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.

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

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