Met behulp van een balun met een resonerende dipool
Geplaatst op februari 18, 2021 door adminIk bereid me voor om een resonerende, in het midden gevoede, horizontale dipool te construeren. Ik heb mensen baluns zien gebruiken bij het voedingspunt van de antenne, en sommige mensen zweren erbij, maar ik heb nooit een bevredigend antwoord gekregen op waarom je een balun zou gebruiken / nodig hebt. Alle resonerende dipoolantennes die ik eerder heb gemaakt, leken prima te werken bij gebruik met 50 Ω coax en zonder balun. Dit bestond uit het verbinden van een been van de dipool met de centrale geleider en het andere been met het coaxschild.
Ik weet dat de normale impedantie van een center-fed dipool bij resonantie ongeveer 75 Ω is, dus ik kan zien dat er een impedantie-matching-voordeel zou zijn van een balun.
Welke voordelen (en / of nadelen) biedt een balun in een resonerende dipoolantenne?
Opmerkingen
- Ik wil opmerken dat omdat dit een goede vraag, met goede antwoorden, en ik verwijs er graag naar, dat dit probleem van toepassing is op zowat elke antenne, niet alleen dipolen. Dat omvat verticals en loops.
Answer
Welnu, het canonieke antwoord is dat de balun de dipool ( BAlanced) naar coax (ongebalanceerd). Maar wat betekent dat betekent ?
Om transmissielijnen (twin-lead of coax) niet uit te stralen, moet elke geleider gelijke en tegengestelde stromen kunnen voeren. Het zijn deze gelijke en tegengestelde stromen die elkaar opheffen en resulteren in een netto veld van nul, weg van de transmissielijn. Als de stromen niet gelijk en tegengesteld zijn, annuleren ze niet en resulteert het verschil in een extern elektromagnetisch veld, en uw transmissielijn straalt uit als een antenne.
Dit is over het algemeen ongewenst. Bij het zenden kan dit een hoge RF in de hut betekenen, geknoei met luidsprekers, digitale elektronica, enz. Indien bevestigd aan een directionele antenne, veroorzaakt dit problemen bij het zenden en ontvangen omdat het werkelijke stralingspatroon een combinatie is van de bedoelde antenne en het onbedoelde antenne gevormd door de feedline, die waarschijnlijk helemaal niet directioneel is. Als je je antenne hebt gemodelleerd, gaat het model uit van een feedline die niet straalt.
Oké, je hebt gelijke en tegengestelde stromen nodig in overhalen om het niet uit te stralen. Als je het aan een dipool bevestigt, zou je dat moeten krijgen. Het ziet er behoorlijk symmetrisch uit, toch?
Nou ja, de dipool is symmetrisch, maar de coax is dat niet. Meestal zit het schild ergens aan de aarde vast. Zelfs als dat niet zo is, is de geometrie van de De afscherming en de middengeleider zijn niet identiek, dus de afscherming zal een andere impedantie hebben ten opzichte van de dipool dan de middengeleider.
Ongeacht de coax is de dipool sowieso niet echt symmetrisch. Denk niet alleen aan de antenne, maar aan alles in het nabije veld. Is het perfect vlak met de grond? Ligt het ene uiteinde dichter bij een metalen goot?
Het resultaat van al deze asymmetrieën is dat elke kant van de dipool verschillende impedanties vertoont ten opzichte van het voedingspunt. Idealiter zou de antenne al het vermogen accepteren dat door de zender wordt gestuurd. De gelijke en tegengestelde stromen die door de zender in de coax worden gezet, gaan elk langs de tegenoverliggende benen van de dipool waar de EM-energie wordt weggestraald. Maar als de dipool niet in balans is, kunnen de stromen die door elk been van de dipool worden geaccepteerd niet gelijk zijn. Maar alle stroom moet ergens heen gaan, dus het verschil in stroom tussen de dipoolbenen wordt teruggekaatst langs de coax, terug bij (Merk op dat dit verschilt van reflectie van impedantie-mismatches die een hoge SWR veroorzaken.) Deze stroom heeft echter geen gelijke en tegengestelde stroom op de centrale geleider, dus straalt hij uit van de coax, zoals een antenne. / p>
Als je een dipool gebruikt die gevoed wordt met coax zonder balun, gebeurt dit met je, hoewel je het misschien niet merkt. Het coaxschild straalt prima uit, en als je signaal toch zijn weg vindt naar het andere station en je jezelf geen RF-brandwonden geeft, dan is er geen probleem. Een goede RF-aarde bij de ingang van de voedingslijn naar de shack kan de RF-re-entry verminderen. Zelfs zonder speciale aandacht voor aarding, bij 100W, zal de RF in de shack waarschijnlijk niet meer doen dan sommige luidsprekers zoemen, wat kan als “normaal” worden beschouwd.
