Рис. 1. Коэффициент связи между обмотками 1,0.
Эта статья является продолжением предыдущей "Balun 1:1 в фидерном тракте", с которой весьма желательно ознакомиться до чтения этой.
Раздел Постановка задачи предыдущей статьи относится к этой работе полностью.
А раздел Условия анализа – почти полностью. За теми исключениями, что нагрузки тут другие:
Точно симметричная нагрузкой это последовательное соединение двух резисторов по 100 Ом Ом каждый.
Асимметричная – последовательное соединение двух половинок:
Примерно такой импеданс половинок имеет полуволновый диполь диапазона 14 MHz, точка питания которого смещена от центра на ~0,14λ (т.е. с плечами 8,2 m и 2,1 m).
По дифференциальному (полезному, антенному току) последняя нагрузка имеет чисто активное входное сопротивление ~200 Ом. Но для анализа влияния асимметрии надо брать полный импеданс каждой из половинок антенны по отдельности.
Есть два подхода создания таких балунов.
Балун 1:4 с фазоинвертором. Идея состоит в том, что низкоомный несимметричный вход прямо подключается к одной из половинок симметричной нагрузки. А к другой её половинке подключается сигнал с того же несимметричного входа, но пропущенный через фазоинвертор (который меняет фазу на 1800, оставляя неизменной амплитуду). В результате суммарное напряжение на нагрузке возрастает вдвое (т.е. сопротивление повышается вчетверо) и получается точное симметрирование (если фазоинвертор хороший и не вносит ничего лишнего от себя).
Именно по этому принципу работает симметрирующее U-колено. В качестве фазоинвертора там используется λ/2 отрезок линии. Это неплохой фазоинвертор (амплитуду он почти не меняет, только чуть уменьшает на затухании в линии), но только в относительно узкой полосе (фазовый сдвиг 1800 обеспечивается только на частоте, где электрическая длина линии точно полволны). Поэтому U-колено работает очень хорошо, но только на однодиапазонных антеннах.
В сосредоточенных балунах в качестве фазоинвертора используют трансформатор 1:1 на обмотках с электромагнитной связью.
Обычный трансформатор (со связью между обмотками только через магнитный поток сердечника) с отношением витков между вторичной и первичной обмотками 2:1. Это работает, но есть сложности с полосой и заметным паразитным влиянием межобмоточной емкости.
Двухобмоточный балун 1:4, включенный в схему измерения ослабления синфазной составляющей, с разными вариантами нагрузки показан на рис. 1. Связанные катушки L3, L4 это трансформатор-фазоинвертор с двумя одинаковыми обмотками. С2 его межобмоточная емкость.
Резистор R1 в модели предназначен для измерения синфазного тока, резисторы R2 и R3 и элементы С1 L1 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.1 мы видим, что подавление синфазной составляющей на симметричной нагрузке практически идеальное (больше 100 dB). Что неудивительно: мы поставили идеальный трансформатор-фазоинвертор, поэтому напряжения на половинках симметричной нагрузки точно равны по амплитуде и точно противофазны. Поэтому в середине нагрузки они полностью взаимно компенсируются.
На несимметричной нагрузке трансформатор-фазоинвертор тоже пытается выровнять напряжения на обоих половинках нагрузки. Но половинки очень сильно различаются по импедансам. Поэтому при равных напряжениях токи в них сильно отличаются (и по амплитуде и по фазе от точной противофазности). И ничего похожего на симметрирование не происходит (нижняя половина рис. 1): ослабления синфазной составляющей нет. На асимметричной нагрузке такой балун не работает.
Коэффициент связи между обмотками k близкий к 1 (для которого рассчитаны данные рис. 1) достижим только при наличии ферритового сердечника (хотя точной идеальности трансформатора-фазоинвертора все равно не получится: за счет ограниченных частотных свойств сердечника на высоких частотах точная противофазность будет нарушаться).
На рис. 2 повторены те же расчеты, что и на рис. 2, но для коэффициента связи между катушками 0,9 (это соответствует воздушному трансформатору хорошего качества).
Подавление синфазной составляющей даже на симметричной нагрузке сильно упало. Сколь-нибудь приемлемым (напомню, мы установили границу приемлемости в 20 dB) оно получается только в НЧ части КВ.
На асимметричной нагрузке ухудшение связи ничего не изменило: балун не работал даже и при идеальной связи, не работает и тут.
Посмотрим теперь осциллограммы напряжений и токов на симметричной нагрузке (на асимметричной смотреть нечего - там балун просто не работает) при двух коэффициентах связи между обмотками.
На рис. 3 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) при коэффициенте связи между обмотками 1.
Токи и напряжения в половинках нагрузки совершенно одинаковы, асимметрии нет.
На рис. 4 показано то же самое, что и на предыдущем рисунке, но при коэффициенте связи 0,9.
Тут за счет неидеальности трансформатора-фазоинвертора напряжение на правой половинке нагрузки меньше, чем на правой. Из-за этого возникает
заметная асимметрия: напряжение на R1.
