A proposito di balun…..

Non mi considero un esperto, non ho inventato niente, mi informo e imparo dai miei errori

fatta questa doverosa premessa…..

Balun .. l’oggetto misterioso …. tutti ne parlano, spesso a proposito

Il Balun, non balus o balum o barnum o baloon(!) , come indica il nome, è un adattatore tra una linea di trasmissione bilanciata (BAL) ed una sbilanciata (UN). Di fatto un accessorio di una linea di trasmissione. Si utilizza tipicamente al centro di un dipolo e genericamente dove esistano due rami o bracci di antenna con polarità opposte. L’inserimento di un balun consente di adattare la discesa sbilanciata, realizzata tipicamente con un cavo coassiale, ad una antenna bilanciata (dipolo,loop etc). Nella maggior parte dei casi è utilizzato come choke o isolatore di linea (ovvero in configurazione 1:1). Per la precisione così installato diventa un CMC choke, ovvero un componente che previene (o almeno dovrebbe) la propagazioni di correnti di modo comune sullo schermo della discesa coassiale che tra l’altro contribuiscono ad incrementare la potenza riflessa.. In parole pratiche, riduce i cosiddetti ritorni di RF. Ovviamente il funzionamento di un choke è migliore quanto più una antenna è installata in condizioni tali da consentire alla RF prodotta di essere irradiata e non dissipata sul cavo di alimentazione. Per poter fungere da CMC Choke un balun 1:1 deve essere configurato “in corrente”. Un uso secondario (anche se molti pensano sia il primario!)  possono essere configurati per un impiego come trasformatori di impedenza. I più diffusi sono 4:1 e 6:1 (tipici delle OCFD o windom) ma è possibile realizzare qualsiasi valore, anche frazionario (es. 2.25:1 perfetto per loop e delta). In questo caso la prima cifra indica l’impedenza dell’antenna, la se seconda quella della linea di trasmissione; 4:1 significa adattare una antenna bilanciata con 200 ohm di impedenza tipica ad una linea di trasmissione da 50 ohm. E’ il caso tipico di una OCFD/Windom con il centrale ad una decina di metri dal suolo.

Esistono varie scuole di pensiero e filosofie di progettazione oltre che ambiti applicativi. Si parla quindi di balun in tensione o corrente, singolo o multi elemento, Guanella, Ruthroff e chi più ne ha più ne metta. Cerchiamo di capirne qualcosa in più……

linea: bilanciata o sbilanciata?

Le linee ed i carichi bilanciati, hanno per loro stessa natura, la stessa stessa tensione tra ogni terminale e la massa/terra. Ogni conduttore bilanciato trasporta correnti uguali ma con fase opposta. Se la linea di trasmissione non ha uguale tensione e uguale corrente con fasi opposte sui due terminali, può comportarsi come una antenna. La corrente deve essere correttamente bilanciata, la tensione ha una importanza minore ma può essere determinate in taluni casi. Anche linee coassiali (dette anche “sbilanciate”) devono presentare correnti uguali ma opposte in fase tra terminale centrale e schermo. Queste correnti devono scorrere liberamente soltanto all’interno dello schermo. Se le correnti non sono perfettamente uguali o vi sono variazioni di fase, esse tenderanno a scorrere anche sulla superficie esterna del cavo causando, portando alla irradiazione della linea stessa. In entrambe le tipologie di linea di trasmissione, la corrente differenziale che si forma tra terminali non bilanciati viene definita “corrente di modo comune” o CMC. Tali correnti devono essere ridotte e se possibile eliminate il più vicino possibile all’antenna per evitare che la linea di trasmissione si trasformi in antenna essa stessa ed evitare fastidiose e dannosi rientri in stazione. Si ottengono inoltre come effetti collaterali una riduzione del rumore in ricezione e una maggiore stabilità, spesso con importante riduzione, del rapporto onde stazionarie (ROS/SWR)

Nessun sistema di antenna esistente è perfettamente bilanciato o perfettamente sbilanciato. Nella realtà le situazioni sono spesso a metà. E’ qui che entrano in gioco i cosiddetti Balun

Balun in Corrente.

balun in corrente

Il balun in corrente consente a ciascun terminale della linea di trasmissione di variare la propria tensione con riferimento alla massa/terra comune. In al modo si garantisce che sui due terminali siano presenti correnti uguali con fasi opposte. I due avvolgimenti sono nello stesso senso per cui i campi magnetici delle due correnti bilanciate opposte si cancelleranno a vicenda. I balun in corrente sono adatti sia alle linee bilanciate che a quelle sbilanciate. Inoltre, per la loro costruzione, riducono le correnti di modo comune fino ad annullarle nei casi migliori. Sono anche detti “isolatori di linea”. Se utilizzati esclusivamente su linee sbilanciate sono definiti  “UN-UN”. E’ consigliabile utilizzarli sempre in quanto non producono nessun effetto negativo, a condizione che siano opportunamente dimensionati e che vengano posizionati il più vicino possibile all’antenna. Il classico balun 1:1 in corrente (o choke) supporta meglio di altri le potenze elevate, in quanto è soltanto la corrente di modo comune da bilanciare che tende alla saturazione del nucleo in ferrite.

