Choke in linea stile W2DU

Dedicato al suo inventore, Walt Maxwell, W2DU (SK)

Come nasce il W2DU o Maxwell Choke? Durante lo sviluppo dei satelliti Tiros, alla divisione Astro-Electronics della RCA si rese necessario misurare le caratteristiche del sistema di antenna anche sotto stress da interferenze o campi elettromagnetici provenienti dall’esterno che si abbattevano sullo schermo dei cavi coassiali di alimentazione. Per isolare quindi il segnale presente sulla linea di trasmissione da quello che scorreva sullo schermo, distorcendo lo spettro emesso e rendendo estremamente difficili se non addirittura impossibili le misure sul satellite in prova si progettò un choke dedicato. Il primo esperimento fu con anelli di ferrite di mix 43 ogni 1/4 d’onda sul cavo coassiale. Operando in V e UHF fu di fatto realizzato un oggetto simile a quelli che utilizziamo oggi, perfezionato ed ottimizzato nel tempo ad uso amatoriale. Per un funzionamento ottimale è necessario avere una impedenza esterna di almeno 10 volte superiore a quella della linea di trasmissione. Test successivi dimostrarono che sulle bande basse questo valore è troppo basso e servono almeno 1000 ohm per garantire un buon controllo delle CMC. Il materiale utilizzato è tipicamente Ferrite di mix 43 , 73 o 31. Il numero di elementi da inserire su di un tratto di cavo coassiale varia 25 a 50 in funzione del mix e delle frequenze da curare.

Il W2DU va in quella direzione, pensando in particolare al centrale di un dipolo o windom, senza dover ricorrere a pesanti e ingombranti toroidi. Si compone di elementi (tubetti) in ferrite in numero variabile infilat su un tratto di cavo coassiale il più vicino possibile al punto di alimentazione dell’antenna. Il peso aggiunto va a gravare sul connettore, quindi è opportuno alleggerirne lo sforzo con una spira ad anello intorno al centrale oppure un cordino di sostegno. Naturalmente si realizza utilizzando materiale in ferrite specifico per la riduzione di EMI e disturbi, il tipico mix 31 o simile, molto usato anche nelle clip che troviamo sui cavi di monitor e PC. In realtà parlare di Mix31 è limitativo, in quanto la varietà di materiali disponibili permette di realizzare versioni diverse ottimizzate per una o più bande. A parte la miscela, è necessario scegliere un prodotto che abbia il diametro centrale il più possibile compatibile con la guaina del cavo coassiale utilizzato. tipicamente 6.3mm per RG142 o 400 (i più usati) oppure rg-223 o 58.


Scelta delle ferriti

I Mix 31 e 73 sono i più adatti. il 31 per uso generale, il 73 è preferibile sulle bande basse

(fonte Fair-Rite)


esempio pratico: Choke W2DU ottimizzato per le bande basse ma utilizzabile anche in 40 e 30.

Ho scelto i con tubetti/manicotti in ferrite LFB095051 aventi caratteristiche simili al Mix31, quindi ottimi per 80 e 160. In alternativa ottimi anche i 33rh14, con simili caratteristiche e meccaniche e magnetiche.

La combinazione di almeno 20 elementi (fino a 30) elementi su circa 80cm di RG-142, cavo professionale da 5mm con dielettrico in teflon e grandi tenute in potenza (oltre 4kw in HF), ha consentito di realizzare un choke estremamente valido sulle bande basse, le più difficili da controllare, e con ottime caratteristiche fino almeno ai 40 metri. Per garantire un funzionamento ottimale, un choke deve esibire una impedenza di almeno 1Kohm su tutte le bande, con valori almeno doppi o tripli sulle bande basse, più difficili da controllare. E’ anche possibile usare una combinazione di materiali diversi per ottenere una estensione dei benefici. Il choke ovviamente irrigidisce il cavo. Volendo mantenere un minimo di flessibilità è possibile suddividere le ferriti in due otre blocchi separati tra loro da una decina di cm di spazio libero, per rendere più agevole l’eventuale movimento.

Il rivestimento esterno protettivo è in guaina termoretraibile e così realizzato è in grado di far transitare oltre 1Kw in HF. In funzione anche della qualità dei connettori usati e del loro montaggio.

In alternativa è possibile realizzare la versione originale di W2DU che prevede l’uso di 50 elementi FB73-2401 (detti anche ‘perline in ferrite’ con un  µi  2500 )inseriti su cavo RG-303 o RG-142 o RG-400 in teflon

W2DU secondo i dettami originali: 50 perline FB73-2401  su RG-142. semplice e compatto e altissima tenuta in potenza anche con SWR non ottimale (in fase di assemblaggio finale)
FB73-2401

Tale configurazione è adattissima alle hf ed estremamente compatta, poco meno di 40 centimetri compresi i due connettori. In base alla disponibilità di uno o dell’altro componente in ferrite si può scegliere la versione più adatta. Teoricamente è possibile utilizzare anche RG-223 o RG-58 ma le tolleranze di costruzione potrebbero rendere difficoltoso inserirvi le perline. Spezzoni di cavo in teflon si trovano facilmente su ebay o a fiere e mercatini a basso costo.

