Usando um balun com um dipolo ressonante
On Fevereiro 18, 2021 by adminEstou me preparando para construir um dipolo horizontal ressonante com alimentação central. Já vi pessoas usarem baluns no ponto de alimentação da antena e algumas pessoas juram por eles, mas nunca obtive uma resposta satisfatória sobre por que você usaria / precisaria de um balun. Todas as antenas dipolo ressonantes que fiz anteriormente pareciam funcionar bem quando usadas com cabo coaxial de 50 Ω e sem balun. Isso consistia em conectar uma perna do dipolo ao condutor central e a outra perna ao escudo coaxial.
Eu sei que a impedância normal de um dipolo com alimentação central na ressonância é cerca de 75 Ω, então posso ver que haveria um benefício de casamento de impedância de um balun.
Quais benefícios (e / ou desvantagens) um balun oferece em uma antena dipolo ressonante?
Comentários
- Quero observar que, porque se trata de um boa pergunta, com boas respostas, e gosto de vincular a ela, que esse problema se aplica a quase qualquer antena, não apenas a dipolos. Isso inclui verticais e loops.
Resposta
Bem, a resposta canônica é que o balun converte o dipolo ( BAlanced) para persuadir (desequilibrado). Mas o que isso significa ?
Para que as linhas de transmissão (condutor duplo ou coaxial) não irradiem, cada condutor deve transportar correntes iguais e opostas. São essas correntes iguais e opostas se cancelando que resultam em um campo líquido zero longe da linha de transmissão. Se as correntes não são iguais e opostas, então elas não se cancelam, e a diferença resulta em um campo eletromagnético externo, e sua linha de transmissão irradia como uma antena.
Isso geralmente é indesejável. Ao transmitir, pode significar alta RF no shack, bagunçar alto-falantes, eletrônicos digitais, etc. Se conectado a uma antena direcional, pode causar problemas de transmissão e recepção porque o padrão de radiação real é uma combinação da antena pretendida e do não intencional antena formada pela linha de alimentação, que provavelmente não é direcional. Se você modelou sua antena, o modelo assume uma linha de alimentação que não irradia.
Tudo bem, você precisa de correntes iguais e opostas em coaxial para que não irradie. Se você conectá-lo a um dipolo, deverá obtê-lo. Parece bastante simétrico, certo?
Bem, sim, o dipolo é simétrico, mas o cabo coaxial não é. Normalmente, o escudo está preso ao solo em algum lugar. Mesmo que não seja, a geometria do a blindagem e o condutor central não são idênticos, então a blindagem terá uma impedância diferente em relação ao dipolo do que o condutor central.
Independentemente do coaxial, o dipolo pode não ser realmente simétrico de qualquer maneira. Considere não apenas a antena, mas tudo em seu campo próximo. Está perfeitamente nivelado com o solo? Uma extremidade está mais perto de uma calha de metal?
O resultado de todas essas assimetrias é que cada lado do dipolo apresenta impedâncias diferentes para o ponto de alimentação. Idealmente, a antena aceitaria toda a potência enviada a ela pelo transmissor. As correntes iguais e opostas colocadas no cabo coaxial pelo transmissor descem cada uma das pernas opostas do dipolo onde a energia EM é irradiada. Mas quando o dipolo não está equilibrado, as correntes aceitas por cada perna do dipolo não podem ser iguais. Mas, toda a corrente deve ir para algum lugar, então a diferença de corrente entre as pernas do dipolo é refletida de volta para o cabo coaxial, de volta a o transmissor. (Observe que isso é diferente da reflexão de incompatibilidades de impedância que causam alta SWR.) No entanto, essa corrente não tem uma corrente igual e oposta no condutor central, então ela irradia do cabo coaxial, como uma antena.
Se você opera um dipolo alimentado por cabo coaxial sem balun, isso está acontecendo com você, embora você possa não notar. A blindagem coaxial irradia muito bem, e se o seu sinal ainda encontra seu caminho para a outra estação e você não causa queimaduras de RF, então não há problema. Um bom aterramento de RF na entrada da linha de alimentação para o shack pode reduzir a reentrada de RF. Mesmo sem qualquer atenção especial ao aterramento, a 100W, o RF no shack provavelmente não fará mais do que fazer alguns alto-falantes zumbirem, o que pode ser considerado “normal”.
Ao adicionar um balun, você está evitando esse problema. Ao isolar a linha de alimentação, você não obterá RF na cabana e seu dipolo se comportará como um dipolo descrito nos livros didáticos. O ajuste e o desempenho de sua antena não serão alterados por outros objetos próximos ao coaxial, porque o coaxial não faça parte da antena. Se seu dipolo estiver em uma boa localização para uma antena e seu coaxial não estiver, então você terá uma antena melhor.
