Balun

Radioamatööriwikistä
(Ohjattu sivulta RF-kuristin)
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

Yleistä

Balun on laite, joka sovittaa antennin balansoidun siirtolinjan balansoimattomaan vahvistimeen tai koaksiaalikaapeliin 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 virtaa 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, jos lainkaan.

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 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 vastaa kierrosmäärien neliöjuurten suhteita:

Muuntajan yhteismuodon signaalin vaimennusta rajoittaa käämien välinen kapasitanssi. Toisaalta muuntaja toimii parhaiten, kun ensiö- ja toisiokäämit ovat mahdollisimman lähellä toisiaan, limittäin tai päällekkäin.

Säästömuuntajat

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

Varsinaiset muuntajat

Erilliset käämit syötölle ja lähdölle. Galvaaninen erotus.

Viivelinjabalunit

Hamwiki-coaxbalun.png


  • 1/2 lambda (ks. esimerkkiosiosta)
  • impedanssin muuntosuhde 4:1 eli antennin 200 ohmia muuntuu syöttöjohdon 50 ohmiksi
  • muut impedanssisovitukset koaksiaalista toiseen, jne.
  • kapeakaistaisia n. yksi oktaavi, mutta toimivat missä siirtolinjamuuntajat eivät enää toimi...
  • käyttötaajuudella yhteismuodon vaimennus nolla

Tuo, ehkä yllättävä, olematon yhteismuodon vaimennus käyttötaajuudella johtuu siitä, että yhteismuodolla puolenaallon lenkki on kaksi neljännesaallon avointa stubia rinnakkain eli impedanssi kaapelin keskijohdon ja vaipan välillä on hyvin pieni.

Esimerkkejä

4:1 impedanssin nosto balun

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

Hamwiki-balun 4 1.png

Baluni on jännitenbaluni eli sillä ei ole yhteismuodon vaimennusta.

1:1 unbal-bal sovitus balun

Toinen tapaus on 1:1 symmetrointisovitus toroidilla:

Hamwiki-balun 1 1.png

Tämäkin baluni on jännitebaluni ja sillä ei ole yhteismuodon vaimennusta.

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

Kahden samaa impedanssia olevan samanlaisen tai erilaisen siirtolinjan (koaksiaalin/parijohdon) tai antennin ja syöttöjohdon 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.

Guanella-unun-1to1.png

Guanellalle on ominaista, että samalla kytkennällä kykenee tekemään sekä UNUN, että BALBAL sovituksen. Rakennetta kutsutaan myös virtabaluniksi ja sillä on suuri yhteismuodon vaimennus.

4:1 balun viivelinjatyyppisenä

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

Viivelinjarakenteet ovat kapeakaistaisia - balanssitarkkuudesta riippuen parikymmentä prosenttia taajuudesta, mutta erinomaisia esim. Yagi-antennien symmetristen syöttöelementtien sovitukseen.

Hamwiki-coaxbalun.png

OH7SV:n "windom" baluni 4:1

http://www.saunalahti.fi/hohtola/ham/windom/windom-balun.htm, jossa yhteismuodon signaalin vaimennus on pieni.

http://www.saunalahti.fi/hohtola/ham/enhanced-OCF-balun/enhanced-OCF-balun.html, jossa on virtabalunilla lisätty yhteismuodon vaimennusta.

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

RF-kuristimet

Sleeve balun

Tunnetaan myös termillä "Bazooka":

Balun-bazooka-1.png

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

Se muodostaa hihan avoimen pään kohdalle suuren impedanssin ja toimii virtabalun tavoin. Tavallisesti halutaan estää antennista lähettimeen päin balansoidun antennin balansoimattomaan syöttöjohtoon kytkemää vaippavirtaa. Luonnollisesti se myös estää syöttöjohdon vaipan häiriövirtojen pääsyn antennin kautta vastaanottimeen. Tämä on myös melko kapeakaistainen! Jos johdeputken antennin puoleinen pää kytkettäisiin koaksiaalikaapelin vaippaan, niin vaippavirran katkaisu toimisi kuten edellä, mutta balansoidun antennin toimen haara kytkettäisiin johdeputkeen ja johdeputki muodostaisi osan antennin säteilevistä elementeistä. Vertaa pysty vaippadipoli.

