Używając baluna z rezonansowym dipolem
On 18 lutego, 2021 by adminPrzygotowuję się do skonstruowania rezonansowego, zasilanego centralnie, poziomego dipola. Widziałem ludzi używających balunów w punkcie zasilania anteny, a niektórzy przysięgają na nich, ale nigdy nie otrzymałem satysfakcjonującej odpowiedzi na temat dlaczego miałbyś używać / potrzebować baluna. Wszystkie rezonansowe anteny dipolowe, które wcześniej zrobiłem, wydawały się działać dobrze, gdy są używane z koncentratem 50 Ω i bez baluna. Polegało to na połączeniu jednej nóżki dipola z przewodem środkowym, a drugiej nogi z ekranem kabla koncentrycznego.
Wiem, że normalna impedancja dipola zasilanego centralnie przy rezonansie wynosi około 75 Ω, więc widzę, że balun będzie pasował do impedancji.
Jakie korzyści (i / lub wady) zapewnia balun w rezonansowej antenie dipolowej?
Komentarze
- Chcę zauważyć, ponieważ jest to dobre pytanie, z dobrymi odpowiedziami, i lubię do niego link, że ten problem dotyczy prawie każdej anteny, a nie tylko dipoli. Dotyczy to pionów i pętli.
Odpowiedź
Cóż, kanoniczna odpowiedź jest taka, że balun konwertuje dipol ( BAlanced) do koncentrycznego (niezbalansowane). Ale co to oznacza ?
Aby linie przesyłowe (dwuprzewodowe lub koncentryczne) nie promieniowały, każdy przewodnik musi przewodzić równe i przeciwne prądy. To właśnie te równe i przeciwne prądy znoszą się wzajemnie, co skutkuje zerowym polem netto z dala od linii przesyłowej. Jeśli prądy nie są równe i przeciwne, to nie znoszą się, a różnica powoduje powstanie zewnętrznego pola elektromagnetycznego, i twoja linia transmisyjna promieniuje jak antena.
Jest to generalnie niepożądane. Podczas nadawania może to oznaczać wysokie RF w szopie, bałagan z głośnikami, cyfrową elektroniką itp. Jeśli jest podłączony do anteny kierunkowej, powoduje to problemy z nadawaniem i odbieraniem, ponieważ faktyczny wzór promieniowania jest kombinacją zamierzonej anteny i niezamierzonego antena utworzona przez linię zasilającą, która prawdopodobnie nie jest w ogóle kierunkowa. Jeśli modelujesz antenę, model zakłada linię zasilającą, która nie promieniuje.
OK, w porządku, potrzebujesz równych i przeciwnych prądów w nakłaniaj, aby nie promieniował. Jeśli podłączysz go do dipola, powinieneś to dostać. Wygląda całkiem symetrycznie, prawda?
Cóż, tak, dipol jest symetryczny, ale kabel koncentryczny nie jest t. Zwykle ekran jest gdzieś przymocowany do uziemienia. Nawet jeśli tak nie jest, geometria ekran i środkowy przewodnik nie są identyczne, więc ekran będzie miał inną impedancję w odniesieniu do dipola niż środkowy przewodnik.
Niezależnie od kabla koncentrycznego, dipol i tak może nie być naprawdę symetryczny. Weź pod uwagę nie tylko antenę, ale wszystko w jej bliskim polu. Czy jest idealnie wyrównany do podłoża? Czy jeden koniec jest bliżej metalowej rynny?
Rezultatem tych wszystkich asymetrii jest to, że każda strona dipola ma inną impedancję do punktu zasilania. Idealnie byłoby, gdyby antena przyjmowała całą moc wysyłaną do niej przez nadajnik. Równe i przeciwne prądy wprowadzone do kabla koncentrycznego przez nadajnik idą po przeciwnych odnogach dipola, skąd promieniuje energia EM. Ale kiedy dipol nie jest zrównoważony, prądy akceptowane przez każdą odnogę dipola nie mogą być równe. Ale cały prąd musi gdzieś płynąć, więc różnica prądu między odnogami dipola jest odbijana z powrotem w dół kabla koncentrycznego, z powrotem na nadajnika. (Uwaga, jest to odmienne od odbicia od niedopasowania impedancji, które powoduje wysoki SWR). Jednak prąd ten nie ma równego i przeciwnego prądu na środkowym przewodzie, więc promieniuje z koncentrycznego, jak antena. / p>
Jeśli operujesz dipolem zasilanym kablem koncentrycznym bez baluna, dzieje się to z tobą, chociaż możesz tego nie zauważyć. Osłona kabla koncentrycznego promieniuje dobrze, a jeśli twój sygnał nadal dociera do drugiej stacji i nie dajesz sobie poparzenia RF, to nie ma problemu. Dobre uziemienie RF przy wejściu linii zasilającej do szopy może zmniejszyć ponowne wejście RF. Nawet bez zwracania szczególnej uwagi na uziemienie, przy 100 W, RF w szopie prawdopodobnie nie zrobi nic więcej niż tylko brzęczenie niektórych głośników, co może być uznany za „normalny”.
