A Short Course On Baluns

https://ve7sar.blogspot.com/2018/07/a-communicator-reprise-april-2012.html

Краткий курс о балунах

Прежде чем приступить, необходимо описать немного странное явление (так называемый «поверхностный эффект» или «скин-эффект»), связанное с радиочастотными токами.

Поверхностный эффект

Высокочастотные переменные токи в проводнике протекают только в той части проводника, которая находится очень близко к поверхности. Очень близко, 0,1 мм (как по «коже») или того меньше. В то время как одиночный провод имеет только одну поверхность, экран коаксиального кабеля, будучи цилиндром, имеет две поверхности - внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность. Следовательно, вы можете иметь высокочастотный переменный ток, протекающий по внутренней поверхности, и совершенно другой, протекающий по внешней поверхности, при этом ни один из них не влияет друг на друга. Как будто есть изолятор, разделяющий их.  Странно, но это так.

Симметрирование

Если не принять меры для его минимизации, все антенны, питаемые через коаксиальный кабель, будут иметь значительный ток, протекающий снаружи коаксиального экрана во время передачи.

Если антенна представляет собой горизонтальный диполь с коаксиальным кабелем, висящим прямо вниз, то коаксиальный кабель действует как вертикальная антенна. Это потому, что этот ток, протекающий снаружи экрана, будет излучать энергию точно так же, как и вертикальная антенна.

Для обычной радиолюбительской работы на КВ это иногда может быть даже полезно, так как излучение будет происходить в более широком диапазоне углов места, что, в свою очередь, позволяет проводить связи в большем диапазоне расстояний. Однако для антенной системы, созданной для того, чтобы иметь определенную диаграмму направленности, это нежелательное излучение от коаксиального кабеля изменяет диаграмму направленности и снижает эффективность всей системы.

При приеме коаксиальный кабель также работает как вертикальная антенна и все, что он принимает, поступает в антенну и оттуда – в приемник.

Ниже приведен пример этих эффектов для Near Vertical Incidence Skywave (NVIS – антенна зенитного излучения):

ПЕРЕДАЧА

Для NVIS желаемые углы места излучения (диапазон в углах относительно горизонта, над которым антенна излучает большую часть передаваемой энергии) составляет от 60 до 90 градусов, причем 90 градусов направлены вверх. Горизонтальный диполь, подвешенный на высоте 1/4 длины волны или меньше над землей, обеспечит это требование.

Если эта антенна питается коаксиальным кабелем и не предпринимаются какие-либо меры для минимизации тока, протекающего снаружи экрана, то экран будет действовать как вертикальная антенна с диапазоном углов места излучения от 5 до 40 градусов. Количество мощности, излучаемой при этих низких углах, может составлять до 50% от мощности, излучаемой при желаемых углах места. Это означает, что меньше энергии будет расходоваться на передачу под желаемыми большими углами. Кроме того, эта мощность, излучаемая под малыми углами, может создавать помехи другим станциям за тысячи километров.

ПРИЁМ

В этом случае оплётка кабеля действует как антенна, что действительно плохо. Экран, выступающий в качестве вертикальной антенны, соберёт ранее упомянутые станции на расстоянии нескольких тысяч миль и подаст их в диполь, который затем с радостью отправит эти сигналы на приемник, где они будут мешать сигналам, которые вы хотите услышать.

Кроме того, большая часть шума в нижних диапазонах ВЧ вызвана молниями в тропиках. Если ваша антенна реагирует только на сигналы с большим углом (NVIS), то она не будет реагировать на эти статические разряды, вызванные молнией, потому что они приходят под низкими углами. Следовательно, вы их не услышите. Однако, если коаксиальный экран будет работать как антенна, вы их услышите, и они могут лишить вас возможности принимать полезные сигналы.

Поскольку коаксиальный кабель заходит прямо на вашу станцию, то он работает вблизи всех видов электрооборудования, генерирующего шум, такого как компьютерные мониторы, плазменные телевизоры, импульсные источники питания и т. д.  Поскольку коаксиальный кабель действует как антенна, то он будет принимать все виды сигналов, весь тот электрический «мусор», который диполь не воспримет, потому что он располагается намного дальше от этих источников шума.

