 =「导线不想让某种电流流过的程度」，它不想让两根线“同方向一起流”的电流通过，允许两根线“反方向流”的信号电流通过。

在数学上

Z共模=V共模/I共模

公式 1.2.1

所以共模阻抗越大，共模电流越小。在在 DTMB / 天线系统里，同轴外皮一旦有共模电流就会产生馈线辐射、指向性乱、抗干扰变差，一般的天线目标是 Z共模≫75 Ω 。在工程制作时，一般要求得达到 300 Ω，才能明显改善共模现象。

在交流电中共模电阻还遵循如下公式：

Z共模=2πfL共模

公式 1.2.2

其中 L共模 的意思是共模电感。

1.3 阻抗

阻抗（Impedance）是描述交流电路中对电流阻碍程度的一个综合物理量，可以理解为“交流版本的电阻”。它不仅包含电阻，还包含电容、电感对交流信号的影响。它是电阻概念的延伸，用符号 Z 表示，单位是欧姆。在直流电路中，只有电阻阻碍电流。但在交流电路中，除了电阻，还有两种额外的“阻碍”机制：

电容：储存电能，抵抗电压变化，导致电流“领先”电压。
电感：储存磁能，抵抗电流变化，导致电流“滞后”电压。

阻抗 = 电阻 + 电抗

电阻：消耗电能，将其转化为热能。电流和电压同相位。

电抗：由电容和电感产生，不消耗能量，而是暂时存储并释放能量，导致电流和电压不同相位。

天线传输和处理的就是高频交流电（更准确地说是电磁波），您需要将天线理解为一个能量转换器：

发射过程：将来自发射机的高频交流电能量转换成向空间辐射的电磁波能量。
接收过程：将来自空间的电磁波能量转换成输送给接收机的高频交流电能量。

总结一下就是：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场¹：

电磁感应

图 1.3.0.1 法拉第铁圈实验室意图：左边线圈通磁量的改变，会在右边线圈感应出电流

天线是电磁波的“扬声器”和“麦克风”。就像扬声器需要音频交流电驱动振膜发声一样，天线需要射频交流电驱动电子振荡以“发出”电磁波。天线本质上是一个“电路元件”（尽管它同时辐射能量），当您把传输线（如同轴电缆）连接到天线的馈电点时，您就建立了一个电路。在这个电路里：

信号源：发射机（或空间中的电磁波在接收时感应出的电动势）。
负载：天线本身。
连接线：传输线。

根据电路理论，任何负载都可以用其阻抗来描述它对输入电流的响应。天线的阻抗 Z 就是这个馈电点处的电压与电流的比值。阻抗是一个复数：

Z=R+jX

R（电阻）：消耗能量的部分
- 辐射电阻：这是核心！它并不代表一个真实的电阻器，而是一个等效概念。它代表了天线将电能转换为电磁波辐射能的能力。能量通过这个“虚拟电阻”被“消耗”掉了，实际上是辐射到了空间。我们希望这个值越大越好（在匹配的前提下）。
- 损耗电阻：代表天线导体、绝缘材料中因发热而真实损耗的能量。我们希望这个值越小越好。
- 所以，天线阻抗的实部（R）主要反映了天线“吃”掉能量并用于辐射的效率。
X（电抗）：储能但不消耗能量的部分，天线的金属结构本身具有分布电感和电容。电抗反映了天线中储存的无功功率。这部分能量在电场和磁场之间来回振荡，不直接参与辐射。当电抗 X = 0 时，我们称天线处于 “谐振” 状态。此时阻抗为纯电阻，能量交换最顺畅，带宽和效率特性通常较好。
- 感抗：XL=ωL
- 容抗：XC=-1/ωC
j：虚数单位，j²=-1
ω=2πf：角频率

可以把电流想象成水流：

电阻：管道变细（始终阻碍）

电感：水流的惯性（反对变化）

电容：弹性水箱（吸收再释放）
阻抗 = 这三种效应的综合

1.3.1 阻抗与频率的关系

元件	阻抗表达式	频率变化趋势
电阻 R	( Z = R )	与频率无关
电感 L	( Z = jωL )	频率越高，阻抗越大
电容 C	( Z = 1/jωC )	频率越高，阻抗越小

👉 这也是为什么：

直流下电容相当于开路

直流下电感相当于短路

1.3.2 阻抗匹配

阻抗匹配（Impedance Matching）是指在电路中，通过调整电路元件的参数，使天线的输入阻抗 = 传输线的特性阻抗，从而使电路的功率传输效率最大化。

如果匹配：发射机产生的能量通过传输线，可以毫无反射地全部被天线吸收并最有效地辐射出去（发射时），或从天线全部传送给接收机（接收时）。

如果不匹配：能量会在传输线和天线连接处发生反射，就像回声一样。这会导致：

功率损失：部分能量被弹回发射机，无法辐射。
效率降低：发射机可能需要输出更大功率。
损坏风险：反射波可能导致发射机功放管过载损坏。
电压驻波比升高：这是衡量匹配好坏的常用指标，VSWR 越高，匹配越差。