Così configurati, i valori medi sono di impedenza sono: circa 900 ohm a frequenze inferiori a 2 mhz (160M) e intorno ai 1000 ohm in 40 ed 80 metri. Sulle bande alte i valori si riducono a causa della diversa risposta del materiale magnetico. Unendo anche materiali più adatti, è possibile salire fino ai 10 metri con ottimi risultati, ad esempio il CST9.5/5.1/15-3S4 di Ferroxcube

La risposta è ovviamente ampia e le perdite di inserimento praticamente inesistente. Da non dimenticare i benefici anche in ricezione, in particolare nel caso in cui vi siano fonti di RF nelle vicinanze o intrusioni di broadcasting

La potenza di transito è sempre stimata e dipende dalle condizioni della linea di trasmissione


utilizzando LFB095051 sono necessari almeno 30 elementi per un choke che dia buoni risultati anche sulle bande basse

w2du-2
in costruzione con LFB095051

w2du1 w2du2 w2du3


 choke W2DU,  assemblati con RG-142

in alto versione leggera con 20x FB73-2401, al centro versione standard 50 x FB73-2401, in basso con  26 x LFB095051

info materiali : LFB095051-000   / Amidon FB


Grazie per l’ispirazione a Jerry W2FMI (sk) e  Rick DJ0IP

Balun Guanella…. parliamone

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Balun Guanella, balun in corrente, bla bla bla tutti ne parlano.

Senza entrare troppo nel teorico cerchiamo di capirne di più per sfruttarlo al meglio e quando veramente è necessario impiegarlo. George Guanella nel 1944 teorizzò la realizzazione di trasformatori avvolti in linea di trasmissione, per ottenere anche l’effetto di “strozzare” (choke) le correnti di modo comune. Il tutto è stato ripreso ed ampliato in seguito da Jerry Sevick W2FMI (SK)

L’elemento di base da cui partire è il Trasformatore a Linea di Trasmissione (Transmission Line Transformer o TLT all’inglese) che Guanella definì “Bulding Block” con rapporto 1:1

Il TLT trasferisce l’energia tra il suo ingresso e l’uscita attraverso una linea di trasmissione e non tramite flusso magnetico come avviene nei trasformatori tradizionali. Per questo motivo il TLT ha una maggiore larghezza di banda ed una efficienza maggiore rispetto ad altre soluzioni. Utilizzando un nucleo di materiale adeguato e opportunamente dimensionato e con una impedenza di linea prossima ai 100 ohm, è possibile ottenere bande passanti di circa 100 Mhz ed alte efficienze di oltre il 90% per rapporti di trasformazione compresi tra 1:2 e 1:16. Inoltre, per le caratteristiche di efficace trasformatore di isolamento, è possibile convertire un balun in un-un con un riferimento a massa anzichè flottante.

Guanella Bulding Block

E’ realizzato avvolgendo una linea bifilare (due conduttori affiancati isolati o smaltati) o coassiale su di un nucleo in ferrite (non in polveri di ferro). Questo tipo di costruzione permette di ottenere una banda passante molto estesa ma soltanto per un numero molto limitato e finiti di rapporti di trasformazione. L’elemento di base è da considerare a tutti gli effetti un trasformatore 1:1. Il trasformatore è bilanciato per costruzione e rimane tale se i due capi rimangono flottanti rispetto a massa

Tipicamente è possibile ottenere i valori di 1:1 , 1:4, 1:9, 1:16 e con qualche “trucco” 1:6 e 1:12. Il tipo di materiale utilizzato come supporto influisce sia sull’induttanza che sul fattore di merito (o “Q”). La  scelta del corretto mix nel toroide è fondamentale per ottimizzare la risposta nella banda di maggior interesse.

trasformatore 1:4

Una linea bifilare realizzata con due conduttori isolati  paralleli ed affiancati, sullo stile della classica piattina bicolore rossa e nera con una sezione di circa 0.5mmq ha una impedenza di 100 ohm. L’elemento di base avvolto di cui si è parlato sopra ha quindi una impedenza tipica di base di 100 ohm. Utilizzando un cavo coassiale anzichè una linea bifilare, l’impedenza sarà quella tipica del conduttore ( 50 o 75 ohm). Variando la spaziatura tra i conduttori bifilari è possibile aumentare l’impedenza a 100 e 200 ohm. Oltre pur essendo possibile, diventa di difficile realizzazione meccanica. La soluzione più comune utilizzata per spaziare i conduttori è inserirli in un tubetto di silicone o teflon di diametro variabile, in quanto la distanza critica è quella tra il centro dei conduttori, non quella tra le guaine. La formula per calcolar ela separazione in funzione dell’impedenza è

dove D è la distanza tra i conduttori , d il diametro degli stessi,  Z è l’impedenza della linea, Z0 è la costante dell’impedenza in aria (circa 377 Ω), εr è la costante dielettrica (tipica 1.00054).

