Med hjälp av en balun med en resonansdipol
On februari 18, 2021 by adminförbereder jag mig för att konstruera en resonant, centrummatad, horisontell dipol. Jag har sett människor använda baluns vid antennens matningspunkt, och vissa svär vid dem, men jag har aldrig fått ett tillfredsställande svar på varför du skulle använda / behöva en balun. Alla resonansdipolantenner som jag har gjort tidigare verkade fungera bra när de används med 50 Ω koaxial och ingen balun. Detta bestod av att ansluta ett ben av dipolen till mittledaren och det andra benet till koaxialskyddet.
Jag vet att den normala impedansen för en centrummatad dipol vid resonans är ungefär 75 Ω, så jag kan se att det skulle finnas en impedansmatchande fördel med en balun.
Vilka fördelar (och / eller nackdelar) ger en balun i en resonant dipolantenn?
Kommentarer
- Jag vill notera att eftersom det här är en bra fråga, med bra svar, och jag vill länka till det, att detta problem är tillämpligt på nästan vilken som helst antenn, inte bara dipoler. Det inkluderar vertikaler och slingor.
Svar
Det kanoniska svaret är att balun omvandlar dipolen ( BAlanced) för att coaxa (UNbalanced). Men vad betyder det att betyder ?
För att överföringsledningar (dubbelledning eller koax) inte ska stråla måste varje ledare ha samma och motsatta strömmar. Det är dessa lika och motsatta strömmar som avbryter varandra vilket resulterar i nollfält från överföringsledningen. Om strömmarna inte är lika och motsatta, avbryter de inte, och skillnaden resulterar i ett externt elektromagnetiskt fält, och din överföringsledning strålar ut som en antenn.
Detta är i allmänhet inte önskvärt. Vid sändning kan det betyda hög RF i hyddan, bråka med högtalare, digital elektronik etc. Om den är ansluten till en riktad antenn orsakar det problem att sända och ta emot eftersom det faktiska strålningsmönstret är en kombination av den avsedda antennen och det oavsiktliga antenn bildad av matningslinjen, som antagligen inte alls är riktad. Om du har modellerat din antenn antar modellen en matningslinje som inte strålar ut.
OK bra, du behöver lika och motsatta strömmar i koaxera så att det inte strålar. Om du fäster den till en dipol, borde du få det. Det ser ganska symmetriskt ut, eller hur?
Tja ja, dipolen är symmetrisk, men koaxen är inte ”. Vanligtvis är skärmen fäst på marken någonstans. Även om den inte är, är geometrin på skärmen och mittledaren är inte identiska, så skärmen kommer att ha en annan impedans i förhållande till dipolen än mittledaren.
Oavsett koaxet kanske dipolen inte är riktigt symmetrisk ändå. Tänk inte bara på antennen utan allt i sitt närområde. Är den helt jämn mot marken? Är ena änden närmare en metallränna?
Resultatet av alla dessa asymmetrier är att varje sida av dipolen presenterar olika impedanser till matningspunkten. Helst skulle antennen acceptera all kraft som sänds till den av sändaren. De lika och motsatta strömmarna som sätts in i koaxialet av sändaren går var och en ner mot motsatta ben av dipolen där EM-energin strålas bort. Men när dipolen inte är balanserad kan de strömmar som accepteras av dipolens ben inte vara lika. Men all ström måste gå någonstans, så skillnaden i ström mellan dipolbenen reflekteras tillbaka ner i koaxet, tillbaka vid (Observera, detta skiljer sig från reflektion från impedansfel som orsakar hög SWR.) Denna ström har emellertid inte lika och motsatt ström på mittledaren, så den strålar bort från koaxet, som en antenn. / p>
Om du använder en dipol som matas med koax utan en balun, händer detta dig, men du kanske inte märker det. Koaxskölden strålar helt fint, och om din signal fortfarande hittar vägen till den andra stationen och du inte ger dig själv RF-brännskador, så är det inga problem. En bra RF-mark vid matningslinjens ingång till hyddan kan minska RF-återinträde. Även utan någon särskild uppmärksamhet vid jordning, vid 100 W, kommer RF i hyddan förmodligen inte att göra mer än att göra några högtalare surrande, vilket kan betraktas som ”normal”.
Genom att lägga till en balun undviker du problemet. Genom att isolera matningslinjen kommer du inte att få RF i hyddan, och din dipol kommer att fungera som en dipol som beskrivs i läroböcker. Din antenninställning och prestanda kommer inte att ändras av andra objekt nära koaxet, eftersom koaxen inte vann vara en del av antennen. Om din dipol är på en bra plats för en antenn och din koax inte är, kommer du att ha en bättre antenn.
