Выбираем антенный балун (Balun) | RUQRZ.COM

В антенной технике широко применяют элементы, которые в радиолюбительской среде принято называть «балун» (BALUN — от английского «balanced-to-unbalanced transformer»). Они позволяют запитывать антенны с балансным (симметричным) входом коаксиальной линией. Известны два типа таких элементов, которые часто называют «BALUN по напряжению» (voltage BALUN) и «токовый BALUN» (current BALUN).

Распространено мнение, что использование балунов позволяет исключить токи по внешней оплётке коаксиального кабеля. Появление этих токов порождает так называемый «антенно-фидерный эффект». В статье BALUN по напряжению против токового BALUN — победитель только один» (Ian White. Voltage baluns versus current baluns — there’s only one winner. — RadCom, 2009, December, p. 41, 42) есть интересный сравнительный анализ этих двух типов элементов.

Дипольная антенна с симметричным входом и симметричным питанием

На рис. 1 приведена идеальная картинка того, как выглядит дипольная антенна с симметричным входом и симметричным питанием. Цветные линии условно показывают распределение электрического поля вблизи такой антенны. Обратите внимание, фидерная линия идёт вниз строго перпендикулярно полотну антенны, но и в этом случае она попадает в зону действия поля
антенны.

Иными словами, требования симметрии распространяются не только на саму антенну, но и окружающие её предметы. Более реальную ситуацию иллюстрирует рис. 2, где поле идеальной антенны искажено влиянием строений, мачт и иных металлических предметов, а также несимметричным расположением фидерной линии. Заметим, что наклонное полотно антенны (sloper) также искажает идеальную картину распределения поля, поскольку разные его участки находятся на разном удалении от земли.

Асимметрия поля приводит к появлению напряжений и токов в проводниках, окружающих антенну. Она приводит к искажению её диаграммы направленности, что радиолюбитель вряд ли заметит, но результирующая асимметрия в точке питания антенны обуславливает появление в фидерной линии синфазных ВЧ токов. А это порождает множество проблем, которые радиолюбитель уже заметит. Таких, например, как искажение сигнала из-за подвозбуждения передатчика, помехи бытовой радиоэлектронной аппаратуры при передаче и высокий уровень импульсных помех при приёме. В большей или меньшей степени эти проблемы имеют решение. И это решение лежит в подавлении синфазных ВЧ токов в фидерной линии.

Если такие токи присутствуют, фидерная линия начинает излучать при передаче (т.е. становится частью антенны). Так, эти токи проникают в помещение радиостанции, наводятся на всех металлических проводниках, начиная от сетевой проводки, телефонных линий и тому подобное. Более того, все домашние проводки сегодня в значительной степени «заражены» импульсными помехами и соответствующие им токи «в обратном направлении» проникают уже на вход приёмника Синфазные токи в фидерной линии в основном возникают в точке, где фидерная линия соединяется с антенной. И в значительной степени их может устранить «

токовый BALUN«.

Точка питания антенны коаксиальной фидерной линией

На рис. 3 показан узел в точке питания антенны по коаксиальной фидерной линии. Высокочастотные токи в самой линии хорошо экранируются из-за скин-эффекта — проблемы возникают на её конце. Токи I1 (

по центральному проводнику) и I2 (по внутренней поверхности оплётки) — обычные токи в коаксиальной линии. Они равны по величине и противоположны по направлению, т. е. I1=-I2. Токи 14 и 15 — токи соответственно в левой и правой половинах диполя, причём I4=I1, поскольку это токи в одном проводнике. Точка X — точка соединения внутренней и внешней сторон оплётки коаксиального кабеля с правой половиной диполя. В этой точке I5=I2-I3, где I3 — ток по внешней стороне оплётки коаксиального кабеля. Из этого следует, что токи 14 и 15 не равны и различаются как раз на величину тока 13. Другими словами, если по какой-то причине токи в половинах диполя не равны (это может быть по разным причинам), ток, составляющий их разницу, потечёт по внешней стороне оплётки, т. е. проблемы всегда начинаются в том месте, где фидер подключается к антенне.

В идеальном случае симметрии ток I3 отсутствует, но только в этом случае При малейших следах асимметрии появляется синфазный ток по оплетке кабеля. Более того, подробный анализ показывает, что он практически всегда возникает, даже если и используется «BALUN по напряжению«.

Вариантов исполнения BALUN такого типа существует несколько. Один из них с коэффициентом трансформации по сопротивлению 1:1 приведен на рис. 4.

Балун с коэффициентом трансформации по сопротивлению 1:1

Трансформатор содержит три одинаковые обмотки. При подаче на его вход напряжения U на обмотках II и III, к которым подключены нагрузки (половинки диполя), возникает напряжение U/2 — получается симметричный относительно общего провода («земли») выход. Всё хорошо, но только до того момента, пока сопротивления этих нагрузок равны.
Если антенна не идеально симметричная, нагрузки у обмоток II и III трансформатора будут разные. А этот вариант BALUN по физике своей работы будет стремиться уровнять на них напряжения. Это, в свою очередь, неизбежно приведёт к разным токам в нагрузке (т. е. разным 14 и 15 на рис. 3) и, следовательно, к появлению тока в «земляном» проводнике (внешней стороны оплётки коаксиального кабеля). Иными словами, такой BALUN при несимметричной нагрузке будет стимулировать появление синфазного тока, вместо того чтобы его подавлять. Это, конечно, несколько упрощенное представление, но и строгий анализ в этом случае даёт подобный результат.

Передача высокочастотной энергии через устройство со связью через магнитный поток накладывает свои ограничения (в частности, на выбор материала для магнитопровода). Более того, подобные устройства не любят несогласованных нагрузок. Но главное, что они могут вовсе не улучшить ситуацию с синфазными токами на оплётке кабеля. Эту задачу лучше решает «токовый BALUN». Он к тому же может улучшить и симметрию в точке питания антенны.

Один из вариантов такого BALUN показан на рис. 5.

Токовый балун

Балун представляет собой обмотку на тороидальном магнитопроводе из феррита, выполненную из коаксиального кабеля фидера. Такая обмотка не влияет на токи, протекающие внутри коаксиального кабеля, но она эффективно отсекает токи по внешней стороне его оплётки. Это, по существу, дроссель, поэтому в отечественных источниках его часто так и называют. Этот дроссель не может, конечно, устранить все проблемы, связанные с антенным эффектом фидера, но заметно уменьшает вероятность их появления.

Более того, существенно уменьшая синфазную составляющую тока по внешней стороне оплетки, он тем самым выравнивает токи в половинках антенны в точке ее питания, т. е. в какой-то мере восстанавливая симметрию антенны. Иными словами, подключённый в точке питания антенны он действительно выполняет функцию не только просто дросселя, но ещё и функцию BALUN.
Не следует забывать, что такой элемент целесообразно устанавливать и в том месте, где фидер входит на радиостанцию. Никакого симметрирования он в этом случае давать не будет — он работает чисто как дроссель. Дело в том, что прямые наводки с полотна антенны на фидер также могут приводить к появлению токов на его внешней стороне оплётки, которые, естественно, могут вызывать нежелательные эффекты.

Что еще почитать по теме:

Применять или не применять Balun — R3RTambov

Некоторые аспекты проблемы “балуна”. Почему мрак таинственности окружает “балуны”. В этой статье приведены исчерпывающие данные на эту тему, чтобы расставить все точки над “i”. Применять “балун” или не применять? Вот в чём вопрос и животрепещущая тема в любительском радио. 

1. Введение

Поскольку некоторые определённые закономерности соединения коаксиальной фидерной линии с симметричной антенной до сего времени не соблюдаются, то до сих пор и сохраняется недопонимание относительно функции “балуна”. Многие промышленные “балуны” являются по сути дела трансформаторами импеданса и определяют тенденцию нашего лёгкого отношения к ним, не более, чем к согласователям, хотя первой основной функцией их является обеспечение правильных путей протекания токов в несимметричной и, связанной с ней, симметричной сбалансированной конфигурации.

Чтобы помочь развеять заблуждения, в этой главе рассказывается о некоторых нежелательных явлениях, которые проявляются, когда не используется “балун” и некоторые, — при его использовании. Во многих случаях, эти явления оказывают влияние на конечное измерение импеданса антенны и КСВ.

В этой главе также описывается простой и недорогой способ нагрузки внешней поверхности фидерной коаксиальной линии ферритовыми изделиями, которые образуют хорошо сбалансированный широкополосный дроссельный “балун”. Поскольку эта конструкция исключает применение согласующего трансформатора, как такового (с присущими ему ошибками в трансформации импеданса), достигаемая точность измерения импеданса антенны и КСВ значительно повышается. Дополнительно, с этим дроссельным “балуном” могут применяться другие согласующие устройства, поскольку вносимая им расстройка незначительна..

2. Точность трансформации

Используя прецизионный мостовой измеритель импеданса General Radio 1606-A и измерительный приёмник Boonton 250-A, я промерил “балуны” трансформаторного типа, которые подтвердили, что, будучи нагруженными активными резистивными нагрузками в 50 Ом, эти трансформаторные “балуны” с коэффициентом трансформации 1:1 и 1:4 не обеспечивают точного согласования между их входными и выходными выводами. Это — следствие потерь, реактивных (ёмкостных) утечек и неоптимальной связи. Мои открытия подтвердились в последней работе Джона Нейгла, K4KJ.

Тем более, коэффициент трансформации импеданса таких “балунов” изменится ещё в больших пределах, если используется с антенной с неактивным входным сопротивлением, когда она используется в стороне от её резонансной частоты. Это изменение трансформации, связанное с применением “балунов” трансформаторного типа обычно не создаёт серьёзных проблем в эксплуатации. Тем не менее, снятая зависимость КСВ от частоты с трансформаторным и дроссельным (не дающим ошибок в трансформации импеданса) “балунами” сильно разнятся.

Так при использовании прецизионного моста для измерения импеданса (R + jX), полученные данные будут ошибочными и с “балуном” трансформаторного типа и совсем без “балуна”.

3. Изменяется ли КСВ в зависимости от длины фидерной линии?

Мы знаем, что входной импеданс фидерной линии зависит от её длины, когда нагрузка (антенна) не согласована с этой линией.

Порой изменением длины фидерной линии удаётся получить лучшее согласование с передатчиком (фидерная линия в качестве трансформатора сопротивления). Теоретически, КСВ не должен меняться с изменением длины фидерной линии, за исключением кажущегося улучшения КСВ, связанного с увеличением затухания при увеличении её длины..Почему же КСВ, всё-таки, порой меняется? Если КСВ с изменением длины фидерной линии меняется значительно, то это означает, что и импеданс нагрузки на конце линии тоже меняется. Импеданс нагрузки зависит от длины линии? Да. Если Вы питаете симметричную нагрузку несимметричной линией без “балуна”, то с изменением её длины меняется и импеданс нагрузки и, конечно, КСВ! Чтобы объяснить это часто встречающееся явление, мы должны исследовать то, как же протекают токи в антенной системе.

Чтобы понять функцию “балуна”, важно ознакомиться с путями прохождения тока в точках питания диполя. Эти пути показаны на Fig. 23-1.

Из-за своей симметричности в точках подключения фидера, диполь имеет одинаковые по амплитуде, но противоположные по знаку напряжения, этим самым не давая протекающим приложенным токам выходить на внешнюю поверхность фидерной линии.

К сожалению, в коаксиальной фидерной линии, вместо двух, имеется три пути прохождения тока. Как же могут быть три пути всего в двух проводниках ?! На радиочастотах скин-эффект изолирует токи, текущие по внешней и внутренней стороне экранирующей оболочки кабеля друг от друга. Этот эффект, немыслимый на постоянном токе и на низких частотах переменного, предотвращает взаимодействие токов, текущих по внутренней и внешней стороне экранирующей оплётки кабеля.

Как показано на Fig. 21-1 ток I1 протекает по центральному проводнику коаксиальной фидерной линии, а ток I2 — только по внутренней стороне её оплётки. Если ток течёт только слева направо, как показано на Fig. 21-1, то I1 истекает из полудиполя 1 вниз по центральному проводнику и возвращается в генератор. Ток I2 противоположной фазы и направления протекает вверх по внутренней поверхности экранирующей оболочки фидерной линии до точки соединения с полудиполем 2. В этом месте ток I2 разделяется на две ветви I3 и I4. Ток I3 течёт обратно по внешней поверхности оплётки, а I4, равный I2 минус I3 течёт вправо, — в полудиполь 2.

Значение тока I3 зависит от импеданса относительно “земли”, обеспечиваемого внешней поверхностью коаксиальной оплётки. Если действующая длина пути к РЧ “земле” есть число нечётное, помноженное на четверть длины волны, то импеданс относительно “земли” будет высоким и током I3 можно пренебречь. В этом случае, I1 и I4, примерно, равны. С другой стороны, если путь токов к РЧ “земле” кратен полуволне, импеданс относительно “земли” будет низким и ток I3 будет значительным. Это влияет на симметрию токов в полудиполях и приводит к излучению фидерной линией. Во многих случаях, этот путь к РЧ “земле” включает в себя сетевой шнур трансивера, домашнюю электропроводку и заканчивается “нулевым” проводом электрической сети! Итак, амплитуда тока I3 изменяется с изменением длины фидерной линии из-за изменений импеданса между полудиполем 2 и “землёй”. Помните, что токи в питающей линии I1 и I2 не могут создавать её излучения и не только потому, что имеют одинаковый уровень и противоположные фазы, но и потому, что их поля экранируются экранной оболочкой коаксиального кабеля. Тем не менее, ток I3, действительно, приводит к излучению и внешняя поверхность оплётки кабеля становится полудиполем 3, который соединён в параллель с полудиполем 2.

Чтобы выделить это эквивалентное соединение излучателей, я упростил схему, как показано на Fig. 21-2.

Коль скоро токи I1 и I2 не взаимодействуют с другими токами, мы можем гипотетически подключить РЧ генератор непосредственно к входным зажимам антенны (диполя). Поскольку необходимость в кабеле для подвода энергии от генератора к антенне отпала, то внешняя поверхность оплётки кабеля может быть заменена проводником, включенным между полудиполем 2 и РЧ “землёй”. Мы не изменили схему электрически, поскольку ток I3 также течёт к “земле”, но, теперь, по отдельному проводнику.

Мы знаем, что, в зависимости от высоты подвеса, импеданс диполя при резонансе обычно составляет от 50 до 75 Ом и чисто активен. На частотах выше резонансной сопротивление значительно возрастает: появляется последовательная индуктивная составляющая, на частотах ниже резонансной появляется ёмкостная составляющая. Импедансом каждого полудиполя является половина импеданса диполя в целом. Поскольку дальний конец полудиполя 3 заземлён, поведение его импеданса соответствует таковому у короткозамкнутой линии передачи с точкой замыкания в месте заземления. Поэтому, когда длина полудиполя 3 равна нечётному числу четвертей длины волны, его импеданс имеет максимум как в параллельном колебательном контуре со значением 2000…3000 Ом. Это высокое сопротивление, включенное в параллель к полудиполю 2, практически, не влияет на общий импеданс диполя. Если же действующая электрическая длина полудиполя 3 отличается от четверти длины волны (также: нечётных длин, кратных четверти длины волны), то при изменении его физической длины или частоты генератора входное сопротивление полудиполя 3 падает и появляется реактивность, включенная последовательно с активным сопротивлением. Эта реактивность носит индуктивный характер, когда длина уменьшается и ёмкостный характер,- когда длина полудиполя увеличивается. Если длина полудиполя 3 кратна полуволне, сопротивление будет минимальным, как в последовательном резонансном контуре (но не нулевым из-за излучения полудиполем 3 и потерь в “земле”).

Итак, когда длина полудиполя 3 существенно отличается от нечётного количества четвертей длин волн,общие активные и реактивные компоненты параллельно соединённых полудиполей 2 и 3 отличаются от таковых полудиполя 1. Соответственно и импеданс полудиполя будет другим, отличным от такового, в случае отсутствия полудиполя 3.

Возвращаясь к Fig. 21-1, мы теперь можем видеть, что без “балуна“ изменение длины питающей линии также изменяет и длину антенны (изменяется длина полудиполя 3), которая, в свою очередь, влияет на импеданс на входе фидерной линии. Поэтому и КСВ, измеренный на входе фидерной линии, изменяется с изменением длины линии, когда отсутствует, исключающий ток I3, “балун”. Это явление объясняет недоумение на лице радиолюбителя, который не использует “балун” и наивно полагает, что может подстроить свой диполь подбором длины фидера, чтобы сохранить отличный КСВ.

Очевидно, что при связи несимметричной питающей линии с симметричной нагрузкой, какой и является диполь, первейшей функцией “балуна” является блокировка внешнего пути тока между внутренней и внешней поверхностями экранирующей оплётки коаксиального кабеля. В схеме с “балуном” ток I2 в конце не разделяется, чтобы сформировать и ток I3, а полностью течёт только в полудиполь 2. Итак, когда ток I3 равен нулю, то I4 = I1 и токи текущие в полудиполях равны, а, значит сбалансированы, симметричны.

После представления вышеизложенного, позвольте сделать ударение на том, что “балун” в точке питания антенны не защитит оплётку кабеля от протекания тока по её внешней стороне, если коаксиальный кабель ассиметрично связан с антенной. Хотя я отношу вышеизложенную концепцию к Joe Reisert’у, W1JR, касательно его статьи. Он не коснулся источника внешнего тока. Следовательно, его Fig. 2 и, посвящённый проблеме параграф не проливают свет на функциональное назначение “балуна”. В противовес его комментарию к Fig. 2, когда антенные токи в фидерной линии вызваны несимметричной связью с антенной, “балун” не устраняет эти токи, но будет только менять их фазу и амплитуду.

4. Эффект от неприменения “балуна”

Теперь становится очевидным, что получение точных результатов измерений импеданса дипольных антенн является делом сложным. Когда используется “балун” трансформаторного типа, невозможно избежать ошибок из-за тока I3, передаточные ошибки маскируют действительные значения импеданса, поскольку полудиполь 3 шунтирует вторую половину дипольной антенны, поэтому нет практического пути определения импеданса полудиполя 3, действительный импеданс антенны и КСВ, не могут быть вычислены из данных измерения.

Снова обратимся к Fig. 21-1, помним о том, что для любой физической длины питающей линии, электрическая длина образующей поверхности, несущей I3 не одна и та же как для внутренних проводников несущих токи I1 и I2. Это зависит от диэлектрических постоянных и коэффициента укорочения, которые различны для внутреннего и внешнего диэлектриков кабеля. Например, коэффициент укорочения для полиэтилена и тефлона (фторопласта) — основного внутреннего диэлектрика большинства кабелей составляют 0,659 и 0,695, соответственно, для вспененного полиэтилена — 0,75…0,81, в зависимости от количества воздуха во вспененном материале. Если внешняя поверхность коаксиального кабеля открыта, то коэффициент укорочения для внешней поверхности экранирующей оплётки, несущей I3, приближается к 0,95. Обычно тонкое внешнее покрытие из поливинилхлорида (иногда тефлона (фторопласта)) изменяет коэффициент укорочения до значений чуть меньше 0,95. С практической точки зрения ток I3 не является “страшным” при эксплуатации простых диполей диапазонов 160…40 метров. Дополнительно I3 не создаёт помех телевидению, даже если, фидерная линия расположена много ближе к ТВ-антенне, чем передающая антенна. Тем не менее, излучение от внешнего тока фидера может явиться причиной сильного искажения диаграммы направленности антенн: Яги, “квадратов”.

Несмотря на то, что применено гамма-согласование или другой тип несимметричного входного согласующего устройства, все направленные антенны с симметричными входами требуют применения “балуна” для достижения ими оптимальных характеристик при питании коаксиальным кабелем. Например, если “балун” не применяется, питающая линия и мачта становятся отдельной ненаправленной вертикальной антенной. Мачта излучает с нежелательной вертикальной поляризацией, которая “заполняет” “нулевой провал” в заднем лепестке диаграммы направленности направленной антенны, ухудшая, таким образом, отношение излучения вперёд-назад. Мачта излучает вместе с фидерной линией, потому что токи, текущие по внешней поверхности оплётки кабеля возбуждают её посредством паразитной индуктивной и ёмкостной связи между фидерной линией и мачтой.

5. Дроссельный “балун”

Несмотря на то, что многие “балуны” представляют собой ту или иную форму согласующего трансформатора, альтернативой к ним является РЧ дроссель, включенный во внешний проводник коаксиальной фидерной линии. Этим достигается высокий импеданс для тока I3, без влияния на токи внутри линии. Достоинством этого метода является отсутствие ограничений на минимум КСВ и подводимую мощность. Дополнительно, здесь нет ошибок трансформации импеданса, которыми “страдают” “балуны” трансформаторного типа (которые ухудшают КСВ и кривые импеданса), потому что “дроссельный” “балун” не имеет согласующего трансформатора, — фидерная линия прямо подключена к зажимам антенны. Простым “дроссельным” “балуном” является катушка из нескольких витков кабеля фидерной линии в месте подключения к антенне.

В частотном диапазоне 14…30 МГц необходимо намотать несколько витков диаметром 6…8 дюймов (15…20 см), чтобы почти полностью устранить ток I3 и исключить излучение фидерной линии. К сожалению, эту форму дросселя (с воздушной намоткой) нельзя осуществить практически на частотах ниже 14 МГц, так как, для получения достаточной индуктивности для подавления тока I3 придётся потратить очень много кабеля (что приведёт ещё и к дополнительному затуханию полезного сигнала).

Следует уделить внимание размещению “дроссельного” “балуна” у антенн, смонтированных на мачтах: дроссельная катушка должна быть размещена непосредственно на зажимах активного элемента. Если катушка будет размещена на некотором расстоянии, то это приведёт к связи части фидера (между антенными зажимами и катушкой) с мачтой или бумом, которые, в свою очередь, будут связаны с одним из плечей активного вибратора. Это приводит к рассимметрированию, сводя на нет эффект от применения “балуна”: разбалансируют токи в активном вибраторе, перекашивают диаграмму направленности и приводят к излучению мачтой.

Частотный диапазон “дроссельного” “балуна” может быть расширен до менее, чем 2,0 МГц путём применения кольцевого сердечника с высокой проницаемостью вместо воздушной намотки. При большой проницаемости сердечника индуктивность дросселя резко возрастает, тем самым оставляя высокое реактивное сопротивление, необходимое для минимизации тока I3 на низких частотах. Очень важно, что при больших мощностях в “дроссельном” “ балуне” не наступает насыщения сердечника, что является серьёзной проблемой в “балунах” “трансформаторного” типа, поскольку возбуждение сердечника очень мало: только током I3, а не большим током, которым питается антенна. По моему совету Reisert выполнил у себя “дроссельный” “балун” с тороидальный ферритовым сердечником Q1 (с проницаемостью 125…400), намотав 9 витков коаксиального кабеля RG-141 для диапазона 14…30 МГц. Несмотря на то, что его (другой) 12 витковый “балун” хорошо работал на 14 МГц и выше, однако его работа на частоте 4 МГц уже оставляет желать лучшего. Проблема заключалась в направлении расположения обмотки. Трудно пропустить значительное число витков коаксиального кабеля через кольцо, которое ненамного увеличивает общую индуктивность, чтобы блокировать прохождение тока I3.

6. W2DU “балун” с ферритовыми кольцами (трубками)

Я получил потрясающие результаты, изготовив “дроссельный” “балун” путём нанизывания ферритовых колец (“трубок”) с ещё большей проницаемостью на коаксиальный кабель питающей линии.

Для читателя: кто хочет изготовить этот простой коаксиальный “балун” сообщаю, что можно применять широкий набор доступных ферритовых трубчатых изделий различных размеров и РЧ характеристик. Они резко увеличивают реактивное сопротивление проводника (добавление активного сопротивления к реактивному в этой схеме повышает широкополосность “балуна”, не повышая в нём потерь). В общем, импеданс внешней поверхности оплётки кабеля возрастает, практически, пропорционально с числом ферритовых колец (трубок) поверх неё. Комбинация из 50-омного кабеля с тефлоновым (фторопластовым) диэлектриком RG-303 (или RG-141 с удалённым внешним покрытием) с ферритовыми кольцами, имеющими внутренний диаметр 0,197 дюйма и длину 0,190 дюйма даёт превосходный малогабаритный широкополосный “балун”. Не влияя на на оба внутренних проводника коаксиального кабеля, ферритовые изделия создают высокий импеданс на внешней поверхности оплётки коаксиального кабеля. Эта конфигурация эффективно изолирует внешний выходной контакт фидерной линии от таковых — на её входе.

