平衡式元件（Balanced Device）近兩年來被大量推廣使用，主要因素是可消除雙頻/三頻通訊設備本身內部及外來的干擾。使用平衡式元件的好處有：消除EMI干擾、消除電源供應器的雜訊、消除接地雜訊、抑制偶數階諧波及忍受非理想的射頻接地。目前平衡式元件有平衡式表面聲波濾波器（saw filter）、平衡式放大器、Balun、網路線、Common Mode Choke Coil、IEEE 1394 cable 與無線網路晶片組、天線切換模組（Antenna Switching Module）及前端模組（Front End Module）等等。與同軸或單端（single-Ended）元件相比，平衡式元件在2002年的市場佔有率不及30％，預估至2005年平衡式元件可佔有70％以上的市場。

何謂平衡式元件？

射頻元件的任一端口（port）均由兩個電擊端點組成，針對電擊上的信號行為模式可區分為單端信號模式及平衡式信號行為模式。

平衡式電路的設計會有成對的對稱性信號，信號通過該元件，如其雙電擊端點信號互為反相，即180度的相差，此種信號模式稱為差模（differential mode）。如果此二電擊端點上信號為同相為變化，此種信號模式稱為共模（common mode），各位可將共模信號想像成EMI的干擾信號。

一般平衡式元件會被設計使用在差模信號模式工作，任何同相位的共模信號會被此差模元件阻絕，無法通過該電路。該特性可降低電路被電磁干擾信號（EMI）所影響。欲精確測試此類型元件電路，會遭遇一些挑戰。例如一個被動元平衡式電路“表面聲波濾波器”，其設計上包含一單端輸入端口及平衡式輸出端口，且其輸入及輸出阻抗並非是傳統的50或75歐姆。使用傳統的向量網路分析儀無法輕易的測得差模/共模信號特性。

《圖一　不同信號模式的射頻元件端點》 註釋:（A）理想平衡式對單端式元件，差模信號輸入會產生單端信號輸出，共模信號輸入則無輸出；（B）理想雙平衡式元件，差模信號輸入會產生模信號輸出，共模信號輸入則無輸出。

平衡式網路S參數

我們已很熟悉如何使用網路分析儀及S參數來表示一雙端口元件的特性，S參數的下標符號分別代表信號激發端口及響應端口，如(圖二)，元件的S參數總數為端口數的平方，一個雙端口元件會有4個S參數，三端口元件會有9個S參數，四端口元件會有16個S參數，依此類推。多端口元件的測試與雙端口元件測試相似，除了信號可能行走的每一路徑需被測試，還有每一路徑間的隔離度。其他需被測試的參數則取決於個別的元件類型。

《圖二　多端口元件之S參數與平衡式元件之混和模式S參數》

平衡式元件的S參數矩陣則不相同，以雙平衡式（Full balanced）元件（輸入與輸出端口均為平衡式）為例，如(圖一)B，我們看見其有4個電擊點，如視為4端口元件，則應有16個S參數，但輸入端的一對電擊實為一個輸入端口，輸出端的一對電擊實為一個輸出端口，故其可被視為一雙端口元件，則S參數應為一2×2矩陣，但考慮其信號模式可能有4種，我們將差模與共模及激發與響應做組合，故一雙平衡式元件之S參數實為4×4矩陣，16個S參數，此為混和模式S參數（Mixed-Mode S Parameter），如圖二，其四種信號模式響應分別為：純差模（pure differential mode；DD quadrant）、純共模（pure common mode；CC quadrant）、差模──共模轉換（Differential to Common Mode Conversion；CD quadrant）、共模──差模轉換（Common to Differential Mode Conversion；DC quadrant）。矩陣中的行（直列）為信號激發，列（橫列）為元件響應，參數的下標符號依序分別代表：響應模式、激發模式、響應端口及激發端口。如Scd21為1號端口被注入差模信號，於2號端口的響應功率比值。混和模式S參數充分表現一平衡式元件的線性特性，每個四分之一矩陣分別代表不同信號模式的元件特性，以下一一分別說明；參考(圖三)。

《圖三　平衡式元件16個S參數每個四分之一矩陣及參數意義》

純差模（pure differential mode；DD）

一雙平衡式元件其混合模式S參數的左上四分之一矩陣，為差模信號激發入元件、於輸出端量測差模信號響應，該四分之一矩陣為元件被設計的操作模式，其四個參數分別代表差模信號模式下的輸入反射（Sdd11）、輸出反射（Sdd22）、順向穿透（Sdd21）與逆向穿透（Sdd12）。

純共模（pure common mode；CC）

一雙平衡式元件其混合模式S參數的右下四分之一矩陣，為共模信號激發入元件、於輸出端量測共模響應，對某些元件而言，該四分之一矩陣為元件的設計工作操作模式，其四個參數分別代表共模信號模式下的輸入反射（Scc11）、輸出反射（Scc22）、順向穿透（Scc21）與逆向穿透（Scc12）。