Kommentarer
- Att koncentrera sig på coax och ” obalanserad ” överföringslinje förvirrar saker. Den verkliga frågan är vanliga lägesströmmar.Dessa kan bäras lika lätt på öppen tråd ” balanserad ” överföringsledning. Om du tittar på ledningarna för toroidbalanser är de balanserade enheter, hela vägen igenom. Fördelen är att kväva de vanliga lägesströmmarna.
- @ WalterUnderwoodK6WRU Det ’ är ganska enkelt att skapa en dipol som ’ s balanserad nog med tvillingledare och ingen balun. Det kräver viss vård, visst. Det ’ är inte möjligt att göra en dipol som ’ till och med fjärrbalanseras med en koaxialmatning, och att ’ är situationen som frågan ställdes om och att ’ är vad de flesta faktiskt gör. Om du vill ställa en annan fråga om vanliga lägesströmmar är du fri, men det här svaret är redan över en sida långt. Det kan ’ t förklara allt .
Svara
En dipol är en speciell maskin för att skapa EM-fält. Tanken är att ställa in en spänning mellan dipolens två halvor på ett sådant sätt att ett EM-fält skapas och effektivt strålas bort.
Kom ihåg, spänning är en skillnad mellan två saker. När vi bara betraktar en dipol, utan matningslinje eller något annat runt, är det väldigt enkelt att se att dipolen är symmetrisk. Strömmarna i ett ben skapar spänningar mot det andra benet, för det finns inget annat.
Om vi matar dipolen med twin-lead är det fortfarande lätt att se hur dipolen kan vara symmetrisk. Varje ben fungerar nu mot matningslinjen, men eftersom båda ledningarna på matningslinjen är mycket nära varandra påverkas de lika av vad antennen gör, och det finns ingen nettoeffekt. Naturligtvis, allt annat (jorden, träd, takrännor, torn) , etc) runt antennen skulle också behöva vara symmetrisk, och detta är orealistiskt.
Om vi matar dipolen med koax , situationen är väldigt annorlunda. Skärmen avlyssnar alla EM-fält och döljer effektivt mittledaren från alla yttre fält. Du har inte längre ett symmetriskt arrangemang: ett ben av dipolen är ansluten till skölden, så verkligen, det är en L-form. I själva verket är skölden lika mycket en del av antennen som dipolen den är avsedd att mata.
från en utmärkt artikel på antenna-theory.com
Så överväga nu vad händer med strömmarna som reser ner i koaxialet. Signalen från sändaren består av $ I_A $ och en lika och motsatt $ I_B $. $ I_A $ måste rinna ner i ena delen av dipolen, för den har ingen annanstans att gå. vid matningspunkten har $ I_B $ två alternativ: den kan rinna neråt dipolens bifogade ben eller reflektera tillbaka ner på koaxskölden.
Således delas $ I_B $ med några av det ($ I_C $) återgår på koaxen, och skillnaden ($ I_B-I_C $) som går ner i dipolen, som avsett. Graden av delning kommer att bestämmas av de relativa impedanserna för dessa två alternativ.
Det här är inte ofta ett problem, eftersom koaxialskärmen gör en antenn lika fin som dipolen. Det snedvrider strålningsmönstret fruktansvärt, men eftersom en dipol inte var en riktad antenn började det knappast något. Det kan betyda att du får mycket RF i hyddan, men om du sänder med 100W är det osannolikt att det orsakar någon allvarliga problem.
Det finns dock några mer subtila problem: om du överför RF i hyddan får du också RF från hyddan ( ömsesidighet ). Du kanske kan få din antenn långt ifrån kraftledningar, strömbrytare, datorer och andra ljudkällor i hyddan, men om din matningslinje faktiskt är en del av antennen får du alla detta ljud ändå.
