Trefwoorden

 

Balun soorten

Onbalans?

Stroom balun

Antenne balun

Impedantie?

Systeemanalyse

Balun

(Eerder gepubliceerd Electron #4, 2007)

 

 

 

Inleiding

 

Bijna zolang als er over radio(zenders) en antennes wordt gesproken, is het onderwerp 'balun' in de belangstelling geweest. Enerzijds doordat de reden voor het gebruik van een balun bij een antenne met een zekere 'magie' is omhult, anderzijds omdat de balun-'magisters' zelf zo hun stokpaardjes hebben waar moeilijk met rationele argumenten tegenin is te gaan. Ook nu nog is de aard en toepassing van een balun bij antennes een regelmatig terugkerend onderwerp op de 'banden' en in de radio-amateur bladen. Het lijkt daarom nog steeds een goed idee om enkele zaken rondom deze component eens op een rijtje te zetten.

 

 

Soorten balun en toepassing

 

Het is goed om allereerst eens te kijken naar de reden(en) voor toepassing van een balun.

Het woord 'balun' is een samentrekking van het Engelse balance to unbalance transformer; een transformator dus, die een ongebalanceerde 'systeem' verbindt met een gebalanceerd 'systeem'. Deze 'systemen' komen we in de radiotechniek regelmatig tegen, denk maar aan een (a-)symmetrische microfoon naar een (a-) symmetrische ingang, in-en uitgangskoppelingen van balansversterkers en natuurlijk ook de koppeling van een (a-)symmetrische zenderuitgang naar een (a-)symmetrische antenne. In al deze gevallen is het begrip 'balun' van toepassing maar wordt in de verschillende situaties steeds op een specifieke wijze benaderd.

 

-  In de situatie van de gebalanceerde versterker is het meestal belangrijk dat de beide versterker-'helften' op hun ingang ieder een gelijke- en tegengestelde (symmetrische) stuurspanning t.o.v. een zekere referentie krijgen aangeboden. Het gaat hier dus om een spanning-symmetrische aansturing t.o.v. (HF-)aarde.

-  In de situatie van de symmetrische antenne gaat het om een gelijk- en tegengestelde (symmetrische) stroom in elk van de dipool helften, die samen het mooie, torusvormige stralingsdiagram opleveren.

 

Het blijkt dat elk van deze situaties zijn eigen, optimale oplossing kent zodat we ons tevoren goed moeten realiseren welk 'probleem' we eigenlijk willen oplossen.

 

In vrijwel alle radioamateur koop transceivers komen we een opeenvolging van balanceringen tegen als we het 'systeem' beschouwen vanaf de zender-eindversterker tot aan de antenne. Het uitgangsvermogen van de zender wordt met een balansversterker en een (breedbandige) balun omgezet naar de a-symmetrisch antenne aansluiting. Meestal volgt nu een a-symmetrische voedingskabel (coax) naar de antenne, in veel gevallen een (symmetrische)  dipool, die weer vooraf gegaan wordt door (breedbandige) balun. Dit is dus een dubbele omzetting, waarvan het tweede gedeelte doorgaans door ons zelf moet worden opgelost.  

 

Deze opstelling is zo gegroeid na de laatste wereld-oorlog, toen veel coaxmateriaal uit de legerdump beschikbaar kwam omdat deze kabel nu eenmaal gemakkelijker te hanteren was onder  wisselende (veld-)omstandigheden, waar de (militaire-)apparatuur snel operationeel moest zijn. Vóór deze periode en voor grotere vermogens nog vele jaren daarna werden symmetrische zenderversterkers vaak met een symmetrische aanpassing en via symmetrische antenne klemmen met de buitenwereld verbonden, waarna met symmetrische voedingskabel (vaak zelfgemaakte 600 Ohm lijn), een wederom symmetrische antenne (dipool) werd aangesloten.

