Řešení

O symetrizaci a balunech toho bylo v literatuře a na internetu popsáno dost. Přesto existuje mnoho důvodů, které nás motivují věnovat důslednému vyřešení problému, protože výsledek, tj. chování zařízení, u kterého je dobře vyřešena transformace uzemněného zařízení na symetrickou vyváženou soustavu prostě při DX práci stojí zato.

Co od řešení očekáváme?

U dobře vyřešeného přechodu z vyvážené anténní soustavy na uzemněné zařízení s nesymetrickým výstupem zjistíme, že nám:
- dojde k podstatnému snížení rušení, které produkují také průmyslová zařízení v budově, v QTH, apod.
- po pláštích koaxiálních napáječů nám nepotečou tzv. plášťové proudy
- i na jednoduchých anténách začneme srozumitelně poslouchat a dekódovat slabé DX stanice, jejichž signály již nebude možné indikovat na S metru zařízení
- nedojde nám ke zkreslení vyzařovacích charakteristik směrových antén a ke snížení jejich zisku

Ale k věci. Jak poznáme, že náš balun je dobrý nebo průměrný? Já jsem si pro takové srovnávání vyrobil izolační transformátory (Isolated Transformer). Současně jsem si také vyzkoušel metodu, pomocí které dokážu přesně změřit základní parametry balunu na obou jeho hlavních rolích.
 

Moderní feritové materiály jsou schopné přenášet na krátkých vlnách stovky Wattů, aniž by se jádra hřála a lze s nimi konstruovat transformátory s vysokými transformačními poměry, např. 1:9. HF transformátory rovněž vyrábí více výrobců, některé výrobky byly prezentovány např. v Daytonu na hamfestu. Izolační transformátor je vhodný k praktickým srovnávacím zkouškám důsledků nedobrého přechodu ze symetrického systému (anténa) na nesymetrický.
Širokopásmové HF transformátory se staly moderní součástí řešení polovodičových výkonových zesilovačů. Metody jejich návrhu jsou dostatečně známé. Pro řešení přechodu mezi symetrickou a nesymetrickou částí napáječe se však nepoužívají, přestože izolují jednotlivé vodiče symetrického vedení (antény) od země velmi dobře, ale pouze v případě, že se použije elektrostatické stínění, které je opravdu nezbytné. Důvodem je jejich menší širokopásmovost a nutnost dimenzovat jádro z drahého materiálu na plný výkon vysílače. Zatímco nám jádro bude zásadně ovlivňovat vlastnosti na nízkých kmitočtech, bude nám délka vedení ovlivňovat vlastnosti směrem k vyšším kmitočtům.

První základní rolí balunu, jak již bylo v tomto bloku článků mnohokrát zdůrazněno, je umožnit, symetrické vedení (napáječ PCV-570-84, dvojlinka, čtyřdrátové vedení) připojit k nesymetrické soustavě, např. k TRXu. Protože víme, že ledabylé nebo technicky nesprávné propojení s nevhodným balunem nebo bez použití balunu nám mění vyzařování neuzemněné antény a má dokonce velice zásadní vliv na vyzařování směrových antén nebo směrových soustav (může velice zásadně zkreslit vyzařovací diagramy), musíme ostatní role balunu, např. schopnost transformovat impedance považovat za role sekundární.
Druhou základní rolí balunu je samozřejmě schopnost přenést výkon z TRXu do symetrické části a naopak, a to beze ztrát.

První základní role balunu a její ověření

Měření první základní role balunu se provádí podle schématu - viz obrázek:

Měření provedeme tak, že na základní vstupní impedanci, pro kterou je balun navržen (nebo na různých vstupních impedancích), napájíme balun z nesymetrického výstupu výkonového generátoru nebo vysílače. Měřicí výstupy M1 a M2 zakončíme proti společné zemi umělou zátěží, která odpovídá jmenovité impedanci balunu na symetrické části (s ohledem na transformační poměr). Aby nám měření nezkreslily reaktance přívodů, je vhodné měření této soustavy provést např. na větší desce kuprextitu, kde všechny země jsou touto deskou propojené s pláštěm výstupního koaxiálu z TRXu (konektor balunu je propojen s deskou. Pokud balun neplní ideálně svou základní roli, naměříme na stejných rezistorech rozdílná HF napětí.