差模──共模轉換（Differential to Common Mode Conversion；CD）

左下四分之一矩陣，為元件差模信號激發入元件、於輸出端量測共模響應的特性，與其他四分之一矩陣相同，其中的4個參數分別是順向與逆向的反射與穿透係數。如一完美對稱的平衡式元件，是不會有此差模-共模轉換的情況發生，亦即該矩陣的4個參數均為0。因此，該矩陣可代表一平衡式元件的對稱性量測。該差模──共模轉換有何重要性？其代表何種現象呢？

此一差模──共模轉換矩陣與平衡式元件產生電磁干擾EMI有關，差模的信號注入元件，卻發生共模信號的響應，為EMI的信號模式。該矩陣值愈大，表示產生的EMI愈大或代表其接地迴路（ground loop）不理想。如(圖四)。

共模──差模轉換（Common to Differential Mode Conversion；DC）

右上四分之一矩陣，為元件共模信號激發入元件、於輸出端量測差模響應的特性，與其他四分之一矩陣相同，其中的4個參數分別是順向與逆向的反射與穿透係數。如一完美對稱的平衡式元件，是不會有此共模-差模轉換的情況發生，亦即該矩陣的4個參數均為0。因，該矩陣可代表一平衡式元件的對稱性量測。

此一共模──差模轉換矩陣與平衡式元件忍受電磁干擾EMI程度有關，共模的EMI信號被注入元件，元件無法有效消除此一EMI信號，進而產生差模的工作信號，此一現象有可能造成系統的信噪比降低。該矩陣值愈大，表示忍受EMI程度愈差或受接地迴路雜訊影響愈嚴重。如圖四。

《圖四　共模──差模轉換、差模-共模轉換之信號模式》

三端元件（Three-Terminal Device）

將混模的概念延伸至三端元件，其一端口為非平衡式、另一端口為平衡式，我們必須考慮平衡式端口有共模與差模，在非平衡式端口僅有一單端模式。

該元件的S參數矩陣中的行（直列）為信號激發，列（橫列）為元件響應，與雙平衡式元件不同的是，平衡端口有兩行列，非平衡端口僅一行列。如(圖五)。

此例中，右下矩陣的4個參數為平衡端口的4種可能反射類型，左上為單端端口的反射，其他四個參數分別表示順向與逆向的共模與差模的穿透特性。

《圖五　三端元件之9個S參數》

平衡式元件測試──BALUN

一般而言，在一通訊模組中，平衡式電路會有需要與單端電路作連接，此時BALUN便提供這樣的介面，BALUN（BALance-UNbalance）是平衡與非平衡的縮寫，由一轉換器（transformer）組成。

測試方法（一）

因以往傳統的向量網路分析儀大部分都是同軸雙端口，所以在測試BALUN時會用2個BALUN將平衡端互相連接，此成對的BALUN視為一雙端口元件，在這樣的情況下，每一BALUN 基本上是將另一BALUN的平衡端口轉換成單端端口，測出四個S參數，這樣的作法可給予操作者一些BALUN射入損失的慨念，但無法提供完整的BALUN特性，例如 此法無法決定有多少了損耗量是因為平衡端口阻抗不匹配所造成，或是因為振幅不平衡（amplitude imbalance）及相位的不平衡（phase imbalance）所造成。

另一傳統的方法是將 BALUN視為一單端的三端口元件，以向量網路分析儀做三次的雙端口測試（1-2、2-3、3-1），如此的測試法，可得9個S參數，再計算出振幅及相位的不平衡性。此法不但耗時，也無法完整描述BALUN在共模、差模信號模式下的特性。

《公式一　振幅及相位不平衡公式：》

測試方法（二）

目前較先進的多端口向量網路分析儀大幅改善平衡式元件的測試架構，可提供精確的儀器校正，搭配內部夾具模擬功能（Fixture Simulator），可精確、簡單的完整測試平衡式元件特性。多端口向量網路分析儀可測得平衡式元件的單端S參數，再利用夾具模擬功能推算混合模式S參數，完整呈現平衡式元件的工作特性，減少研發工程師測試、分析、設計及除錯時間。

與方法一比較，此新測試法可得混合模式S參數，矩陣中對角線的SSS11為非平衡式端口的反射（可得阻抗、反射損失、駐波比）， SDD22 及SCC22為平衡式端口在差模與共模下的反射。

SDS21表示當信號注入BALUN時，輸出端僅考慮差模信號時的穿透係數。該項衰減量可能的來源包括：反射不匹配損失、電阻損失及轉換損失。

《公式二　總損失：SDS21》

非平衡端口反射損失：

平衡端口之差模反損失：

轉換損失：

另一決定BALUN品質的參數是計算共模隔離比（Common Mode Rejection Ratio；CMRR），如(圖六)，公式為差模增益比上共模增益，此為衡量元件可將雜訊阻絕的品質參數。

《圖六　共模隔離比》