Как работает токовый балун 1:1

Как работает Гуанелла-Балун 1:1

В духе нашего хобби автор передаёт то, чему научился, и не утверждает, что знает ответы на все вопросы

1. Основная цель этой работы - объяснить, как работает конкретный трансформатор линии передачи (TLT), известный как 1:1 балун Гуанеллы. Три других часто используемых названия для описания этого балуна: “балун тока”, “балун изоляции” и “балун дроссельной заслонки”; автор предложил запомнить все четыре названия.

Гуанелла-балун 1:1 является базовым строительным блоком для других видов балунов Гуанелла-балун или унун (гуанелла-унун - это просто балун Гуанелла с основанием в разных местах; аналогичное утверждение для Рутрофф-унун невозможно сделать). Кроме того, автор включил "справочную" информацию, которая, как он подумал, может помочь в понимании.

 

2. О слове “балун”….Это означает “сбалансированный-несбалансированный”; Гуанелле (швейцарский инженер 1944 года рождения) нужно было подобрать сбалансированный (двухтактный) усилитель к несбалансированной нагрузке; отсюда и название. Однако в наши дни мы обычно переходим от несбалансированного усилителя к несбалансированной нагрузке антенны. Таким образом, “несбалансированный” был бы более подходящим термином, но мы застряли на балуне.

 

3. На данный момент наиболее важно полностью выбросить из головы концепцию обычного трансформатора и его потокосцеплений.

 

4a. В этом разделе рассказывается о самом первом балуне Guanella-1:1. В рамках своей опытно-конструкторской работы в 1944 году Гуанелла смотал линию электропередачи спиралью. Исторические записи, к которым автор получил доступ, скудны в деталях используемой им линии передачи, но разумно предположить, что он использовал coax (Heaviside запатентовал coax в 1880 году, а Bell Labs начала производить coax в 1929 году). При намотке лески Гуанелла намеренно сформировал дроссель, проводником которого была внешняя поверхность экрана коаксиального кабеля. Напомним, что скин-эффект действует на коаксиальный экран на радиочастотах, поэтому ток в линии передачи находится на внутренней поверхности экрана, а вредные “синфазные токи” и так называемый “антенный ток” находятся на внешней поверхности экрана. Именно дроссель ограничивает эти вредные токи; эти токи действительно вызывают ток в сердечнике. Как показал Гуанелла на своей схеме, этот дроссель расположен параллельно линии передачи.

 

Этот дроссель служит для изоляции входа от выхода и, таким образом, подавляет любой обычный трансформаторный ток и позволяет протекать току в линии передачи. Итак, вот и всё; у нас есть балун 1:1, изготовленный с воздушным сердечником, и в этом сердечнике нет линий тока от линий передачи.

4c. Без существенного снижения производительности можно модифицировать коаксиальную конструкцию W1JR для использования двухпроводной линии передачи, в которой два провода соединены вместе для поддержания желаемого характеристического сопротивления. На сайте, доступном по этой ссылке, приведён пример: http://www.balundesigns.com/servlet/the-98/isolation-choke-balun-common/Detail. В следующем абзаце этой работы содержится некоторое описание характеристик двухпроводных линий.

 

4d. Ещё одним оригинальным стилем “балуна тока" является балун с шариками W2DU, в котором коаксиальный кабель пропускается через ферритовые шарики для образования дросселей; несмотря на простоту концепции, необходим правильный выбор проницаемости сердечника, чтобы предотвратить разрыв сердечников из-за чрезмерного нагрева сердечников. (Примечание редактора: этот тип также имеет самые высокие потери)

 

5. Другой балун 1:1 - это “балун Рутроффа”; назван в честь изобретателя Bell-Labs в 1959 году. Другое название ”балуна Рутроффа“ - "балун напряжения”. На авторский взгляд, балун напряжения в целом уступает балуну Гуанелла.

 

6a. Мы можем изготовить балун Guanella-balun 4:1, соединив два идентичных балуна Guanella 1:1 таким образом, чтобы входы были параллельны, а выходы соединены последовательно в соответствии либо с Руководством ARRL 2007, либо с антенной книгой; замечание о том, что ни в одной книге нет текста о важности характеристического сопротивления линии передачи.

 

6b. Производительность повышается на более высоких частотах, если характеристическое сопротивление линии передачи balun установлено на оптимальном уровне.