 

De voors en tegens van diverse voedingssystemen zijn meer uitgebreid behandeld in het verhaal "Waar blijft de PEP" en blijkt voor een belangrijk deel samen te hangen met de hoogte van de impedantie van de aan te sluiten antenne.

 

 

Waarom onbalans

 

In dit verhaal gaan we eens kijken naar baluns die bedoeld zijn om een symmetrische antenne aan te sluiten op een a-symmetrische voedingskabel. Zoals we hiervoor al opmerkten is het hierbij de bedoeling dat in beide helften van de symmetrische antenne een gelijke stroom gaat lopen.

 

Je kunt je afvragen waarom stromen in verder gelijke antenne delen ongelijk zouden zijn. Het blijkt echter dat de mooie symmetrische HF-antennes, waarvan we de grootheden (b.v. aansluitimpedantie, stralingsdiagram) zo goed kunnen uitrekenen met de antenne berekeningsprogramma's (Eznec, Mmana), in de praktijk helemaal niet zo perfect symmetrisch hoeven te zijn.

Dit is meestal een gevolg van allerlei obstakels in de omgeving van deze antenne, denk aan de nabijheid van bomen, draden die eenzijdig over/ langs daken lopen, verschillende grondsoorten / vochtgehalte onder verschillende delen van de antenne enz.

Een twee belangrijke reden voor a-symmetrie is de aansluitkabel zelf. Zou de dipool antenne direct op de coaxkabel worden aangesloten, dan 'ziet' de ene helft van de antenne de midden-geleider van de voedingskabel terwijl de andere dipoolhelft is aangesloten op de mantel. De binnenader van een coaxiale kabel is sterk gekoppeld met de (binnenzijde van de) mantel, en zullen daarom gelijke-, maar tegengestelde stromen voeren. De buitenzijde van de mantel speelt daarin geen rol, maar hangt wel als een 'extra draad' aan één van beide dipoolhelften, die daardoor  een heel andere 'relatie' met de omgeving krijgt.    

 

Omdat de geleiders in een transmissielijn onderling sterk gekoppeld zijn, kunnen eventuele verschilstromen door  ongelijke dipool helften alleen nog via de buitenzijde van de mantel terug vloeien waardoor deze zal gaan 'stralen' met storing in de eigen apparatuur en bij de buren tot gevolg. Omgekeerd leidt deze situatie er ook toe dat de buitenzijde van de mantel als ontvangstantenne gaat werken, en daarmee allerlei storingen oppikt uit de eigen omgeving en die van de buren (denk aan computers), als we hiertegen tenminste geen maatregelen nemen. We zoeken dus een functie die de gelijke stromen die in de voedingskabel lopen, ook kan 'afdwingen'in de niet-zo-gelijke dipoolhelften. Dit is de functie van een stroomtransformator, die in zijn eenvoudigste 1 : 1 vorm ook wel mantelstroom smoorspoel genoemde wordt. 

 

 

De stroombalun

 

In een stroombalun zijn de geleiders onderling zodanig met elkaar gekoppeld, dat een stroom in de ene geleider, een stroom in de andere geleider doet vloeien, die hieraan gelijk en tegengesteld is. Een voorbeeld van zo'n systeem vinden we in een 'stroomtransformator', zie figuur 1.

 

 

Beschrijving: Beschrijving: Beschrijving: Stroom trafo

 

Een stroom transformator heeft twee gelijke wikkelingen, die onderling zeer vast zijn gekoppeld. De stroom i1, die bij punt A de transformator binnen gaat, doet hierin een stroom lopen, die bij C de transformator weer verlaat. De stroom door de wikkeling A-C induceert een gelijke maar tegengestelde stroom in de wikkeling D-B, die als i2 bij punt B de transformator weer verlaat.