In condizioni normali la separazione D è superiore al diametro del conduttore d quindi risulta più pratico utilizzare le seguente

infatti con una separazione di 3mm ed un diametro di 1 mm si ottiene una linea prossima ai 200 ohm desiderati

Normalmente la spaziatura si regola infilando i conduttori in tubetti di teflon o silicone di diametro esterno opportuno. Utilizzando filo di rame smaltato anziche isolato e mantenendo i conduttori accostati, si ottiene una linea di trasmissione di impedenza prossima ai 50 ohm. Quindi un choke 1:1 per linea a 50 ohm si può ottenere sia avvolgendo cavo coassiale su un toroide che utilizzando un bifilare in rame smaltato. In entrambi i casi nel caso di installazione al’aperto ricordarsi contenitore e connessioni stagne!

 


Gli elementi di base sono quindi un trasformatore in linea di trasmissione (1:1 per semplicità) con un valore di impedenza noto (tipicamente da 100 a 200 ohm). Il trasformatore avvolto con cavo coassiale o filo nudo è il classico choke in corrente, di cui si è già discusso. Realizzato come sopra indicato, il trasformatore oltre ad annullare o ridurre le correnti di modo comune e avere una ampia banda passante, compatibilmente con il materiale utilizzato, non crea eccessive saturazioni nei nuclei magnetici, che in ogni caso devono comunque essere opportunamente dimensionati.

Un trasformatore in corrente realizzato con il metodo Guanella combina due o più “moduli” per ottenere il rapporto di trasformazione di impedenza desiderato.

Basiamo il ragionamento sul singolo elemento bifilare da 100 ohm avolto con cavo isolato

  1. collegando due trasformatori con primario e secondario in parallelo (100 + 100 ohm ovvero 50 ohm) ottenendo quindi un classico 1:1

    Guanella 1:1
  2. collegando due trasformatori con il primario in parallelo (100 + 100 ohm ovvero 50 ohm) e secondario in serie (100 + 100 ohm ovvero 200 ohm) si ottiene 50/200 quindi 1:4

    Guanella 1:4

Con la linea a 100 ohm e ragionando su di una impedenza tipica di 50 ohm le combinazioni terminano, a meno di non dover lavorare su valori intermedi. Per rapporti di trasformazione superiori è necessario aumentare l’impedenza del trasformatore di base.

  1. per realizzare un trasformatore 1:9 necessario ad adattare una linea da 450 ohm ad una da 50 ohm servono tre nuclei di impedenza 150 ohm cablati con primari in parallelo (50 ohm) e secondari in serie (450 ohm). Come detto sopra la linea a 150 ohm si ottiene spaziando i conduttori di circa 1.8 mm.

    guanella 1:9

Per valori ancora superiori l’impedenza va ulteriormente aumentata. Per un 1:16 servono 4 nuclei con impedenza di 200 ohm (circa 3mm di separazione) sempre connessi primario parallelo (50) secondario serie (800)

Come si vede le combinazioni non sono infinite e dipendono da scelte anche meccaniche e di progetto.


Combinando i singoli elementi in modo particolare è possibile avere rapporti diversamente non ottenibili. Ad esempio combinando due trasformatori 1:4 collegati in modo incrociati si ottiene un trasformatore 1:6 (50->300)

guanella 1:6

Altra soluzione per valori particolari possono essere realizzati soltanto con trasformatori composti da un elemento in tensione oppure di tipo un-un ed un elemento guanella in corrente (1:1 o 1:4) oppure con particolari configurazioni

ad esempio :

il 1:6 può anche essere realizzato combinando  un 1:4 guanella con un-un 1.56:1

il 1:12 è un 1:9 guanella accoppiato con un un-un 1.33:1 settifilare (brutta definizione per un avvolgimento realizzato con sette conduttori paralleli)

1:12 composito
1:12 commerciale

altri valori possono essere ottenuti anche sfruttando prese intermedie sugli avvolgimenti oppure convertendo un balun in un-un (esempio un trifilare 1:2.25)

1:2.25

I trasformatori di tipo guanella per definizione sono realizzati per un unico rapporto di trasformazione. L’unica combinazione che consente di ottenere un doppio valore è il caso dell’1:4 che con la trasformazione del secondario da serie a parallelo, si trasforma magicamente in 1:1. E’ una soluzione usata spesso per basse potenze per la cui realizzazione serve soltanto un commutatore doppio adeguato. In questa configurazione e per potenze sotto i 100w è possibile utilizzare nuclei di dimensione ridotta (misura 82 o 100) o meglio ancora binoculari.

doppio 1:4 e 1:1 in posizione 1:4

Nel caso di impiego in un balun, il secondario diventa sbilanciato e non più flottante. Nonostante la realizzazione in corrente, in casi particolari (windom ad esempio) potrebbero verificarsi dei disadattamenti per la formazioni di correnti di modo comune provocate dalla massa sul secondario. In queste situazioni si rende necessario combinare il balun primario con un secondo elemento sempre in corrente questa volta di tipo 1:1 e che per ragioni meccaniche potrebbe essere un W2DU oppure il classico coassiale avvolto su toroide.

