Рис. 1.
О балунах (в данной статье под этим названием понимается трансформаторный переход между заземленным источником и нагрузкой, на обоих выводах которой присутствует ненулевое напряжение относительно земли с нулевым потенциалом) написано много. Даже слишком много. На мой взгляд, это говорит об отсутствии хорошо понимаемого объяснения когда и какой балун следует применять, и что мы выигрываем и теряем в каждом конкретном случае. А такое понимание необходимо, когда вы проектируете свою антенно-фидерную систему.
Кроме того, в большинстве публикаций о балунах в качестве их параметров приводятся только допустимая и мощность и КСВ. Но ничего не говорится о главном параметре балуна: степени подавление балуном паразитной синфазной составляющей. Т.е. о главном параметре балуна из-за чего он, собственно, и понадобился: сделать так, чтобы антенный ток протекал только по антенне и как дифференциальный в фидере, а паразитный синфазный ток был бы подавлен так, чтобы паразитные эффекты от него (излучение фидера, помехи, паразитное ВЧ напряжению на корпусах приборов, сбои компьютеров) были бы минимальны.
Статья ниже чисто теоретическая. В ней сделана попытка сравнения характеристик разных балунов с коэффициентом трансформации 1:1 на практических антенных нагрузках. Для единообразия получаемых результатов все балуны моделировались в симуляторе LTspice от фирмы Analog Devices (одного из ведущих мировых производителей электронных компонентов). LTspice имеет несколько старомодный интерфейс и не очень интуитивно понятное управление, но зато работает очень качественно и позволяет глубоко изучить практически любую схему. И к тому же официально бесплатен. Советую обратить на него внимание всем, интересующимся электроникой (во всяком случае, не поленитесь открыть хотя бы некоторые из имеющиеся там демонстрационных файлов, там есть весьма любопытные).
Но вернемся к нашим балунам. В антенно-фидерном тракте балун практически может понадобиться в трех случаях (можно выдумать и больше, но экзотику сознательно пропускаю):
Случай А.
Между симметричной (или очень близкой к таковой) антенной с невысоким КСВ (условно говоря, ниже 3) и её коаксиальным фидером.
Это может быть λ/2 диполь одного диапазона, набор таких диапазонных диполей соединенных параллельно, рамка и т.п.
Причем антенна должна быть расположена более-менее симметрично относительно окружения. Потому что близко расположенное и сильно асимметричное окружение (мачты, провода, стены, дома, деревья и т.п.) перекосит антенну электрически за счет разной емкости плеч антенны на него).
Случай B.
Между коаксиальным фидером и асимметричной антенной с невысоким КСВ (условно говоря, ниже 3). Чаще всего это диполь и\или вертикал с точкой питания, смещенной от пучности тока.
Отличие в случая А в том, что тут асимметрия антенны является не паразитным эффектом, а заложена конструктором. А объединяет случаи А и B то, что КСВ в точке питания относительно невысок (поэтому и можно применить коаксиальный фидер, т.к. при высоких КСВ потери в коаксиале резко растут), а балун стоит в точке питания.
Случай C.
Между нижним концом симметричной линией питания (чаще всего воздушной двухпроводкой), идущей вниз от любой симметричной антенны и несимметричным тюнером в шеке. Чаще всего так добиваются приемлемой работы одной антенны в нескольких диапазонах, т.к. КПД высокоомной линии остается высоким даже при больших КСВ, что позволяет менять размеры под местные условия (не теряя её симметрии, конечно), не теряя диапазоны и КПД.
Вариант этот удобен, поэтому многие несимметричных тюнеры имеют встроенный балун для подключения двухпроводной линии.
Для нас здесь важно, что в данном случае балун работает в тракте с высоким КСВ, т.е. при значительных реактивностях, напряжениях и токах.
Ниже рассмотрим работу балунов на три разные антенные нагрузки:
Точно симметричная. Нагрузки половинок резисторы по 25 Ом каждый.
Слегка асимметричная. Нагрузки половинок разные:
Эта нагрузка (если вы не узнали её в таком описании)– полуволновый диполь диапазона 14 MHz, точка питания которого смещена от центра на 0,5%λ. Причем смещение это не обязательно механическое (сложно ошибиться на 10 см, отрезая провод 5,2 м – т.е. одно плечо диполя), а может быть электрическим. Например одно плечо механически точно симметричного диполя ближе к земле (и\или стене дома и\или какому-то металлу или проводам), чем другое. Кстати, так чаще всего и бывает на практике: симметрично сделанная КВ антенна электрически будет слегка асимметрична из-за разного влияния окружения на её половинки.
Сильно асимметричная. Нагрузки половинок разные:
Такой импеданс половинок имеет полуволновый диполь диапазона 14 MHz, точка питания которого смещена от центра на 5%λ (т.е. на 1 m).