Comentários
- Concentrar-se em coaxial e ” linha de transmissão ” desequilibrada confunde as coisas. O verdadeiro problema são as correntes de modo comum.Eles podem ser transportados facilmente em linha de transmissão ” balanceada “. Se você olhar para a fiação dos baluns toroidais, verá que eles são dispositivos balanceados, do começo ao fim. A vantagem é sufocar as correntes de modo comum.
- @ WalterUnderwoodK6WRU É ‘ muito simples fazer um dipolo que ‘ s equilibrado o suficiente com chumbo duplo e sem balun. Requer alguns cuidados, com certeza. Não é ‘ possível fazer um dipolo que ‘ seja balanceado remotamente com um feed coaxial e que ‘ é a situação sobre a qual a pergunta foi feita e isso ‘ é o que a maioria das pessoas realmente faz. Se você quiser fazer outra pergunta sobre correntes de modo comum, fique à vontade, mas esta resposta já ultrapassou uma página. Não pode ‘ explicar tudo .
Resposta
Um dipolo é uma máquina particular para criar campos EM. A ideia é configurar uma tensão entre as duas metades do dipolo de tal forma que um campo EM seja criado e irradiado de forma eficiente.
Lembre-se, voltagem é a diferença entre duas coisas. Quando consideramos apenas um dipolo, sem linha de alimentação ou qualquer outra coisa ao seu redor, é muito simples ver que o dipolo é simétrico. As correntes em uma perna criam tensões contra a outra perna, porque não há mais nada.
Se alimentarmos o dipolo com chumbo duplo , ainda será fácil ver como o dipolo pode ser simétrico. Cada perna agora está funcionando contra a linha de alimentação, mas como os dois terminais da linha de alimentação estão muito próximos um do outro, eles são afetados igualmente por tudo o que a antena está fazendo, e não há efeito líquido. Claro, todo o resto (a Terra, árvores, calhas, torres , etc) ao redor da antena também precisaria ser simétrico, e isso não é realista.
Se alimentarmos o dipolo com coaxial , o A situação é muito diferente. A blindagem intercepta quaisquer campos EM, escondendo efetivamente o condutor central de quaisquer campos externos. Você não tem mais um arranjo simétrico: uma perna do dipolo está conectada para o escudo, então realmente, é uma forma de L. Na verdade, a blindagem faz parte da antena tanto quanto o dipolo que pretende alimentar.
de um excelente artigo em antena-theory.com
Agora, considere o que acontece com as correntes que viajam pelo cabo coaxial. O sinal do transmissor consiste em $ I_A $ e um igual e oposto $ I_B $. $ I_A $ deve fluir por uma perna do dipolo, porque não tem outro lugar para ir. No entanto, no feedpoint, $ I_B $ tem duas opções: pode fluir para baixo pela perna conectada do dipolo, ou pode refletir de volta para o escudo coaxial.
Assim, $ I_B $ se dividirá, com alguns dos ele ($ I_C $) retornando no coaxial, e a diferença ($ I_B-I_C $) indo para baixo no dipolo, conforme pretendido. O grau de divisão será determinado pelas impedâncias relativas dessas duas opções.
Isso não é sempre um problema, porque a blindagem coaxial é uma antena tão boa quanto o dipolo. Isso distorce horrivelmente o padrão de radiação, mas como um dipolo não era uma antena direcional para começar, isso dificilmente importa. Isso pode significar que você recebe muito RF no shack, mas se você estiver transmitindo com 100W, é improvável que cause qualquer problemas sérios.
Existem, no entanto, alguns problemas mais sutis: se você está transmitindo RF no shack, também está recebendo RF do shack ( reciprocidade ). Você pode conseguir manter sua antena longe das linhas de alta tensão, trocando as fontes de alimentação, computadores e outras fontes de ruído na cabana, mas se a sua linha de alimentação for na verdade parte da antena, você está recebendo todos este ruído de qualquer maneira.