Un balun Guanella 1:4  può essere realizzato sia su uno che su due toroidi. Si risparmia un elemento magnetico ma:

  •  si creano di correnti di modo comune, riducendo la capacità di choking del balun stesso
  • funziona correttamente solo se il carico è perfettamente flottante e totalmente isolato e indipendente da terra

Quindi scegliere sempre la soluzione a doppio nucleo, nonostante l’apparente complessità costruttiva, e contrariamente a quanto si vede sempre più spesso pubblicato online o sui siti di produttori. Le uniche configurazioni mono toroidi sono i choke 1:1 a 50 ohm!

1:4 singolo toroide
1:4 doppio toroide

 

Il numero di spire dell’avvolgimento influenza l’induttanza totale, in funzione della miscela di materiali utilizzati nel nucleo. tipicamente si utilizzano da 8 a 12 spire.

La miscela di ferrite di tipo -61 è ottimizzata per le frequenze più alte e la -43 per quelle più basse. La -31 è da utilizzare solo per choke RF 1:1. una soluzione suggerita anche da Sevick è la -K, che è difficile da reperire. La dimensione del nucleo influenza  le caratteristiche magnetiche ma nell’uso pratico è da valutare in funzione della potenza di transito. La dimensione massima reperibile è la 240 (61mm di diametro), anche se per alcuni mix sono disponibili la 290 (74mm) e la 340 (86mm). Per sicurezza è possibile accoppiare più nuclei (normalmente due) da incollare con colla a caldo o resine. Si ha certamente una variazione delle caratteristiche magnetiche ma la tenuta in potenza aumenta in modo esponenziale così come la dissipazione del calore. Non vi sono particolari rischi di saturazione del nucleo nella configurazione Guanella.

ad esempio riporto la costruzione passo passo di un 1:9
http://www.qsl.net/kh6grt/page4/balun/balun.htm

 

c’è da divertirsi….


biografia:

micro choke per attività portatile

sfuttando quattro tubetti di mix 31 e una rimanenza di RG-178 ho realizzato un micro choke tascabile per basse potenze (fino a 50w). in totale sono state avvolte 6 spire

le misure sono interessanti e decisamente migliori di altre soluzioni basate su materiali simili

nb: il cavo supporta potenze decisamente superiori, ma in questa applicazione è meglio non esagerare

 

ecco le misure di impedenza di choke. NON è la risposta del choke ma la rappresentazione della capacità di “strozzare” le correnti di modo comune presenti sulla parte esterna della linea di trasmissione. Tanto maggiore è il parametro “Z” tanto migliore è il choke. Si misura collegando al VNA o al ponte i soli schermi del cavo passante. Oltre i 2000ohm si sta tranquilli, ma in 80 è meglio stare almeno sui 4000. dai 30M a salireservono impedenze minori

l’impedenza in 80 e 40 (‘Z’) è decisamente ottima, non male anche in 30 e 160.

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.

adattamento stili veicolari monobanda

una semplice soluzione per adattare stili veicolari monobanda (MFJ e simili) all’uso in stazione base (grazie a PD7MAA per l’idea)
lo stilo deve essere fissato su di un supporto isolante. in pratica deve essere isolata dalla terra/massa locale

solitamente alla base c’è un adattatore da 3/8″ a SO239 (pl femmina)

tramite un connettore a T collegare da un lato la discesa verso l’RTX dall’altro un tratto di cavo coassiale lungo 1/4 d’onda alla frequenza in uso moltiplicato per il fattore di velocità (tipicamente 0.66 se rg58/8/213)

il lato libero del “radiale” deve avere il conduttore centrate cortocircuitato con lo schermo. La lunghezza è calcolata dalla formula

L= 300000/F

l4=L/4

lr=l4*.066

in pratica ad esempio per 80 metri sottobanda cw centrata a 3538 khz

300000/3538 = 84,785

84,785/4 = 21,196

21,196*.66=13,99 metri -> lunghezza del radiale.

il radiale deve essere disposto in orizzontale e sollevato da terra di almeno 1.5 metri. alla stessa altezza deve essere fissata la base dell’antenna. E’ possibile anche utilizzare un secondo radiale ma il cablaggio si complica. Naturalmente la misura indicata è una base di partenza può essere utili accorciarlo per adattare meglio l’antenna

il risultato della misura la dice tutta. la banda passante  è quella tipica di questi stili per 2:1 di swr, quindi perfettamente utilizzabile anche senza accordatore.

Come si può vedere, per limiti fisici e per un probabile accoppiamento con il supporto o con l’ambiente circostante, l’impedenza minima, pur se sotto controllo, è lontana, ma non troppo, dagli ideali 50ohm.

Che fare?