Dodając balun, unikasz tego problemu. Izolując linię zasilającą, nie dostaniesz RF w szopie, a twój dipol będzie zachowywał się jak dipol opisany w podręcznikach. Twoje strojenie i wydajność anteny nie zostaną zmienione przez inne obiekty w pobliżu kabla koncentrycznego, ponieważ kabel koncentryczny nie będzie być częścią anteny. Jeśli twój dipol jest w dobrym miejscu dla anteny, a twój kabel koncentryczny nie jest „t”, będziesz mieć ogólnie lepszą antenę.
Komentarze
- Koncentrowanie się na linii koncentrycznej i ” niezrównoważonej ” linii przesyłowej wprowadza zamieszanie. Prawdziwym problemem są prądy w trybie wspólnym.Można je równie łatwo przenosić na otwartej linii ” zbalansowanej ” linii przesyłowej. Jeśli spojrzysz na okablowanie balunów toroidalnych, są to urządzenia zbalansowane na całej długości. Korzyścią jest dławienie prądów trybu wspólnego.
- @ WalterUnderwoodK6WRU Wykonanie dipola ' div ' jest dość proste. > s wystarczająco zrównoważone z dwoma odprowadzeniami i bez baluna. Oczywiście, wymaga trochę uwagi. ' nie jest możliwe utworzenie dipola, który ' byłby nawet zdalnie wyważony za pomocą przewodu koncentrycznego, a ' to sytuacja, o którą zadawano pytanie, i to właśnie ' robi większość ludzi. Jeśli chcesz zadać kolejne pytanie dotyczące prądów w trybie wspólnym, nie krępuj się, ale ta odpowiedź jest już dłuższa niż strona. Może ' wyjaśnić wszystko .
Odpowiedź
Dipol to szczególna maszyna do tworzenia pól EM. Chodzi o to, aby ustawić napięcie między dwiema połówkami dipola w taki sposób, aby pole elektromagnetyczne było tworzone i skutecznie wypromieniowywane.
Pamiętaj, napięcie to różnica między dwoma rzeczami. Kiedy weźmiemy pod uwagę tylko dipol bez linii zasilającej lub czegokolwiek innego wokół niego, bardzo łatwo jest zauważyć, że dipol jest symetryczny. Prądy w jednej nodze wytwarzają napięcia na drugiej nodze, ponieważ nie ma nic innego.
Jeśli zasilimy dipol dwoma odprowadzeniami , nadal łatwo będzie zobaczyć, jak dipol może być symetryczny. Teraz każda noga działa przeciw linii zasilającej, ale ponieważ oba przewody linii zasilającej są bardzo blisko siebie, są one jednakowo dotknięte przez wszystko, co robi antena, i nie ma efektu netto. Oczywiście wszystko inne (ziemia, drzewa, rynny, wieże itp.) wokół anteny również musiałby być symetryczny, a to jest nierealne.
Jeśli zasilimy dipol koncentrycznym , sytuacja jest zupełnie inna. Ekran przechwytuje wszystkie pola elektromagnetyczne, skutecznie ukrywając środkowy przewodnik przed polami zewnętrznymi. Nie masz już symetrycznego układu: jedna noga dipola jest połączona do tarczy, więc naprawdę ma kształt litery L. W rzeczywistości ekran jest tak samo ważną częścią anteny, jak dipol, do którego ma zasilać.
z doskonałego artykułu w antenna-theory.com
Zastanów się teraz, co dzieje się z prądami płynącymi po kablu koncentrycznym. Sygnał z nadajnika składa się z $ I_A $ oraz równego i przeciwnego $ I_B $. $ I_A $ musi płynąć jedną odnogą dipola, ponieważ nie ma dokąd pójść. Jednak w punkcie zasilania, $ I_B $ ma dwie opcje: może spłynąć w dół przymocowanej nogi dipola lub może odbić się z powrotem w osłonie kabla koncentrycznego.