Ao empregar um balun, você está de alguma forma forçando as correntes em cada perna do dipolo a serem iguais, de modo que nenhuma corrente retorne no coaxial, de modo que o coaxial não irradie e aja como parte da antena. Existem muitos designs, mas um dos mais comuns e eficazes é um c simples modo ommon choke , também conhecido como balun de corrente 1: 1. Este dispositivo inteligente tem o efeito de inserir uma grande impedância entre o ponto de alimentação e o exterior da blindagem ($ I_B $ e $ I_C $ na imagem acima), tornando relativamente mais atraente para a corrente descer o dipolo:
de Wikipedia
Observe que a incompatibilidade de 50Ω coaxial para uma antena de 75Ω não é relevante para nada disso.Se sua linha de alimentação e antena forem incompatíveis, você obterá alguns reflexos de energia, mas essas reflexões estariam dentro da linha de alimentação, e não faria com que a linha de alimentação se tornasse parte da antena. Existem projetos balun que também realizam transformação de impedância, mas esta não é a função indicada por balun . Em uma nota prática, 75Ω é uma combinação boa o suficiente para 50Ω, e as perdas típicas da linha de alimentação em HF são baixas o suficiente, que na minha opinião a maioria das tentativas de casamento de impedância nesta situação são desnecessárias e provavelmente desperdiçam mais energia por meio de ineficiências do que ganham na obtenção uma combinação melhor.
Comentários
- Isso é enganoso, porque assume um dipolo ideal e porque sugere que as forças de linha de transmissão equilibradas se equilibram em uma antena . A última é simplesmente errada e a primeira é falsa para quase todas as antenas reais. Uma antena é equilibrada quando as impedâncias dos dois elementos são iguais. Período. Os arredores de uma antena quase sempre os tornam desiguais e, portanto, tornam a antena desequilibrada. Você poderia aparar os elementos para torná-los mais iguais, mas então choveria ou um pássaro pousaria em uma extremidade. É por isso que usamos baluns.
- @ WalterUnderwoodK6WRU Você não está ‘ errado … o que eu quis dizer é que com um alimentador balanceado ele ‘ É pelo menos possível em teoria fazer um dipolo balanceado, enquanto com um alimentador coaxial você tem a garantia de ter um equilíbrio muito pobre. Você pode me dizer o que especificamente na resposta poderia ser melhorado?
- O artigo em antena-theory.com parece estar correto, mas é muito confuso. Isso, e esta resposta, implicam que o cabo coaxial é ” desequilibrado “. Esse termo faz sentido em áudio, mas não em RF. Coaxial está equilibrado. Mas … é um sistema de três condutores. Existem correntes equilibradas na parte externa do condutor interno e na parte interna do condutor externo. A física garante isso. As correntes de modo comum fluem na parte externa do condutor externo. Os baluns reduzem as correntes de modo comum de antenas desequilibradas, mas outras fontes podem induzir correntes na parte externa do escudo.
- @ WalterUnderwoodK6WRU Acho que você está combinando um linha desequilibrada , o que significa impedâncias desiguais para a terra, com correntes desequilibradas, o que significa correntes de modo comum.
- Você diz que Ia deve ir para o dipolo, enquanto alguns de Ib pode refletir de volta ao invés. Por que ‘ Ia também pode refletir?
Resposta
Outra resposta menciona o artigo de K9YC, Jim Brown. Esta é a melhor referência sobre baluns no rádio amador. Veja: http://audiosystemsgroup.com/RFI-Ham.pdf
O Capítulo 6 é sobre baluns e antenas. Ele diz: “A função principal da maioria dos baluns, pelo menos em nossas estações de radioamadorismo, é minimizar a interação de nossas antenas com as linhas de transmissão que as conectam aos nossos rádios.”
As interações que estamos minimizando são dois, “RF na cabana” e ruído de modo comum.
Antenas reais são desequilibradas por seus arredores: árvores, edifícios, condutividade do solo e assim por diante. Isso causa impedâncias desiguais apresentadas aos dois terminais da linha de transmissão e problemas com RF indo para outros lugares. Qualquer desequilíbrio se transforma em uma tensão de modo comum em ambos os condutores da linha de transmissão. Isso pode irradiar e causar problemas com a transmissão de RF em seus rádios e em outros dispositivos eletrônicos em sua casa e seus vizinhos “.
Sinais de modo comum também podem ser recebidos. Quase todas as fontes de ruído próximas serão captadas igualmente pelos dois elementos (e a linha de transmissão) e aparecem no rádio somados com o sinal desejado.
Um balun atual (o único tipo que você deseja) apresentará uma alta impedância para sinais de modo comum e uma baixa impedância para sinais diferenciais. Se os dois são 5000Ω e 50Ω, isso é uma atenuação de 100X dos sinais de modo comum.
Eu tenho um dipolo em cerca de 30 “, amarrado entre duas árvores e mais nossa casa. A casa tem uma viga de aço fora do centro sob o dipolo. Isso é obviamente desequilibrado, embora os elementos (separados para 40m e 20m) tenham o mesmo comprimento. Adicionar um balun reduziu o ruído recebido em cerca de 6dB.