 

due soluzioni … la prima la più semplice un colpetto di accordatore …. ma così è troppo facile

per la seconda dobbiamo chiedere un consiglio al buon  Phillip H. Smith o meglio alla sua “carta”. In passato erano necessari parecchi passaggi e calcoli per arrivare ad una soluzione di adattamento basata sulla carta, a meno di non possedere sofisticati ( e costosi) network analyzers. Esistono per fortuna soluzioni software free o  basso costo che ci consentono di superare il problema

nel nostro caso…. l’analisi alla base indica una impedenza di  70.4 ohms di impedenza con una parte X pari a 14.9 johms  pari a poco meno di 1.5 di swr

utilizzando una cella lc di compensazione (configurazione low pass, con capacità in parallelo lato antenna), sim smith effettua tutti calcoli per noi

  

con 555pf (arrotondati al valore più prossimo) e 1.55uH si ottiene magicamente

 

oltre al perfetto adattamento di impedenza si nota come la “finestra” di usabilità con swr=2 si estende a 100khz e basandoci su swr=3 si raggiungono i 200khz

un bel risultato niente male

attenzione! è sempre bene sovradimensionare i componenti dell cella LC. Condensatori ad alta tensione (possibilmente adatti all’uso in RF) e induttanze in aria di diametro adeguato realizzate in rame smaltato o argentato da almeno 1mm. Nel caso specifico un condensatore da 320pf e uno da 230pf. L’induttanza ha un valore di poco superiore (e intero) rispetto a quello richiesto ma “modificandola” fisicamente si arriva ad un risultato ottimale

il prototipo in fase di ottimizzazione

in alternativa, è possibile effettuare un classico adattamento serie con coassiale a 75 ohm

con l’aiuto dell’applicazione SMC (Series Matching Calculator) evitiamo i relativi calcoli.

esempio, a 3.53 mhz con 6.748 metri di rg58 (o 213) sotto l’antenna in serie a 4.624 metri di RG59 (o 11) subito dopo, otteniamo il corretto adattamento a 50 ohm

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esempio 30 e 40 m (1 radiale risonante per banda)

 

 

Quando le differenze rispetto al’ottimale sono minime (è il caso delle versioni 30 e 40m), si può inserire il classico hairpin. 10/12 spire di filo di almeno 4mmq su di un supporto in aria da 8/10 cm di diametro tra lo stilo e la massa (radiale) variando la spaziatura tra le spire o al limite eliminandone una o due si arriva ad un adattamento ottimale… oppure volendo procedere con modalitaà scientifica…..

 

in alternativa … come detto sopra…….

tnx DJ0IP

 

Operando qrp si può scegliere l’RG-174 come conduttore per il radiale.

L’unica regolazione è la sintonia/adattamento dello stilo utilizzando la barretta di taratura incorporata.

Mi raccomando, la base dell’antenna deve essere isolata dal supporto e non a massa!

Ultimo esperimento…….. utilizzare un unico supporto per due stili e 2 radiali

Provato con 30+40 metri (stessi radiali come sopra) ed ecco il risultato

 

perfettamente utilizzabile senza accordatore

meglio di così……

risultati? K,VU,JA,R0 in CW……. alla caccia di VK e ZL

soluzione alternativa: utilizzare sempre un supporto isolato per lo stilo e collegare quanti più possibili radiali non risonanti sollevati dal terreno di alcuni cm.

Idealmente da posizionare sui 360 gradi (fino a 120) e ovviamente riducendo lo spazio utilizzato in funzione di quello disponibile. Piuttosto che distribuirli a caso sui 360 gradi, meglio concentrarli verso direzioni specifiche in una configurazione triangolare. I risultati non mancheranno

 

per migliorare ulteriormente l’efficienza e soprattutto la resistenza di radiazione è consigliabile inserire un cappello capacitivo posizionato il più in alto possibile e lontano dalla bobina alla base.

ho inserito una barra con innesti filettati alle estremità lunga circa 40cm e sulla parte superiore ho fissato un disco realizzato con lamiera grigliata di poco più di 30cm di diametro.

Lo stilo vero e proprio parte dal disco e naturalmente risulta molto più coperto che nella versione “nuda”, sia per la presenza della prolunga che del cappello capacitivo

e questo è il risultato senza rete di adattamento

 

per ulteriori informazioni ed un utile foglio di calcolo

http://www.qsl.net/aa3rl/tlcalc1.html

 

 

 

Capire le correnti di modo comune

— lavori in corso —

sono alcune mie riflessioni….. per saperne veramente di più consiglio la lettura di questo documento

http://audiosystemsgroup.com/RFI-Ham.pdf


Nell’attività radiantistica si legge e si sente parlare di CMC o correnti di modo comune o più genericamente di “Ritorni di RF” e degli interventi necessari per annullarli o attenuarli

Vediamo di capirne di più.

L’energia a radiofrequenza, o più correttamente la corrente RF, può attraversare una linea di trasmissione in due modalità:

  1. Differenziale
  2. A modi comune
  • modalità differenziale (nota anche come bilanciata) – da preferire –

Se una antenna e la linea di trasmissione ad essa collegata sono bilanciate elettricamente, nei due bracci/rami/poli scorrono correnti di pari ampiezza e con polarità opposta. Si ottiene il massimo trasferimento di energia dalla linea di trasmissione all’antenna in trasmissione e dall’antenna alla linea in ricezione.

dipbil

Le correnti differenziali I1 e I2 hanno stessa ampiezza e polarità opposta. Nella linea di trasmissione, essendo i conduttori molto vicini tra di loro, i due campi elettromagnetici si annullano a vicenda e la linea stessa non irradia. Inoltre non esiste un percorso diretto verso la terra o massa