Poznámka 1: Protože lze mnoho balunů používat pro přenos poměrně značných výkonů, lze s použitím citlivých proudových sond měřit přímo proudy, které tečou dělenou zátěží R1 a R2.

Poznámka 2: Nemáme-li potřebné vybavení k měření, můžeme provést orientační test podle upraveného zapojení č. 2:

Princip měření je prostý. Balun máme nakonektorován na kuprextitové měřicí ploše větších rozměrů. Generátor (nebo TRX) je vybaven měřením VSWR. Balun je na výstupu zatížen 2 kusy umělé zátěže s vyvedeným středem. Hodnota každého odporu je R1/2, výsledná hodnota je tedy R a rovná se jmenovité výstupní impedanci balunu, tj. např. R=50 Ohmů nebo 200 Ohmů, 450 Ohmů, atd...Při rozepnutém spínači S1 naměříme hodnotu VSWR blízkou 1. Pokud spojíme spínač S1 a dojde k navýšení VSWR na hodnotu 2, neplní balun svou první základní roli, tj. nesymetrizuje, ale pouze transformuje impedanci. I to je u některých zapojení obvyklá vlastnost, ale o tom budu psát jinde. Pokud balun plní svou první základní roli částečně, bude hodnota VSWR odlišná od hodnoty 1 a více nebo méně se bude blížit k hodnotě 2. Prakticky to znamená, že balun nemá mezi symetrickým výstupem a uzemněným vstupem dostatečnou izolační schopnost, tj. dostatečně velkou impedanci.

Jiná ilustrace téhož měření pro praktiky

Dobré a oblíbené jsou např. různé druhy tzv. choke balunů, balunů z "nacvakávacích" feritů, balunů na toroidech, atd. Tyto baluny využívají stejného principu a liší se obvykle konstrukčním provedením, dodržením správných zásad a použitými materiály. Stejný princip v měřicím zapojení lze vyjádřit tímto schématem:

Někdy je nesymetrické vedení realizováno symetrickým párem vodičů. Baluny se konstruují z koaxiálního kabelu jako vzduchové cívky (několik závitů na větším průměru) nebo jsou navinuté na vhodné feritové jádro. Příklady uvádím zde:

balun 1:1 podle W1JR

proudový balun 1:1 na feritové tyči (choke balun)

proudový balun 1:1, který využívá trubek (nebo toroidů) z feritového materiálu (podle Maxwella)

Konstrukce podle W1JR je mezi hamy známá, velice rozšířená, oblíbená a používají ji rovněž profesionální výrobci balunů. Když jsem výše uvedl principielní schémata k první základní roli balunu a uvedl, jak se tato role měří, bylo zřejmé, že parametry bude ovlivňovat dobrá "kapacitní" izolace symetrické části od země v nesymetrické sekci balunu. Prohlédněte si dobře konstrukci W1JR balunu a detailů. Sledujeme z leva doprava. Na feritovém toroidu je vinuto v jednom směru směrem po horní části jádra. Kdybychom tak pokračovali, tak by se nám symetrická výstupní část přiblížila ke vstupní nesymetrické. To není samozřejmě konstrukčně ideální a tak autor W1JR ovinul horní polovinu feritu, odtud se vrátil zpět a ve stejném smyslu ovinul i spodní část. Symetrická a nesymetrická část jsou už od sebe dost vzdálené (z pohledu parazitních kapacit).

Všimněte si dalšího detailu - na poměrně veliké jádro je navinutý tenký koaxiální kabel. Tím je zde demonstrováno, že pro konstrukci bereme v potaz, čemu bude balun sloužit. Kabel nemá smysl zbytečně předimenzovat. Měřením zjistíte, že balun z tlustého koaxiálu má kvůli kapacitám mnohem horší vlastnosti než kabel z tenkého koaxiálu.