 

Deze gelijke, en tegengestelde stroom, doet over de weerstand Rb een spanning u2 ontstaan, die gelijk is aan

u2 = i1 (= - i2) x Rb . Omdat de transformator twee gelijke windingen heeft (met gelijke impedanties), ontstaat er aan de ingang ook weer een spanning u2 = u1. Deze 'stroom'-transformator dwingt dus steeds twee gelijke stromen te doen lopen, mits alle stroom i1, die de transformator in gaat, ook gedwongen wordt weer terug te lopen als i2 door de andere spoel van de transformator, en niet via een andere weg (b.v. aarde) weer terug kan naar de generator.

 

Iets dergelijks gebeurt ook bij een transmissielijn. Ook daar zijn de geleiders onderling sterk gekoppeld omdat het hele elektromagnetische veld wordt gedwongen om binnen de transmissielijn te blijven lopen. Kijken we als voorbeeld eens op dezelfde wijze naar zo'n transmissielijn in figuur 2.

 

 

Beschrijving: Beschrijving: Beschrijving: Transmissielijn als stroomtrafo

 

We zien hier een transmissielijn, waarvan we weten dat, als deze wordt afgesloten met zijn karakteristieke impedantie Rb, er voor zorgt dat de spanning van de generator U gelijk is aan de spanning op de belastingsweerstand (afgezien van kabeldemping) en ook dat de ingaande stroom van de generator, gelijk en tegengesteld is aan de stroom die via de (gekoppelde, binnenzijde van de) mantel weer terug vloeit naar diezelfde generator. In onze voorstelling is dit wederom waar, zolang er geen 'lek' stroom vloeit via de buitenzijde van de mantel. Als we de transmissielijn 'oneindig' lang maken zal deze lekstroom inderdaad zeer klein kunnen worden.

Dit 'ideaal' van de oneindig lange transmissielijn kunnen we benaderen door de impedantie van (de buitenzijde van de) mantel een hoge waarde te geven.

 

Voor het veld binnen de transmissielijn maakt het niet uit hoe deze transmissielijn zal gaan lopen; recht, krom of in een cirkel. Als we de transmissielijn dus oprollen tot een spoel zal deze al zijn eigenschappen volledig behouden, maar krijgt de buitenmantel een toenemende impedantie naarmate de frequentie hoger wordt. We kunnen eventueel de impedantie van deze mantelspoel nog verder verhogen door deze van een (ferriet) kern te voorzien en daarom winden we deze mantelspoel b.v. graag om een ferriet ringkern (de stippellijntjes boven de 'coax'). Er is nu voor de stroom die de transmissielijn in gaat geen andere weg meer terug dan via de (binnen-)mantel en dus hebben we weer de stroomtransformator gekregen als in figuur 1, waarbij i1 noodgedwongen gelijk en tegengesteld is aan i2. 

 

 

De balun aan de antenne

 

Met de informatie van hiervoor kijken we nu naar een (symmetrisch) antennesysteem dat gevoed wordt met een transmissielijn en een stroom balun, zoals in figuur 3.

 

 

Beschrijving: Beschrijving: Beschrijving: Transmissielijn balun

 

De generator is nu onze transceiver geworden, die de antenne voedt met een (coaxiale) transmissielijn en daarna onze balun. De antenne is volledig ontkoppeld van de transmissielijn door de hoge impedantie van de buitenmantel die tot een spoel is opgerold, al dan niet op een spoel-(ferriet)kern. De stroom die door de transmissielijn naar de antenne wordt gevoerd loopt nu ook weer terug (in tegenfase) door de binnenmantel zodat de twee dipool elementen in de vorm van de halve stralingsweerstanden gevoed worden met gelijke, en in tegenfase, stromen.

 

We zien nu ook onmiddellijk in wat er gebeurd als b.v. een van de twee halve stralingsweerstanden een extra impedantie naar aarde zou vertonen, b.v. door capaciteit naar de omgeving (dakgoot). Omdat de stromen door de coax volledig gekoppeld zijn, zal de stroom in de andere geleider toch weer gelijk zijn aan die door het element-met-extra- impedantie waardoor de symmetrie gehandhaafd blijft.