  • a  modo comune (nota anche come sbilanciata) – da evitare se possibile –

Se l’antenna e/o la linea di trasmissione non sono bilanciate per progetto (alimentazione con cavo coassiale, monopoli, etc) o per anomalie costruttive o di montaggio (altezza da terra), esiste sempre una parte di corrente che scorre sullo schermo del cavo coassiale che irradia quindi segnale. Questo comporta alterazioni nel lobo di radiazione ma peggio ancora, provoca ritorni di RF verso la stazione ed il telaio degli apparati, e quindi verso l’operatore, anche pericolosi. Le CMC aumentano al crescere della potenza e al diminuire della frequenza. Inoltre aumentano la sensibilità al rumore e ai disturbi in ricezione.

dipump

Nel caso di una antenna bilanciata (dipolo) alimentata con una linea sbilanciata (coassiale), le correnti differenziali I1 e I2 si cancellano tra loro all’interno del cavo. A causa dell’effetto pelle però l’esterno dello schermo diventa un terzo conduttore e nulla si oppone alla trasmissione di I3. Questo provoca anche una via di fuga agevolata verso terra/massa

In tempi remoti l’alimentazione bilanciata era lo standard operativo. Se utilizzata con opportuni adattatori di antenna (ATU o volgarmente accordatori) di adeguato dimensionamento, è possibile utilizzare l’antenna anche su frequenze diverse da quella di risonanza principale con perdite decisamente inferiori rispetto al coassiale.

L’utilizzo generalizzato di alimentazioni sbilanciate ha portato alla ricerca di soluzioni sempre più efficaci per affrontare il problema. Il punto centrale è presentare un punto ad alta impedenza che non consenta la propagazione delle CMC trasformandole in calore.

Il classico adattatore (accordatore) non basta da solo. Certo riesce ad illudere un RTX che la linea sia perfettamente adattata ma in presenza di CMC tale illusione può durare ben poco e anzi all’aumentare della potenza si possono manifestare gravi problemi. Inoltre così facendo di accorda anche la discesa che diventa parte dell’antenna contribuendo nell’irraadiazione.

Se non è possibile risolvere i problemi alla radice (ad esempio modificare l’altezza da terra nel caso di un dipolo) può aiutare l’interposizione di un elemento che si occupa di annullare o ridurre tali effetti nefasti.

Solitamente i dipoli autocostruiti, ma anche alcuni commerciali, nel punto di collegamento tra antenna e discesa hanno un semplice connettore. Si può sopperire al problema con un “huge balun” ovvero 6/7 metri di discesa avvolti in aria su un supporto di circa 15cm di diametro. Tale soluzione può essere di aiuto sule bande alte, ma in basso serve ben altro….

E qui si entra nel funambolico mondo dei Balun (o baluun, baloon, baalon, balus che dir si voglia), un mondo in continua espansione dove ognuno ha una opinione o una soluzione, spesso sparata a sproposito o frutto di un sacrosanto copia e incolla.

Il Balun è un trasformatore a linea di trasmissione che svolge tre compiti fondamentali:

  • conversione di corrente o tensione da bilanciata a sbilanciata
  • reiezione delle correnti di modo comune, se opportunamente configurato
  • trasformazione di impedenza per valori diversi da 1:1, se opportunamente configurato

 

Il modo più semplice per creare un punto di non passaggio della CMC è l’interposizione di un dispositivi ferromagnetico (balun) realizzato con un avvolgimento su un nucleo in ferrite. Tale dispositivo deve necessariamente essere di tipo “in corrente” come i comuni Guanella e deve anche offrire l’opportuno rapporto di adattamento in funzione della differenza di impedenza tra antenna e linea di trasmissione.

I materiali a base di ferrite rispondono energicamente all’esposizione ad un campo magnetico. Ossido di ferro, Nickel, ZInco Manganese variamente combinati tra loro  e rinforzati da ceramica, vanno a costituire le cosiddette miscele di ferrite o Mix con proprietà variabili in funzione appunto della miscela.

la Permeabilità (µ) è il grado di interazione tra materiale e campo magnetico. Maggiore è la permeabilità maggiore sarà l’induttanza

Ad esempio per un dipolo si tratta del tipico 1:1, per una OCFD/Windom serve un 4:1 (meno comune il 6:1), per una delta si ricorre ad un 2,25:1. Un loop fullwave può essere alimentato tramite un 1:1 o un 4:1 in base all’installazione.

Così facendo si renderà la vita difficile alle correnti di modo comune e si migliorerà anche la qualità del segnale ricevuto. Operando in bande basse o con alte potenze, tale soluzione da sola potrebbe non essere sufficiente. In questi casi è possibile integrare la discesa con un W2DU da collegare subito sotto al balun principale. Nelle pagine su Balun & Chokes ho raccolto spunti e idee realizzative.

Come ho già detto non sono e non mi considero un esperto. Mi piace leggere, informarmi e sperimentare

RF Chokes

Un RF Choke (o isolatore di linea rf, dall’inglese “strozzatore”) è essenziale per attenuare o eliminare le correnti di modo comune che si formano sullo schermo dei cavi coassiali in seguito a disadattamenti sulla linea di trasmissione.

