COAX BALUN 1 : 4 en 1 : 1, MAKEN EN TOEPASSEN

(EVENTUEEL 1 ÷ 6 en 1 ÷ 9)

 For eng version click on flag

20- nov-2019

BALUN 1 ÷ 4

Een luchtgewonden balun gemaakt met coaxkabel kan niet in verzadiging raken omdat er geen poederijzer of ferriet kern aanwezig is.

Het systeem bestaat uit twee gelijke lengtes coaxkabel (fig») die aan de ene kant parallel en aan de andere kant in serie geschakeld zijn. Met 50 Ω of 75 Ω coaxkabel betekent dat er een transformatie plaats vindt van respectievelijk 25 Ω : 100 Ω en 37.5 Ω : 150 Ω.

Wil men een exacte 50 Ω : 100 Ω verhouding hebben, dan zijn twee stukken coaxkabel van 100 Ω nodig. Men kan ook vier gelijke lengtes van 50 Ω nemen en dan twee aan twee parallel schakelen zodat er twee paren van 100 Ω (fig») ontstaan. Daarna worden van de paren het begin parallel en het einde in serie geschakeld.

Overigens zal een overzetverhouding 1 ÷ 4 alleen opgaan als er een reële Ohmse impedantie (geen +j of -j) van de juiste waarde aangeboden wordt. Het balanceren voor een afwijkende complexe impedantie blijft goed, maar het is dan zelfs mogelijk dat er niet omhoog maar omlaag getransformeerd wordt. Daarom is deze balun alleen geschikt om met een asymmetrische tuner een gebalanceerde belasting zoals een openlijn aan te passen.

Op deze wijze gemaakt, verkrijgt men een balans transformator of balun met een bijna perfect gebalanceerde uitgang is mijn ervaring. Het principe is (figuur b) getekend met twee gekoppelde spoelen bestaande uit 1 × A en 2 × B. De tweede A spoel (afscherming) doet niet mee omdat deze kortgesloten is.

In de eerste tekening is te zien dat er door kabel A geen en door kabel B wel een fase draaiing plaats vindt. Om in en uitgang van B voldoende van elkaar te scheiden zou een stuk van ¼ golflengte nodig zijn. Door nu een korter stuk kabel op te rollen ontstaat voor de buitenmantel een isolerende smoorspoel, ook wel mantelsmoorspoel of choke balun genoemd. Omdat van de kortgesloten spoel A in en uitgang in fase zijn hoeft dit geen spoel te zijn, maar kan eventueel apart gemonteerd worden. Om het geheel compact te houden is kabel A ook opgerold op dezelfde spoelvorm. PAØSE heeft in ELECTRON diverse artikelen aan de theorie van deze balun gewijd en daarom zal hier meer de praktische kant en toepassing belicht worden.

BALUNS VERGELIJKEN

De balancering van beide baluns ontlopen elkaar niet veel.

Een coax balun en ON7FU balun zijn met elkaar vergeleken met mijn (fig») huidige antenne. De test werd gedaan met 100 Watt met de balun tussen JC-4 en het HF stroomsysteem met twee meters. Men ziet dat beide baluns niet van elkaar onderdoen om van asymmetrisch een goed symmetrisch systeem te maken.
De stroom in de beide geleiders van de openlijn is niet altijd gelijk omdat mijn dipool  qua lengte weliswaar symmetrisch is, maar elektrisch gezien niet op alle banden twee gelijke helften heeft.
Omdat er geen kern gebruikt wordt, hoeft men zich geen zorgen te maken of het kernmateriaal wel geschikt is voor het zendvermogen op de desbetreffende amateurband. U kunt deze kernlose balun beschouwen als een zeer goede overgang van asymmetrisch naar symmetrisch en het verschil met de 1 ÷ 1 balun van ON7FU is gering.
Deze door Stockcorner geleverde balun is van mix 31 ferriet gemaakt en is volgens de opgeplakte sticker geschikt voor 1200 Watt PEP zendvermogen.
Gedurende ongeveer een uur heb ik de ON7FU balun met 500 á 600 Watt als volgt getest:
Steeds van band wisselen en de JC-4 laten afstemmen. Dat gaat snel met onderbrekingen om op de set de band te veranderen en de tuner te activeren. Naar mijn mening kan deze methode vergeleken worden met een intermitterend bedrijf zoals een operator die ongeveer een uur een SSB QSO voert. De kunststof behuizing van de balun werd warm en dat komt waarschijnlijk door het opwarmen of heet worden van de (ring?)kern.  Verder is de balancering goed.