Konstrukci používá např. Hy-Gain v transformačních blocích svých vertikálů. Na jednom toroidu je transformační část, např. 1:4 a na druhém toroidu je symetrizující část 1:1.

Na další fotografii je principielně tentýž balun navinut na feritové tyči. Symetrická a nesymetrická sekce spolu nesousedí. Tato konstrukce balunu 1:1 má vynikající parametry a je jednoduchá. Bohužel, vhodný feritový materiál dostatečných rozměrů se velice obtížně shání. Já používám tuto konstrukci jen díky tomu, že výrobce lisovacích strojů na feritová jádra vyráběl výrobní linku pro indického zákazníka a byl ochoten v rámci ověřovacího provozu vyrobit několik várek speciálních jader. Jde s ohledem na použitý princip o velice čistou metodu konstrukce. Tato konstrukce bývá také často označována jako "choke" balun. Balun bývá konstruován také jako vzduchový. Použití feritového materiálu významně zlepšuje parametry balunu. S použitím vhodného jádra snadno docílíme potřebných indukčností a zároveň minimalizujeme parazitní kapacity mezi vstupem a výstupem (mezi symetrickou a nesymetrickou částí).

Feritové trubky a malé toroidy. Na poslední fotografii je rovněž oblíbená konstrukce HF balunů. Jde o pohled na vnitřek balunu před jeho zapouzdřením. Baluny této konstrukce jsou vhodné i pro vyšší výkony. Pokud jsem ošetřil pájené spoje konektoru vysokonapěťovou zalévací hmotou nebo speciální pěnou, která pohltí vlhkost a hermeticky uzavře kabel, dokázal jsem u dobrého kabelu RG 58 přenášet až 1kW (PEP) výkonu. S většími kabely (RG 213) jsem dokázal přenášet plný legal limit trvale. Větší výkon jsem neměl možnost měřit. U delších balunů jsem dokázal spolehlivě vyrobit na plášti kabelu balunu impedance Z větší než 5 kOhmů, které mi od sebe izolovaly symetrickou a nesymetrickou sekci. Tuto konstrukci balunu doporučuji např. k napájení vertikálů. V literatuře bývá tato konstrukce označována jako Maxwellova.

Vzduchový (airwound) choke balun (Ugly balun)

Tento balun je poměrně oblíbený a mezi hamy velice rozšířený. Jde o proudový balun, u kterého není použito feritové jádro. Pro rozsah krátkých vln jsem zkoušel různá vzduchová vinutí koaxiálního kabelu. Vždy jsem vycházel z požadované reaktance, kterou tvoří plášť kabelu (vinutí z koaxiálu). Pokud přimhouříme (raději zavřeme) obě oči a uvažujeme o charakteristické impedanci napáječe Z=50 Ohmů a dovolíme anténnímu systému, aby tekl na nějakém nízkém kmitočtu (např. 3.5 MHz) proud do staniční země, který bude řádově nižší (tj. 8 - 10 x), vyjde nám minimální hodnota indukčnosti např. 18 až 20 mikroH. Takovou indukčnost lze realizovat vzdušným vinutím koaxiálu a počty závitů jsou (průměr cívky D v cm, počet závitů N, přibližná délka koaxiálu L v metrech):

a) průměr cívky D = 30 cm, N = 6 závitů, L = 6 m
b) D = 11, N = 20, L = 7
c) D = 7.5, N = 24, L = 7.5
d) D = 5, N = 45, L = 7.5
e) D = 4, N = 70, L = 9

