Incerc in cele ce urmeaza sa adun la un loc o serie de informatii despre cum alegem un balun pentru o anume antena. Nu am pretentia ca epuizez domeniul, ci doar ca exista un punct de plecare. Materialul este o sinteza a rezultatelor experimentelor. Atat ale mele cat si ale altora, impartasite prin diferite pagini web.

Balun reprezinta acronimul pentru BALanced to UNbalanced, ce defineste un circuit cu un anumit comportament la introducerea sa intr-o linie de transmisie. La modul general, majoritatea circuitelor de radiofrecventa presupun medii de transfer si sarcini prin si spre care energia de radiofrecventa se transmite prin doua fire. In aceasta categorie sunt incluse liniile coaxiale si simetrice, sarcinile (rezistive sau cu reactanta capacitiva ori inductiva precum si antenele de orice fel, inclusiv cele care functioneaza avand ca referinta solul.

Nu orice balun se potriveste la o anumita antena. Reciproc, este bine sa avem in vedere balun-ul atunci cand ne proiectam sistemul de antene.

 Necesitatea acestor dispozitive a aparut din doua ratiuni principale:

Adaptarea de impendata caracteristica a antenei este necesara pentru a realiza transferul maxim de energie dintre TRX si antena, exprimat ca randament de transmisie. Evident, energia care nu este transferata catre antena reprezinta o pierdere, fiind evidenta necesitatea reducerii ei. Antenele, in special cele mai scurte decat frecventa de emisie, tind sa prezinte impedante crescute; adaptarea se poate face prin doua metode: circuit acordat sau transformator de banda larga. In trecut, metoda cea mai comoda si ieftina era utilizarea unui circuit acordat. In prezent, ca urmare a noilor materiale feromagnetice, a devenit mai ieftina adaptarea cu transformatoare de banda larga, impropriu incluse in categoria balun-urilor.

Balun-urile sunt de doua tipuri: de curent si de tensiune.

S-a scris mult despre aceste dispozitive, cantitatea uriasa de informatie existenta fiind de natura sa aduca confuzia in randul radioamatorilor mai putin familiarizati cu aspectele pur teoretice. incerc, in cele ce urmeaza, sa fac o legatura intre antena pe care urmeaza sa o utilizam si tipul potrivit de balun. Deseori am intalnit o serie de preconceptii despre balun-uri. De multe ori ele sunt privite ca un "panaceu" pentru cresterea randamentului unui sistem TRX-linie de transmisie-antena. Deseori insa, se intampla ca radioamatorul sa nu aleaga corect tipul potrivit de balun, ajungand la concluzia gresita ca antena sau linia de transmisie nu sunt bune.

In cele ce urmeaza, trebuie sa retineti ca orice referire la tensiune sau curent are in vedere referinta ideala a solului.

Balun-urile de curent.

Balun-uri de tensiune

Balun-urile de tensiune au drept scop mentinerea constanta a tensiunii (egalizarea fortata) la iesirea lor. Drept consecinta, curentii pot si vor prezenta variatii majore. Desi se pretinde de catre producatori, un balun de tensiune nu va reusi niciodata sa inlature complet fenomenul radiatiei parazitice pe linia de transmisie coaxiala datorita faptului ca este greu de realizat o sarcina (antena) perfect simetrica!

Recomandare:

Este de preferat utilizarea balun-urilor de curent, mai ales in cazul liniilor coaxiale; acest tip de balun asigura echilibrarea corecta a semnalelor de RF pe linia de transmisie (chiar si pe liniile simetrice) si au pierderi mai mici decat balun-urile de tensiune.

Haideti sa vedem ce se intampla in diferitele tipuri de sisteme radiante (antene) folosite de radioamatori

Sisteme ce includ un ATU (Antenna TUner)

Sistemele de antene ce folosesc ATU pot prezenta valori mari ale curentilor si tensiunilor pe liniile de transmisie, chiar si la puteri mici.

In cele mai multe dintre cazuri, am observat ca ATU este conectat la antena prin intermediul unui cablu coaxial. Introducerea unui ATU in acest mod, determina o serie de dezadaptari de impedante ce au ca efect aparitia unor tensiuni si curenti destul de mari precum si, un efect mai important, producerea de pierderi, chiar si in cazul in care intrarea de la ATU este perefect acordata pe 50 Ohm.

In alte cazuri, mai rare, linia de transmisie dintre ATU si antena este o linie simetrica (balansata) iar ATU este succedat de un balun. Cele mai multe astfel de balun-uri sunt cu raport 1:4.