Balun in tensione

balun in tensione

Il balun in tensione forza entrambi i terminali alla stessa tensione. Tale forzatura può generare differenze di fase tra i terminali e la massa/terra creando differenze sbilanciate. La linea di trasmissione in questi casi può irradiare. I due avvolgimenti sono isolati tra loro, come in un comune trasformatore. Per costruzione non isola dalle correnti di modo comune e quasi sempre porta a sbilanciamenti e irradiazioni da parte della linea di trasmissione. I carichi non sono mai perfettamente bilanciati e i baluns non sono mai perfetti!  differenza di un balun in corrente, nel balun in tensione le tensioni sulla linea di trasmissioni portano alla magnetizzazione del nucleo in ferrite con il rischio di saturazione. Anche l’impedenza di carico è un fatture di peggioramento delle prestazioni. Entrambe queste problematiche portano al riscaldamento e alla saturazione del nucleo che nei casi peggiori può rompersi. Il consiglio è quello di usare sempre balun in corrente per ottenere un migliore bilanciamento e minori perdite sulla linea di trasmissione. In alternativa, volendo utilizzare comunque un balun in tensione, farlo sempre seguire da un 1:1 in corrente.

Comprese le caratteristiche di base dei baluns e analizzati i materiali che meglio si adattano all’applicazione, chiunque può dedicarsi alla loro costruzione. I risultati però non sempre sono all’altezza delle aspettative. Un vecchio detto dice : se si hanno a disposizione due serie uguali di componenti per realizzare due balun identici, due persone otterranno risultati diversi… ma anche una stessa persona difficilmente realizzerà due prodotti perfettamente identici…. Questo per dire che gli ostacoli che possono frapporsi ad una corretta realizzazione di un balun sono molteplici, principalmente di carattere meccanico……

Ricordiamoci sempre….. Un balun va inserito in un sistema di trasmissione se serve veramente, e comunque sempre con il rapporto di trasformazione richiesto per la specifica applicazione. Non usarlo solo perchè “tutti lo usano” o “altri lo usano” oppure “ho letto che bisogna usarlo”. Nel momento in cui siano note l’impedenza dell’antenna da interfacciare ed il suo tipo di alimentazione, si sceglierà il balun (o unun) nel rispetto di rapporto impedenza antenna/50 ohm  e nel tipo di alimentazione (bilanciata / sbilanciata)

b4-1
schema Balun Guanella 4:1
b0
choke coassiale 1:1 su FT240-31

Spesso definito balun, anche se tecnicamente non lo è, è il cosiddetto UN-UN nel quale l’adattamento è tra due linee sbilanciate.

Tipico il 9:1 utilizzato nelle longwire random non risonanti o  nelle cosiddette “canne da pesca” di ogni forma e dimensione. Quindi per favore non chiamiamo balun il “9:1″… un balun 9:1 è meccanicamente ed elettricamente diverso e serve atutt’altro.

Ultimo tipo di balun in quanto meno diffuso è il cosiddetto “BAL-BAL” che adatta tra loro due linee bilanciate. Normalmente utilizzato per collegare linee bilanciate “a scaletta” ad accordatori bilanciati per ridurre le correnti di modo comune che seppure limitate sulle linee bilanciate sono sempre presenti. Per quanto riguarda la realizzazione pratica, si può dire che in base all’uso e alla tenuta in potenza richiesta, posso essere realizzati “in aria” o su supporto ferromagnetico, tipicamente ferrite (da preferire  a parte casi particolari) o polveri di ferro.

Le informazioni riportate non sono sicuramente esaustive. Negli anni tanto si è scritto sull’argomento e se si escludono i copia-incolla e gli inventori della domenica, i pochi testi degni di nota sono quelli di:

Jerry Sevick W2FMI (SK) , LB Cebik W4RNL (SK) , Tom Rauch W8JI  e Rick Westerman DJ0IP senza dimenticare W2DU Walt Maxwell (SK)

Per chi volesse approfondire l’argomento rimando a quanto scritto dagli autori sopra indicati.

In base ai loro suggerimenti ed ai miei errori, presento alcuni dei prototipo da me realizzati, tutti ovviamente collaudati sul campo. Non vengono costruiti in serie, sono solo ad uso personale.