Aan de balun stellen wij dus de eis dat de heen en teruggaande stromen altijd gelijk en in tegenfase zijn, ongeacht de misschien niet helemaal gelijke 'halve' stralingsweerstanden.

 

De beste test voor zo'n balun is daarom deze te onderzoeken onder volledige onbalans condities, d.w.z. met de andere geleider geaard dan die aan de generator zijde. Als ook dan de tussenschakel demping (insertion loss) laag blijft en ook de SWR, als de andere zijde wordt afgesloten met de juiste impedantie (maar 'omgekeerd' geaard), dan voldoet deze aan onze meest extreme eisen.

 

 

Welke impedantie

 

Aan de impedantie van Zmantel stellen we daarom de eis, dat deze zo hoog is t.o.v. de belastingsimpedantie (Rant), zodat de 'lek' stroom door deze mantel onbelangrijk wordt t.o.v. de stroom door Rant. Ook in de maximaal ongebalanceerde situatie zal deze mantel-lekstroom dan nooit een significant deel van de antennestroom kunnen voeren en daarmee een onderdeel gaan vormen van de ontvangst / zend antenne.  In de praktijk blijkt dat wanneer de impedantie van de 'mantel' een factor 4 hoger is dan de systeem impedantie, juist aan deze systeemeis is voldaan. De stroom door deze parasitaire impedantie is dan een factor vier lager dan de antennestroom. Omdat het vermogen schaalt met het kwadraat van de stroom, zal het opgenomen (verlies-)vermogen in deze component dan ook altijd kleiner zijn dan 1/16e deel van het antennevermogen (< 6,7 %)!

 

Een dipool antenne die in resonantie is op de werkfrequentie vertoont een lage aansluitimpedantie, doorgaans tussen 40 en 80 Ohm, afhankelijk van de hoogte boven de grond en de grondsoort. Hier boven zagen we dat voor een goede, balancerende werking, de impedantie van Zmantel minimaal vier maal zo hoog moet zijn en daarom in het bereik van 150 - 300 Ohm moet liggen.  Deze waarde is relatief gemakkelijk te bereiken met diverse soorten spoelen, zowel met als zonder kern materiaal.

 

Een niet-afgestemde antenne zal op de werkfrequentie een aansluitimpedantie vertonen die gemakkelijk vele honderden Ohm kan bedragen en zelfs nog hoger. Om in deze situatie ook aan het minimum criterium voor een effectieve mantelspoel te voldoen is een heel stuk moeilijker. In amateur toepassingen wordt hier vaak te weinig aandacht aan besteed met verbrande balun transformatoren (of erger) tot gevolg.

 

 

Systeem analyse

 

Het loont daarom de moeite om bij (breedband) antennes een goede indruk te krijgen van de optredende impedanties over het toepassingsbereik, voordat hiervoor een balun wordt berekend. Ook bij aanschaf van een balun als kant-en-klare 'fabriekscomponent' dient men zich te vergewissen van het gespecificeerde (frequentie, impedantie) bereik voordat men deze in een willekeurig antennesysteem toepast. Dit voorkomt teleurstelling in de toepassingsresultaten en schade aan het station.

 

Een goede analyse van de combinatie balun / tuner werd eind jaren '90 gemaakt door Kevin Schmidt, W9CF. In deze analyse worden de relevante systeemgrootheden met elkaar in verband gebracht en wordt berekend welke eisen er aan de balun wordt gesteld in een hoog-Ohmige systeem omgeving. Verder wordt hierin een methode aangegeven om zelf de systeemparameters te kunnen meten en berekenen. Het verhaal is te vinden op: 'Putting a balun and a tuner together'.

 

 

Voor commentaar, vragen en opmerkingen ben ik altijd bereikbaar.

 

Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl