長期以來，人們早已認識到區分平衡系統與不平衡系統的重要性。早在1939年，Nils E. Lindenblad 就在描述帝國大廈天線系統中的一個 balun（平衡-不平衡轉換器）需求時這樣寫道：

“線路平衡轉換器……其基本原理是：同軸線的外導體必須在電氣上與其周圍環境隔離，以免破壞其所連接系統的平衡。”

在上述案例中，同軸電纜連接到一個偶極子天線。同軸屏蔽層的外表面承載著與內部完全無關的電流；內部電流則由中心導體和屏蔽層內表面承載。

這種沿同軸外表面流動的“非期望電流路徑”，并不會像同軸內部那樣以典型的橫電磁（TEM）模式傳播（內部電磁場被嚴格約束）。相反，整段同軸電纜本身會變成一根新的天線，并與系統其他部分發生耦合。

為了恢復系統的“秩序”，我們需要對同軸的邊界條件進行約束，使中心導體與屏蔽層在兩端承載大小相等、方向相反的電流。換句話說，我們必須強制系統滿足“平衡條件”。

無線電工程師并不是唯一需要理解“平衡”概念的人。同軸屏蔽層上的額外電流屬于共模電流（common-mode current）。如果你熟悉 EMC（電磁兼容）或信號完整性，就會理解系統中出現不希望存在的共模電流意味著什么。所有從事硬件設計的工程師，都應理解平衡與共模電流之間的關系，以及它們對系統的影響。

但問題是：什么才叫“平衡”？我們又如何判斷它是否重要？答案似乎因人而異。由于“平衡”這一概念橫跨多個領域，因此也存在許多不同定義。

本文嘗試對這些觀點進行統一梳理，并謹慎地澄清這一長期被討論但未完全統一的概念。

我們不會提出新的“平衡理論”，而只是嘗試說明大家到底在談論什么。

平衡概念的建立

圖1展示了信號源與負載之間差分信號的基本工作方式。

圖1：差分信號可消除共模噪聲。

你可能已經熟悉這樣一個概念：純差分信號系統可以抵抗干擾，因為噪聲會等量耦合到兩條線路上。典型例子就是雙絞線數據傳輸。為了更好地理解這一概念，我們進一步分析該例子。

雙絞線（Twisted Pair）

在雙絞線中，由于電容耦合，噪聲會同時等量耦合到兩根導線上。差分接收器只關心兩條線之間的差值，因此這種“等量耦合”會在接收端抵消。

關鍵前提是：兩條傳輸線必須在整個長度上保持等幅反相（equal and opposite），才能維持接收端的噪聲抵消效果。（當然，接收端的共模抑制能力同樣重要。）

簡而言之，這兩條信號線需要彼此“平衡”，即幅度相等、極性相反。同時，它們還必須相對于外部干擾源“均衡耦合”，即受到相同程度的影響。

帝國大廈天線系統的例子同樣體現了這一點。我們在前文引用的 Lindenblad 論文中，就可以看到“balun”這一術語的早期應用之一。既然我們在討論“平衡”，不妨看看早期工程師是如何理解這個問題的。

歷史案例：帝國大廈天線

帝國大廈頂部設計了兩套天線：一套用于電視（vision antenna），一套用于音頻（sound antenna）。關鍵要求是：兩者之間不能互相耦合。

為滿足這一要求，電視天線采用四個橢球導體結構；音頻天線則類似環形天線，但由折疊偶極子構成。其結構如圖2所示（圖中所有線條均表示導線）。

圖2：帝國大廈音頻天線結構示意圖

該結構由四個類似車輪輻條的回路組成。兩個相對的偶極子，其信號電流從同軸中心導體（紅色）進入，沿環路流動后回到同軸屏蔽層（藍色）。

系統設計的關鍵在于：來自電視天線的干擾電流，在結構中會在同一導體上以相同方向感應產生。這樣，這些感應電流在相對臂上方向相同，會相互抵消，并不會進入同軸饋線。

Lindenblad 的原文指出：

“公共饋線與各輻射單元的連接方式，使得相對輻射器中的電流為反相。而由轉輪天線感應產生的電流，在相對輻射器中方向相同，因此它們會相互平衡，不會進入公共饋線。”

但要實現這一點，必須確保電流守恒。因此，饋線不能允許除“等幅反相電流”之外的額外電流路徑。也就是說，同軸必須在饋電時維持“平衡狀態”。最終解決方案是一種“線路平衡轉換器”，也就是今天所說的 bazooka balun。

歷史部分到此結束，下面看一些更現代的例子。

兩個現代案例案例1：不等長雙絞線

考慮一條雙絞線，其中一根導線比另一根更長。假設噪聲在兩根線上均勻耦合。

通常情況下，共模電流會相互抵消。但由于傳播路徑長度不同，在接收端會產生相位差，導致抵消不完全。

因此，雖然耦合強度相似，但該系統不能被視為“平衡系統”。

案例2：同軸 + 雙絞線混合系統

假設一個同軸電纜在自由空間中，通過阻抗匹配網絡連接到雙絞線，兩者都以特性阻抗終端匹配。

系統工作在 433 MHz，且沒有明確接地平面，也沒有反射或天線結構。

表面看起來系統應該很穩定，但實際情況卻是：系統對噪聲極其敏感，同時輻射干擾也很強。即使人靠近電纜，也會影響信號強度。

進一步分析發現，在同軸與雙絞線的連接處發生了模式轉換（mode conversion）。本質原因是：對稱結構（雙絞線）與非對稱結構（同軸）之間的連接，會天然引入不平衡。

平衡的定義

關于“平衡系統”，存在多種定義：

• Henry Ott：平衡電路是指兩條導體相對于參考點（通常是地）具有相同非零阻抗的電路系統。

• W. L. Weeks：平衡系統是兩導體分別處于地電位上下相同幅度的系統。

• 同一作者另一種定義：兩半對稱系統中電流大小相等但方向相反則為平衡，否則為不平衡。

因此，“平衡”至少涉及三種維度：

1. 阻抗平衡

2. 電位平衡

3. 電流平衡

本文將其簡化為兩種定義：

• 耦合定義（Coupling Definition）
• 點定義（Point Definition）

耦合定義：當兩條導體相對于系統地或第三導體具有相同耦合特性時，系統是平衡的。

點定義：在傳輸線的某一位置上，兩條導體電流大小相等、方向相反，則該位置是平衡的。

總結

本文通過多個工程實例探討了“電氣平衡”的不同含義，并最終歸納為兩種核心定義：耦合意義上的平衡與電流意義上的平衡。

這些定義幫助我們更清晰理解差分信號、共模電流以及模式轉換之間的關系。

原文：

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/the-many-definitions-of-electrical-balance/

容易混淆的概念：阻抗匹配

阻抗匹配解決的是“信號有沒有反射、能不能把功率送過去”，屬于端點問題。
而“平衡”關注的是兩根導線之間是否等幅反相、結構是否對稱，屬于模式和結構問題。

匹配可以很好但系統仍然不平衡（產生共模電流、輻射、EMI問題），所以兩者是相關但完全不同的概念。

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