Muutamia hakutuloksia termillä "sleeve balun":

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.

Balun-choke-1.png

Tämä on toimiva ratkaisu HF-dipoleissa, esim. G5RV antennilla, mutta on varsin kapeakaistainenn (1:2). Kapeakaistaisuus johtuu kuristimen päiden välisestä kapasitanssista, vertaa Trap-choke.

Trap-choke

Tekemällä rinnakkaisresonanssipiirin kaapeliin, siinä esiintyvä epäbalansoitu virta voidaan pysäyttää:

Balun-choke-trap-1.png

Muutaman pikofaradin kokoinen kondensaattori juotetaan kiinni kaapelin vaippaan kieppien yli.

Ratkaisu on kapeakaistainen.

Balunin impedanssin vaikutus

Yleensä halutaan balunilla olevan suuri estovaimennus yhteismuodon virroille. Se merkitsee mahdollisimman suurta impedanssia. Useimmat virtabalunit voidaan kuvata rinnakkaisresonanssipiirinä Trap-choken tavoin. Ne näkyvät resonanssitaajuudella suurena vastuksena ja resonanssitaajuuden alapuolella häviöllisenä induktanssina ja resonanssitaajuuden yläpuolella häviöllisenä kapasitanssina. Balunin yhteismuodon signaalin vaimennus antennikäytössä riippuu siitä millaisena impedanssina antenni ja syöttöjohto näkyvät. Esim. keskeltä syötetty puolenaallon dipoli näkyy yhteismuodolla pienehkönä impedanssina, mutta päästä syötettynä suurena impedanssina. Syöttöjohdon suuntaan yhteismuodon impedanssi riippuu oleellisesti syöttöjohdon pituudesta aallonpituuteen nähden. Jos syöttöjohdon vaippa on maadoitettu alapäästä, niin alle neljännesaallon mittainen syöttöjohto (oikeastaan sen vaippa) näkyy induktanssina. Vastaavasti syöttöjohdon pituuden ollessa neljännesaallon ja puolenaallon välissä syöttöjohto näkyy kapasitanssina. Antenni, baluni ja syöttöjohto muodostavat resonanssipiirin, joka näkyy joillakin taajuuksilla sarjapiirinä. Kun sarjapiirin resonanssitaajuus on lähellä työskentelytaajuutta, niin yhteismuodon virtaa rajoittaa lähinnä häviövastukset. Häviövastuksen suuruus taas riippuu lähinnä virtabalunin (virtakuristimen) hyvyysluvusta, jonka tulisi olla mahdollisimman pieni. Muussa tapauksessa balunin lisääminen saattaa vain lisätä yhteismuodon virtaa eli antennisysteemin syöttöjohdon vaipan ja antennin muodostama "vertikaali" on saatu vireeseen ja toimii antennin säteilevänä osana. Siitä syystä rautajauhesydämien käyttöä virtabalunissa tulee tarkastella huolellisesti. Häviölliset ferriitit ovat baluneissa helppokäyttöisempi materiaali ja tulos on yleensä laajakaistainen. Erityisesti ferriittejä käytettäessä balunin yli jäävä jännite on ratkaiseva sydämen häviöiden kannalta. Karkeasti sanottuna balunissa pitää olla riittävästi kierroksia ferriittisydämen kokoon nähden. Balunin impedanssin vaikutuksesta on enemmän tietoa OH3AD.fi sivulla olevan Rixun Kolmoset linkin kautta löytyvässä Rixun Kolmonen 2016_2.pdf lehden jutussa "Baluni - ollako vai ei olla?".

Lue lisää