W ten sposób $ I_B $ rozdzieli się, z niektórymi it ($ I_C $) powraca na koncentratorze, a różnica ($ I_B-I_C $) idąca w dół dipola, zgodnie z zamierzeniem. Stopień podziału będzie określony przez względne impedancje tych dwóch opcji.
Nie stanowi to często problemu, ponieważ ekran kabla koncentrycznego sprawia, że antena jest równie dobra jak dipol. To strasznie zniekształca wzór promieniowania, ale ponieważ dipol nie był anteną kierunkową, nie ma to większego znaczenia. Może to oznaczać, że dostajesz dużo RF w szopie, ale jeśli nadajesz z mocą 100 W, jest mało prawdopodobne, że spowoduje to jakiekolwiek poważne problemy.
Istnieją jednak bardziej subtelne problemy: jeśli transmitujesz RF w szopie, odbierasz również RF z szopy ( wzajemność ). Możesz być w stanie ustawić antenę z dala od linii energetycznych, przełączając zasilacze, komputery i inne źródła szumów w szopie, ale jeśli linia zasilająca jest w rzeczywistości częścią anteny, otrzymujesz wszystko ten hałas i tak.
Używając baluna, w jakiś sposób wymuszasz równe prądy na każdej odnodze dipola, tak że żaden prąd nie powraca na kabel koncentryczny, więc kabel koncentryczny nie promieniuje i nie działa jako część anteny. Istnieje wiele konstrukcji, ale jedną z najbardziej popularnych i skutecznych jest prosta c dławik w trybie zwykłym , znany również jako balun prądowy 1: 1. To sprytne urządzenie powoduje wstawienie dużej impedancji między punktem zasilania a zewnętrzną stroną osłony ($ I_B $ i $ I_C $ na powyższym obrazku), dzięki czemu jest stosunkowo bardziej atrakcyjne dla prądu spływającego w dół dipola:
from Wikipedia
Zauważ, że niedopasowanie kabla koncentrycznego 50 Ω do anteny 75 Ω nie ma tu znaczenia.Jeśli twoja linia zasilająca i antena są niedopasowane, otrzymasz pewne odbicia mocy, ale te odbicia będą wewnątrz linii zasilającej i nie spowodują, że linia zasilająca stanie się częścią anteny. Istnieją konstrukcje balunów, które również wykonują transformację impedancji, ale nie jest to funkcja oznaczana przez balun . Praktycznie rzecz biorąc, 75Ω jest wystarczająco dobrym dopasowaniem do 50Ω, a typowe straty w linii zasilającej przy HF są na tyle niskie, że moim zdaniem większość prób dopasowania impedancji w tej sytuacji jest niepotrzebna i prawdopodobnie marnuje więcej energii na nieefektywności niż zyskują na uzyskaniu lepsze dopasowanie.
Komentarze
- Jest to mylące, ponieważ zakłada idealny dipol i sugeruje, że zbalansowana linia transmisyjna wymusza równowagę w antenie . To drugie jest po prostu błędne, a pierwsze jest fałszywe dla prawie wszystkich prawdziwych anten. Antena jest zrównoważona, gdy impedancje dwóch elementów są równe. Kropka. Otoczenie anteny prawie zawsze sprawia, że są nierówne, a tym samym antena jest niezrównoważona. Możesz przyciąć elementy, aby były bardziej wyrównane, ale wtedy padałby deszcz lub ptak lądowałby na jednym końcu. Dlatego używamy balunów.
- @ WalterUnderwoodK6WRU Nie jesteś ' źle … miałem na myśli to, że przy zbalansowanym podajniku ' przynajmniej teoretycznie jest możliwe wykonanie zbalansowanego dipola, podczas gdy z podajnikiem koncentrycznym gwarantujemy bardzo słabe wyważenie. Czy możesz mi powiedzieć, co konkretnie w odpowiedzi można by poprawić?