Выводы по этому балуну:
Работает только на симметричной нагрузке. Имеет смысл только на ферритовом сердечнике. Через трансформатор-фазоинвертор передается половина мощности (вторая идет в нагрузку непосредственно). В низкочастотной части полосы
половина мощности идет через магнитопровод сердечника - выбирайте его соответственных размеров и частотных свойств. В верхней части полосы
передача энергии идет через электромагнитную связь между обмотками, а на сердечник остается немного. Как у любого трансформатора на длинной
линии. Для обеспечения широкополосности обмотки должны образовывать линию с волновым сопротивлением 100 Ом (для балуна 50:200 Ом).
Двухобмоточный балун 1:4 с фазоинвертором из предыдущего раздела плохо работает без сердечника (т.е. при коэффициенте связи между обмотками сколь-нибудь заметно меньше 1). Причина этого проста: на одну половинку нагрузки напряжение идет непосредственно со входа, а на вторую через трансформатор. В случае неидеальности последнего (а что в этом мире идеально?) возникает асимметрия.
Исправляет эту проблему трехобмоточный балун 1:4 с фазоинвертором. В его основе лежит простая идея: выровнять пути сигнала от входа до половинок нагрузки. Для этого в трансформаторе-фазоинверторе делается не одна вторичная обмотка, а две. И с них (с соответствующей фазировкой) снимаются сигналы на половинки симметричной нагрузки. Падение напряжения в трансформаторе от первичной к вторичной обмоткам тут совершенно неважно: оно получается одинаковым для обеих вторичных обмоток, т.е. симметрия не нарушается.
Такой балун показан на рис. 5. Как и его двухобмоточный предшественник он не работает на асимметричных нагрузках, и дает идеальное симметрирование при коэффициенте связи между обмотками 1,0. Но такой балун нам понадобился для работы без сердечника (с сердечником и двухобмоточный хорошо работает). Поэтому рис. 5 сделан для коэффициента связи 0,9. Связанные катушки L1 – L3, C1 и С2 – межобмоточные емкости. Модель этого балуна.
Видно, что несмотря на отсутствие сердечника (т.е. коэффициент связи 0,9) такой балун обеспечивает симметрирование во всем КВ диапазоне. Конечно, с сердечником симметрирование будет еще лучше, но надо иметь в виду, что тут внизу полосы через магнитопровод передается вся мощность источника (в отличие от двухобмоточного, где только половина).
В остальном все что было написано и нарисовано выше про двухобмоточный балун справедливо и для трехобмоточного балуна. Те же картинки напряжений и токов, та же не работа на асимметричную нагрузку, такая же намотка 100 омной линией для широкополосности.
Впрочем с последним есть нюанс. Мотается такой балун плоским кабелем из трех проводов. Средний провод будет первичной обмоткой, два крайних –
вторичными. Диаметр проводов, изоляция и расстояние между ними должны быть такими, чтобы волновое сопротивление обеих линий между центральным и
крайними проводами было бы 100 Ом.
Выводы по трехобмоточному балуну 1:4:
Как и двухобмоточный работает только на симметричной нагрузке. Без сердечника обеспечивает хорошее симметрирование во всем КВ диапазоне. В применении ферритового сердечника нет особого смысла и необходимости.
Оба рассмотренных выше балуна категорически отказываются работать на асимметричную нагрузку. А такие антенны есть (тот же асимметричный диполь Windom`а). Что делать с ними?
C такими нагрузками остается единственный вариант: использовать обычный трансформатор, с повышающей обмоткой. Это почти то же самое, что развязывающий трансформатор 1:1, описанный в предыдущей статье статьи (перечитайте там соответствующий раздел).
Отличие только в том, что из-за вчетверо более высокого сопротивления нагрузки вчетверо же возрастает паразитное влияние межобмоточной емкости. Что усугубляется еще и тем, что вторичная обмотка тут физически вдвое больше.
Поэтому реализуется такой балун только на ферритовом сердечнике с двумя отдельными обмотками, разнесенными диаметрально противоположно по кольцу с максимальным расстоянием между ними. Попытка сделать такой трансформатор воздушным приводит к чрезмерной межобмоточной емкости, которая сильно ухудшает симметрирование.
Повышающий развязывающий ферритовый трансформатор (коэффициент связи между обмотками 1,0), включенный в схему измерения ослабления синфазной составляющей, с симметричной и асимметричной нагрузками показан на рис. 6. Конденсатор С1 изображает межобмоточную емкость (2 pF достигаются при разнесенных обмотках на кольце, как описано выше). Назначение остальных элементов такое же как и на предыдущих рисунках. Модели этого раздела.
Из рис. 6 видно, что подавление синфазной на низких частотах высокое на обеих нагрузках. Оно падает с частотой (из-за паразитного просачивания сигнала через C1), но остается больше 20 dB до 18 MHz на симметричной нагрузке и до 11 MHz на асимметричной нагрузке. Параметры не рекордные и ясно указывающие, что даже 2 pF межобмоточной емкости многовато для хорошей работы развязывающего трансформатора на ВЧ КВ диапазонах.