Velké průměry cívky (300 nebo 110 mm) použijeme pro tlusté koaxiály, menší průměry se hodí pro 5 až 6 mm koaxiály.
Ugly (choke) balun se vzduchovým jádrem funguje u antén, které jsou dobře přizpůsobené, klidně i vícepásmové. Zpravidla nám zamezí šíření proudů po koaxiálním kabelu do staniční země. Pro extrémní případy, kdy např. vyžadujeme pro příjem tichou anténu to však nemusí jednoznačně platit.
Ugly (choke) balun se vzduchovým jádrem nefunguje u antén, které mají v místě napájení vyšší nebo střední impedanci. Reaktance balunu je srovnatelná s impedancí antény a při stejných hodnotách se vám klidně proudy rozloží rovnoměrně mezi anténu a plášť (Kirchhoffův zákon platí, hi). A o tom byl úvod tohoto článku.

Nevýhodou konstrukce je poměrně značná délka koaxiálního kabelu a malá dosažená reaktance vzdušného vinutí. Pokud je balun na výstupu tuneru a pracuje jeho vedení se stojatou vlnou, uplatňují se významně ztráty takového vedení. Choke balun na moderním feritovém jádře má mnohem menší ztráty a větší izolační reaktanci.

Druhá základní role balunu a její orientační ověření

Druhou základní rolí balunu je schopnost přenést výkon z generátoru do symetrické sekce pokud možno beze ztrát. Běžné krátkovlnné baluny navrhujeme jako baluny širokopásmové. Aby nám mezi balunem a TRXem nevznikaly na vedení odrazy vlivem nehomogenit, snažíme se, aby balun měl na vstupní nesymetrické části reálnou složku R impedance stejnou, jako je jmenovitá hodnota generátoru (např. 50 Ohm) a snažíme se o docílení nulové jalové hodnoty impedance jX=0. Při měření je balun na symetrické části zatížen reálnou hodnotou R, která odpovídá jeho transformačnímu poměru, např. 50, 200, ... Ohmů. Naměříme něco podobného, jako je vidět na následujícím obrázku:

Všimněte si na obrázku tří částí, které jsou označené jako I., II. a III. V části I. vidíte, že se začínají uplatňovat magnetické vlastnosti jádra a reálná složka impedance se se zvyšováním kmitočtu rychle blíží k jmenovité hodnotě (v tomto případě R=50 Ohmů a jalová složka klesá k nízkým hodnotám. V oblasti označené jako II. je balun schopen plnit svou druhou roli, tj. přenášet výkon beze ztrát. Reálná složka na jeho vstupu je téměř jmenovitá a jalová složka jX je nízká. V oblasti III. se již přestávají uplatňovat magnetické vlastnosti jádra, ale začínají se uplatňovat vlastnosti vedení. V uvedeném příkladu vidíte, že  reálná složka impedance vedení klesá (je nízká). Pro ilustraci jsem použil k připojení umělé zátěže v tomto školním případě delší nevhodný měřící kabel, aby rozdíly byly zjevné. Bohužel, jalová složka impedance se mi začala kompenzovat a vrací se k nulové hodnotě. Při vyšších kmitočtech by však začala růst. Z měření impedancí lze u balunu usuzovat, jaký parametr nám kazí širokopásmovost. Kromě vlastností feritů jsou to např. prohřešky v impedanci vedení, nevhodná konstrukce, kdy jsou např. svorky symetrické a nesymetrické části blízko sebe, apod. Zatímco v předchozím případě nám součást balunu tvořily také měřící dráty, nevhodné svorky, apod. abych mohl zjevné prohřešky demonstrovat, uvedu ještě charakteristiku R, jX a frekvence u správně zkonstruovaného balunu bez nevhodných přívodů a s precizně vytvarovaným vedením. Tento balun byl vytvořen na stejném jádře, jako ten předchozí a měřen stejným přístrojem. Jalová složka impedance se již od určitých kmitočtů neprojevuje, na nízkých kmitočtech ji určují hlavně magnetické vlastnosti jádra a v této části zůstala charakteristika stejná:

Pokud měřák přepneme na měření VSWR, obdržíme grafy podobné uvedeným dole (zde již surový výstup z měřáku, bez popisků):