Desvantagens de um balun? Custo e atenuação. Meu balun (da Balun Designs) custou US $ 55, um acréscimo significativo ao custo de uma antena de fio. Um balun toroidal bem projetado terá uma perda de inserção de 0,1db (consulte http://www.balundesigns.com/servlet/the-58/QRP-1-cln-1-baluns-balun/Detail ). Um balun feito de coaxial espiral pode ter atenuação significativa devido à quantidade de coaxial.
Eu recomendo fortemente a leitura do capítulo 6 do artigo de K9YC.
Resposta
Um chamado “balun de corrente” consiste em um monte de núcleos de ferrite com a linha de alimentação coaxial passando por seus centros. Isso reduz muito o fluxo de corrente de RF na parte externa da blindagem , que, por sua vez, reduz as perdas de RF.Não afeta a incompatibilidade de impedância, mas isso é menor.
Comentários
- Você pode construir um balun / choke atual com muitos núcleos de ferrite no cabo coaxial (como você descreve), ou com uma bobina de cabo coaxial, ou com um transformador toroidal.
- @ WalterUnderwoodK6WRU – sim, obrigado. O que fiz usa núcleos de ferrite.
Resposta
Phil fez um bom trabalho explicando o que está acontecendo com as correntes em ação.
Quanto ao motivo pelo qual você precisa se preocupar, bem, como você observou na pergunta, a impedância do feedpoint é 75Ω e você está alimentando-o com cabo coaxial de 50Ω. Se as correntes não estiverem perfeitamente balanceadas, parte dessa RF verá essa linha de alimentação como um caminho de impedância inferior e a usará.
Ainda funcionará? Sim, sem problemas. A radiação da linha de alimentação afetará o padrão da antena, mas vamos ser honestos, um dipolo não direcional de qualquer maneira, então você quase certamente não notará.
A volta de RF pode ou não importar . Depende do nível de potência que você está usando e da frequência. Se você estiver executando QRP em 80m, não há problema. Se você está girando em 1500w, em quase qualquer frequência, agora você tem um problema.
A solução é adicionar impedância na parte externa do coaxial suficiente para convencer o RF a ficar na antena. Como a impedância depende de quem você pergunta? Tenho visto referências afirmarem que apenas 500Ω é suficiente (ARRL Handbook), outras dizem 1000Ω (W1HIS) e li um artigo longo e convincente que afirma que a meta deve ser 5000Ω (K9YC).
Observe que a impedância apresentada pelos núcleos de ferrite varia com a frequência (e temperatura). as duas variáveis principais na seleção da ferrita são o fator de forma e “mix” (do que são feitas). Você precisa selecionar aqueles direcionados à sua faixa de operação (normalmente, mix 43 ou 31) e grandes o suficiente para lidar com a potência sem aquecer muito. Toda ferrita tem uma temperatura mágica uma vez ultrapassada, a impedância cai para nada, mas a resistência sobe resultando em uma fuga térmica que derrete seu cabo coaxial.
Comentários
- Eu acho isso realmente errado. Uma diferença de impedância fará com que a potência seja refletida na diferença (neste caso, o ponto de alimentação), mas isso não está relacionado às correntes de modo comum. Uma antena perfeitamente balanceada e incompatível ainda terá potência refletida, e uma antena perfeitamente combinada pode ter corrente de modo comum.
Resposta
Todas ótimas respostas, a maioria dos rfi é causada por antenas gravemente incompatíveis sujeitas a alta potência. Eu concordo que um balun 1 para 1 ajudará em certas instalações dipolo perto do solo ou quando a linha de alimentação coaxial estiver configurada em um layout não simétrico ao sair da antena. Um balun de 1 a 1 não afeta a correspondência, 75 a 50 ohms ou qualquer outra coisa, não para o que foi projetado.
Eu não uso um balun em nenhum dos meus vários feixes de arame e consideraria seriamente o o peso central adicionado por um balun e o custo vs a maioria dos problemas não em dipolos simples em 1 / 4wl e superior irá mostrar que a adição de um balun atual não é necessária.
Resposta
Para recepção SWL, nunca usei um balun. Na verdade, ele poderia reduzir a RF indesejada, mas até mesmo acionamentos aleatórios do coaxial podem produzir resultados positivos suficientes no uso somente de recepção. Para transmitir, é obviamente um cenário completamente diferente, e eu sempre uso baluns 1: 1 em dipolos de meia onda e Yagis.
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