Possono anche essere usati come balun/adattatori tra una linea bilanciata ed una sbilanciata ove non siano necessarie trasformazioni di impedenza.

Sono in pratica dei balun 1:1 in corrente con caratteristiche adeguate alle bande e alla potenza di utilizzo

Per ottenere risultati certi e replicabili utilizzare esclusivamente componenti in Ferrite (Mix 31 e Mix 43 tipicamente, Mix61 solo per le bande alte) mai in polvere di ferro!

Il Mix 43 è quello di uso generale, con una maggiore utilità tra i 30 ed i 40M con effetti minori in 80

Per un impiego sicuro anche in 160 è 80 è vantaggioso utilizzare il Mix 31. In alternativa per impedenze ancora maggiori il tipo 77

Per le sole bande alte è consigliabile utilizzare il Mix 61

Maggiori informazioni sulle ferriti nel link mix a base di ferrite (oppure far riferimento ai siti Amidon o Palomar Engineers)

Come si nota dallo schema (tnx Palomar Engineers) ogni mix è adatto ad una particolare “fetta” di frequenze. Il segreto è ottenere la più alta impedenza (impedenza di choke) alla frequenza più bassa e comunque a quella maggiormente utilizzata.

Trattandosi di fatto di baluns 1:1 in corrente è possibile utilizzarli anche al centro di dipoli mezz’onda collegando un braccio al centrate e l’altro allo schermo con l’aiuto di un isolatore.

La capacità di transito in potenza è stimata in base dalle caratteristiche del cavo utilizzato per l’avvolgimento e dalla saturazione del nucleo in presenza di correnti di modo comune, compatibilmente con le caratteristiche della linea di trasmissione

choke impedances tnx G3TXQ (xxT=numero di spire del cavo relativo, FB31 sono nuclei a tubetto o binoculari)

ricordo che i nuclei in ferrite sono identificati dalla sigla FT seguita dal diametro in pollici e dal mix

(es. FT240-43 ferrite mix 43 diametro 2.4 pollici – poco più 6 centimetri) La lettera A accanto alla misura indica altezza doppia, equivalente a sovrapporre due nuclei normali

Nello schema sopra riportato (grazie a Steve G3TXQ) alcuni esempi di choke RF sia su ferrite che in aria con la relativa efficacia sulle singole bande da verde scuro (massima) al giallo (minima)

 


Grazie per l’ispirazione a Jerry W2FMI (sk) e  Rick DJ0IP

Balun Guanella 4:1

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Balun: dispositivo di adattamento tra una antenna con alimentazione BILANCIATA ed un linea di trasmissione SBILANCIATA, con o senza adattamento di impedenza

Gli unici balun 4:1 da utilizzare per applicazioni HF sono in corrente in stile Guanella, come quello sotto esposto. Garantiscono linearità, capacità di annullamento delle correnti di modo comune e relativa semplicità di costruzione. Per quanto riguarda l’assemblaggio va sempre preferita la soluzione su doppio nucleo in ferrite tipicamente di Mix 43, mantenuti separati tra loro, non sovrapposti.  Il cablaggio può anche essere realizzato con filo tradizionale, sempre in formato bifilare (linea di trasmissione) meglio se isolato in teflon. Nella pratica si tratta di due balun 1:1 realizzati con linea bifilare (o coassiale da 100ohm), connessi in parallelo da un lato (50 ohm) ed in serie dall’altro (200 ohm).

Modificando il cablaggio è possibile ottenere un balun 1:1 in corrente con ottime caratteristiche (vedasi schemi). La potenza di transito è sempre stimata e dipende dalle condizioni della linea di trasmissione

si può realizzare in maniera tradizionale, con due FT140-43 (o FT240-43 per potenze superiori) oppure con la serie -61 se 80 e 160 non sono fondamentali e  sia richiesta una superiore tenuta in potenza.

 

guanella-41-1401
schema generico

gua41-140-2
realizzazione in box stagno

12 spire bifilari (parallele o intrecciate) per ogni toroide, filo isolato in teflon se possibile. Il toroide a sinistra è stato rivestito con nastro in teflon, necessario solo con rame smaltato per non danneggiare la superficie del componente.

la risposta è stata verificata su carico da 200 ohm. La non linearità oltre i 15MHz è prevista e legata al materiale magnetico utilizzato. Nell’uso pratico è ininfluente

port_risp
80m

risposta 80M

160m

risposta 160M

30m

risposta 30M

40m

risposta 40M

15m

risposta 15M

20m

risposta 20M

10m

risposta 10M

Ideale per una OCFD 25%/75% o per ogni altro progetto dove serva una efficace attenuazione delle correnti di modo comune. Eventualmente combinabile con un W2DU per applicazioni in bande basse

Per una decisa attenuazione delle correnti di modo comune i nuclei NON devono toccarsi nè tantomeno essere sovrapposti. Utilizzando nuclei tradizionali (FT140 o FT240) è necessario utilizzare almeno 10 spire bifilari per nucleo


Grazie per l’ispirazione a Jerry W2FMI (sk) e  Rick DJ0IP

Balun 2,25:1 per Loop e Delta

Uno dei rari casi nei quali anche un balun in tensione può dimostrarsi utile per adattare l’impedenza di una delta loop (o di un loop a onda intera) dai 100/112 ohm ai 50 ohm graditi agli stadi finali. Da utilizzarsi normalmente per la versione monobanda. Filo da almeno 1.5mmq isolato se possibile in teflon

I problemi di cmc sono ridotti con un loop…. nel dubbio il solito w2du oppure un choke su toroide risolvono il problema. i due nuclei (balun e choke) possono essere inseriti nello stesso contenitore. Questa versione inoltre isola galvanicamente primario e secondario.