Обратите внимание, что по дифференциальному (полезному, антенному току) две последние нагрузки имеют чисто активное входное сопротивление. Реактивности половинок взаимно компенсируют друг друга (конденсатор с катушкой образуют последовательный резонансный LC контур) на частоте 14 MHz.
Поэтому при измерении антенным анализатором на входных клеммах антенны мы получим чисто активные сопротивления 72,3 Ома (33,7 + 38,6) 86 Ом (17 + 69) соответсвенно.
Но для анализа влияния асимметрии надо знать полный импеданс каждой из половинок антенны по отдельности. Но измерить его простыми средствами нельзя.
Но можно вычислить, если в модели временно оставить только одну половинку изучаемой антенны, а вместо второй сделать сплошную землю. Иначе говоря, разместить половинку антенны вертикально над идеальной землей.
Результаты таких расчетов для прямых проволочных половинок (длины электрические) показаны на рис. 1 (активная часть импеданса) и 2 (реактивная для двух разных отношений длины проводника к его диаметру l/d).
Он также известен под названиями "токовый балун" и "разязывающий дроссель".
Двухобмоточный балун, включенный в схему измерения ослабления синфазной составляющей, с разными вариантами нагрузки показан на рис. 3. Резистор R1 в модели предназначен для измерения синфазного тока, резисторы R2 и R3 и элементы С1 L3 изображают импеданс обеих половинок антенны (т.е. полезную нагрузку). Модели этого раздела.
На этом же рисункe приведены частотные графики напряжения на резисторе R1. То есть подавление балуном паразитной синфазной составляющей. Или иначе говоря, качество работы балуна: чем ниже уровень синфазной составляющей, тем лучше балун.
Из рис.3 мы видим, что подавление плавно нарастает с частотой. Т.е. двухобмоточный балун ведет себя как дроссель. Величины подавления слабо зависят от вида нагрузки: график слегка асимметричной нагрузки почти не отличается от симметричной и мало отличается в ВЧ части от сильно асимметричной (улучшение в НЧ области для этой нагрузки связано с ростом импеданса С1 и связанным с этим общим уменьшением тока от источника). Для обеих асимметричных нагрузок наиболее показательно смотреть только на частоту 14 MHz (где обе половинки нагрузки резонируют).
Коэффициент связи между обмотками k близкий к 1 (для которого рассчитаны данные рис. 3) достижим только при наличии ферритового сердечника. Для воздушного трансформатора он будет меньше.
Для трансформатора без сердечника k обычно лежит в пределах 0,8 (плохо связанные обмотки с проводами в толстой изоляции и\или большим шагом на большом расстоянии)... 0,93 (обмотки плотно прижаты друг к другу, например два толстых провода в лаковой изоляции намотка виток к витку).
У готового двухобмоточного балуна коэффициент связи довольно просто измерить. Любым измерителем индуктивности, работающим на интересующей частоте (низкочастотные измерители тут не годятся, я пользовался SARK-110 в режиме определения параметров катушки) делаются два измеренеия. Сначала измеряется индуктивность L1 одной обмотки (считается, что они обе одинаковы). Потом индуктивность L2 двух обмоток, включенных последовательно. Коэффициент связи k между обмотками равен:
Но вернемся к моделированию.
На рис. 4 повторены те же расчеты, что и на рис. 3, но для коэффициента связи между катушками 0,9 (это соответствует воздушному трансформатору хорошего качества).
Подавление синфазной составляющей получилось несколько хуже, чем на рис. 3, но результаты близкие.
Вывод. Для двухобмоточного балуна подавление синфазной составляющей с ростом асимметрии нагрузки и ухудшением связи между обмотками (т.е. без сердечника) хотя и снижается, но не намного.
Посмотрим теперь осциллограммы напряжений и токов при разных нагрузках.
Для симметричной нагрузки 25 + 25 Ом на рис. 5 показаны напряжения и токи в обоих половинках нагрузки (зеленый и синий графики), напряжения на входе балуна (красный) и голубым напряжения и токи асимметрии (в резисторе R1).
Видно, что наш балун исправно работает: токи и напряжения в половинках нагрузки одинаковы, а небольшая разница (асимметрия) уходит в R1.
Пoдключим теперь к балуну асимметричную нагрузку 10 + 40 Ом без реактивности. Это, например четвертьволновый GP с четвертьволновыми противовесами, лежами на земле. Входной импеданс самого штыря чисто активен и около 40 Ом. Противовесы, будучи резонансными, тоже не имеют реактивности, а 10 Ом это сопротивление потерь в грунте. Для этой нагрузки картинки токов и напряжений (цвета те же самые, что и на предыдущем рисунке), показаны на рис. 6.