- Artykuł na stronie antenna-theory.com wydaje się być poprawny, ale jest bardzo zagmatwany. To i ta odpowiedź sugerują, że kabel koncentryczny jest ” niezrównoważony „. Ten termin ma sens w audio, ale nie w RF. Coax jest zrównoważony. Ale … to jest system trójprzewodowy. Występują zrównoważone prądy na zewnątrz przewodu wewnętrznego i wewnątrz przewodu zewnętrznego. Fizyka to zapewnia. Prądy w trybie wspólnym płyną po zewnętrznej stronie przewodu zewnętrznego. Baluny zmniejszają prądy w trybie wspólnym z niezrównoważonych anten, ale inne źródła mogą indukować prądy na zewnątrz osłony.
- @ WalterUnderwoodK6WRU Myślę, że łączysz niezrównoważona linia , co oznacza nierówne impedancje do ziemi, z niezrównoważonymi prądami, co oznacza prądy w trybie wspólnym.
- Mówisz, że Ia musi wejść do dipola, podczas gdy niektóre z Zamiast tego mogę się zastanowić. Dlaczego ' t Ia również odzwierciedlać?
Odpowiedź
Inna odpowiedź wymienia artykuł K9YC, Jim Brown. To najlepsze odniesienie do balunów w krótkofalówce. Zobacz: http://audiosystemsgroup.com/RFI-Ham.pdf
Rozdział 6 dotyczy balunów i anten. Mówi: „Podstawową funkcją większości balunów, przynajmniej w naszych stacjach szynki, jest zminimalizowanie interakcji naszych anten z liniami transmisyjnymi, które łączą je z naszymi radiami”.
Interakcje, które minimalizujemy są dwa, „RF w szopie” i szum w trybie wspólnym.
Prawdziwe anteny są niezrównoważone przez otoczenie: drzewa, budynki, przewodność gruntu i tak dalej. Powoduje to nierówne impedancje występujące na dwóch zaciskach linii transmisyjnej i problemy z przenoszeniem RF w inne miejsca. Jakakolwiek asymetria zamienia się w napięcie w trybie wspólnym na obu przewodach linii przesyłowej. Może to promieniować i powodować problemy z transmisją RF w radiach i innych urządzeniach elektronicznych w domu i u sąsiadów ”.
Sygnały w trybie wspólnym mogą być również odbierane. Prawie wszystkie pobliskie źródła szumów zostaną odebrane równo przez dwa elementy (i linię transmisyjną) i pojawi się w radiu zsumowanym z żądanym sygnałem.
Balun prądowy (jedyny, jakiego chcesz) będzie miał wysoką impedancję dla sygnałów w trybie wspólnym i niską impedancję dla sygnałów różnicowych. Jeśli te dwa mają 5000 Ω i 50 Ω, oznacza to 100-krotne tłumienie sygnałów w trybie wspólnym.
Mam dipol na około 30 cali, rozciągnięty między dwoma drzewami i więcej nasz dom. Dom ma stalową belkę tuż poza środkiem pod dipolem. Jest to oczywiście niewyważone, mimo że elementy (osobne na 40 mi 20 m) mają jednakową długość. Dodanie baluna obniżyło odbierany szum o około 6 dB.
Wady baluna? Koszt i tłumienie. Mój balun (firmy Balun Designs) kosztował 55 dolarów, co stanowi znaczący dodatek do kosztu anteny przewodowej. Dobrze zaprojektowany toroidalny balun będzie miał tłumienie wtrąceniowe 0,1 dB (patrz http://www.balundesigns.com/servlet/the-58/QRP-1-cln-1-baluns-balun/Detail ). Balun wykonany ze spiralnego kabla koncentrycznego może mieć znaczne tłumienie ze względu na ilość kabla koncentrycznego.
Zdecydowanie polecam przeczytanie rozdziału 6 artykułu K9YC.
Odpowiedź
Tak zwany „balun prądowy” składa się z wiązki rdzeni ferrytowych z współosiową linią zasilającą biegnącą przez ich środki. To znacznie zmniejsza przepływ prądu RF na zewnątrz osłony co z kolei zmniejsza straty RF.Nie ma to wpływu na niedopasowanie impedancji, ale jest to niewielkie.