BALUN 1 ÷ 1

Ook is het mogelijk om op dergelijke wijze een 1 ÷ 1 balun te maken, zie bovenstaande tekeningen.

NAAR KEUZE 1 ÷ 4 OF 1 ÷ 1

Het volgende ben ik nog niet in een publicatie tegengekomen, want met een schakelaar (fig») is het mogelijk om over te gaan van een verhouding 1 ÷ 4 naar 1 ÷ 1. Het komt nogal eens voor dat het begin van een openlijn een lage impedantie heeft. Een 1 ÷ 1 balun geeft dan een gunstiger aanpassing voor de tuner, waardoor een beter rendement verkregen wordt.

CONSTRUCTIE

Mijn bouwsel (voor binnenshuis zie boven) wijkt af van het door PAØSE gepubliceerde model. Het een en ander was het resultaat van experimenteren nadat een artikel in Technical Topics in RadCom van RSGB gelezen was. Het is frappant dat onafhankelijk van elkaar beide constructies hetzelfde geworden zijn. De kabels (RG-213/U) zijn tegendraads gewikkeld op een 12.5 cm diameter vorm en naar binnen gebracht op zodanige wijze dat alle uiteinden zo dicht mogelijk bij elkaar uitkomen. Dat laatste bevordert de symmetrie in hoge mate en vermindert de toegevoegde zelfinductie van de onderlinge verbindingen. De punten van lage impedantie liggen bij elkaar en van hoge impedantie met lange toevoerdraden uit elkaar. Met het nadeel van langere verbindingen kunnen de spoelen kunnen ook op twee aparte kokers aangebracht worden.

Voor het bereik van 10 t/m 20 m en 10 t/m 80 m zijn respectievelijk 2 × 1.5 m en 2 × 3 m genoeg. Heeft u 75 Ω kabel gebruik dat dan want de verliezen daarmee zijn minder dan met 50 Ω coaxkabel.

Het grotere model op een PVC buis van 16 cm doorsnede werd in een later stadium voor een vriend gemaakt. Het kleine model heeft een eigen zelfinductie van 33 µH parallel aan de voedingslijn en dat is bij het grotere model ongeveer 60 µH.

SWR

De SWR aan de ingang van zo'n balun zal over het algemeen een lage waarde vertonen als de uitgang wordt afgesloten met een inductievrije weerstand van 200 Ω. Bij de balun was, ondanks een zo goed mogelijke constructie, de SWR betrekkelijk hoog toen een 200 Ω weerstand met 2.5 cm lange aansluitdraden aan de uitgang werd bevestigd. Het laagst was SWR = 1 bij 2.5 MHz en het hoogst SWR = 5.6 bij 15.08 MHz.

De "vreemde" uitkomsten zijn het resultaat van een balun die geen impedantie heeft van 50 Ω ÷ 200 Ω maar van 25 Ω ÷ 100 Ω omdat in plaats van 100 Ω er 50 Ω (RG213) coaxkabel gebruikt werd! Het zal duidelijk zijn dat het niet een ideale balun is voor een breedbandige aanpassing van een reële 50 Ω aan een reflectievrije 200 Ω belasting.
Als koppeling tussen ATU en voedingslijn is dat geen beletsel en wordt alleen de belangrijkste eigenschap gebruikt namelijk: het bijna perfect symmetrisch overdragen van een asymmetrisch signaal.
Er zijn "deskundigen" die een netwerkanalysator op zo'n balun los laten, de uitkomst van de test niet kunnen interpreteren en dan rondbazuinen dat het systeem niet goed is. Hebben zij het eigenlijk wel met een antennesysteem geprobeerd in niet in een laboratorium?

 Voorbeelden van een aantal zelfgemaakte 1 : 1 baluns. De rechter kan geschakeld worden voor 1 ÷ 4 of 1 ÷ 1.

CONSTRUCTIE MET RINGKERNEN

Het formaat van de balun kan sterk gereduceerd worden met geschikte ringkernen, bij voorbeeld type 4C6 en 4C65. Probeer om zoveel mogelijk windingen van bij voorbeeld (PTFE) RG58 coaxkabel op de kernen aan te brengen en verbindt de uiteinden volgens de tekening aan elkaar. Het vermogen dat deze combinatie aankan hangt sterk af van het formaat ringkern en het kernmateriaal.

Als er maar één kern gebruikt wordt, dan moet de tweede coaxkabel of het tweede paar windingen tegengesteld op de kern aangebracht worden, zoals dat zo goed mogelijk op de tekeningen afgebeeld is. In feite hetzelfde systeem als de tegengestelde windingen van coaxkabels op één kunststof pijp.

BALUN & CHOKE BALUN

Een nog beter isolerend effect bereikt men door het toevoegen van een mantelstroom filter (choke balun). Breng daartoe ongeveer 3 meter extra coaxkabel aan door dat als spoel onder de balun te wikkelen. In feite is dat het laatste gedeelte van de coaxkabel tussen ATU en balun. PE1FGG volgde dat advies op en monteerde tevens in de spoelvorm een relais om op afstand te kunnen kiezen uit een 1 ÷ 4 of een 1 ÷ 1 overzet verhouding. Rechtsboven ziet u de omschakelbare balun gedurende een testperiode en rechts het witte "artistieke" eindproduct. Zijn bevindingen:

YAESU FT-897.

Output 30-60 W PSK.

Antenne G5RV JUNIOR.

Met 1 ÷ 4 ingeschakeld kan de interne tuner FC-30 (SWR 1 : 3 max. 16.5 - 150 Ω) op 40/30/20/17/12/10 m alles aanpassen. Alleen op de 15 m band is een uitwendige ATU nodig.

TOEPASSING

Prof. Mike Underhill, G3LHZ bedacht het systeem om een dipool («fig) over een breed spectrum af te stemmen via een coaxkabel en een 1 ÷ 4 balun in het voedingspunt. Een geschikte tuner voor HF banden kan dan in zijn eenvoudigste vorm bestaan uit één rolspoel en één condensator. De SWR in de coaxkabel is bij zijn ontwerp lager dan een systeem waarbij de voedingslijn rechtstreeks aangesloten wordt op het voedingspunt. G3LHZ noemt de balun om de SWR in een eerste stap omlaag te brengen, een pre-match unit (PMU) en de afstembare ATU een final match unit (FMU)

Mijn gedachte was dat verliezen nog minder worden wanneer de balun niet in het voedingpunt maar aan het begin van een openlijn (fig») komt. De voedingslijn dient voor zover de locatie het toelaat zo lang mogelijk te zijn. Uitgebreide proeven hebben bij mij aangetoond dat het meeste verlies ontstaat in de verbinding tussen tuner en balun. Staat de balun vrijwel direct met een stukje coaxkabel achter de asymmetrische tuner geschakeld, dan is de antennestroom hetzelfde alsof het systeem aangepast wordt met een symmetrische tuner. Dan maakt het in veel antennesystemen niet uit voor welke aanpassing gekozen wordt, maar met het verlengen van de coaxkabel nemen de verliezen van asymmetrische systeem toe. Zie ook de toepassing in het artikel Antenne Potpourri.

IMPEDANTIE BALUN

Een belangrijk aspect dat vaak onderbelicht wordt, is de zelfinductie van de balunspoelen. Voor een goede overdracht van HF energie moet de zelfinductie van de secundaire spoel (in Ω) vier tot vijf maal zo groot zijn als de aan te passen impedantie. Mijn balun had een zelfinductie van 32 µH aan de openlijn kant. Dat is op 3.5 MHz, Z = 2ΠfL = 2 Χ Π Χ 3.5 Χ 32 = 704 Ω (Π = pi).

Omdat de antenne niet in resonantie is, werkt een openlijn als transformator. Stel nu dat er aan het begin van de voedingslijn op 80 m een impedantie is van 600 Ω. Daar staat dan («fig) 700 Ω van de balun aan parallel. Het zal duidelijk zijn dat er ongeveer de helft van het zendvermogen in de vorm van warmte in de balun verdwijnt. Op 40 m is de waarde 1400 Ω, op 20 m 2800 Ω etc. Hoe hoger de frequentie hoe beter het wordt. In dit voorbeeld waarbij de impedantie aan het begin van de openlijn gesteld werd op 600 Ω, vindt een effectieve overdracht op 80 m alleen plaats als de "weerstand" van de balunspoel parallel aan het begin van de openlijn 600 × 5 = 3000 Ω is. Dat is een zelfinductie van 136 µH. Het zal nu wel duidelijk zijn dat bij veel amateurs er behoorlijk wat vermogen in hun systeem in warmte omgezet wordt omdat de balun een te lage eigen "weerstand" of zelfinductie heeft!

LENGTE DIPOOL

Mijn ervaring met deze balun is dat de lengte van een halve dipool plus de lengte van voedingslijn ongeveer 27 m (26.5 -27.5 m) moet zijn voor 10 t/m 80 m. Met deze afmeting wordt aan de balun een niet te lage of te hoge impedantie aangeboden. Bij de bekende G5RV zou de voedingslijn dan ongeveer 11.5 m moeten worden.

De verliezen in het hele systeem zijn dan laag omdat een tuner niet zo veel hoeft te doen. Vaak kan een interne tuner van een moderne set het systeem afregelen op een SWR = 1. Een eenvoudige asymmetrische ATU volstaat ook en het was met mijn toenmalige antenne mogelijk om op 8 banden te werken met een FRI-match antennetuner. Dat was bij een dipool van 2 × 13.5 m met een voedingslijn van 13.5 m.

Om ook op 160 m met zo min mogelijk verliezen te kunnen werken, moet de voorgestelde afmeting van 27 m ongeveer 54 m (= L1 + L2) worden.

Bij mijn huidige inverted V antenne (fig») waren de ingebouwde tuner van een TS-450 en de externe automatische tuner van een TS-50 in staat om de antenne op alle banden van 10 tot en met 80 m aan te passen.

BALUN 1 ÷ 6, 1 ÷ 9

Er werd mij gevraagd of het ook mogelijk is om een overzet verhouding te maken van bij voorbeeld 1 ÷ 6 of 1 ÷ 9. Dat is goed wel mogelijk, hoewel ik dat zelf nog niet gedaan heb. Men moet de juiste tap op de afscherming van de kabels bepalen. Alleen de taps van de linker kabel in de tekening doen mee aan de berekening.

VAN 3 BAND NAAR 5 BAND

Balun 1 : 4 om een 10/15/20 m trap Yagi (FB13 + director FB23) ook voor de WARC banden te kunnen gebruiken.

Om de minimale lengte van een antenne met Underhill's systeem te testen werd geëxperimenteerd met een 2el Yagi voor 10, 15 en 20 m. De antenne is een FB13 met een director van een FB33. Daarvoor maakte ik een 4 ÷ 1 balun van 2 × 1.5 m RG-58 Teflon 50 ? coaxkabel, alles gewikkeld op een 32 mm diameter grijze kunststof pijp en waterdicht opgeborgen in een standaard rioleringspijp met deksels. Deze balun verdroeg zonder problemen gedurende 15 minuten een draaggolf vermogen van 1 kW.

Als vaste referentie voor het vergelijken van de verschillende configuraties van de tekening diende een PA3… /MM station in het middellandse zeegebied. Elk jaar gedurende een aantal maanden werd daarmee vrijwel dagelijks een verbinding gemaakt. Voor hem was ik met mijn twee elementen Yagi altijd een van de sterkste stations in Nederland.

Van de Yagi, in figuur a is slechts de dipool getekend. Werd het trapsysteem vervangen door een dipool (fig b) van gelijke lengte en gevoed met 1 ÷ 4 balun, dan was ik zwakker dan met (fig a) de originele beam. Vervolgens werd een halve golf (fig c) voor 20 m met 1 ÷ 4 balun gemonteerd en dat was weer even sterk als vroeger. Tenslotte werd de originele trap dipool weer teruggeplaatst en gevoed met 1 ÷ 4 balun. Er werd geen verschil vastgesteld met de originele Yagi, alleen was het nu mogelijk om met behulp van een tuner uit te komen op 10, 12, 15, 17 en 20 m. Als bijzonderheid kon op 15 m gewerkt worden zonder tuner en met ongeveer 20 m coaxkabel was de SWR < 1.5 op die band.

Deze 4 : 1 balun werd als experiment aan mijn 2el 3 banden Yagi gemonteerd in de plaats van een 1 : 1 balun.

Als experiment is deze "multiband antenne" met een tuner afgestemd op 80, 40, 30 m en er zijn ook verbindingen mee gemaakt. Dat ging op 30 en 40 m zelfs verassend goed. Op 80 m kreeg ik een keer een rapport van S7 terwijl een station uit Amsterdam met een antenne van 2 × 6 m bijna niet te nemen was.

CONCLUSIE

Vooral voor bewoners van flats of andere locaties met beperkingen, is het een poging waard om het Underhill systeem eens te proberen. Maak de openlijn zo lang mogelijk en de coaxkabel zo kort mogelijk. Ook zij die in het bezit zijn van een antenne voor de pre WARC periode, kunnen met geringe kosten en extra werk hun antenne ook op de WARC banden gebruiken.

De coax balun in dit artikel is een van de beste mij bekende transformators als het op symmetrisch voeden aan komt.

ANDERE ANTENNES

De balun is eveneens goed te gebruiken met G5RV en FD3 en FD4, vooral als de set een interne tuner bezit. Lukt het daarmee niet, verleng of verkort dan de 50 Ω voedingskabel tussen balun en tuner.