Я сделал опытную конструкцию “балуна”, использовав 300 колец No.73 (с проницаемостью 2500…4000), надев их на кусок коаксиального кабеля RG-303. Импеданс внешнего проводника кабеля составил 4500 + j3800 Ом на 4 МГц; 15,6 + j13,1 Ом составило использование всего одного кольца. Для практических конструкций “балунов”, работающих в диапазоне частот 1,8…30 МГц (менее 12 дюймов в длину, включая соединитель) используйте 50 колец No. 73 (Amidon no. Fb-73-2401 или Certified Communications no. 73 — W2DU). От 30 до 250 МГц используйте 25 колец no. 43 (с проницаемостью 950…3000, Amidon no. FB-43-2401 или Certified Communications no. 43 – W2DU). Кольца no. 64 (с проницаемостью 250…375) рекомендуется использовать выше 200 МГц, но я ещё с ними не экспериментировал. Длина коаксиального кабеля должна быть лишь достаточной для размещения колец сердечника и заделки концов в соединителях.

На Fig. 21-3 показаны измеренные значения сопротивления R, реактивного сопротивления X и импеданса Z от частоты на внешней поверхности оплётки в “дроссельном” “балуне” для обоих типов (25 и 50) колец.

С таким “балуном” ток I3 может не учитываться: он ничтожно мал в указанном частотном диапазоне. При полной разрешённой мощности и использовании данного “балуна” никаких проблем не возникает, поскольку кабель выдерживает в режиме CW — 3,5 кВт на 50 МГц, 9 кВт на 10 МГц. Любой подходящий соединитель, который подойдёт для соединения с нагрузкой, выходом фидерной линии может быть использован, а выводами к симметричной нагрузке могут служить “хвостики” из центральной жилы и оплётки кабеля “балуна”. Способ соединения “балуна” с антенной остаётся на Ваше усмотрение.

Чтобы подчеркнуть простоту применения данного “балуна” с УКВ антенной и преимущество по сравнению с капризным узкополосным четвертьволновым “балуном”, — просто оденьте на последние несколько дюймов кабеля перед подключением к антенне несколько ферритовых колец. И всё!

7. Анализ токовых “балунов” и “балунов” напряжения

Roy Lewallen, W7EL разработал эффективный анализ и провёл проверку на симметрию в различных схемных решениях, как с использованием “балуна” “дроссельного” типа, так и “трансформаторного” “балуна”. Его анализ показывает, что “дроссельные” “балуны” являются токовыми, а 4 : 1 с бифилярной и 1 : 1 с трифилярной намоткой “трансформаторные” являются “балунами” напряжения. Все “балуны”, с которыми мне приходилось встречаться, исключая “балун” W2DU с ферритовыми кольцами (трубками), который является токовым, все “балуны” 1 : 1, доступные на коммерческом рынке, имеющие трансформатор с трифилярной намоткой, являются, по сути дела, “балунами напряжения”. Lewallen установил аналитически, что токовые “балуны” обеспечивают равные токи в обеих половинках диполя, независимо от импеданса другой половины.

С другой стороны “балуны” напряжения обеспечивают лишь равные напряжения на обеих половинах диполя и, таким образом, не обеспечивают равных токов в каждом полудиполе, если импедансы двух половин не равны. Его опыты показывают, что токовые “балуны” дроссельного типа обеспечивают лучший баланс токов в диполе и наименьшее протекание тока в линии передачи. Труд Lewallen’а действительно открывает глаза на разработку и использование “балунов”. Исследования проведённые Dr. John (Jack) Belrose, VE2CV, со всей очевидностью подтверждают выводы Lewallen’ а, которые я описываю в разделе 10. В дополнение к работе Lewallen’ а, Sabin также провёл детальный анализ, касающийся действий электрического и магнитного полей при работе с 1 : 1 токовым “балуном” вместе с экспериментальной наглядностью, которая подтверждает правильность его выводов.

8. Проверка симметричности выходных токов в токовом “балуне”

Как было отмечено выше, “балун” с ферритовыми кольцами является токовым. Я использовал простой способ проверки этого факта, что данный “балун” — токовый и который также определяет степень баланса токов между симметричными выходными выводами. Как показано на Fig. 21-4a, “балун” смонтирован на алюминиевой пластине размером в один квадратный фут (примерно 30 х 30 см) с заземлённой на пластине экранной оболочкой.

Присоедините отдельный резистор между каждым коаксиальным выходным выводом и пластиной. На Fig. 21-4b показана электрическая эквивалентная схема опытного устройства. Подав РЧ напряжение на несимметричные выводы, измерьте напряжение, появляющееся на каждом резисторе, с помощью РЧ вольтметра. (Я использовал Hewlett – Packard 410B). Если оба резистора имеют одинаковые значения сопротивления, то на резисторах появятся одинаковые напряжения, показывающие, что через резисторы текут одинаковые токи, значит, выход симметричен. Несмотря на то, что одинаковые токи, протекающие в одинаковых сопротивлениях, указывают на то, что мы имеем дело с симметричным, относительно напряжения, выходом, это ещё не означает, что мы имеем дело с токовым “балуном”. Но мы можем подтвердить, что имеем дело с токовым “балуном”, если покажем, что равные токи текут в нагрузочных резисторах, если их сопротивления не равны.