Door een balun toe te voegen, vermijdt u dit probleem. Door de voedingslijn te isoleren, krijg je geen RF in de hut, en zal je dipool zich gedragen als een dipool die in leerboeken wordt beschreven. Je antenne-afstemming en prestaties worden niet gewijzigd door andere objecten in de buurt van de coax, omdat de coax niet verandert. maak deel uit van de antenne. Als je dipool zich op een goede locatie bevindt voor een antenne en je coax niet “t”, dan heb je over het algemeen een betere antenne.
Opmerkingen
- Concentratie op coax en ” ongebalanceerd ” transmissielijn brengt dingen in de war. Het echte probleem zijn de common-mode-stromen.Die kunnen net zo gemakkelijk worden overgedragen op een open draad ” gebalanceerde ” transmissielijn. Als je kijkt naar de bedrading voor ringkernbaluns, zijn het gebalanceerde apparaten, helemaal door. Het voordeel is dat de common-mode-stromen worden verstikt.
- @ WalterUnderwoodK6WRU Het ‘ is vrij eenvoudig om een dipool te maken die ‘ s voldoende gebalanceerd met twin-lead en geen balun. Het vereist zeker enige zorg. Het is ‘ niet mogelijk om een dipool te maken die ‘ zelfs maar op afstand is gebalanceerd met een coax-feed, en die ‘ s de situatie waarover de vraag werd gesteld, en dat ‘ is wat de meeste mensen werkelijk doen. Als je nog een vraag wilt stellen over common-mode stromingen, voel je dan vrij, maar dit antwoord is al meer dan een pagina lang. Het kan ‘ alles niet uitleggen.
Antwoord
Een dipool is een bepaalde machine voor het maken van EM-velden. Het idee is om een spanning op te zetten tussen de twee helften van de dipool op zon manier dat een EM-veld wordt gecreëerd en efficiënt wordt weggestraald.
Onthoud, spanning is een verschil tussen twee dingen. Als we alleen kijken naar een dipool, zonder toevoerleiding of iets anders eromheen, is het heel eenvoudig om te zien dat de dipool symmetrisch is. De stromen in het ene been creëren spanningen tegen het andere been, omdat er niets anders is.
Als we de dipool voeden met twin-lead , is het nog steeds gemakkelijk te zien hoe de dipool symmetrisch kan zijn. Elke poot werkt nu tegen de feedline, maar aangezien beide leads van de feedline erg dicht bij elkaar liggen, worden ze in gelijke mate beïnvloed door wat de antenne doet, en is er geen netto-effect. Uiteraard is al het andere (de aarde, bomen, goten, torens , enz.) rond de antenne zou ook symmetrisch moeten zijn, en dit is niet realistisch.
Als we de dipool voeden met coax , situatie is heel anders. De afscherming onderschept alle EM-velden, waardoor de middengeleider effectief wordt verborgen voor externe velden. Je hebt geen symmetrische opstelling meer: één poot van de dipool is verbonden aan het schild, dus echt, het is een L-vorm. In feite maakt het schild net zo goed deel uit van de antenne als de dipool die het moet voeden.
uit een uitstekend artikel op antenna-theory.com
Dus bedenk nu wat gebeurt met de stromen die door de coax gaan. Het signaal van de zender bestaat uit $ I_A $ en een gelijke en tegenoverliggende $ I_B $. $ I_A $ moet langs één been van de dipool stromen, omdat het nergens anders heen kan. bij het voedingspunt heeft $ I_B $ twee opties: het kan langs het bevestigde been van de dipool naar beneden stromen, of het kan terug naar het coaxschild reflecteren.