Тут уже интереснее. Токи в половинах нагрузки по прежднему остались почти равными (нижняя часть рис. 6). А напряжения хоть и остались точно противофазными, но различаются по амплитуде вчетверо (что логично, т.к. вчетверо отличаются сопротивления половинок). И, несмотря на разные напряжения в токи асимметрии (через R1) по прежднему малы (голубой график). Т.е. балун обеспечил питание коаксиальным кабелем нагрузки, на обеих выводах которой есть напряжения относительно земли.
Следующая нагрузка это сильно асимметричная из раздела Условия анализа, или проще говоря, полуволновый диполь с плечами 0,3λ и 0,2λ. Токи и напряжения в ней показаны на рис. 7 (цвета графиков те же, что и на предыдущих двух рисунках).
Токи в половинках уже заметно на глаз отличаются (забегая вперед, скажу, что это от маловатой для таких нагрузок индуктивности обмоток балуна), но остаются противофазными. Напряжения на половинках же сильно отличаются по амплитуде и фазовый сдвиг между ними (зеленый и синий графики верхней части рис. 7) совсем не 1800, а ближе к 00. Это неудивительно, т.к. реактивности импедансов половинок имеют разный знак, а токи через них почти одинаковы. Удивительно другое: даже при таком значительном перекосе импедансов (и по величине, и по фазе) симметрирование остается терпимым: размах голубых графиков токов асимметрии в несколько раз меньше, чем полезных дифференциальных (и близких по амплитуде) токов в половинках нагрузки.
Вывод. Двухобмоточный балун может успешно применяться даже на сильно асимметричных нагрузках.
Об индуктивности обмоток. Точное вычисление индуктивности обмоток для получения заданного подавления довольно сложно. Но для ориентировочной (и на мой взгляд, достаточной для практики) оценки можно использовать следующее правило:
В двухобмоточном балуне для достижения уровня подавления асимметрии 20 dB реактивное сопротивление обмотки должно быть вдесятеро выше, чем модуль полного импеданса половинки нагрузки (наибольшее значение из двух половинок, если они различаются). Т.е. индуктивность обмотки должна быть довольно большой.
Правило это выведено на основании анализа моделей разных нагрузок. У него есть и довольно прозрачное объяснение (очевидное на импедансах без реактивности): ток асимметрии делится между реактивным сопротивлением обмотки балуна и импедансом половинки нагрузки. При отличии их в 10 раз мы и получаем делитель вдесятеро, т.е. 20 dB.
Поскольку в КВ диапазоне требуемые индуктивности получаются довольно велики: до десятков uH, то собственный резонанс обмоток балуна может оказать заметое влияние в верхней части КВ диапазона. На рис. 8 показано это влияние, частота собственного резонанса катушек на этом рисунке около 24 MHz.
На резонансной частоте обмоток и вокруг неё подавление синфазной составляющей значительно возрастает. Причина: для синфазного тока обмотка действует уже не как индуктивность, а как фильтр-пробка.
Поэтому в многодиапазонном балуне резонансную частоту обмоток имеет смысл устанавливать 75% ... 85% от верхней. А в однодиапазонном – в середину полосы. Если собственная резонансная частота обмоток выше требуемой, то понизить её можно подключая параллельно обеим обмоткам небольшие конденсаторы.
О КСВ. Если двухобмоточный балун намотан питающим коаксиальным кабелем (что чаще всего и бывает), то КСВ в кабеле не меняется. В самом деле: полезный дифференциальный ток протекает внутри кабеля (по центральной жиле и внутренней стороне оплетки) и никакие действия с внешней стороной оплетки (например, скручивание её в катушку) на ток внутри кабеля не влияют. Из-за скин эффекта, толщина которого много меньше толщины оплётки, по внутренней и внешней сторонам оплетки текут разные токи. Как если бы это были две изолированные трубки разных диаметров, соединенные между собой только в начале и конце кабеля.
Если балун намотан не коаксиалом, а двумя проводами, то он вносит в дифференциальную линию дополнительную индуктивность:
где:
L1 – одной обмотки;
k – коэффициент связи между обмотками.
При k = 1 вносимой в линию индуктивности нет. Но близкий к 1 k можно получить только при намотке проводов на качественный феррит, работающий во всем требуемом диапазоне частот.
А при снижении k вносимая индуктивность быстро растёт. Например, балун с k = 0,9 (воздушный балун намотанный парой проводов) и L1 = 12 uH внесет в линию 2,4 uH. Это может заметно увеличить КСВ.
Он также известен под названием "балун напряжения".
Трехобмоточный балун, включенный в схему измерения ослабления синфазной составляющей, с разными вариантами нагрузки (симметричная, слегка асимметричная, сильно асимметричная) показан на рис. 9.
Отличие трехобмоточного балуна от предыдущей схемы только одно: добавлена компенсирующая обмотка L3. Но она существенно меняет работу балуна.