Genom att använda en balun tvingar du på något sätt strömmarna på varje ben i dipolen att vara lika, så att ingen ström återkommer på koaxen, så att koaxet inte strålar ut och verkar som en del av antennen. Det finns många mönster, men en av de vanligaste och effektivaste är en enkel c ommon mode choke , även känd som en 1: 1 aktuell balun. Denna smarta enhet har effekten att införa en stor impedans mellan matningspunkten och utsidan av skölden ($ I_B $ och $ I_C $ i bilden ovan), vilket gör det relativt mer tilltalande för strömmen att gå ner i dipolen:
från Wikipedia
Observera att felparningen mellan 50Ω och en 75Ω-antenn inte är relevant för något av detta.Om din matningslinje och antenn inte stämmer överens får du några kraftreflektioner, men dessa reflektioner skulle vara inuti matningslinjen och inte orsaka att matningslinjen blir en del av antennen. Det finns balun-design som också utför impedansomvandling, men det här är inte funktionen som betecknas med balun . I praktiken är 75Ω en tillräckligt bra matchning till 50Ω, och typiska matningslinjeförluster vid HF tillräckligt lågt, för att enligt min mening är de flesta försök till impedansmatchning i denna situation onödiga, och troligen slösar mer energi genom ineffektivitet än de får för att få en bättre matchning.
Kommentarer
- Detta är vilseledande, eftersom det antar en ideal dipol och för att det antyder att balanserad överföringsledning tvingar balans i en antenn . Det senare är bara fel, och det första är falskt för nästan alla riktiga antenner. En antenn balanseras när impedanserna för de två elementen är lika. Period. Omgivningarna hos en antenn gör dem nästan alltid ojämna och gör därmed antennen obalanserad. Du kan trimma elementen för att göra dem mer lika, men då skulle det regna eller en fågel skulle landa i ena änden. Det är därför vi använder baluns.
- @ WalterUnderwoodK6WRU Du är inte ’ inte fel … vad jag menade att säga är att det med en balanserad matare ’ är åtminstone i teorin möjligt att göra en balanserad dipol, medan du med en koaximatare garanterat har mycket dålig balans. Kan du berätta för mig vad specifikt i svaret skulle kunna förbättras?
- Artikeln på antenna-theory.com verkar vara korrekt, men den är väldigt förvirrande. Det och detta svar antyder att coax är ” obalanserat ”. Den termen är meningsfull vid ljud, men inte vid RF. Coax är balanserad. Men … det är ett treledarsystem. Det finns balanserade strömmar på utsidan av den inre ledaren och insidan av den yttre ledaren. Fysik säkerställer detta. Common-mode-strömmar flyter på utsidan av den yttre ledaren. Baluns minskar vanligt förekommande strömmar från obalanserade antenner, men andra källor kan orsaka strömmar på utsidan av skölden.
- @ WalterUnderwoodK6WRU Jag tror att du slår samman en obalanserad linje , vilket betyder ojämna impedanser till marken, med obalanserade strömmar, vilket betyder gemensamma lägesströmmar.
- Du säger att jag måste gå in i dipolen, medan en del av Ib kan reflektera tillbaka istället. Varför kan ’ t Ia reflektera också?
Svar
Ett annat svar nämner tidningen av K9YC, Jim Brown. Detta är den bästa referensen på baluns i amatörradio. Se: http://audiosystemsgroup.com/RFI-Ham.pdf
Kapitel 6 handlar om baluns och antenner. Han säger, ”Den primära funktionen för de flesta baluner, åtminstone i våra skinkstationer, är att minimera interaktionen mellan våra antenner och överföringsledningarna som ansluter dem till våra radioapparater.”
De interaktioner vi minimerar är två, ”RF in the shack” och brus i vanligt läge.
Verkliga antenner är obalanserade av omgivningen: träd, byggnader, markledningsförmåga och så vidare. Detta orsakar ojämna impedanser som presenteras för de två terminalerna i överföringsledningen och problem med RF som går andra platser. Eventuell obalans förvandlas till en gemensam spänning på båda ledarna på överföringsledningen. Detta kan utstråla och orsaka problem med överförd RF i dina radioapparater och i andra elektroniska enheter i ditt hem och dina grannar ”.
Common-mode-signaler kan också tas emot. Nästan alla närliggande bullerkällor kommer att plockas upp lika av de två elementen (och överföringslinjen) och dyker upp på radion summerad med önskad signal.
En aktuell balun (den enda typen du vill ha) ger en hög impedans för vanliga lägessignaler och en låg impedans till differentiella signaler. Om de två är 5000Ω och 50Ω, är det en 100X dämpning av common-mode-signalerna.
Jag har en dipol på cirka 30 ”, sträckt mellan två träd och över vårt hus. Huset har en stålbalk strax utanför mitten under dipolen. Detta är uppenbarligen obalanserat, även om elementen (separata för 40m och 20m) är lika långa. Att lägga till en balun tappade det mottagna bruset med cirka 6 dB.