Komentarze
- Możesz zbudować aktualny balun / dławik z dużą ilością rdzenie ferrytowe na koncentryce (jak opisujesz), z cewką lub z transformatorem toroidalnym.
- @ WalterUnderwoodK6WRU – tak, dzięki. Ten, który zrobiłem, używa rdzeni ferrytowych.
Odpowiedź
Phil wykonał dobrą robotę, wyjaśniając, o co chodzi prądy w pracy.
Jeśli chodzi o powody, dla których musisz się tym przejmować, to, jak zauważyłeś w pytaniu, impedancja punktu zasilania wynosi 75 Ω i zasilasz go przewodem 50 Ω. Jeśli prądy nie są idealnie zrównoważone, część tego RF będzie postrzegać tę linię zasilającą jako ścieżkę o niższej impedancji i będzie ją wykorzystywać.
Czy nadal będzie działać? Tak, nie ma problemu. Promieniowanie linii zasilającej wpłynie na wzór anteny, ale bądźmy szczerzy, dipol i tak nie jest kierunkowy, więc prawie na pewno nie zauważysz.
Wracający RF może mieć lub nie mieć znaczenia . Zależy to od używanego poziomu mocy i częstotliwości. Jeśli korzystasz z QRP na 80 m, nie ma problemu. Jeśli pracujesz z mocą 1500 W na prawie każdej częstotliwości, teraz masz problem.
Rozwiązaniem jest dodanie impedancji na zewnątrz kabla koncentrycznego, wystarczającej do przekonania RF do pozostania w antenie. Jak impedancja zależy od tego, kogo zapytasz? Widziałem referencje, w których stwierdzono, że wystarczy tylko 500 Ω (podręcznik ARRL), inni twierdzą, że 1000 Ω (W1HIS) i przeczytałem długi i przekonujący artykuł, w którym stwierdzono, że celem powinno być 5000 Ω (K9YC).
Należy zauważyć, że impedancja prezentowana przez rdzenie ferrytowe zmienia się wraz z częstotliwością (i temperaturą). dwie główne zmienne przy wyborze ferrytu to współczynnik kształtu i „mieszanka” (z czego są wykonane). Musisz wybrać te, które są przeznaczone dla twojego zakresu operacyjnego (zazwyczaj mieszanka 43 lub 31) i wystarczająco duże, aby obsłużyć moc bez zbytniego nagrzewania. Cały ferryt ma magiczną temperaturę po przekroczeniu, impedancja spada do zera, ale rezystancja wzrasta, powodując przebieg termiczny, który topi twój przewód koncentryczny.
Komentarze
- Myślę, że to naprawdę źle. Niedopasowanie impedancji spowoduje odbicie mocy w niedopasowaniu (w tym przypadku w punkcie zasilania), ale nie jest to związane z prądami w trybie wspólnym. Idealnie zbalansowana antena, która jest niedopasowana, nadal będzie miała odbitą moc, a idealnie dopasowana antena może mieć prąd w trybie wspólnym.
Odpowiedź
Wszystkie świetne odpowiedzi, większość częstotliwości radiowych jest powodowana przez bardzo niedopasowane anteny poddane działaniu dużej mocy. Zgadzam się, że balun 1 do 1 pomoże w niektórych instalacjach dipolowych blisko ziemi lub gdy przewód koncentryczny jest skonfigurowany w układzie niesymetrycznym przy wyjściu z anteny. Balun 1 do 1 nie wpływa na dopasowanie, 75 do 50 omów lub cokolwiek innego, nie na to, do czego jest przeznaczony.
Nie używam baluna na żadnej z moich różnych belek drucianych i poważnie rozważę środkowa waga dodana przez balun i koszt w porównaniu z większością nieproblemowych problemów na prostych dipolach przy 1 / 4wl i wyższych pokaże, że dodanie bieżącego baluna nie jest potrzebne.
Odpowiedź
Do odbioru SWL nigdy nie używałem baluna. W rzeczywistości może to zmniejszyć niechciane częstotliwości radiowe, ale nawet przypadkowe skręty kabla koncentrycznego mogą dać wystarczająco pozytywne wyniki przy użyciu tylko do odbioru. W przypadku nadawania jest to oczywiście zupełnie inny scenariusz i zawsze używam balunów 1: 1 na dipolach półfalowych i Yagi.
Dodaj komentarz