Резистор R1 на рис. 9 предназначен для измерения синфазного тока, резисторы R2 R3 и элементы С1 L3 изображают импеданс обеих половинок антенны (т.е. полезную нагрузку). Модели этого раздела.
На этом же рисункe приведены частотные графики подавления балуном паразитной синфазной составляющей.
Из рис.9 мы видим, что при точно симметричной нагрузке и коэффициенте связи между обмотками k = 1 балун ведет себя как сбалансированный мост, вообще не пропускающий ток в середину нагрузки. Подавление очень велико.
Но стоит немного нарушить баланс моста асимметрией нагрузок, как подавление резко падает до скромных 10 ... 15 dB.
Тот же эффект уменьшения подавления синфазной составляющей (хотя и в меньшей степени) происходит если уменьшить связь между катушками балуна.
На рис. 10 повторены те же расчеты, что и на рис. 9, но для коэффициента связи между катушками 0,9 (это соответствует хорошему воздушному трансформатору).
При симметричной нагрузке подавление снижается до 15 ... 30 dB (по сравнению с рис. 9). При асимметричных нагрузках подавление уменьшается меньше, на единицы dB. Что показывает, что в данном случае основное ухудшение идет от асимметрии нагрузок, а не от ослабления связи между катушками балуна.
Вывод. Трехобмоточный балун обеспечивает очень высокое подавление токов асимметрии. Но только на симметричных нагрузках. При сколь-нибудь заметной асимметрии нагрузки применение такого балуна лишено смысла. Снижение коэффициента связи между обмотками балуна существенно ухудшает подавления синфазной составляющей.
Графики напряжений и токов для этого балуна точно такие же, как и у четырехобмоточного балуна, описанного ниже. Если очень хочется увидеть их прямо сейчас – перейдите в следующий раздел и посмотрите.
Т.к. в трехобмоточном балуне обмотки работают только как трансформатор, а не как дроссель, то им не нужна столь большая индуктивность, как в двухобмоточном балуне.
В трехобмоточном балуне для КСВ по входу не выше 1,5 реактивное сопротивление обмотки должно быть ~ равно модулю полного импеданса половинки нагрузки (наибольшее значение из двух половинок, если они различаются)..
Если КСВ не очень важен (например, балун стоит между тюнером и двухпроводной линией), то индуктивность обмоток может быть еще меньше.
Из-за того, что в рассматриваемом балуне индуктивность мала и не влияет на подавление тока асимметрии не отмечается заметного влияния собственного резонанса обмоток балуна.
На мой взгляд, применение трехобмоточного балуна в фидерном тракте ограничено случаем А (т.е. между симметричной антенной с не очень высоким КСВ и коаксиальным фидером). Причем, в этом случае балун должен быть c сильной связью между обмотками, т.е. намотан на ферритовом сердечнике.
На худой конец его можно применить и в случае С, т.е. между симметричной двухпроводной линией и несимметричным тюнером. Но тут возникнет проблема. Поскольку здесь балун будет работать с высокими импедансами (КСВ в линии может быть высоким), то на нём возможно возникновение значительных ВЧ напряжений. Которые (особенно при высокой мощности TX) могут загнать ферромагнитный сердечник в насыщение. Отчего тот будет греться и гореть. Поэтому в трактах с высоким КСВ лучше обходиться без ферритов (нет, если применить большой и хороший, но именно поэтому дорогой, сердечник и не увлекаться киловаттами, то все будет нормально).
А если сердечник не применять и сделать воздушный трансформатор, то это снижает коэффициент связи между катушками. А в случае трех обмоток почти невозможно сделать одинаковые и высокие коэффициенты связи между всеми тремя обмотками (получается разное расстоние между обмотками 1 и 2 и 1 и 3). Что нарушает баланс трехобмоточного балуна и снижает подавление.
И хотя радиолюбители применяют трехобмоточные балуны без сердечника (например SM2YER), но проблему воздушного балуна лучше решить по-другому. Этим мы займемся в следующем разделе о четырехобмоточном балуне.
А в этом нам осталось только разобраться с КСВ трехобмоточного балуна. Тут много общего с КСВ двухобмоточного балуна. Но есть и различия.
Даже если первые две обмотки трехобмоточного балуна намотаны питающим коаксиалом (что делается часто), то компенсирующая обмотка L3 может повысить КСВ при коэффициент связи между обмотками k < 1. Что вполне может случиться, если балун намотан без сердечника, а L3 имеет вид витков, прижатых к катушке из кабеля.
При намотке на ферритовом сердечнике k близок к 1 (при хорошем сердечнике, работающем во всей полосе без заметных потерь и не заходящем в насыщение) и влияния на КСВ нет.
Трехобмоточный балун без сердечника, намотанный в три провода (например) вносит в дифференциальную линию дополнительную индуктивность. Её величина определяется той же формулой, что и для двухобмоточного балуна:
где:
L1 – одной обмотки;
k – коэффициент связи между обмотками.
Формула хотя и та же, но в результатах есть разница. Поскольку индуктивность обмотки L1 трехобмоточного балуна намного ниже, чем у двухобмоточного, то вносимая индуктивность будет небольшой. Например, балун с k = 0,9 (воздушный балун намотанный в три провода) и L1 = 2 uH внесет в линию только 0,4 uH.
Если мы посмотрим на рис. 9 и 10, то увидим, что для хорошей работы трехобмоточного балуна ВЧ напряжения на компенсирующей катушке L3 должно быть равно напряжению на L1 (для чего нужен и коэффициент связи между обмотками, равный 1). Но в воздушном трансформаторе он будет меньше, особенно в трехобмоточном, где коэффициент связи меньше, чем в двух обмоточном. Поэтому напряжение на L3 получается меньше. Поэтому точного баланса уже не получается и подавление падает (сравните правые верхние графики рис. 9 и 10).
Решим этот вопрос иначе. Оставим двухобмоточный трансформатор L1, L2 как есть (только намотав его с предельно возможной связью между обмотками, которая в любом случае будет выше, чем в трехобмоточном). А вместо компенсирующей катушки сделаем еще один (отдельный) двухобмоточный трансформатор. Первичную обмотку которого подключим параллельно L1 (и поэому на ней будет точно такое же напряжение, как и на L1), а вторичную (перевернув фазу) используем как компенсирующую обмотку.
Результат показан в нижнем левом углу рис. 11. На этом рисунке показано сравнение трех- и четырехобмоточного балуна с коэффициентами связи между обмотками 0,9 (т.е. воздушных) и слегка асимметричными нагрузками 30 Ом + 25 Ом
Хорошо видно преимущество четырехобмоточного балуна: выигрыш в подавлении синфазной составляющей составляет от 7 до 20 dB.
На рис. 12 и 13 приведены графики ослабления синфазной составляющей четырехобмоточным балуном, с разными вариантами нагрузки (симметричная, слегка асимметричная, сильно асимметричная). На этом же рисунке приведены частотные графики подавления балуном паразитной синфазной составляющей.
Модели этого раздела.
Графики рис. 12 повторяют графики рис. 9 (я даже сомневался стоит ли их вообще давать), что лишний раз говорит о близком родстве трех- и четырехобмоточного балунов.
А графики рис. 13 (коэффициент связи 0,9) показывают лучшие результаты, чем на рис. 10 (причем , чем меньше асимметрия нагрузки, тем больше выигрыш четырехобмоточного балуна).
Обещанные осциллограммы напряжений и токов при разных нагрузках (они точно такие же, как и у трехобмоточного балуна) показаны на рис. 14, 15 и 16. Цвета на этих рисунках: напряжения и токи в обоих половинках нагрузки (зеленый и синий), напряжения на входе балуна (красный) и голубым напряжения и токи асимметрии (в резисторе R1).
Из рис. 14, 15 и 16, видно что балун напряжения (и трех- и четырехобмоточный) изо всех сил старается выровнять напряжения на половинках нагрузки. И ему это удается. Поэтому, если нагрузка симметрична, то токи в ней одинаковы и подавление синфазной составляющей очень хорошее. А если нагрузка несимметрична, то равные напряжения на её разных половинках приводят к совершенно разным токам. И симметрия нарушается.
Вывод. Четырехбмоточный балун обеспечивает очень высокое подавление токов асимметрии на симметричных нагрузках. При заметной асимметрии нагрузки применение такого балуна лишено смысла.
В четырехобмоточном балуне (в отличие от трехобмоточного) небольшое снижение коэффициента связи между обмотками (т.е. воздушные трансформаторы) и небольшая (до нескольких %) асимметрия нагрузки хотя и ухудшают подавления синфазной составляющей, но оставляют его приемлемым для практического применения.
КСВ четырехбмоточного балуна нас волновать не должен. Потому что единственно разумное применение такого балуна это случай С т.е. между выходом несимметричного тюнера и симметричной линией. А в этом месте всё, что вносит балун будет скомпенсировано тюнером.
А внести он может заметную реактивность при выполнении его в виде двух воздушных трансформаторов с небольшой индуктивностью обмоток (кстати, для полосы 7.... 30 MHz оптимальная индуктивность около 1 uH).
Если же применить этот балун на нагрузке с невысоким КСВ, то его полоса может быть огромной с очень низким КСВ. Но для этого транформатор L1, L2 должен быть намотан кабелем 50 Ом, а трансформатор L3, L4 - в два параллельных кабеля 50 ом (т.е. с линией с волновым сопротивленим 25 Ом). В таком испольнении получается широкополосный трансформатор на длинных линиях, полоса которого снизу ограничена индуктивностью обмоток, а сверху – только КСВ нагрузки. Такую схему применяют, например, в выходных каскадах мощных транзисторных передатчиков. А в антеннах я не могу представить себе симметричной широкополосной нагрузки с низким КСВ (кроме логопериодических УКВ антенн, но их симметрируют по-другому).
В классической радиотехнике для передачи ВЧ сигналов между каскадами, имеющими разный потенциал (в том числе и высокочастотный) относительно корпуса, применяется развязывающий трансформатор. Полезный сигнал передается с одной обмотки на другую через магнитную связь, а другой связи (кроме небольшой паразитной емкостной) между обмотками нет.
C той же самой целью развязывающий трансформатор применяется и в фидерном тракте антенн. К первичной обмотке подключается несимметричная нагрузка (коаксиал, например). А вторичная "висит в воздухе", поэтому к ней может быть подключена любая антенна: и симметричная и асимметричная.
Достоинства и недостатки развязывающего трансформатора в фидерном тракте определяются тем, что это простой (не широкополосный, не на длинных линиях) трансформатор. Соответственно, его полоса невелика (не больше 2 ... 4 соседних диапазонов) и определяется конструктивом и сердечником , а паразитное просачивание сигнала через межобмоточную емкость ухудшает развязку с ростом частоты.
Развязывающий трансформатор, включенный в схему измерения ослабления синфазной составляющей, с разными вариантами нагрузки показан на рис. 17. Конденсатор С1 изображает межобмоточную емкость. назначение остальных элементов такое же как и на предыдущих рисунках. Модели этого раздела.
На этом же рис. 17 приведены частотные графики напряжения на резисторе R1 ( т.е. подавление паразитной синфазной составляющей. Межобмоточная емкость 5 pF и коэффициент связи между обмотками 1 соответсвуют небольшому трансформатору на ферритовом сердечнике, например, такому.
Как видно из рис. 17 подавление синфазной состаляющей довольно высокое на всех нагрузках. И хотя оно падает с частотой (из-за паразитного просачивания сигнала через C1), но остается больше 20 dB до 30 MHz.
На рис. 18 повторены те же расчеты, что и на рис. 17, но для коэффициента связи между катушками 0,9 и межобмоточной емксотью C1 = 10 pF (это соответствует воздушному трансформатору из двух катушек, намотанных одна внутри другой).
Тут подавление стало хуже (из-за бо́льшей С1). Подавление выше 20 dB держится только ~ до 18 MHz.
Для развязывающего трансформатора на ферритовом сердечнике (k =1 , C1 = 5 pF) осциллограммы напряжений и токов для симметричной нагрузки 25 + 25 Ом показаны на рис. 19. Напряжения и токи в обоих половинках нагрузки (красный и синий графики), напряжение на входе балуна (зеленный) и голубым напряжения и токи асимметрии (в резисторе R1).
Токи и напряжения в половинках почти нагрузки одинаковы и точно противофазны, а небольшая разница (асимметрия) уходит в R1.
Следующая нагрузка это сильно асимметричная из раздела Условия анализа, или проще говоря, полуволновый диполь с плечами 0,3λ и 0,2λ. Токи и напряжения в ней показаны на рис. 20 (цвета графиков те же, что и на предыдущем рисунке).
Напряжения на половинках сильно отличаются по амплитуде и фазовый сдвиг между ними (красной и синий графики верхней части рис. 7) совсем не 1800, а ближе к 00. Это неудивительно, т.к. реактивности импедансов половинок имеют разный знак. Но токи через них почти одинаковы по амплитуде и противофазны. Удивительно другое: даже при таком значительном перекосе импедансов (и по величине, и по фазе) симметрирование остается терпимым: размах голубых графиков токов асимметрии в несколько раз меньше, чем полезных дифференциальных (и близких по амплитуде) токов в половинках нагрузки. Следовательно, развязывающий трансформатор может применяться даже на сильно асимметричных нагрузках.
Используя приведенный выше анализ, подытожим области применения описанных балунов.
Четырехобмоточный балун без сердечника. Применяется при большой мощности для перехода от симметричной линии, питающей симметричную антенну с высоким КСВ, на несимметричный тюнер (случай С). Других применений нет, но в этом применении конкурентов не имеет.
Достигается подавление паразитного синфазного тока более 30 dB во всей полосе КВ (имеется в виду, что антенна висит не в слишком асимметричном окружении, небольшую асимметрию прощает). Кстати говоря, самодельная воздушная двухпроводная линия почти всегда слегка асимметрична из-за механической болтанки провода между распорками и возможной неодинаковости длины проводов из-за изгибов линии (это особенно ощущается на 24 ... 28 MHz, где разница в несколько см в физической длине проводов линии уже дает заметный электрический перекос).
Мощность ограничена только толщиной проводов и термостойкостью каркасов обоих трансформаторов.
Недостаток: требуется много хорошего медного провода и места под большие катушки.
Четырехобмоточный балун на ферритовых сердечниках. Применяется только при требованиях ослабления синфазного тока более чем на 50 dB во всей КВ полосе на точно симметричной нагрузке. У радиолюбителей подобные требования отсутствуют. Видимо поэтому мне не известны случаи использования такого балуна в любительских атеннах.
Трехобмоточный балун без сердечника лучше не применять. Вместо него лучше по всем параметрам (кроме габаритов) будет четырехобмоточный балун без сердечника. А если габариты являются определяющим параметром, то применение такого балуна (типа SM2YER) может иметь смысл:
Трехобмоточный балун на ферритовом сердечнике. Одна из самых применяемых вещей для перехода от симметричной нагрузки (антенна, линия) на коаксиальный кабель или несимметричный тюнер (случаи А и С).
Но нагрузка должна быть строго симметричной. И антенна (в том числе и её окружение в радиусе хотя бы полволны), и линия (лучше если она промышленная, частично в пластике). Даже небольшой перекос нагрузки существенно снизит подавление синфазной составляющей.
Любой ферритовый сердечник имеет свой предел (насыщение) по магнитному полю. Поэтому надо следить, чтобы не загнать сердечник в насыщение (и как следствие перегреть). Т.е. не допускать на обмотках чрезмерно больших ВЧ напряжений, которые могут быть при большой мощности и\или высоких КСВ. Поэтому применяемый феррит должен быть достаточно большим и из материала, способного работать во всей требуемой полосе. Кроме того, даже качественные сердечники имеют потери, которые хотя и очень небольшие при правильной эксплуатации, но КПД балуна не повышают.
Двухобмоточный балун применяется очень широко. Он способен ослабить синфазные токи даже сильно асимметричной нагрузки.
Основной минус: требуется большая индуктивность обмоток (намного большая, чем в трех- и четырехобмоточных). Для подавления паразитных синфазных токов на 20 dB реактивное сопротивление обмотки должно быть вдесятеро выше, чем модуль полного импеданса половинки нагрузки (наибольшее значение из двух половинок, если они различаются), см. рис. 1 и 2. Для получения нужной индуктивности часто приходится использовать ферритовые сердечники, со всеми их сопутствующими минусами: потерями в сердечнике и ограничением ВЧ напряжения на обмотках, чтобы не загнать сердечник в насыщение (см. предыдущий пункт, про ограничения в применении ферритов). В случае относительно узкой полосы частот улучшить подавление без роста индуктивности можно конденсаторами, подключенными параллельно обмоткам балуна. Так, чтобы резонансная частота получившихся контуров (т.е. резонансная частота балуна) была бы чуть ниже максимальной рабочей частоты. Если балун намотан коаксиальным кабелем, применяется только один конденсатор. Его выводы подключаюся к оплётке в начале и в конце обмотки балуна.
Другой минус является следствием первого: двухобмоточные балуны неважно работают на высоких импедансах половинок нагрузки. Вернее работают они точно также, но для хорошего подавления приходится увеличивать индуктивность пропорционально росту модуля импеданса половинок нагрузки.
Двухобмоточные балуны применяются везде, где не требуется очень высокое подавление (условно говоря, ~20 dB является достаточным) и импедансы половинок нагрузки невысоки (или высоки, но конструктора не пугает большая индуктивность обмоток балуна или установка конденсаторов параллельно обмоткам). Это:
Переход от питающего коаксиального кабеля на симметричную антенну с небольшим КСВ, т.е. случай A. Хотя трехобмоточный балун на феррите тут справится лучше. Но двухобмоточный проще (витки питающим кабелем) конструктивно, чем и подкупает.
Если нужны только ВЧ диапазоны, то требуемая индуктивность достигается несколькими витками питающего кабеля без использования ферритового сердечника. Так, например, бюджетно симметрируют диполи на ВЧ КВ диапазоны.
На НЧ диапазонах ферриты необходимы. Причем ферриты такие, которые работают на выбранных частотах именно как индуктивность, а не как поглотитель. Посмотрите в мануале производителя частотные свойства материала выбранного феррита. Падение μ с частотой это нормально, т.к. индуктивность с ростом в двухобмоточном балуне частоты может падать (ведь импеданс обмотки растет с частотой). А заметные тепловые потери (они часто маскируются в графиках как вносимое активное сопротивление) тут недопустимы. Т.к. из-за них во-первых рухнет КПД балуна, во-вторых разогретый феррит может проплавить намотанный на нём кабель.
