RUQRZ hamradio
TOP недели
Популярные статьи


Выбираем антенный балун (Balun)


В антенной технике широко применяют элементы, которые в радиолюбительской среде принято называть «балун» (BALUN — от английского «balanced-to-unbalanced transformer»). Они позволяют запитывать антенны с балансным (симметричным) входом коаксиальной линией. Известны два типа таких элементов, которые часто называют «BALUN по напряжению» (voltage BALUN) и «токовый BALUN» (current BALUN).

Распространено мнение, что использование балунов позволяет исключить токи по внешней оплётке коаксиального кабеля. Появление этих токов порождает так называемый «антенно-фидерный эффект». В статье BALUN по напряжению против токового BALUN — победитель только один» (Ian White. Voltage baluns versus current baluns — there’s only one winner. — RadCom, 2009, December, p. 41, 42) есть интересный сравнительный анализ этих двух типов элементов.

Дипольная антенна с симметричным входом и симметричным питанием

На рис. 1 приведена идеальная картинка того, как выглядит дипольная антенна с симметричным входом и симметричным питанием. Цветные линии условно показывают распределение электрического поля вблизи такой антенны. Обратите внимание, фидерная линия идёт вниз строго перпендикулярно полотну антенны, но и в этом случае она попадает в зону действия поля
антенны.

Иными словами, требования симметрии распространяются не только на саму антенну, но и окружающие её предметы. Более реальную ситуацию иллюстрирует рис. 2, где поле идеальной антенны искажено влиянием строений, мачт и иных металлических предметов, а также несимметричным расположением фидерной линии. Заметим, что наклонное полотно антенны (sloper) также искажает идеальную картину распределения поля, поскольку разные его участки находятся на разном удалении от земли.

Асимметрия поля приводит к появлению напряжений и токов в проводниках, окружающих антенну. Она приводит к искажению её диаграммы направленности, что радиолюбитель вряд ли заметит, но результирующая асимметрия в точке питания антенны обуславливает появление в фидерной линии синфазных ВЧ токов. А это порождает множество проблем, которые радиолюбитель уже заметит. Таких, например, как искажение сигнала из-за подвозбуждения передатчика, помехи бытовой радиоэлектронной аппаратуры при передаче и высокий уровень импульсных помех при приёме. В большей или меньшей степени эти проблемы имеют решение. И это решение лежит в подавлении синфазных ВЧ токов в фидерной линии.

Если такие токи присутствуют, фидерная линия начинает излучать при передаче (т.е. становится частью антенны). Так, эти токи проникают в помещение радиостанции, наводятся на всех металлических проводниках, начиная от сетевой проводки, телефонных линий и тому подобное. Более того, все домашние проводки сегодня в значительной степени «заражены» импульсными помехами и соответствующие им токи «в обратном направлении» проникают уже на вход приёмника Синфазные токи в фидерной линии в основном возникают в точке, где фидерная линия соединяется с антенной. И в значительной степени их может устранить «токовый BALUN«.

Точка питания антенны коаксиальной фидерной линией

На рис. 3 показан узел в точке питания антенны по коаксиальной фидерной линии. Высокочастотные токи в самой линии хорошо экранируются из-за скин-эффекта — проблемы возникают на её конце. Токи I1 (по центральному проводнику) и I2 (по внутренней поверхности оплётки) — обычные токи в коаксиальной линии. Они равны по величине и противоположны по направлению, т. е. I1=-I2. Токи 14 и 15 — токи соответственно в левой и правой половинах диполя, причём I4=I1, поскольку это токи в одном проводнике. Точка X — точка соединения внутренней и внешней сторон оплётки коаксиального кабеля с правой половиной диполя. В этой точке I5=I2-I3, где I3 — ток по внешней стороне оплётки коаксиального кабеля. Из этого следует, что токи 14 и 15 не равны и различаются как раз на величину тока 13. Другими словами, если по какой-то причине токи в половинах диполя не равны (это может быть по разным причинам), ток, составляющий их разницу, потечёт по внешней стороне оплётки, т. е. проблемы всегда начинаются в том месте, где фидер подключается к антенне.

В идеальном случае симметрии ток I3 отсутствует, но только в этом случае При малейших следах асимметрии появляется синфазный ток по оплетке кабеля. Более того, подробный анализ показывает, что он практически всегда возникает, даже если и используется «BALUN по напряжению«.

Вариантов исполнения BALUN такого типа существует несколько. Один из них с коэффициентом трансформации по сопротивлению 1:1 приведен на рис. 4.

Балун с коэффициентом трансформации по сопротивлению 1:1

Трансформатор содержит три одинаковые обмотки. При подаче на его вход напряжения U на обмотках II и III, к которым подключены нагрузки (половинки диполя), возникает напряжение U/2 — получается симметричный относительно общего провода («земли») выход. Всё хорошо, но только до того момента, пока сопротивления этих нагрузок равны.
Если антенна не идеально симметричная, нагрузки у обмоток II и III трансформатора будут разные. А этот вариант BALUN по физике своей работы будет стремиться уровнять на них напряжения. Это, в свою очередь, неизбежно приведёт к разным токам в нагрузке (т. е. разным 14 и 15 на рис. 3) и, следовательно, к появлению тока в «земляном» проводнике (внешней стороны оплётки коаксиального кабеля). Иными словами, такой BALUN при несимметричной нагрузке будет стимулировать появление синфазного тока, вместо того чтобы его подавлять. Это, конечно, несколько упрощенное представление, но и строгий анализ в этом случае даёт подобный результат.

Передача высокочастотной энергии через устройство со связью через магнитный поток накладывает свои ограничения (в частности, на выбор материала для магнитопровода). Более того, подобные устройства не любят несогласованных нагрузок. Но главное, что они могут вовсе не улучшить ситуацию с синфазными токами на оплётке кабеля. Эту задачу лучше решает «токовый BALUN». Он к тому же может улучшить и симметрию в точке питания антенны.

Один из вариантов такого BALUN показан на рис. 5.

Токовый балун

Балун представляет собой обмотку на тороидальном магнитопроводе из феррита, выполненную из коаксиального кабеля фидера. Такая обмотка не влияет на токи, протекающие внутри коаксиального кабеля, но она эффективно отсекает токи по внешней стороне его оплётки. Это, по существу, дроссель, поэтому в отечественных источниках его часто так и называют. Этот дроссель не может, конечно, устранить все проблемы, связанные с антенным эффектом фидера, но заметно уменьшает вероятность их появления.

Более того, существенно уменьшая синфазную составляющую тока по внешней стороне оплетки, он тем самым выравнивает токи в половинках антенны в точке ее питания, т. е. в какой-то мере восстанавливая симметрию антенны. Иными словами, подключённый в точке питания антенны он действительно выполняет функцию не только просто дросселя, но ещё и функцию BALUN.
Не следует забывать, что такой элемент целесообразно устанавливать и в том месте, где фидер входит на радиостанцию. Никакого симметрирования он в этом случае давать не будет — он работает чисто как дроссель. Дело в том, что прямые наводки с полотна антенны на фидер также могут приводить к появлению токов на его внешней стороне оплётки, которые, естественно, могут вызывать нежелательные эффекты.



Текущее состояние магнитных бурь

Поиск по сайту


Подписка на новости
Архив статей

Яндекс.Метрика