Aldus zal $ I_B $ splitsen, met enkele van it ($ I_C $) terugkeert op de coax, en het verschil ($ I_B-I_C $) naar beneden in de dipool, zoals bedoeld. De mate van de splitsing wordt bepaald door de relatieve impedanties van deze twee opties.
Dit is niet vaak een probleem, omdat de coax-afscherming net zo goed een antenne maakt als de dipool. Het verstoort het stralingspatroon vreselijk, maar aangezien een dipool geen richtantenne was om te beginnen, doet het er nauwelijks toe. Het zou kunnen betekenen dat je veel RF in de hut krijgt, maar als je zendt met 100W is het onwaarschijnlijk dat dit een ernstige problemen.
Er zijn echter enkele subtielere problemen: als u RF uitzendt in de hut, ontvangt u ook RF van de hut ( wederkerigheid ). Mogelijk kunt u uw antenne ver weg houden van het elektriciteitsnet, schakelende voedingen, computers en andere ruisbronnen in de hut, maar als uw voedingslijn daadwerkelijk deel uitmaakt van de antenne, ontvangt u alle dit geluid toch.
Door een balun te gebruiken, dwing je op de een of andere manier de stromen op elke poot van de dipool om gelijk te zijn, zodat er geen stroom terugkeert op de coax, zodat de coax niet straalt en handelt als onderdeel van de antenne. Er zijn veel ontwerpen, maar een van de meest gebruikelijke en effectieve is een eenvoudige c ommon-modussmoorspoel , ook bekend als een 1: 1 stroombalun. Dit slimme apparaat heeft het effect dat het een grote impedantie invoegt tussen het voedingspunt en de buitenkant van het schild ($ I_B $ en $ I_C $ in bovenstaande afbeelding), waardoor het relatief aantrekkelijker wordt voor de stroom om door de dipool te gaan:
van Wikipedia
Merk op dat de mismatch van 50Ω coax met een 75Ω antenne hier niet relevant voor is.Als uw voedingslijn en antenne niet bij elkaar passen, krijgt u wat krachtreflecties, maar die reflecties bevinden zich binnen de voedingslijn en zorgen er niet voor dat de voedingslijn een onderdeel wordt van de antenne. Er zijn balun-ontwerpen die ook impedantietransformatie uitvoeren, maar dit is niet de functie die wordt aangeduid met balun . Praktisch gezien is 75Ω een goede match met 50Ω, en typische voedingslijnverliezen bij HF laag genoeg, dat naar mijn mening de meeste pogingen tot impedantie-aanpassing in deze situatie niet nodig zijn, en waarschijnlijk meer energie verspillen door inefficiënties dan ze winnen bij het verkrijgen van een betere match.
Opmerkingen
- Dit is misleidend, omdat het een ideale dipool veronderstelt en omdat het suggereert dat een gebalanceerde transmissielijn het evenwicht in een antenne dwingt . Het laatste is gewoon verkeerd, en het eerste is onjuist voor bijna alle echte antennes. Een antenne is gebalanceerd als de impedanties van de twee elementen gelijk zijn. Periode. De omgeving van een antenne maakt ze bijna altijd ongelijk en dus ongebalanceerd. Je zou de elementen kunnen bijsnijden om ze meer gelijk te maken, maar dan zou het regenen of zou er een vogel aan het ene uiteinde landen. Daarom gebruiken we baluns.
- @ WalterUnderwoodK6WRU Je hebt ‘ het mis … wat ik bedoelde te zeggen is dat het met een gebalanceerde feeder ‘ is in theorie tenminste mogelijk om een gebalanceerde dipool te maken, terwijl je met een coax feeder gegarandeerd een zeer slechte balans hebt. Kun je me vertellen wat specifiek in het antwoord verbeterd kan worden?