Переход от питающего коаксиального кабеля на асимметричную антенну с небольшим КСВ, т.е. случай B. Но надо понимать, что чем асимметричнее антенна, тем больше должна быть индуктивность обмоток балуна.
Причем индуктивность балуна определяет не сама асимметрия антенны, а модуль полного импеданса половинки нагрузки (наибольшее значение из двух половинок, если они различаются), см. рис. 1 и 2. А модуль импеданса половинки КСВ может быть весьма высоким и у асимметричной антенны с низким КСВ, и у симметричной с высоким КСВ. А индуктивное сопротивление двухобмоточного балуна должно быть вдесятеро выше. Что может привести к чрезмерно большому весу и размерам двухобмоточного балуна.
Из этого, кстати, следует, что в случае С применять двухобмоточный балун неразумно из-за его больших габаритов, которые в этом случае потребуются. Исключение: узкополосный балун с конденсаторами, параллельными обмоткам.
Между коаксиальным фидером, по оплетке которого протекают не полностью подавленные у антенны (или наведенные её излучением) синфазные токи, и выходом передатчика. Как бы мы не старались наверху у антенны ослабить затекание ВЧ тока на внешнюю сторону оплетки коаксиального кабеля, подавление синфазного тока остается конечным. И даже небольшой ток, приходящий вниз по оплетке, может быть причиной проблем с приборами радиостанции.
Пример. Передатчик 100 W, коаксиальный фидер, хороший балун на антенне с подавлением синфазной составляющей 32 dB (т.е. в 40 раз). После такого подавления по внешней стороне оплетки пойдёт ток 50 mA. Это не очень много, но при определенных условиях может привести к сбоям компьютера, управляющего трансивером (например, из-за наводок на USB порт). Дополнительный двухобмоточный балун на феррите между антенным выходом TRX и коаксиалом (проще говоря, несколько витков антенным кабелем на феррите у выхода TRX) с ослаблением 20 dB снизит ВЧ ток, втекающий в корпуса приборов радиостанции до 5 mA.
В этом применении из-за исходно небольших синфазных токов (мы боремся с их остатками, которые невелики) КПД балуна не важен. Поэтому тут с успехом можно применять помехоподавляющие ферриты с большими активными потерями.
Как развязывающий дроссель подавления помех излучаемых и принимаемых межприборными кабелями. Вариант очень близок предыдущему и, строго говоря, это уже не балун (хотя и работает точно так же) и не антенно-фидерный тракт.
Но ферритовые помехоподавляющие трубки на множестве различных соединительных кабелей в шеке и витки этими кабелями на ферритовых кольцах служат той же цели, что и балун: уменьшению до приемлемых величин паразитных ВЧ токов, гуляющих там, где их быть не должно (корпуса, оплетки, питающая сеть и т.п.).
Развязывающий трансформатор хорошо работает и на симметричной, и на асимметричной нагрузке (особенно на НЧ, где, в отличие от двухомоточного балуна, дает высокое подавление и не требует большой индуктивности обмоток).
Развязывающий трансформатор с ферритовым сердечником (следить, чтобы не загнать феррит в насыщение: тут вся ВЧ мощность передается через сердечник) работает в полосе нескольких соседних диапазонов. Без сердечника (воздушный) – в 1 ... 2 соседних диапазонах.
Кроме того, развязывающий трансформатор (в отличие от всех остальных, рассмотренных в этой работе) позволяет трансформировать импеданс просто меняя число витков одной из обмоток. Но при этом растет межобмоточная емкость, что снижает верхнюю частоту трансформатора.
Области применения:
Переход от питающего коаксиального кабеля на симметричную антенну с небольшим КСВ, т.е. случай A. Примеры: трансформатор с ферритом и воздушный трансформатор.
Переход от питающего коаксиального кабеля на асимметричную антенну с небольшим КСВ, т.е. случай B. Например, асимметричный многодиапазонный диполь (с одновременной трансформацией сопротивления). Но надо понимать, что чем асимметричнее антенна, тем меньше должна межобмоточная емкость развязывающего трансформатора.
Причем требования к уменьшению межобмоточной емкости определяет не сама асимметрия антенны, а модуль полного импеданса половинки нагрузки (наибольшее значение из двух половинок, если они различаются), см. рис. 1 и 2. А модуль импеданса половинки КСВ может быть весьма высоким и у асимметричной антенны с низким КСВ, и у симметричной с высоким КСВ.
Вариант случая С, когда входная реактивность импеданса линии предварительно компенсируется катушкой или конденсатором, а развязывающий трансформатор служит для перехода на коаксиал.
В антеннах, требующих очень хорошей развязки по синфазному току, воздушный развязывающий трансформатор может служить первым каскадом подавления. Вторым каскадом используется, как правило, двухобмоточный балун.