Nackdelarna med en balun? Kostnad och dämpning. Min balun (från Balun Designs) kostar $ 55, ett betydande tillskott till kostnaden för en trådantenn. En väldesignad toroidbalun har en förlustförlust på 0,1 db (se http://www.balundesigns.com/servlet/the-58/QRP-1-cln-1-baluns-balun/Detail ). En balun tillverkad av coiled coax kan ha betydande dämpning på grund av mängden coax.
Jag rekommenderar starkt att du läser kapitel 6 i K9YCs papper.
Svar
En så kallad ”current balun” består av en massa ferritkärnor med koaxialmatningslinjen som löper genom deras centrum. Detta minskar kraftigt RF-strömflödet på utsidan av skärmen , vilket i sin tur minskar RF-förluster.Det påverkar inte impedansmatchningen, men det är mindre.
Kommentarer
- Du kan bygga en aktuell balun / choke med mycket ferritkärnor på koaxen (som du beskriver), eller med en coax coax eller med en toroidformad transformator.
- @ WalterUnderwoodK6WRU – ja tack. Den jag gjorde använder ferritkärnor.
Svar
Phil gjorde ett bra jobb med att förklara vad som går med strömmarna på jobbet.
När det gäller varför du behöver bry dig, snurra, som du noterar i frågan, matningspunktimpedensen är 75Ω och du matar den med 50Ω koax. Om strömmen inte är perfekt balanserad kommer en del av den RF att se den matningslinjen som en lägre impedensväg och använda den.
Kommer det fortfarande att fungera? Japp, inget problem. Matningslinjestrålning kommer att påverka antennens mönster, men låt oss vara ärliga här, en dipol som inte är riktad ändå, så du kommer nästan säkert inte att märka det.
RF som kommer tillbaka kanske eller inte spelar någon roll . Det beror på effektnivån du använder och frekvensen. Om du kör QRP på 80 m, inget problem. Om du vrider 1500w, nästan vilken frekvens som helst, har du nu ett problem.
Lösningen är att lägga impedens på utsidan av koaxen som är tillräcklig för att övertyga RF att stanna kvar i antennen. Hur impedens beror på vem du frågar? Jag har sett att referenser anger så lite som 500Ω för att vara tillräckliga (ARRL Handbook), andra säger 1000Ω (W1HIS) och har läst ett långt och övertygande papper som säger att målet ska vara 5000Ω (K9YC).
Observera att impedensen som presenteras av ferritkärnor varierar med frekvens (och temperatur). de två huvudvariablerna vid val av ferrit är formfaktor och ”mix” (vad de är gjorda av). Du måste välja de som är riktade till ditt arbetsområde (vanligtvis mix 43 eller 31) och tillräckligt stora för att hantera strömmen utan att värma upp för mycket. All ferrit har en magisk temperatur när den väl har passerat, impedensen sjunker till inget annat än motståndet går UPP vilket resulterar i en termisk utflykt som smälter ditt koax.
Kommentarer
- Jag tycker att det här är riktigt fel. En impedansmatchning kommer att få strömmen att reflekteras vid mismatchen (i detta fall matningspunkten), men detta är inte relaterat till vanliga lägesströmmar. En perfekt balanserad antenn som inte stämmer överens kommer fortfarande att ha reflekterad effekt och en perfekt matchad antenn kan ha gemensamt ström.
Svar
Alla fantastiska svar. De flesta rfi orsakas av allvarligt felaktiga antenner som utsätts för hög effekt. Jag håller med om att en 1 till 1 balun hjälper till i vissa dipolinstallationer nära marken eller när koaxialmatningslinjen är konfigurerad i en icke-symetrisk layout när man lämnar antennen. En 1 till 1 balun påverkar inte matchningen, 75 till 50 ohm eller vad som helst, inte vad den är avsedd för.
Jag använder inte en balun på någon av mina olika trådbalkar och skulle allvarligt överväga centrumvikt som läggs till av en balun och kostnaden mot de flesta icke-problem på enkla dipoler vid 1 / 4wl och högre kommer att visa att det inte behövs någon ytterligare balun.
Svar
För SWL-mottagning har jag aldrig använt en balun. Det kan faktiskt minska oönskad RF, men även slumpmässiga svängningar av koax kan ge tillräckligt positiva resultat för användning endast mottagande. För sändning är det uppenbarligen ett helt annat scenario, och jag använder alltid 1: 1 baluns på halvvågsdipoler och Yagis.
Lämna ett svar