- Het artikel op antenna-theory.com lijkt correct te zijn, maar het is erg verwarrend. Dat, en dit antwoord, impliceert dat coax ” ongebalanceerd ” is. Die term is logisch bij audio, maar niet bij RF. Coax is gebalanceerd. Maar … het is een systeem met drie geleiders. Er zijn gebalanceerde stromen aan de buitenkant van de binnenste geleider en de binnenkant van de buitenste geleider. De natuurkunde zorgt hiervoor. Common-mode-stromen stromen aan de buitenkant van de buitenste geleider. Baluns verminderen common-mode stromen van ongebalanceerde antennes, maar andere bronnen kunnen stromen aan de buitenkant van het schild induceren.
- @ WalterUnderwoodK6WRU Ik denk dat je een samenvoegt. ongebalanceerde lijn , wat ongelijke impedanties naar aarde betekent, met ongebalanceerde stromen, wat betekent dat stromen in de common-mode zijn.
- Je zegt dat Ia moet in de dipool gaan, terwijl sommige van Ib kan in plaats daarvan reflecteren. Waarom kan ‘ t Ia ook reflecteren?
Antwoord
Een ander antwoord noemt de paper van K9YC, Jim Brown. Dit is de beste referentie op baluns in amateurradio. Zie: http://audiosystemsgroup.com/RFI-Ham.pdf
Hoofdstuk 6 gaat over baluns en antennes. Hij zegt: “De primaire functie van de meeste baluns, althans in onze hamstations, is om de interactie van onze antennes met de transmissielijnen die ze met onze radios verbinden te minimaliseren.”
De interacties die we minimaliseren zijn er twee: “RF in the shack” en common-mode ruis.
Echte antennes zijn niet in balans door hun omgeving: bomen, gebouwen, grondgeleiding, enzovoort. Dit veroorzaakt ongelijke impedanties die worden aangeboden aan de twee terminals van de transmissielijn en problemen met RF naar andere plaatsen. Elke onbalans verandert in een common-mode-spanning op beide geleiders van de transmissielijn. Dit kan uitstralen en problemen veroorzaken met verzonden RF in uw radios en andere elektronische apparaten in uw huis en uw buren “.
Common-mode-signalen kunnen ook worden ontvangen. Bijna alle nabijgelegen ruisbronnen worden opgepikt evenveel door de twee elementen (en de transmissielijn) en verschijnen op de radio, opgeteld bij het gewenste signaal.
Een huidige balun (de enige soort die je wilt) zal een hoge impedantie geven aan common-mode signalen en een lage impedantie voor differentiële signalen. Als de twee 5000Ω en 50Ω zijn, is dat een 100x verzwakking van de common-mode-signalen.
Ik heb een dipool van ongeveer 30 inch, gespannen tussen twee bomen en meer ons huis. Het huis heeft een stalen balk net buiten het midden onder de dipool. Dit is duidelijk onevenwichtig, ook al zijn de elementen (apart voor 40m en 20m) even lang. Door een balun toe te voegen, verminderde de ontvangen ruis met ongeveer 6dB.
Nadelen van een balun? Kosten en verzwakking. Mijn balun (van Balun Designs) kostte $ 55, een aanzienlijke toevoeging aan de kosten van een draadantenne. Een goed ontworpen ringkernbalun heeft een invoegverlies van 0,1 dB (zie http://www.balundesigns.com/servlet/the-58/QRP-1-cln-1-baluns-balun/Detail ). Een balun gemaakt van coax coax kan een aanzienlijke verzwakking hebben vanwege de hoeveelheid coax.
Ik raad sterk aan om hoofdstuk 6 van K9YCs paper te lezen.
Antwoord
Een zogenaamde “current balun” bestaat uit een stel ferrietkernen waarvan de coaxiale voedingslijn door hun middelpunt loopt. Dit vermindert de stroom van RF-stroom aan de buitenkant van de afscherming aanzienlijk. , wat op zijn beurt RF-verliezen vermindert.Het heeft geen invloed op de impedantie-mismatch, maar dat is klein.
Opmerkingen
- Je kunt een huidige balun / choke bouwen met veel ferrietkernen op de coax (zoals je beschrijft), of met een coax-spoel, of met een ringkerntransformator.