Z obrázků průběhů VSWR (nebo koeficientů odrazu) zjistíme, jak velká energie se nám na konkrétním kmitočtu odrazí zpět v vysílači. Křivky z měření balunů mají u napěťových balunů nebo u balunů s transformačním poměrem odlišným od 1:1 uvedený typický průběh. Na nejnižších kmitočtech nám prudce klesá VSWR (oblast I.), následuje oblast s nízkým VSWR (oblast II.) a oblast s pozvolným nárůstem VSWR (oblast III.) Pozvolný nárůst v oblasti III. může mít zásadní vliv např. na využití balunu u směrovky a bezvýznamný vliv na použití u jiného typu antény, např. drátovky se žebříčkem, delta loopu, atd. Pro tuto ilustraci jsem tohoto jevu docílil delšími měřícími přívody, které již vyzařovaly energii. U drátové antény takový jev většinou vykompenzujeme anténním tunerem.

Důležité !!!  Pokud tímto způsobem měříme např. choke balun, balun podle W1JR nebo proudový balun podle Maxwella, nenaměříme prudký pokles VSWR v oblasti I. Je to dané tím, že balun netransformuje impedance a magnetické vlastnosti jádra se tedy na jeho druhé základní roli neprojeví a takový balun je schopen přenášet plný výkon od stejnosměrného proudu. Na první, tj. izolační roli balunu se však projeví zásadně. Proto je vždy nutné alespoň orientační test měřením s uzemněným středem udělat (viz předchozí popis). Na obrázcích dole je tentýž balun měřen s uzemněným středem (vlevo) a bez uzemněného středu (vpravo). Měřen byl feritový choke balun pro pásmo 160 metrů.

Nicméně, druhou základní roli balunu je vhodné ověřit alespoň orientačně. Balun není až tak nevýznamná součástka naší stanice. K nejčastějším chybám (pominu-li např. nesprávné zapojení, hi) patří nevhodná volba jádra. Nebo dokonce banální alibismus autorů, kteří publikují "osvědčené" návody ke konstrukci balunů. Často, s ohledem na toleranci parametrů jader nebo na nedostupnost vhodných jader volí nevhodně magnetický obvod. Dimenzují ho na zbytečně nízké kmitočty. Výsledkem je, že se jádra např. hřejí, atd. Již několik let používám moderní tzv. "low permeability NiZn ferrite for use in RF tuning, wideband baluns and transformers", a to k plné spokojenosti.

Závěr
 
S ohledem na délku článku si dovolím tento ukončit pouze popisem první a druhé základní role balunu, tj. schopností symetrizovat a schopností přenést výkon a pár slov ztratím o tom, jak se to dá ověřit. 

Problematika základních rolí HF balunů a transformátorů je v literatuře a na internetu velice obsáhle popsaná. Rovněž v amatérské praxi jsem viděl mnoho hezky provedených konstrukcí balunů, u kterých konstruktéři provedli excelentní návrh magnetického obvodu i délky vinutí. Odměnou jim byly hezké parametry izolačního stavu balunu a dobré přenosové vlastnosti, tedy obě základní role, které má balun plnit. K této části problematikky uvedu alespoň tři volně dostupné pomůcky, které mohou v orientaci problematiky návrhu balunu nebo širokopásmového transformátoru pomoci:

1. Vynikající publikaci Phillips Application note ECO 6907
2. Motorola Application note AN 749
3. Příklad katalogového listu moderního feritového materiálu (Ferroxcube 4C65)

V dalším článku o balunech se budu věnovat některým zajímavým principům, které lze při volbě, návrhu a konstrukci balunu uplatnit a několika konstrukčním detailům. Článek však musím napsat. Na této stránce však uvádím základní schémata zapojení balunů a věnuji značnou pozornost místu, kde má být uzemněna anténní soustava stanice a jak mají být zapojené svorky na balunu.

První základní roli balunu musíme v některých případech řešit s pomocí reaktancí. O principu a s odvoláním na další zdroje píšu zde.