Повышающий развязывающий трансформатор 1:4 без сердечника не имеет смысла, потому что межобмоточная емксоть у в разы выше, чем 2 pF.
Для развязывающего трансформатора на ферритовом сердечнике осциллограммы напряжений и токов для симметричной нагрузки показаны на рис. 7. Напряжения и токи в обоих половинках нагрузки (зеленый и синий графики), напряжение на входе балуна (красный) 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.
Токи и напряжения на асимметричной нагрузке показаны на рис. 8 (цвета графиков те же, что и на предыдущем рисунке).
Напряжения на половинках сильно отличаются по амплитуде и фазовый сдвиг между ними (зеленый и синий графики верхней части рис. 8) совсем не 1800, а ближе к 00, т.к. реактивности импедансов половинок имеют разный знак. Но токи через них близки по амплитуде и противофазны (нижняя часть рис. 8). 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 в половинках нагрузки.
Следовательно, ферритовый развязывающий трансформатор 1:4 с малой межобмоточной емкостью может применяться даже на сильно асимметричных нагрузках.
Воздушный трансформатор Hans`а Nussbaum`а DJ1UGA 1:4, описывается как балун.
К сожалению, это недоразумение. Это не балун, а классический широкополосный несимметричный трансформатор 1:4 на свернутых длинных линиях с волновым сопротивлением по 100 Ом каждая. По входу они включаются параллельно и получается сопротивление 50 Ом (100 Ом / 100 Ом). По выходу – последовательно и получается 200 Ом (100 Ом + 100 Ом). Такое решение дает широкую полосу трансформирования и низкий КСВ.
Но никаких мер по симметрированию этот трансформатор не имеет. Поэтому балуном он не является. Что подтверждает рис. 9, на котором кроме схемы, показано что подавление синфазной составляющей при симметричной нагрузке почти отсутствует (-7 ... -9 dB). Модель, для желающих проверить.
Не стал бы включать этот трансформатор в обзор, если бы в последние годы "балун Нуссбаума" не приобрел бы неадекватную популярность среди русскоговорящих HAM именно как балун для симметрирования.
Используя приведенный выше анализ, подытожим области применения описанных балунов 1:4.
Двухобмоточный балун 1:4 на ферритовом сердечнике. Применяется для перехода от симметричной линии, питающей симметричную антенну с высоким КСВ, на несимметричный тюнер. Или для перехода от симметричной широкополосной антенны с входным сопротивлением около 200 Ом на коаксиальный кабель. На асимметрию (даже небольшую) нагрузки реагирует плохо. Через магнитопровод сердечника может проходить до половины мощности, т.е магнитопровод ограничивает максимальную мощность.
Двухобмоточный воздушный балун 1:4. Применения в качестве балуна на КВ не имеет.
Трехобмоточный воздушный балун 1:4. Применяется при большой мощности (ограниченной только толщиной проводов) для перехода от симметричной линии, питающей симметричную антенну с высоким КСВ, на несимметричный тюнер. Или для перехода от симметричной широкополосной антенны с входным сопротивлением около 200 Ом на коаксиальный кабель. Хорошо работает во всем КВ диапазоне. На асимметрию (даже небольшую) нагрузки реагирует плохо.
Трехобмоточный балун 1:4 на ферритовом сердечнике. Обычно не нужен, но может пригодиться в случае очень высоких требований по симметрированию в широкой полосе. Надо иметь в виду, что в низкочастотной части полосы вся мощность передается через магнитопровод.
Повышающий воздушный развязывающий трансформатор 1:4 применения в качестве балуна на КВ почти не имеет. Между вложенными одна в одну спиральными катушками получается заметная межвитковая емкость (от нескольких pF), через которую и проходит ток асимметрии. В крайнем случае такой балун используется как первый каскад ослабления синфазного тока.
Повышающий трансформатор 1:4 с ферритовым сердечником (следить, чтобы не загнать феррит в насыщение: вся ВЧ мощность во всей полосе передается только через сердечник) работает в нескольких соседних диапазонах. Требует расположения обмоток отдельно, в диаметральных частях ферритового кольца, так чтобы межобмоточная емкость не превышала бы 2 pF (это непросто конструктивно, но достижимо). Развязывающий трансформатор (в отличие от всех остальных рассмотренных) позволяет более точно трансформировать импеданс меняя число витков вторичной обмотки. Применяется для перехода от несимметричной антенны с входным импедансом около 200 Ом (например, Windom) к питающему коаксиальному кабелю. 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 в предыдущей статье.
Воздушный трансформатор Нуссбаума DJ1UGA 1:4. Это хороший широкополосный несимметричный трансформатор 1:4 на свернутых длинных линиях. Но балуном он не является.
Вывод: на симметричных нагрузках 200 Ом могут применяться варианты 1 и 3. На асимметричной – только вариант 6.