In alte cazuri, si mai rare, sunt folosite ATU simetrice, care opereaza asupra ambelor conductoare ale liniei simetrice. Cu toate ca sunt mult mai potrivite pentru puteri mari decat circuitele "T", simetrizarea acestui tip de ATU este dificila.

Iata cateva probleme ridicate de sistemele multiband cu ATU:

In considerarea celor de mai sus, un balun de tensiune (inclusiv cele 1:4) este o alegere gresita pentru utilizarea intr-un sistem multiband cu ATU. Majoritatea ATU au aceste balun-uri pentru ca este o solutie ieftina de crestere a gamei de acord a ATU precum si datorita unor preconceptii, cred eu, gresite.

Antene dipol rezonant

Un dipol este rezonant atunci cand dimensiunile sale sunt calculate pentru o anumita frecventa (sau banda) si este utilizat in respectiva banda sau intr-o alta banda unde frecventa este armonica impara si unde SWR este in mod "natural" scazut. Formula de calcul (in metri) pentru fiecare din bratele dipolului este 300/F/4. Lungimea efectiva va fi usor diferita de cea rezultata prin aplicarea formulei, in functie de conditiile concrete (inaltime, tipul solului, vegetatie etc) dar nu semnificativ.

Recomandare:

Pentru acest tip de antene se foloseste un balun de curent, 1:1. Puteti folosi la alimentarea acestor tipuri de antene cablul coaxial, introducand balun-ul imediat la bornele dipolului. In acest fel, cele doua brate ale dipolului vor fi alimentate cu aceeasi valoare a curentului, balun-ul de curent blocand circulatia curentului pe exteriorul tresei coaxialului.

Dipolul multiband (Antena Doublet)

Dipolul multiband este, in esenta, un dipol calculat cu aceeasi formula ca mai sus, pentru cea mai joasa frecventa din cele pe care urmeaza sa le folosim, dar alimentarea sa cu RF se realizeaza prin linie simetrica (scarita) cu izolatie aer, care pleaca perpendicular pe bratele dipolului pe o anumita lungime.

Potrivit teoriei, cu cat micsoram impedanta liniei de alimentare (simetrica!), cu atat variatia de impedanta in lucrul multiband se diminueaza. Liniile simetrice de 600 Ohm vor avea o excursie a impedantei functie de frecventa mai mare decat o linie de 300 Ohm.

De ce nu am folosi un cablu coaxial de 50 de Ohm pentru alimentarea acestui tip de antena? Simplu, pentru ca pierderile in cablu ar fi extrem de mari! La un SWR de 10:1, la fiecare 30m de cablu coaxial pierdem peste 50% din puterea livrata spre antena in timp ce pe o linie simetrica, pierderea este de maxim 10% la acelasi SWR.

Recomandare:

Pentru acest tip de antena, este recomandat un balun de curent, 1:1.In literatura de specialitate se recomanda utilizarea unui balun de tensiune cu raport 1:4. Totusi, impedanta antenei variaza in limite destul de largi si, atunci cand antena rezoneaza, impedanta la borna asimetrica a transformatorului va fi de 50Ohm/4, adica in jur de 12 Ohm. ATU va fi fortat sa opereze la impedanta mica, generand pierderi inutile. Din acest motiv, un Balun de 1:1 este mai potrivit, ATU avand un comportament mai bun la impedante mari.

Pentru acest tip de antena, nu este recomandat un balun realizat in aer ori un balun dedicat pentru antenele dipol rezonant. Caracteristica esentiala a unui balun pentru acest tip de antena este capacitatea de a suporta curenti mari ca soc de RF (returul pe tresa).

Antenele tip  Windom (derivate din Long Wire)

Antenele de tip Long Wire (LW) sunt antene simple ce constau, dupa cum sugereaza si denumirea, intr-un fir cat se poate de lung. Alimentarea cu RF este la unul din capete, formand un sistem rezonant impreuna cu solul. Drept urmare, sunt antene asimetrice (nebalansate). Antenele de tip Windom, sunt, in esenta, antene de tip Long Wire (LW), diferenta fiind data de situarea punctului de alimentare intre cele doua capete.Vom aborda si antenele LW, dar mai incolo.

Recomandare:

Antenele Windom sunt antene asimetrice, cu un singur element radiant. Cel mai potrivit balun pentru ele este balun-ul de curent 1:1, cu conditia realizarii unei prize de pamant in imediata apropiere a locului de conectare a firului de alimentare a antenei. Aceasta impamantare va servi strict pentru conectarea iesirii balun-ului si nu trebuie sa fie comuna cu impamantarea statiei! Procedand astfel, se va reduce radiatia parazita pe feeder concomitent cu TVI si BCI.

Dipolii Windom si antenele Dipol OCF (Off Center Fed)

Versiune a antenei Windom, dipolul Windom este, in esenta, un dipol cu brate de lungime diferita, alimentat printr-o linie simetrica. Sub rezerva realizarii unei simetrizari la locul de conectare a liniei de alimentare, se poate folosi si cablul coaxial, antena devenind astfel un dipol OCF (Off Center Feeded Dipole). Uneori mai este intalnita in lietartura sub denumirea de "Antena Fritzel".

Aceste antene prezinta impedanta in gama 450-600 Ohm in frecventele in care rezoneaza. In functie de locul unde este instalata, acest tip de antena poate rezona pe mai multe frecvente armonice.

Recomandare:

Desi, deseori se recomanda balun-uri cu raport de 1:6, observatiile practice au aratat ca cele mai bune rezultate se obtin cu rapoarte de 1:9 cu balun-uri de curent, sau cu balun-uri soc RF.

Antene verticale L/2

Unele antene cu alimentare la un capat, asimetrice, gereaza curenti pe linia de alimentare, chiar si atunci cand se folosesc balun-uri care au un SWR mic. In aceasta categorie se incadreaza "dipolul" vertical, indiferent daca este simetric sau asimetric, mai ales atunci cand cablul coaxial 9de regula) care alimenteaza antena coboara in paralel cu elementele antenei verticale (trecand pe langa zone de tensiune maxima). Acest fenomen se poate produce in special atunci cand antenele nu au contragreutati suficient de desfasurate sau cand cablul coaxial insusi actioneaza ca o contragreutate.

In cazul acestor antene (GAP, MFJ, Cushcraft - modelele fara contragreutati sau cu contragreutati reduse), se recomanda montarea unui balun-soc RF pe cablul coaxial, la o distanta de aproximativ 8-9m de antena.

Ca o paranteza, exista o serie de antene, in special log-periodic, cablul coaxial parcurge o aorecare distanta de-a lungul unor elemente pe care circula tensiuni mari de RF. In aceasta situatie particulara, balunul-soc de RF trebuie montat in locul unde cablul paraseste antena, inainte de a a incepe traseul paralel cu mast-ul.

Recomandare:

In cazul in care utilizati acest tip de antene, o includere a unui balun-soc de RF este imperios necesara pentru o buna functionare a sistemului radiant!

Antene verticale L/4

Antenele in sfert de unda sunt foarte intalnite printre radioamatori. Sunt antene simplu de realizat si ofera mari satisfactii. Cu toate acestea, ele sunt dependente de un sistem de contragreutati. Atunci cand contragreutatile sunt corect realizate, impedanta acestei antene este de 36 Ohm la punctul de alimentare. De cele mai multe ori insa, contragreutatile nu sunt corect realizate. Poate parea paradoxal dar, in cazul in care antena L/4 este incorect realizata, va prezenta o impedanta de 50 de Ohm, adaptarea realizandu-se perfect cu emitatorul.

In aceasta situatie, cu toate ca SWR este de 1:1, antena nu functioneaza la randamentul sau maxim, o buna parte din energia de RF se intoarce pe linia de alimentare. Acest fenomen este cu atat mai pronuntat cu cat inaltimea la care se gaseste antena este mai mare.

Recomandare:

Antenele L/4 amplasate la sol pot fi decuplate cu un UnUn (asimetric-asimetric) 1:1 sau cu un Balun soc de RF.

Antenele L/4 amplaste la inaltime fata de sol (inclusiv cu sistemul de contragreutati!) pot fi alimentate printr-un Balun soc de RF.

Antene Loop orizontale si verticale

Antenele in bucla inchisa de lungime aproximativ egala cu o lungime de unda prezinta o impedanta redusa la frecventa de rezonanta. Spre deosebire de antenele dipol, antenele Loop manifesta scaderea de impedanta atat pe armonicile impare cat si pe cele pare.

Literatura si practica arata ca antenele Loop sunt antene de banda redusa, un SWR acceptabil putandu-se obtine doar intr-o zona restransa a unei benzi.

In utilizarea antenelor Loop putem sa ne confruntam cu una din urmatoarele situatii:

1. Antena este exploatata pe frecventa fundamentala (monobanda)

Antena Loop orizontala sau verticala, la rezonanta, prezinta o impedanta teoretica in jurul valorii de 100 Ohm. Totusi, in practica, datorita efectului solului, antena Loop orizontala va avea o impedanta ceva mai crescuta, in jurul valorii de 200 Ohm.

Recomandare:

Loop orizontal:

Balun 4:1 de curent, sau Balun 4:1 urmat de un Balun soc de RF (in cazul alimentarii prin cablu coaxial). Antena loop necesita un cablu coaxial de foarte buna calitate, cu pierderi cat mai mici. In zona de rezonanta SWR va fi in jurul valorii de 1,5:1, pentru acoperirea unei benzi in intregime, fiind necesar un ATU, in special in benzile joase.

Loop vertical:

Balun de 1:2, de curent sau 1:2 de tensiune urmat de balun soc RF.

2. Antena este exploatata in apropierea conditiei de rezonanta

Aceasta situatie o intalnim cand dorim sa exploatam antena intr-o banda intreaga, nu numai pe un segment al benzii precum si atunci cand o exploatam si pe prima armonica para, nu numai pe frecventa fundamentala (ex: Loop pentru 3,6 MHz exploatatat si in 7,1 MHz). Antena Loop va prezenta pierderi moderate la frecventa fundamentala dar acestea vor creste pe frecventa armonica.

Recomandare:

Atat pentru amplasarea orizontala cat si pentru amplasarea verticala antena se poate alimenta prin linie coaxiala de foarte buna calitate, dar se recomanda utilizarea unui Balun 4:1 si, obligatoriu, un ATU. Inainte de a opera antena ar fi bine sa va asigurati ca, fara ATU dar cu Balun, SWR este mai mic de 5:1.

3. Antena este exploatata in afara frecventelor de rezonanta

Aceasta situatie survine atunci cand antena este exploatata pe frecvente in afara celor de rezonanta. Un bun exemplu ar fi operarea unei antene realizata pentru benzile "clasice" in benzile WARC.

Recomandare:

Este complet contraindicata utilizarea unei linii coaxiale in aceasta situatie; mai potrivita este o linie simetrica. Aceasta ar fi bine sa fie de impedanta minim posibila. Linia de 300 de Ohm izolata cu aer este cea mai la indemana, dar poate fi folosita si o linie simetrica artizanala realizata din doua fire izolate, rasucite intre ele. Aceasta linie va fi adusa cat mai aproape de ATU. Conectarea liniei la ATU se va face printr-un Balun 1:1 de curent.

Antenele Long-Wire

Antena Long Wire poate fi definita ca o antena orizontala, alimentata la capat in lungime de cel putin L/2 la frecventa de lucru. Impedanta unei astfel de antene variaza intre 200-450 Ohm in functie de lungimea radiantului, inaltimea fata de sol si tipul de sol pe deasupra caruia este intinsa.

Singura cale de a stabili impedanta sa este a o masura sau de a incerca modelarea ei intr-un program de modelare numerica (NEC)

Recomandare:

Pentru Long Wire este bine sa utilizam un Balun 1:4 si sa realizam o priza de impamantare exclusiv pentru antena, la locul unde este montat Balun-ul. In cazul in care nu avem posibilitatea de a realiza aceasta priza de impamantare, neaparat va fi necesar un balun soc RF plasat imediat dupa cel de tensiune.

Antene Log Periodic, Romb, V Beam si alte antene de banda larga

Exista o categorie de antene a caror impedanta se schimba foarte putin in functie de frecventa de lucru. Antena Log periodic este un bun exemplu in acest sens. In mod similar se comporta si celelalte antene din titlul de mai sus.

Interesant este ca impedanta acestor antene trebuie determinata prin utilizarea programelor de modelare (NEC) sau cea furnizata de producator (daca este o antena achizitionata ).

In general, antenele comercializate sunt insotite de un balun adecvat, furnizat de producator.

Recomandare:

In cazul in care dorim sa utilizam un alt balun, e greu de spus care ar fi mai potrivit. In general, pentru aceste antene se folosesc balun-uri de tensiune, simetrizoare.

Antenele aperiodice

Aceste antene sunt antene care nu prezinta rezonanta in nici una din benzile utilizate de radioamatori. Cel mai bun exemplu sunt antele BB7V sau BB6W, ambele avand aceeasi lungime a elementului radiant, de 6,4m. Modelarea acestor antene arata ca SWR este minim pentru o impedanta aflata in gama 400-500 Ohm.

Recomandare:

Pentru aceste antene este recomandat un UnUn cu raport de 9:1.

Scurta nota referitoare la anumiti termeni si situatii:

"Balunul soc de RF" este, de fapt, un UnUn 1:1 care asigura blocarea curentilor RF care circula pe exteriorul camasii cablului coaxial. Nu intotdeauna este realizat ca un transformator clasic. Pentru blocarea curentilor nedoriti pe tresa, in cazul in care avem antene monoband, putem folosi cu succes un segment L/4 din teava metalica, care se leaga electric la tresa cablului, in partea dinspre antena.

Un alt mod in care putem realiza acelasi efect este sa plasam o serie de toruri din material feromagnetic. Alegerea materialului este destul de diferita fata de alegerea materialului potrivit pentru constructia transformatoarelor de RF (balunuri). De exemplu, materialul F43 (ferita, amestec tip 43) serveste realizarii de transformatoare in gama 500kHz-30MHz dar poate bloca RF ca soc, doar de la 5MHz in sus.

In practica s-au obtinut rezultate pozitive si cu asa-numitul "ugly-balun", in fapt, un balun soc de RF realizat din chiar cablul coaxial cu care se alimenteaza antena. Bobina trebuie sa fie realizata in aer, cu "spirele" apropiate. Interesant este ca nu numarul de spire este cel important ci lungimea cablului cu care se realizeaza acest soc. O lungime de aproximativ 10m poate asigura blocarea semnalului parazitic de RF incepand cu banda de 160m. Este o solutie prezentata ca ieftina; cred mai degraba ca este potrivita pentru lenesi sau ca improvizatie. Un astfel de balun este greu si mai scump decat unul realizat "clasic".

ALTE INFORMATII UTILE:

a. Corelarea SWR cu pierderea in sistem si cu puterea efectiv radiata (pentru o putere de 4W la borna emitatorului; antena 0dbi)

b. Scurte consideratii despre ATU (Antenna Tuner Unit)

In general, transceiverele moderne au incorporat un Automatic ATU . Aceste tunere pot acorda, de cele mai multe ori, dezacordari ce nu depasesc un SWR de 2:1. Ca regula de aur, atunci cand intentionati sa experimentati constructii de antene, este bine sa aveti la indemana un ATU separat. Cu exceptia ATU externe, construite cu precautii speciale, ATU trebuie instalate imediat dupa TRX. Cablul de legatura dintre ele nu ar trebui sa depaseasca 3-4m.

Uneori, introducerea unui UnUn cu raport 2:1 sau 4:1 serveste la realizarea unui acord facil al unor antene improvizate.. Atunci cand AATU nu reuseste sa efectueze acordul, desi antena ar fi in gama de acord, este un posibil simptom de curenti RF pe tresa. In acest caz, este util un balun soc RF.

c. Priza de pamant

Nu, nu este vorba despre cum se realizeaza o priza de pamant ci despre cum o folosim. Ideal ar fi sa avem o oriza de pamant imediat langa antena, la care sa conectam borna dedicata a balun-ului.

In cazul in care nu dispunem de o astfel de priza, in cele mai multe cazuri este util sa introducem un soc pe "traseu".

Adrian Florescu

YO3HJV

BIBLIOGRAFIE (o parte...)

http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.jsp?url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fiel3%2F3160%2F8978%2F00396165.pdf%3Farnumber%3D396165&authDecision=-203

http://www.raes.ab.ca/AntennaTips/AntennaTips.htm

http://vk1od.net/antenna/multibandunloadedvertical/

http://www.g3tpw.co.uk/Page5OtherMulti-bandAntennas.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Antenna_tuner

http://www.g4nsj.co.uk/balance.shtml

http://www.tdars.org/library/TechTopics/tech9.html

http://www.astrosurf.com/luxorion/qsl-antenna2.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna

http://www.radioelectronicschool.net/files/downloads/ocfdipole.pdf

http://www.dxzone.com/cgi-bin/dir/jump2.cgi?ID=5979

http://www.dxzone.com/cgi-bin/dir/jump2.cgi?ID=3666

http://www.xs4all.nl/~pa0fri/Ant/FD4/fd4eng.htm

http://www.arrl.org/qex/2005/qx9roos.pdf

http://www.geocities.com/grhm.geo/index.html

http://www.bloomington.in.us/~wh2t/loop.html

http://yagi-uda.com/coaxial_balun.php

Attachments:

File	File size
ANTENELE SI BALUNuri.pdf	107 Kb