一个生动的比喻
把整个系统比作一个供水系统：

发射机：水泵。
传输线：水管（有特定的粗细/阻力，比如“50标准管”）。
天线：一个特殊的花洒头，其功能是把水高效地雾化喷出去（辐射）。
天线阻抗：这个花洒头自身的“水阻”特性。
辐射电阻：代表把水变成雾的“有效阻力”。没有这个阻力，水就直接流走，不成雾。
电抗：代表花洒头内部有一些空腔会暂时储水再吐出，造成水流晃动。

“阻抗匹配” 就是：如果你用一个“50标准管”来供水，你必须选择一个自身水阻正好与水管匹配的花洒头。这样，水泵的能量才能毫无阻碍地通过水管，被花洒头最有效地吸收并全部转化为水雾。如果花洒头水阻不对（不匹配），一部分水压就会在水管里来回反弹，导致水泵费力、出雾量小。

2. 巴伦的分类

2.1 按工作原理与结构分类

2.1.1 磁耦合（变压器）型巴伦

利用磁芯的磁耦合原理实现能量传递和模式转换。

原理：通过初级和次级线圈的绕制方式（通常在同轴或双孔磁环上），强制电流对称。
特点：
- 设计灵活，可实现多种阻抗变换比（1:1, 4:1, 9:1等）。
- 低频性能好，但高频受磁芯材料频率上限限制。
- 带宽中等，通常覆盖数个倍频程。
常见子类：

电压型巴伦：确保两个平衡输出端的电压对地对称，但电流可能不完全平衡。结构相对简单³。

图 2.1.1.1

电流型巴伦：强制两个平衡输出端的电流严格大小相等、方向相反。这是最理想的类型，对共模电流抑制最好。经典的“磁环巴伦”多属此类²。

图 2.1.1.2

自耦变压器型：线圈有抽头，兼具自感和互感，结构更紧凑。

2.1.2 传输线型巴伦

利用传输线本身在平衡和不平衡模式下的特性差异来实现转换，不依赖磁耦合。

原理：通过特定的传输线几何结构（如λ/4波长线、三线绞合等），使共模电流路径呈现高阻抗而被抑制。
特点：
- 有明确“中心频率”，带宽中等。
- 性能主要取决于传输线的物理尺寸和介电常数，与磁芯无关。
经典结构：
- 扼流型巴伦：最常见。在同轴线外绕制线圈或套上磁珠，增加屏蔽层外表面的感抗，从而抑制共模电流。制作简单，效果显著。
- λ/4波长套筒巴伦：在同轴线外部套一个λ/4长的金属套筒，构成第二导体。套筒底部与电缆屏蔽层短路，在顶部形成高阻抗，阻断屏蔽层外壁电流。窄带、高效率，常用于八木天线⁷。
图 2.1.2.1
- U 型巴伦：你只需要准备两根馈线即可，其中一根负责与电台连接的馈线A，而另一根你只需要准备1/2波长电气长度的馈线B即可，制作时只需要将馈线B两头的屏蔽层与馈线A的馈电端的屏蔽层焊接在一起，同时馈线A的中心导线与馈线B其中一端的中心导线焊接在一起，我们就得到了一个1:4的U型巴伦。
图 2.1.2.2
- 微带/带状线巴伦：直接在PCB上实现，成本低，易集成，是现代射频集成电路和PCB天线的标准配置。一些电商平台上卖的 U 型振子的天线，很多也是采用印刷在 PCB 板上来节省空间：
图 2.1.2.3

3. 巴伦的制作

首先在制作巴伦之前，我们要了解你的天线的输入阻抗，然后根据你的天线的输入阻抗来选择合适的巴伦。我们在之前已经制作了一款双菱天线，其输入阻抗为 75Ω。所以我们只需要做平衡转不平衡的巴伦即可，也就是 1:1 巴伦。

由于我们的 DTMB 工作在 470-700MHz 的频段，属于高频段，且频段跨度比较广，所以我们需要选择一个带宽比较宽的巴伦。传输线型巴伦需要精确控制长度，长度如果不合适，就达不到应有的效果，所以其带宽会比较窄。而磁耦合型巴伦的带宽比较宽，所以我们可以选择磁耦合型巴伦。

对于 DTMB 的高频来说，可以不用磁芯，直接制作空芯巴伦，就是将导线绕在环形绝缘体上⁵。

图 3.1 空芯巴伦结构图

一般这种绝缘体就好找的就是 PVC 水管，如果你不想这么麻烦，也可以用偷懒的方法，直接将馈线绕上这么 5-6 圈，相当于在圆柱体上绕弯圈，然后将圆柱体抽掉，只保留并排的馈线，然后用扎带扎紧⁶。

图 3.2 没有中间绝缘体的空心巴伦

3.1 铜线空芯巴伦制作

直接讲同轴绕制在绝缘体上，由于同轴芯线和屏蔽层之间存在分布式电容，会影响巴伦效率，所以我们没有采用极简的 3.2 图的制作方法，而是选择在 PVC 管上绕制电线的方式来制作空芯巴伦。

3.1.1 材料准备

直径 20mm PVC 管长 3cm 左右。
长度为 30-40 cm 的 0.5 平方的铁氟龙多股镀银铜软线两根。
F 母头一个。
接线端子母头两个。

为了绕制方便，我们选择了 PVC 水管。我们制作的是 1：1 巴伦，所以不需要考虑导线的特性阻抗，只需要考虑 1.1 和 1.2 小节提到的平衡不平衡转化和共模电流抑制的问题。

由于并绕双线产生的磁场相互耦合解决了平衡转不平衡的问题。同时我们将双线绕制 3-3.5 圈后，产生的 L共模 足够使用，可以使 公式 1.2.2 产生的共模电阻足够大。

这得益于 DTMB 使用的 470-700Mhz 频段，使公式中的 L共模 值不需要特别大，所以绕制 3.5 圈即可。
L共模 跟匝数和线径的关系的数学表达式： $\boxed{ L(\mu H) = \frac{N^2 D^2}{18D + 40l} }$

公式 3.1.1.1
符号说明：

符号	含义	单位
(N)	匝数	—
(D)	线圈平均直径	cm
(l)	绕组长度	cm
(μH)	微亨	10⁻⁶H

我们这里 PVC 管直径 2cm，为 D 值；铁氟龙导线直径 1.2 mm，但是绕制时两组线之间要留有一定的间隙，这个间隙在 0.8 倍- 1.5 倍线径之间，这里取 1.5mm，也就是 0.15cm，3.5圈的话，在 PVC 水管上的长度约为 0.53cm，也就是 l 值为 0.53cm 。将公式代入到 公式 1.2.2 中： $Z_\text{cm} = 2\pi f \cdot \frac{N^2 D^2}{18D + 40l} \cdot 10^{-6}$

公式 3.1.1.2

反推匝数：

$\boxed{ N = \sqrt{ \frac{ Z_\text{cm} (18D + 40l) }{ 2\pi f , D^2 } \cdot 10^{6} } }$

公式 3.1.1.3

带入 DTMB 的频率下限 f=470MHz, 目标共模阻抗： $Z_\text{cm} = 600,\Omega$

带入计算： $N = \sqrt{ \frac{ 600 \cdot (18\times2.0 + 40\times0.53) }{ 2\pi \times 470\times10^6 \times (2.0)^2 } \cdot 10^{6} }$

公式 3.1.1.4

计算结果 N≈3.3∼3.6 。
虽然从 公式 3.1.1.4 上看，匝数是和共模阻抗成正比的，但是实际上绕制圈数不宜过多，过多则分布式电容变大，导致自谐振频率（SRF）急剧下降，进入“电感–电容对消区”，此时共模阻抗将不再随频率单调上升，出现峰值、凹点，甚至变成电容性。
分布式电容和匝数的关系 $C_\text{eq} \sim \frac{N(N-1)}{2}$

公式 3.1.1.5

也就是说分布式电容随着匝数成指数上升。我们前端讨论共模阻抗是将线圈当成一个电感来看待的，但是分布式电容变大到一定程序后，它就会失去电感特性，变得像个电容。决定它是否“像”一个电感的决定因素是自谐振频率（SRF, Self-Resonant Frequency），其和电容的关系是：

$f_\text{SRF} \approx \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$
公式 3.1.1.6

其值越大，它就越像电感，反之像电容，一旦 $f \rightarrow f_\text{SRF}$
它就看上去更像电容，共模阻抗就会下降。由公式 公式 3.1.1.5 和 公式 3.1.1.6 推得，在3–3.5 匝的情况下 SRF ≈ 900–1100 MHz，在 4 匝的情况下 SRF 可能掉到 700–800 MHz，这已经逼近 DTMB 上沿。

为了方便我们制作，最好还是准备一个 PVC 剪刀，剪出来的切口比较凭证，使用其他工具比如说电锯之类的，会比凭证。

图 3.1.1.1 PVC 管剪刀

3.1.2 制作步骤

使用 PVC 管剪刀将 PVC 管剪成 3cm 左右的长度。
取两根铁氟龙导线平行绕制在 PVC 管上绕制 3 圈多一点，每圈之间间隔一个导线左右的宽度，然后用胶带将其固定在 PVC 管上。
在巴伦一侧接上接线端子母头，另一侧接上 F 头。注意两侧的接线头要尽量多，以不超过 5cm 为宜，多余的需要剪掉。

这样一个空芯巴伦就制作完成了。

图 3.1.2.1 成品的空芯巴伦

4. 巴伦的测试

巴伦的测试方法最有效的就是使用矢量网络分析仪等专业工具，但是需要几百块钱，实在负担不起。所以这里我采用的是直接接到机顶盒上测量信号强度。

首先制作一个不加巴伦的接头：

**图 4.1 **

然后将其接入到天线上去，测试信号质量，发现信号强度一直在跳动：

图 4.2

图 4.3

然后将自制的巴伦接入到天线上去，测试信号质量，发现信号强度稳定了很多，并且质量也有提升：

图 4.4