СПАСЕНИЕ В БАЛАНСЕ

Балун (от англ. balun — balanced-unbalanced) — жаргонное название симметрирующих устройств, преобразующих электрический сигнал из симметричного (balanced) в несимметричный (unbalanced) и наоборот. 

Говорят, что идеальный горизонтальный диполь «сбалансирован» относительно земли. Это означает, что:

Напряжение между землей и точкой, где один провод питающей линии подключен к антенне, точно равно (но противоположной полярности) напряжению между землей и точкой, где другой провод питающей линии подключен к антенне.

Ток, протекающий из одного провода линии питания в антенну, точно равен току, протекающему в другой провод линии питания от антенны.

На самом деле, это идеал, который никогда не достигается на практике. Такие вещи, как то, что один конец антенны находится ниже другого, ближе к дереву или зданию и т. д., приводят к тому, что токи в двух плечах будут разными. Следовательно, никакая антенна не является действительно сбалансированной. Хотя некоторые из антенн могут подходить близко к идеалу.

Симметричные параллельные лестничные линии питания и ленточные кабели считаются сбалансированными, поскольку они симметричны относительно земли (если только одна сторона такой линии не ближе другой к земле, металлическим предметам и т. д.).

Выходы нашего передатчика "несбалансированы" относительно земли. Это связано с тем, что внешняя оболочка выходного коаксиального разъема подключена непосредственно к земле через металлический корпус радиостанции. Точно так же коаксиальный кабель, который мы подключаем к передатчику, не сбалансирован, так как экран подключен непосредственно к земле через коаксиальный разъем на радио.

Таким образом, мы имеем сбалансированную антенну, к которой мы хотим подключить несимметричный коаксиальный кабель. Физически это легко сделать, мы просто соединяем их. Но, как только мы это сделаем, мы разрушаем баланс антенны и получаем ток, протекающий снаружи коаксиального экрана со всеми вытекающими отсюда вредными последствиями.

Итак, нам нужно устройство между антенной и коаксиальным кабелем для перехода от симметричной антенны к несимметричной коаксиальной линии питания, и, да, такие устройства существуют, их называют балунами.

Есть два типа балунов:

Балуны по напряжению

Они заставляют напряжение между землей и точкой, где один провод питающей линии подключен к антенне, быть точно равным (но противоположной полярности) напряжению между землей и точкой, где другой провод питающей линии подключен к антенне. Идея здесь состоит в том, что, если напряжения равны, токи тоже будут равны.

Однако, поскольку большинство предположительно сбалансированных антенн, по крайней мере, немного не сбалансированы, токи в двух половинах диполя не будут одинаковыми. Это приводит к тому, что ток, равный разности между ними, протекает снаружи коаксиального экрана, т.е. коаксиальный экран теперь действует как антенна. Ну, это точно то, чего нам не надо.

Токовые балуны (также известные как «Токовые дроссели»)

Они заставляют токи в двух ветвях (половинках) диполя быть равными. Поскольку в настоящее время нет разницы в этих значениях тока, ток снаружи не течет по коаксиальному экрану. Это именно то, что мы хотим, их то и нужно использовать.

РЕЗЮМЕ

Каждая коаксиальная антенная система, разработанная для обеспечения определенных характеристик, нуждается в балансе тока, расположенном на переходе между её сбалансированными и несбалансированными частями. Они часто встроены в антенны VHF и UHF (стаканы, колена и т. д.), Но они, как правило, являются отдельными элементами в ВЧ системах.

Без балансирования антенна сильно подвержена влиянию внешней стороны коаксиального экрана. Это означает, что энергия, передаваемая антенной, будет поступать в коаксиальный экран, который будет переизлучать ее и, таким образом, влиять на диаграмму направленности антенной системы.

Это также означает, что сигналы, собранные коаксиальным экраном, действующим в качестве антенны, будут уходить в антенну и передадутся на приемник.

=============

Jim Smith VE7FO