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
• Rakentelijan kannattaa muistaa, että impedanssien suhde $Z_{1}:Z_{2}$ vastaa kierrosmäärien neliöjuurten suhteita: ${\sqrt {N_{1}}}:{\sqrt {N_{2}}}$

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

...