Per bande basse sostituire il mix 61 con mix 43

100 ohm -> 2:1

112 ohm -> 2.25:1

b21ok

Preferibile in alternativa la soluzione proposta da VK3AFW, ovvero un avvolgimento di tre spire pentafilari assemblato come nel disegno sotto riportato. Bifilare lato 50ohm trifilare lato 112ohm

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Balun 4:1 in aria versione di LY3H

questa è la versione con montaggio in aria del balun guanella 4:1 realizzata da Zilvinas LY3H

Non l’ho provato ma è  interessante e di basso costo. Assemblato con normale cavi elettrico 2×1.5mmq  su tubi in PVC da impianti elettrici diametro 40mm. Il separatore arancio è filo per tosaerba

ly3h

Choke QRO “nudo”

Choke “nudo” costruito per verificare le caratteristiche del Mix31

Avvolgimento di 11 spire di RG-142, cavo professionale con dielettrico in teflon da 5mm ed alta tenuta in potenza (oltre 3Kw in HF) su nucleo FT240-31

Può essere utilizzato in questa forma per uso mobile oppure inscatolato in contenitore stagno per uso continuativo all’esterno

Il choke così realizzato è in grado di far transitare  oltre 400w in HF, a condizione che non esistano grandi disadattamenti sulla linea.

Con due nuclei sovrapposti si riesce a raddoppiare la potenza

La potenza di transito è sempre stimata e dipende dalle condizioni della linea di trasmissione


qrochoke
durante il test

 

311  312
313

 


Grazie per l’ispirazione a Jerry W2FMI (sk) e  Rick DJ0IP

Choke QRO ottimizzato per bande basse

Choke ottimizzato per bande basse in grado di sopportare oltre 500 w da 40 a 160 metri, fino a 400 w nelle altre bande

Avvolgimento realizzato con 19 spire di RG316, cavo professionale con dielettrico in teflon e diametro 2.5mm, su nucleo in ferrite FT340-43 (non facilmente reperibile).
L’avvolgimento di tipo Reisert, con incrocio centrale, agevola il montaggio e migliora le già ottime caratteristiche di riduzione delle correnti di modo comune

Montato in scatola stagna con connettori SO239 isolati in teflon e sigillati con liquid electrical tape.

La potenza di transito è sempre stimata e dipende dalle condizioni della linea di trasmissione


QRO choke
pronto per il collaudo


ch1 ch2
ch3 FT340-43 vs FT140-43

FT340-43 vs FT140-43

 


bal

fonte http://www.rf-microwave.com/

il maggior numero di spire ha compensato la minor impedenza sui 160m

e aumentato progressivamente le altre fino ai 30 metri

Si ricorda che per il buon funzionamento di un Balun 1:1 è richiesta un’impedenza di almeno 500 Ohm (meglio se 1000), questo da la possibilità di ottenere una buona simmetrizzazione del cavo coassiale su un carico bilanciato


Grazie per l’ispirazione a Jerry W2FMI (sk), Rick DJ0IP e Franco I2FHW

Choke portatile 250w

Choke RF per uso portatile/mobile che sopporta circa 250w

L’avvolgimento è realizzato con 11 spire di RG316, cavo professionale con dielettrico in teflon diametro 2.5mm e notevole tenuta in potenza in HF, su 2 nuclei FT140-43 sovrapposti

La potenza di transito è sempre stimata e dipende dalle condizioni della linea di trasmissione

choke400

pronto per il collaudo

test

sotto test

all risp 80

Choke portatile 100w

choke portatile

RF Choke portatile di semplice realizzazione in grado di sopportare fino a 100w

Il nucleo utilizzato è binoculare in Mix43 di tipo BN43-7051. L’ avvolgimento è  realizzato con 4 spire di RG-178, cavo professionale con dielettrico in teflon diametro 1.8 mm

Il contenitore è un “manicotto” ad uso idraulico da 40mm di diametro chiuso alle estremità da tappi a tenuta stagna con guarnizioni.

Connettori SO239 da pannello isolati in teflon e sigillati con liquid electrical tape, ottima invenzione!

E’ possibile far transitare fino a circa 100w se il ros non è troppo elevato sulla linea.

Il limite è rappresentato dalla saturazione del nucleo, in quanto il cavo è in grado di sopportare potenze ben maggiori in HF nonostante le ridotte dimensioni

La potenza di transito è sempre stimata e dipende dalle condizioni della linea di trasmissione

 

port_160 port_multi
port_risp port_80
port_est port_conn