Balun

TODO: paljon..

Yleistä

Balun on termi, jolla viitataan siirtolinjamuuntajaan, joka sovittaa balansoidun siirtolinjan balansoimattomaan: Esimerkiksi parijohdon koaksiaaliin. (Alunperin ajateltu nimenomaan bal->un(bal) suunnassa - eikä "unbal" kuulosta kivalta..)

Tavallisesti tällaisessa yhteydessä tehdään myös impedanssimuunnoksia.

Balunit ovat muuntajien serkkuja, mutta kaikki mallit eivät edes käytä magneettikenttää, vaan ovat enemmänkin siirtolinja- tai peräti viivelinjasovituksia. Ferriitin päälle rakennetut siirtolinjabalunit kykenevät käsittelemään saman ferriitin poikkileikkauksen pinta-alalla enemmän tehoa, kuin vastaava varsinainen muuntaja. (Noin kertoimella 4 - 10.)

Monessa paikassa pärjätään ilmankin Balunia, mutta vaikka dipoli-antennin syöttöpisteen impedanssi onkin hyvin lähellä 50 Ohmia, syöttökaapelin vaippaan tulee vähemmän epäsymmetrisiä RF virtoja (ja kääntäen: se sieppaa niitä vähemmän keskijohtimeensa) jos balansoimattoman (koaksiaalin) ja itse dipolin välillä on 1:1 impedanssisuhteinen balun, eikä vain dipolin toinen haara ole koaksiaalin keskijohtimessa ja toinen vaipassa. Balun tekee siis myös "RF isolointia" eristäen syöttöjohdon ja antennin toisistaan.

Esimerkkejä

4:1 impedanssin nosto balun

Tavallisimmin tarvitaan sovitusta 50 Ω -> 200 Ω joka syntyy mukavasti tällaisella Toroidin 4:1 balunilla:

1:1 unbal-bal sovitus balun

Toinen tapaus on 1:1 impedanssisovitus toroidilla:

4:1 balun viivelinjatyyppisenä

4:1 balunin voi tehdä myös koaksiaalista kytkemällä sähköisen puolen aallonpituuden mittaisen koaksiaalikaapelin pätkä kuvan mukaisesti. Ks. Nopeuskerroin

Viivelinjarakenteet ovat aina kapeakaistaisia - vain muutama prosentti taajuudesta, mutta erinomaisia esim. Yagi-antennien syöttöelementtien sovitukseen.

Siirtolinjabalunit

Guanella

Guanella julkaisi 1944 paperin, jossa hän esitteli siirtolinjojen käyttöä kuristinrakenteissa niin, että ne vähentäisivät epätoivottuja moodeja balansoidun/balansoimattoman siirtolinjan suhteen sovittamisessa.

Näillä saa toteutettua helposti 1:n² muuntosuhteita, missä n on bifilaaristen käämiparien lukumäärä. Pienellä lisäaskartelulla muitakin.

Ruthroff

Ruthroff julkaisi 1959 merkittäviä näkökulmia ongelmakenttään. Yhdistämällä yksittäisen siirtolinjan siten, että negatiivinen tai positiivinen potentiaaligradientti vaikuttaa sen pituudella, hän kykeni tekemään 1:4 balun tai unun impedanssimuunnoksen.

Näiden teoria on varsin kompleksinen.

Huomioita siirtolinjabaluneista

• Huomattava kaistaleveys (1:10 jopa 1:50) (3-6 oktaavia!)
• Korkea hyötysuhde (häviöt alle 0.2 dB toimintakaistallaan)
• Yksinkertainen rakenne
• Ei kuitenkaan tarjoa galvaanista eristystä!

Käytetään siirtolinjamuuntajia

On suositeltavaa käyttää siirtolinjamuuntajia!

• Virta kulkee siirtolinjassa, eikä varsinaisesti tarvitse esim. ferritti-toroidia (toki se auttaa!)
• Kierretyn parin tai striplinen lisäksi kääminä voi käyttää (ohutta) koaksiaalia.
• Kun alimmallakin käyttötaajuudella käämin reaktanssi on vähintään 10 kertaa terminointien impedanssi, virta pysyy käämeissä, eikä juurikaan mene ferriittiin -> ferriitin ominaisuudet ovat vähämerkityksisiä
• Korkeataajuuksisten baluneiden core-häviöt ja ylipäätään taajuusvaste määräytyvät lähinnä käämin käytöksestä RF-kuristimena (oli ydintä tai ei)
• Rakenne on itsessään laajakaistainen ainakin koko HF, usein myös VHF samalla balunilla
  • Häviöt ovat desibelin luokkaa muutamasta kilohertsistä yli 200 MHz:lle

Käämien impedanssien hallinta

• Käytetään käämejä, joiden impedanssi on samaa luokkaa kuin matalampi terminointien impedansseista (esim. jos halutaan ulos erittäin matalaimpedanssista RF virtaa...)
• onnistuu stripline rakenteilla

Suljettu magneettipolku

• Suositellaan toroideja ferriittisauvojen, tai ilmasydänten sijasta
• Sauvan päälle tehty balun tarvitsee n. 4-6 kertaisen kierrosmäärän kuin toroidi
• Ilmasydämminen tarvitsee n. 10-15 kertaisen kierrosmäärän kuin toroidi ja on rajoittunut alataajuudeltaan

un-un, bal-un, bal-bal

• Sovitetaan siirtolinjan (parijohto vs. koaksiaali) ominaisuuksia toisiinsa.

Muuntajat

• RF-energiaa kuljetetaan käämistä toiseen nimenomaan magneettikentän kautta.
• Vaatii sydämeltä paljon enemmän, kuin siirtolinjamuuntajat
• Yleensä huonohkoa toimintaa korkeammilla taajuuksilla ferriitin häviöiden noustessa liiallisiksi
• Mahdollistaa lähes mielivaltaisia muuntosuhteita (esim: 7:11)
• Leveähkö kaista, ei kuitenkaan yllä ihan yhtä korkeille taajuuksille, kuin siirtolinjamuuntaja ferriitin häviöiden takia.
• Suurilla tehoilla sydämen magneettinen kyllästyminen vaatii isompia ferriittejä, joka puolestaan rajoittaa ylärajataajuutta

Säästömuuntajat

Yksi käämi, johon sekä syöttö että lähdöt on kytketty väliulosottoina. Ei tarjoa galvaanista erotusta.

Varsinaiset muuntajat

Erilliset käämit syötölle ja lähdölle. Galvaaninen erotus.

Viivelinjabalunit

• 1/2 lambda (ks. esimerkkiosiosta)
• muut impedanssisovitukset koaksiaalista toiseen, jne.
• kapeakaistaisia, mutta toimivat missä siirtolinjamuuntajat eivät enää toimi...

Lue lisää

• Kirja: "Transmission line Transformers, Jerry Sevick, Noble Publishing Corporation; 4th edition (June 1, 2001)"
• Kirja: "The ARRL Handbook" (vuosikirja)
• Kirja: "Building and Using Baluns and Ununs: Practical Designs for the Experimenter, Jerry Sevick"
• http://www.electronics-tutorials.com/basics/wide-band-rf-transformers.htm

...