При подключении 50-омного входа к 200-омной нагрузке пусть характеристическое сопротивление = 100 Ом.

При подключении 75-омного входа к 300-омной нагрузке пусть характеристическое сопротивление = 150 Ом.

 

6с. Балун Гуанеллы-балуна можно поменять местами. Итак, при подключении несимметричного 50-омного входа к сбалансированной 12,5-омной нагрузке для Yagi beam, пусть линия передачи balun имеет характеристическое сопротивление 25 Ом.

 

6d. В книге Севика “Трансформаторы линий передачи” со 2-го по 4-е издания есть несколько страниц с подробным описанием того, как создать коаксиальную линию с уникальным значением характеристического сопротивления (его таблица 4.1 варьируется от 12,5 до 35 Ом) и двухпроводные линии (его рисунок 5.2 варьируется от ~ 32 до ~ 175 Ом). Также предоставлены схемы / изображения / детали удивительно простого тестового оборудования, которое он использовал при тестировании своих кабелей и балунов.

 

6e. В случаях, когда с двухжильным 4:1 Guanella-balun могут возникнуть проблемы с пространством, весом или стоимостью, двухжильный 4:1 Guanella-balun можно подключить только к одножильному 4:1, если пользователь готов поменять частотные характеристики; точные компромиссы зависят от того, плавающая нагрузка или заземленная в средней точке.

 

7a. В целом, балун 1:1 является наиболее часто используемым балуном.

 

7b. Второе место по использованию занимают ранее упомянутые баллоны 4:1 (например, от 200 до 50 Ом), которые могут быть конструкции Guanella или Ruthroff; в пользу каждого подхода к проектированию можно привести веские аргументы.

 

7c. Читатель должен знать, что существует множество других вариантов соотношения импедансов, составленных из комбинаций балунов тока и / или напряжения; одно из применений - подбор вертикальных антенн.

8a. В TLT энергия передается от входа к выходу с помощью линии передачи

Хотя радиолюбители очень искусны в использовании линий передачи, таких как коаксиальный кабель или двухпроводная лестничная линия, для перемещения выходного сигнала передатчика к антенне, в балуне трудно думать о проводниках как о линиях передачи. Обычно думают, что это всего лишь два провода, намотанных на сердечник.

 

8b. Что касается линии электропередачи, в руководстве (август 1951 г.) говорится, что “... большая часть (около 90%) передаваемой энергии содержится в электромагнитных волнах, которые проводники линии направляют через пространство между ними. Как правило, менее 10% передаваемой энергии фактически приходится на проводники, из которых состоит хорошо спроектированная линия. ”

(Комментарий KM3K: я больше нигде не видел этих заявлений.)

 

8с. В линии электропередачи есть два проводника (разнесенных, как в двухпроводной линии или как в коаксиальной). Между двумя проводами существует электрическое поле. Каждый провод имеет своё собственное магнитное поле. Эти области связаны таким образом, который полностью понимает только Божественный Создатель, но Хевисайд, опираясь на работу Максвелла, смог выразить математически, и мы вообще не собираемся туда идти. Для двухпроводной линии энергия ограничена непосредственной областью вокруг этих проводов.

Для коаксиальной линии энергия ограничена между центральным проводом и экраном (при условии хорошего экрана). Электромагнитные сигналы, которые мы будем использовать, будут представлять собой поперечные электромагнитные волны (ТЕМ); то есть стандартные волны КВ и УКВ радиолюбительского диапазона.

 

9. TLT может быть изготовлен несколькими различными способами: a) намотка коаксиальных петель (что означает, что у нас воздушный сердечник),

b) намотка коаксиального или двухпроводного провода на тороидальный сердечник или ферритовый стержень. Цитируя доктора Севика  W2FMI (SK) о TLT, “... это одновременно дроссель (сосредоточенный элемент) и линия передачи (распределенный элемент)”. Тороидальный сердечник обладает повышенной производительностью по сравнению с другими методами, хотя другие методы обладают привлекательными свойствами, такими как простота намотки и стоимость.

 

10. В своей основополагающей статье ARRL 1985 года Рой Леваллен W7EL  ввёл термины “балун тока“ и "балун напряжения”. Вот ссылка; её полезно прочитать .... http: //www.eznec.com/Amateur/Articles/Baluns.pdfОба балуна работают в режиме линии передачи. Балун тока (Guanella) подаёт одинаковый ток на свои выходные клеммы; очень желаемая функция. Балун напряжения (Ruthroff) подаёт на свои выходные клеммы напряжения одинаковой величины.

 

11. Важно отметить впечатляющий частотный диапазон хорошо спроектированного токоизмерительного баллона. Ранее в этой работе автор предоставил ссылку на тороидальную обмотку с коаксиальным кабелем, которая является серийно выпускаемой токоведущей обмоткой 1:1 с напряжением 50 Ом, намотанной на тороидальный сердечник с коаксиальным кабелем, имеет полосу пропускания от 1 до 54 МГц с очень, очень низкими вносимыми потерями и очень высоким сопротивлением дросселирования. Полоса пропускания от 1 до 54 МГц с очень, очень низкими вносимыми потерями.( http://www.balundesigns.com/servlet/the-63/balun-designs-1-cln-1-Isolation/Detail)

 

12. Перемещение энергии в балуне от входа к выходу в режиме линии передачи на тороидальном сердечнике означает, что теоретически поток в тороидальном сердечнике отсутствует. На самом деле, поскольку мы не можем создать идеальную линию передачи, мы можем ожидать, что будет некоторый случайный поток, но далеко не такой величины, как от обычного трансформатора.

Легко понять, почему в хорошо изготовленном коаксиальном кабеле отсутствует поток. Но для двухпроводной линии передачи это может быть не так понятно.

 

Итак, вот почему в тороидальном сердечнике теоретической двухпроводной линии передачи нет потока: a) ток в каждом проводе одинаков, но течёт в противоположных направлениях; должен быть не в фазе 180 градусов. б) это означает, что магнитные поля, создаваемые этими токами, также противоположны и нейтрализуют друг друга повсюду, за исключением самой непосредственной области между двумя проводами. c) поскольку магнитные поля в значительной степени нейтрализуются повсюду, в сердечнике отсутствует суммарный поток, что, в свою очередь, означает отсутствие опасений по поводу насыщения сердечника и всех проблем, которые могут возникнуть.

 

13a. Если проектировщик балуна не проявит должной осторожности, балун может пропускать обычные трансформаторные токи, а не желаемые токи линии передачи. Намотка линии передачи на сердечник-тороид образует дроссель; отсюда и название “дроссельный балун”. Дроссель имеет реактивное сопротивление и служит для изоляции входа от выхода и предотвращения обычных трансформаторных токов; мы хотим, чтобы это реактивное сопротивление было как минимум в 5 раз (некоторые авторы говорят в 10 раз) больше сопротивления нагрузки. Хотя большее количество витков увеличивает реактивное сопротивление, это увеличивает паразитную ёмкость между обмотками, что ухудшает высокочастотные характеристики.

 

13b. В распределителе напряжения, несмотря на хорошие конструктивные решения, неизменно на более низких частотах будут обычные трансформаторные токи и сопутствующие потокосцепления в сердечнике; это приводит к снижению производительности в низкочастотном диапазоне (обычно более высокие вносимые потери).

 

14. Если балун тока 1:1 используется в системе с напряжением 50 Ом, то характеристическое сопротивление линии передачи, используемое в балуне, равно 50 Ом. Один из факторов в высокочастотном пределе балуна определяется тем, насколько близко к 50 Ом характеристическое сопротивление линии передачи; паразитные помехи обычно поглощаются, но могут быть и другим фактором.

 

15. Основное применение балуна тока 1:1 а) заключается в минимизации "инвертированного тока” в линии передачи, питающей дипольную антенну. Это предотвратит линию подачи излучения и предотвратит искажение диаграммы направленности антенны.

В сердечнике будет некоторый поток, но он будет незначительным из-за небольшого тока, вызывающего его. Эта проблема подробно рассмотрена в книге 2007 года ARRL Antenna-Book. б) приводите в действие сбалансированные антенны (например, дипольные или Yagi) с равными токами.

 

16. Краткий комментарий по поводу обозначений “1:4” и “4:1”; какое из них правильное? Читатель может увидеть соотношения импедансов, написанные автором как 1:4 или как 4:1. Из авторского чтения отмечено, что единственная согласованность - это несоответствие в обозначениях (даже у одного и того же автора). Итак, авторское личное правило - читать текст и извлекать из него то, что имеет в виду автор этого текста.

 

Автор выражает надежду, что это вызвало некоторый интерес и помогло коллегам-радиолюбителям.

 

73 Jerry Sodus КМ3К