Balun

Yleistä

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

Tavallisesti tällaisessa yhteydessä tehdään myös impedanssimuunnoksia.

Balunityypit voidaan jakaa kahteen luokkaa sen perusteella miten ne käsittelevät yhteismuodon signaalia. Puhutaan virta- ja jännitebaluneista. Virtabaluni pakottaa signaalijohdon differentiaalivirrat yhtä suuriksi eli esim. koaksiaalikaapelin keskijohdon virta on yhtä suuri, mutta vastakkaismerkkinen, kuin vaipan sisäpuolen virta. Silloin koaksiaalikaapelin vaipan ulkopuolella ei kulje virta eli yhteismuodon virta on nolla. Virtabalunilla on suuri yhteismuodon vaimennus. Jännitebaluni pitää balansoidulla puolella differentiaalimuodon jännitteet yhtä suurina ja vastakkaisdmerkkisinä nollapisteeseen nähden. Jännitebalunilla on pieni yhteismuodon vaimennus.

Balunit ovat muuntajia tai 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.) Balunin tehonkeston määrittely on monimutkaisempaa kuin tavallisten muuntajien tehonkesto ja siihen vaikuttaa mm. se millaiset yhteismuodon impedanssit baluni näkee eri puolilla.

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.

Vaippavirtojen katkaisuun voi käyttää myös erilaisia kuristinrakenteita.

• HF:llä 10 kierrosta koaksiaalia syöttöpisteen lähellä vyyhtiin jonka läpimitta on luokkaa 15 cm. Vaikuttava kaistaleveys n. 1:2 ja tuolla rakenteella n. 10 - 20 MHz.
• UHF:llä on käytetty 1/4$\lambda \,$ pituista alumiiniputkea syöttöpisteen vieressä, "sleeve balun"

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
• Ilmasydäminen 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...

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 symmetrointisovitus toroidilla:

1:1 unbal-unbal / bal-bal — "unun" / "balbal"

Kahden samaa impedanssia olevan samanlaisen siirtolinjan (koaksiaalin/parijohdon) väliin laitettava symmetroinnin takaava komponentti. Tämä tarjoaa mm. vaippavirran katkaisun tilanteessa jossa syystä tai toisesta syöttöjohtoon on tullut huomattava epäsymmetrinen virta joka näkyy ulkoisena virtana.

Rakenteena käytettävän siirtolinjan (parijohdon) impedanssin pitää olla mahdollisimman lähellä siihen kytkeytyvien siirtolinjojen (syöttöjohtojen) impedanssia.

Guanellalle on ominaista, että samalla kytkennällä kykenee tekemään sekä UNUN, että BALBAL sovituksen.

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.

OH7SV:n "windom" baluni 4:1

http://www.saunalahti.fi/hohtola/ham/windom/windom-balun.htm

("Windom" ei tarkoita OCF-dipolia, joten viite on tuolta osin hieman virheellinen.. mutta laadittava 4:1 baluni on ihan kelvollinen.)

RF-kuristimet

Sleeve balun

Tunnetaan myös termillä "Bazooka":

Neljännesaallonpituuden mittainen johdeputki laitetaan koaksiaalikaapelin päälle ja kytketään toisesta päästään kaapelin vaippaan.

Se estää hihan avoimen pään suunnasta tulevia virtoja, mutta ei toisinpäin. Tavallisesti halutaan estää antennista lähettimeen päin (epäsovituksen takia) kulkevaa pintavirtaa. Tämä on myös melko kapeakaistainen!

Muutamia hakutuloksia termillä "sleeve balun":

• http://www.w8ji.com/Baluns/sleeve_baluns.htm
• http://www.vhfman.freeuk.com/radio/sleeve.html
• http://kg4znc.netfirms.com/kg4znc_00000b.html

RF-choke

Tekemällä syöttöjohtoon kymmenen — kaksikymmentä kierrosta noin 15-30 sentin läpimitalla on mahdollista tuottaa kylliksi induktanssia joka estää epäsymmetrisen vaippavirran etenemisen pidemmälle pitkin syöttöjohtoa.

Tämä on toimiva ratkaisu HF-dipoleissa, esim. G5RV antennilla ja on laajakaistainen.

Trap-choke

Tekemällä rinnakkaisresonanssipiirin kaapeliin, siinä esiintyvä epäbalansoitu virta voidaan pysäyttää:

Muutaman pikofaradin kokoinen kondensaattori juotetaan kiinni kaapelin vaippaan kieppien yli.

Ratkaisu on kapeakaistainen.

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
• http://www.angelfire.com/electronic2/qrp/unun.html Random wire UnUn