平衡式元件（Balanced Device）近两年来被大量推广使用，主要因素是可消除双频/三频通讯设备本身内部及外来的干扰。使用平衡式元件的好处有：消除EMI干扰、消除电源供应器的杂讯、消除接地杂讯、抑制偶数阶谐波及忍受非理想的射频接地。目前平衡式元件有平衡式表面声波滤波器（saw filter）、平衡式放大器、Balun、网路线、Common Mode Choke Coil、IEEE 1394 cable 与无线网路晶片组、天线切换模组（Antenna Switching Module）及前端模组（Front End Module）等等。与同轴或单端（single-Ended）元件相比，平衡式元件在2002年的市场占有率不及30％，预估至2005年平衡式元件可占有70％以上的市场。

何谓平衡式元件？

射频元件的任一端口（port）均由两个电击端点组成，针对电击上的信号行为模式可区分为单端信号模式及平衡式信号行为模式。

平衡式电路的设计会有成对的对称性信号，信号通过该元件，如其双电击端点信号互为反相，即180度的相差，此种信号模式称为差模（differential mode）。如果此二电击端点上信号为同相为变化，此种信号模式称为共模（common mode），各位可将共模信号想像成EMI的干扰信号。

一般平衡式元件会被设计使用在差模信号模式工作，任何同相位的共模信号会被此差模元件阻绝，无法通过该电路。该特性可降低电路被电磁干扰信号（EMI）所影响。欲精确测试此类型元件电路，会遭遇一些挑战。例如一个被动元平衡式电路“表面声波滤波器”，其设计上包含一单端输入端口及平衡式输出端口，且其输入及输出阻抗并非是传统的50或75欧姆。使用传统的向量网路分析仪无法轻易的测得差模/共模信号特性。

《图一 不同信号模式的射频组件端点》 注释:（A）理想平衡式对单端式组件，差模信号输入会产生单端信号输出，共模信号输入则无输出；（B）理想双平衡式组件，差模信号输入会产生模信号输出，共模信号输入则无输出。

平衡式网路S参数

我们已很熟悉如何使用网路分析仪及S参数来表示一双端口元件的特性，S参数的下标符号分别代表信号激发端口及响应端口，如(图二)，元件的S参数总数为端口数的平方，一个双端口元件会有4个S参数，三端口元件会有9个S参数，四端口元件会有16个S参数，依此类推。多端口元件的测试与双端口元件测试相似，除了信号可能行走的每一路径需被测试，还有每一路径间的隔离度。其他需被测试的参数则取决于个别的元件类型。

《图二 多端口组件之S参数与平衡式组件之混和模式S参数》

平衡式元件的S参数矩阵则不相同，以双平衡式（Full balanced）元件（输入与输出端口均为平衡式）为例，如(图一)B，我们看见其有4个电击点，如视为4端口元件，则应有16个S参数，但输入端的一对电击实为一个输入端口，输出端的一对电击实为一个输出端口，故其可被视为一双端口元件，则S参数应为一2×2矩阵，但考虑其信号模式可能有4种，我们将差模与共模及激发与响应做组合，故一双平衡式元件之S参数实为4×4矩阵，16个S参数，此为混和模式S参数（Mixed-Mode S Parameter），如图二，其四种信号模式响应分别为：纯差模（pure differential mode；DD qu​​adrant）、纯共模（pure common mode；CC quadrant）、差模──共模转换（Differential to Common Mode Conversion；CD quadrant）、共模──差模转换（Common to Differential Mode Conversion；DC quadrant）。矩阵中的行（直列）为信号激发，列（横列）为元件响应，参数的下标符号依序分别代表：响应模式、激发模式、响应端口及激发端口。如Scd21为1号端口被注入差模信号，于2号端口的响应功率比值。混和模式S参数充分表现一平衡式元件的线性特性，每个四分之一矩阵分别代表不同信号模式的元件特性，以下一一分别说明；参考(图三)。

《图三 平衡式组件16个S参数每个四分之一矩阵及参数意义》

纯差模（pure differential mode；DD）

一双平衡式元件其混合模式S参数的左上四分之一矩阵，为差模信号激发入元件、于输出端量测差模信号响应，该四分之一矩阵为元件被设计的操作模式，其四个参数分别代表差模信号模式下的输入反射（Sdd11）、输出反射（Sdd22）、顺向穿透（Sdd21）与逆向穿透（Sdd12）。

纯共模（pure common mode；CC）

一双平衡式元件其混合模式S参数的右下四分之一矩阵，为共模信号激发入元件、于输出端量测共模响应，对某些元件而言，该四分之一矩阵为元件的设计工作操作模式，其四个参数分别代表共模信号模式下的输入反射（Scc11）、输出反射（Scc22）、顺向穿透（Scc21）与逆向穿透（Scc12）。