- @ WalterUnderwoodK6WRU – ja, bedankt. Degene die ik deed, gebruikt ferrietkernen.
Antwoord
Phil heeft goed uitgelegd wat er aan de hand is de stromingen aan het werk.
Wat betreft de reden waarom u zich zorgen moet maken, zoals u in de vraag opmerkt, is de impedantie van het voedingspunt 75 Ω en voedt u het met 50 Ω coax. Als de stromen niet perfect in evenwicht zijn, zal een deel van die RF die voedingslijn zien als een pad met een lagere impedantie en deze gebruiken.
Zal het nog steeds werken? Ja, geen probleem. De straling van de voedingslijn heeft invloed op het patroon van de antenne, maar laten we eerlijk zijn, een dipool is sowieso niet directioneel, dus je merkt het vrijwel zeker niet.
De terugkomende RF kan er wel of niet toe doen . Het hangt af van het vermogensniveau dat u gebruikt en de frequentie. Als u QRP op 80 meter gebruikt, geen probleem. Als je 1500w aan het starten bent, op bijna elke frequentie, heb je nu een probleem.
De oplossing is om impedantie toe te voegen aan de buitenkant van de coax, voldoende om de RF te overtuigen om in de antenne te blijven. Hoe impedantie hangt af van wie je het vraagt? Ik heb referenties gezien die aangeven dat slechts 500Ω voldoende is (ARRL-handboek), anderen zeggen 1000Ω (W1HIS) en heb een lang en overtuigend artikel gelezen waarin staat dat het doel 5000Ω (K9YC) moet zijn.
Merk op dat de impedantie van ferrietkernen varieert met frequentie (en temperatuur). de twee belangrijkste variabelen bij het selecteren van ferriet zijn vormfactor en “mix” (waaruit ze zijn gemaakt). U moet degene selecteren die zijn afgestemd op uw werkbereik (meestal mix 43 of 31) en groot genoeg zijn om het vermogen aan te kunnen zonder te veel op te warmen. Al het ferriet heeft een magische temperatuur als het eenmaal is gekruist, de impedantie daalt tot niets, maar de weerstand gaat OMHOOG wat resulteert in een thermische wegstroom die je coax smelt.
Reacties
- Ik denk dat dit echt verkeerd is. Een impedantie-mismatch zorgt ervoor dat vermogen wordt gereflecteerd bij de mismatch (in dit geval het voedingspunt), maar dit is niet gerelateerd aan common-mode stromen. Een perfect uitgebalanceerde antenne die niet bij elkaar past, heeft nog steeds gereflecteerd vermogen en een perfect afgestemde antenne kan common-mode stroom hebben.
Antwoord
Allemaal goede antwoorden. De meeste rfi worden veroorzaakt door ernstig niet-overeenkomende antennes die aan hoog vermogen worden blootgesteld. Ik ben het ermee eens dat een 1 op 1 balun zal helpen bij bepaalde dipoolinstallaties dicht bij de grond of wanneer de coax-voedingslijn is geconfigureerd in een niet-symmetrische lay-out bij het verlaten van de antenne. Een 1 op 1 balun heeft geen invloed op de aanpassing, 75 tot 50 ohm of wat dan ook, niet waarvoor hij is ontworpen.
Ik gebruik geen balun op een van mijn verschillende draadbundels en zou serieus overwegen om de middengewicht toegevoegd door een balun en de kosten versus de meeste niet-problemen op eenvoudige dipolen op 1 / 4wl en hoger zullen aantonen dat de toevoeging van een huidige balun niet nodig is.
Antwoord
Voor SWL-ontvangst heb ik nog nooit een balun gebruikt. Het zou in feite ongewenste RF kunnen verminderen, maar zelfs willekeurige coaxwisselingen kunnen voldoende positieve resultaten opleveren bij gebruik van alleen ontvangen. Voor het verzenden is het duidelijk een heel ander scenario, en ik gebruik altijd 1: 1 baluns op halve golf dipolen en Yagis.
Geef een reactie