Действительно, это — тот случай, при котором в этом “балуне” напряжения, появляющиеся на неодинаковых сопротивлениях нагрузочных резисторов, прямо пропорциональны их значениям, а токи в них — равны. Например, скажем, сопротивления нагрузочных резисторов 50 и 100 Ом, а входное напряжение установлено таким образом, что на резисторе в 50 Ом выделилось напряжение в 1 В, тогда на 100-омном резисторе будет 2 В. По закону Ома подтверждается, что в цепях нагрузочных резисторов текут одинаковые токи, несмотря на их разные импедансы. Ферритовые кольца делают своё дело, изолируя друг от друга выходные и входные цепи внешнего проводника коаксиальной линии, внесением высокого импеданса между ними, которое согласует симметричный выход с несимметричным входом. Если у Вас есть на этот счёт сомнения, имейте ввиду: если кольца не вносят последовательное высокое сопротивление во внешнюю поверхность оплётки коаксиального кабеля, то нагрузочный резистор R1 на Fig. 21-4 будет замкнут накоротко низким сопротивлением внешнего проводника и низким сопротивлением цепи “земли”, так и напряжение, выделяющееся на резисторе R1, будет равно нулю.

9. “Балуны” с антенными тюнерами

Для получения симметричного выхода для подключения открытой или лестничной линии питания, обычно, разработчиками антенных тюнеров принято ставить “балуны” на выходе тюнера. Во всех тюнерах, с которыми я знаком, использовались “балуны” трансформаторного типа, 4:1 “балуны” напряжения намотаны на ферритовых сердечниках, обычно, тороидальных. К сожалению выходная цепь не является идеальным местом для установки “балуна”. Почему? Я, вкратце, объясню. И, далее, “балун” напряжения сильно проигрывает токовому “балуну” в получении симметричных токов в фидерной линии. В разделе 21. 10 объясняется, что если Вы используете симметричный фидер, идеальным местом для расположения “балуна” является вход антенного тюнера, а “балун” следует применять токовый “дроссельного” типа, например, “балун” W2BU.

Давайте сначала исследуем некоторые проблемы, возникающие, когда Вы используете “балун” трансформаторного типа, выполненный на ферритовом кольце и установленный на выходе антенного тюнера. Когда “балун” трансформаторного типа выполнен на ферритовом кольце, то этот сердечник должен быть рассчитан на полный магнитный поток, вызываемый током нагрузки. Высокий конечная плотность магнитного потока может вызвать насыщение сердечника. Когда сердечник насыщается, форма РЧ сигнала на выходе сильно искажается, появляются новые нежелательные гармонические сигналы. Бестрансформаторный “дроссельный” “балун”, выполненный как катушка из коаксиального кабеля или из куска кабеля с нанизанными на его ферритовыми кольцами, не имеет сердечников, а, значит, нечему и насыщаться.. И дополнительно, внешние кольца не предназначены для магнитного потока, развиваемого током нагрузки. Кольца рассчитаны только на магнитный поток, развиваемый лишь слабым током, текущим через высокое сопротивление, которое обеспечивают ферритовые кольца на внешней поверхности внешнего проводника коаксиального кабеля (его оплётки), а поэтому такой “балун” и не генерирует гармоники.

Другой проблемой, возникающей при применении “балунов” напряжения трансформаторного типа является распределённая ёмкость между витками его обмотки, которая влияет на баланс токов в цепях симметричного выхода, питающего симметричную фидерную линию. Входной импеданс симметричной фидерной линии может изменяться от низкого до очень высокого и, обычно, имеет реактивную составляющую. Чем выше входной импеданс антенны и чем выше рабочая частота, тем больше эффект разбаланса, вносимый распределённой паразитной междувитковой ёмкостью. С другой стороны выходной разбаланс токов при применении “балуна” с нанизанными ферритовыми кольцами ничтожно мал и может не учитываться. Другой нежелательной чертой “балуна” 4 : 1, выполненного на ферритовом кольце и расположенного на выходе антенного тюнера, может быть возможность его повреждения, которое может случиться при перегрузке “балуна” при работе с полной выходной мощностью в линию с высоким КСВ, который выражается в высоком входном импедансе, содержащем большую реактивность. Далее, нежелаемой характерной чертой 4 : 1 “балуна” являются большие вносимые потери. Типичный уровень потерь, при применении этого типа “балуна”, находится в пределах 0, 5 дБ на частоте 2 МГц и повышается до 2 дБ на частоте 30 МГц. Для сравнения, потери в “балуне” W2DU составляют 0,1…0,2 дБ по всему диапазону применяемых частот, потому что единственной потерей является затухание в куске коаксиальной линии длиной 10,5 дюйма.

10. Расположение “балуна” на входе антенного тюнера

По крайней мере три автора опубликовали статьи, которые отстаивают расположение “балуна” на входе антенного тюнера, нежели на его выходе по той же причине, которая упомянута мной выше. В конце концов, это было сделано для того, чтобы в будущем тюнеры стали строить должным образом. Эти авторы: John Belrose, VE2CV, Albert Roehm, W2OBJ и Richard Measures, AG6K. Belrose (в 1981 году) показал симметричную Т-образную схему согласования, питаемую через 4 : 1 “балун” напряжения (смотрите следующие параграфы). Measures использует симметричную L- образную схему согласования, питаемую через 1 : 1 дроссель, или токовый “балун”, состоящий из свёрнутой в катушку части коаксиальной линии. Чтобы покрыть диапазон от 1,8 МГц до 30 МГц, его “балун” содержит 20 футов коаксиального кабеля, намотанного на трубу из изоляционного материала диаметром 5 дюймов, что довольно громоздко. Громоздкость “балуна” можно уменьшить, применив конфигурацию W2DU — кусок коаксиального кабеля длиной 10,5 дюймов с нанизанными на него ферритовыми кольцами, т.е., точно то, что и делал Roehm в своём представлении. Всё-таки, установка Roehm’ Ом и Measures’ Ом “балуна” на входе антенного тюнера дала прекрасные результаты.