差模──共模转换（Differential to Common Mode Conversion；CD）

左下四分之一矩阵，为元件差模信号激发入元件、于输出端量测共模响应的特性，与其他四分之一矩阵相同，其中的4个参数分别是顺向与逆向的反射与穿透系数。如一完美对称的平衡式元件，是不会有此差模-共模转换的情况发生，亦即该矩阵的4个参数均为0。因此，该矩阵可代表一平衡式元件的对称性量测。该差模──共模转换有何重要性？其代表何种现象呢？

此一差模──共模转换矩阵与平衡式元件产生电磁干扰EMI有关，差模的信号注入元件，却发生共模信号的响应，为EMI的信号模式。该矩阵值愈大，表示产生的EMI愈大或代表其接地回路（ground loop）不理想。如(图四)。

共模──差模转换（Common to Differential Mode Conversion；DC）

右上四分之一矩阵，为元件共模信号激发入元件、于输出端量测差模响应的特性，与其他四分之一矩阵相同，其中的4个参数分别是顺向与逆向的反射与穿透系数。如一完美对称的平衡式元件，是不会有此共模-差模转换的情况发生，亦即该矩阵的4个参数均为0。因，该矩阵可代表一平衡式元件的对称性量测。

此一共模──差模转换矩阵与平衡式元件忍受电磁干扰EMI程度有关，共模的EMI信号被注入元件，元件无法有效消除此一EMI信号，进而产生差模的工作信号，此一现象有可能造成系统的信噪比降低。该矩阵值愈大，表示忍受EMI程度愈差或受接地回路杂讯影响愈严重。如图四。

《图四 共模──差模转换、差模-共模转换之信号模式》

三端元件（Three-Terminal Device）

将魂模的概念延伸至三端元件,其一端口为非平衡式、另一端口为平衡式,我们必须考虑平衡式端口有共模与差模,在非平衡式端口仅有一单端模式。

该元件的S参数矩阵中的行（直列）为信号激发，列（横列）为元件响应，与双平衡式元件不同的是，平衡端口有两行列，非平衡端口仅一行列。如(图五)。

此例中，右下矩阵的4个参数为平衡端口的4种可能反射类型，左上为单端端口的反射，其他四个参数分别表示顺向与逆向的共模与差模的穿透特性。

《图五 三端组件之9个S参数》

平衡式元件测试──BALUN

一般而言，在一通讯模组中，平衡式电路会有需要与单端电路作连接，此时BALUN便提供这样的介面，BALUN（BALance-UNbalance）是平衡与非平衡的缩写，由一转换器（transformer）组成。

测试方法（一）

因以往传统的向量网路分析仪大部分都是同轴双端口，所以在测试BALUN时会用2个BALUN将平衡端互相连接，此成对的BALUN视为一双端口元件，在这样的情况下，每一BALUN 基本上是将另一BALUN的平衡端口转换成单端端口，测出四个S参数，这样的作法可给予操作者一些BALUN射入损失的慨念，但无法提供完整的BALUN特性，例如此法无法决定有多少了损耗量是因为平衡端口阻抗不匹配所造成，或是因为振幅不平衡（amplitude imbalance）及相位的不平衡（phase imbalance）所造成。

另一传统的方法是将BALUN视为一单端的三端口元件，以向量网路分析仪做三次的双端口测试（1-2、2-3、3-1），如此的测试法，可得9个S参数，再计算出振幅及相位的不平衡性。此法不但耗时，也无法完整描述BALUN在共模、差模信号模式下的特性。

《公式一 振幅及相位不平衡公式：》

测试方法（二）

目前较先进的多端口向量网路分析仪大幅改善平衡式元件的测试架构，可提供精确的仪器校正，搭配内部夹具模拟功能（Fixture Simulator），可精确、简单的完整测试平衡式元件特性。多端口向量网路分析仪可测得平衡式元件的单端S参数，再利用夹具模拟功能推算混合模式S参数，完整呈现平衡式元件的工作特性，减少研发工程师测试、分析、设计及除错时间。

与方法一比较，此新测试法可得混合模式S参数，矩阵中对角线的SSS11为非平衡式端口的反射（可得阻抗、反射损失、驻波比）， SDD22 及SCC22为平衡式端口在差模与共模下的反射。

SDS21表示当信号注入BALUN时，输出端仅考虑差模信号时的穿透系数。该项衰减量可能的来源包括：反射不匹配损失、电阻损失及转换损失。

《公式二 总损失：SDS21》

非平衡端口反射损失：

平衡端口之差模反损失：

转换损失：

另一决定BALUN品质的参数是计算共模隔离比（Common Mode Rejection Ratio；CMRR），如(图六)，公式为差模增益比上共模增益，此为衡量元件可将杂讯阻绝的品质参数。

《图六 共模隔离比》