Позвольте мне добавить несколько слов о работе John (Jack) Belrose, VE2CV. Jack является техническим консультантом (советником) ARRL и хорошо известен в радиолюбительских кругах своими экспериментами в области антенной техники. Он некоторое время занимал пост директора лаборатории радиосвязи Департамента Коммуникаций правительства Канады. Jack проводил эксперименты в плане новых подходов к расширению полосы пропускания дипольных антенн и опубликовал результаты своей работы в QST [ 134 ]. Его антенна ассиметрична в отношении к импедансу, рассматриваемому относительно каждого провода симметричной фидерной линии. В конце концов, он открыл, что токи в каждом проводе фидерной линии сильно разбалансировались при использовании 4 : 1 “балуна” напряжения при питании симметричного антенного тюнера. Затем он заменил этот “балун” “балуном” W2DU, изготовленным в заводских условиях и повторил измерения. К его величайшему удивлению, с “балуном” W2DU, токи в фидерной линии были почти идеально симметричны. Фидерная линия у Jack’ а представляла собой две параллельных коаксиальных линии, внешние проводники которых были соединены вместе и заземлены на тюнере, а центральные проводники использовались как симметричная питающая линия (т.е. имела место быть экранированная симметричная питающая линия).

Измерения Jack’ а выявили также, что когда он использовал “балун” напряжения, ток на внешних проводниках был большим и изменялся в широких пределах в диапазоне 2…30 МГц, также сигнализируя о плохой симметрии. Напротив, с токовым “балуном” W2DU, ток на внешних проводниках был очень маленьким и практически неизменным во всём диапазоне частот, отмечая хорошую симметрию. Эти результаты измерений Jack’ а являются для меня впечатляющими, поскольку являются и подтверждением моих собственных выводов, сделанных в результате измерений, которые подтверждают, что токовый “балун” W2DU решает многие проблемы, связанные с применением “балунов” трансформаторного типа, которые я описал выше.

Jack приготовил графики сравнения входного импеданса и ослабления в зависимости от частоты “балунов”: на ферритовом тороидальном сердечнике и W2DU. Графические данные также подтверждают мои выводы. Они показывают огромное преимущество использования ферритовых колец, одеваемых на кабель, формирующих токовый “балун”, перед “балунами” напряжения трансформаторного типа с намоткой трансформатора на ферритовом кольце. Jack указал также на уникальную возможность создания токового 4 : 1 “балуна” путём использования двух “балунов” W2DU, соединив их в параллель на входе и последовательно — на выходе.

С тех пор как вышло первое издание этой книги, Roy Lewallen сделал сравнительный анализ, касающийся работы “балунов”, включенных до и после антенных тюнеров. В частной переписке он отметил, что имеется лишь незначительная разница в работе “балуна” (видимо: W2DU) в том и другом положении.

QRP 1 : 1 токовый “балун” для использования в походных условиях. (by Tom Hammond, NØSS)

В этом примере слово “балун” как-то не клеится. В действительности, это — коаксиальный РЧ дроссель с использованием феррита, который даёт такие же результаты как 1 : 1 токовый “балун”. Эффект тот же самый да и способ достижения развязки внешней поверхности оплётки кабеля фидерной линии от РЧ оказался настолько эффективным, что может оказаться “палочкой-выручалочкой” при использовании с “не совсем симметричной антенной”, какими являются большинство таковых, используемых нами.

Для этого “балуна” я использовал 35 ферритовых колец (FB-73-2401, внешний диаметр — 0,38 дюйма, внутренний — 0,197 дюйма) по пять колец в группе. Итого: 7 групп (ферритовых трубок).

Затем я одел их поверх отрезка коаксиального кабеля RG-174 длиной в 15 дюймов и закрепил от перемещения последовательно семь групп колец с помощью изоленты, оставив промежутки между ними свободными, для того, чтобы можно было, при необходимости, сворачивать кабель без боязни повредить кольца.

Теперь я без особых проблем могу свернуть кабель в катушку диаметром до 3 дюймов. Ознакомьтесь с прилагаемыми фотографиями “балуна” и применённых ферритовых колец. Можно применить различные типы ферритовых колец. Я использовал FB-73-2401, как наиболее подходящие, фирмы Amidon Associates: (http://www.amidoncorp.com/blprice.htm).

Кольца этого типа могут быть также одеты на кабель RG-58/U (300 Вт) и RG-141/RG-142 Teflon ® (1,5 кВт) для изготовления 1:1 мощных токовых “балунов”.

 

Перевод В.Беседин UA9LAQ

73!