Краткое руководство по балунам

Если не будут приняты меры предосторожности для минимизации, то все антенны с коаксиальным питанием будут иметь значительный ток, протекающий по внешней стороне коаксиального экрана во время передачи. Если антенна представляет собой горизонтальный диполь с коаксиальным кабелем, висящим прямо вниз, то коаксиальный кабель действует как вертикальная антенна.

ЭФФЕКТ КОЖИ (Skin effect)

Скин-эффект — это тенденция переменного электрического тока (AC) к распределению внутри проводника, так что плотность тока является наибольшей около поверхности проводника и экспоненциально уменьшается с увеличением глубины проводника. Электрический ток протекает в основном по «коже» проводника между внешней поверхностью и уровнем, называемым глубиной скин-слоя.

Высокочастотные токи переменного тока в проводнике протекают только в той части проводника, которая находится очень близко к поверхности. Очень близко — 0,1 мм («глубина кожи») или меньше. В то время как провод имеет только одну поверхность, экран на коаксиальном кабеле, представляющий собой цилиндр, имеет две поверхности — внутреннюю и внешнюю. Следовательно, у вас может быть высокочастотный переменный ток, протекающий по внутренней поверхности, и совершенно другой ток, протекающий по внешней поверхности, при этом ни один из них не влияет друг на друга. Их как будто разделяет изолятор. Странно, но факт.

БАЛУНЫ

Если не будут приняты меры предосторожности для его минимизации, все антенны с коаксиальным питанием будут иметь значительный ток, протекающий по внешней стороне коаксиального экрана во время передачи.

Если антенна представляет собой горизонтальный диполь с коаксиальным кабелем, висящим прямо вниз, то коаксиальный кабель действует как вертикальная антенна. Это потому, что этот ток, протекающий по внешней стороне экрана, будет излучать энергию точно так же, как это делала бы вертикальная антенна.

Для обычной радиолюбительской работы это может быть полезно, поскольку излучение будет происходить в более широком диапазоне углов возвышения, что, в свою очередь, позволяет устанавливать контакты на большем диапазоне расстояний. Однако для системы антенн связи, спроектированной с определенной диаграммой направленности, это нежелательное излучение от коаксиального кабеля изменяет диаграмму направленности и снижает эффективность системы.

При приёме коаксиальный кабель по-прежнему действует как вертикальная антенна и передает всё, что он улавливает, в фактическую антенну, а оттуда в приёмник.

ПЕРЕДАЧА

Для NVIS (антенны зенитного излучения) желаемые углы возвышения излучения (диапазон углов по отношению к горизонту, над которым антенна излучает большую часть передаваемой энергии) составляют от 60 до 90 градусов, при этом 90 градусов — прямо вверх. Горизонтальный диполь длиной волны 1/4 или менее над землёй обеспечит это.

Если на эту антенну подаётся коаксиальный сигнал и не принимаются меры предосторожности для минимизации тока, протекающего по внешней стороне экрана, экран будет действовать как вертикальная антенна с диапазоном углов возвышения излучения примерно от 5 до 40 градусов. Мощность, излучаемая под такими низкими углами, может составлять 50% от мощности, излучаемой при желаемых углах возвышения. Это означает, что для передачи под желаемыми высокими углами требуется меньшая мощность. Кроме того, эта мощность, излучаемая под малыми углами, может создавать помехи для других станций, находящихся на расстоянии тысяч километров.

ПОЛУЧЕНИЕ

Вот где коаксиальный экран, действующий как антенна, действительно отстой.
Экран, действующий как вертикальная антенна, будет улавливать ранее упомянутые станции на расстоянии нескольких тысяч километров и передавать их в диполь, который затем с радостью отправит эти сигналы на приёмник, где они будут мешать сигналам, которые вы хотите услышать.

Кроме того, большая часть шума на низких частотах вызвана молнией в тропиках. Если ваша антенна реагирует только на высокоугловые сигналы (NVI), она не будет реагировать на эти вызванные молнией статические сбои, потому что они поступают под низкими углами. Следовательно, вы их не услышите. Однако, если коаксиальный экран действует как антенна, вы их услышите, и они могут сделать невозможным копирование сигналов, которые вы хотите услышать.

Поскольку коаксиальный кабель входит прямо в вашу станцию, он работает рядом со всеми видами оборудования, генерирующего шум, такими как компьютерные мониторы, плазменные телевизоры, блоки питания с переключением режимов и т.д. Поскольку коаксиальный кабель действует как антенна, он будет улавливать всевозможный мусор, который диполь не услышит, потому что он намного дальше от этих источников шума.

БАЛУНЫ НА ПОМОЩЬ

Ну, не просто какой-то старый балун. «Балун» — это сокращение фразы от «сбалансированный до несбалансированный». Говорят, что идеальный горизонтальный диполь «сбалансирован» по отношению к земле. Это означает следующее:

  • Напряжение между землёй и точкой, где один провод линии питания подключен к антенне, в точности равно (но противоположной полярности) напряжению между землёй и точкой, где другой провод линии питания подключен к антенне.
  • Ток, протекающий по одному проводу линии питания в антенну, в точности равен току, протекающему по другому проводу линии питания от антенны.

Это идеал, который никогда не достигается на практике. Такие вещи, как то, что один конец антенны находится ниже другого, ближе к дереву или зданию и т.д., приведут к тому, что токи в двух ветвях будут разными. Следовательно, ни одна антенна не является по-настоящему сбалансированной. Однако некоторые приближаются к этому.

Линии подачи, такие как старая ТВ-линия, линия окна и линия лестницы («открытый провод»), считаются сбалансированными, поскольку они симметричны относительно земли (при условии, что одна сторона линии подачи не ближе другой к земле, металлическим предметам и т.д.).

Выходы наших передатчиков «несбалансированы» по отношению к земле. Это связано с тем, что внешняя оболочка выходного коаксиального разъема подключается непосредственно к земле через металлический корпус радиоприемника. Аналогично, коаксиальный кабель, который мы подключаем к передатчику, не сбалансирован, поскольку экран подключен непосредственно к земле через коаксиальный разъём на радио.

Итак, теперь у нас есть сбалансированная антенна, к которой мы хотим подключить несбалансированный коаксиальный кабель. Физически это легко сделать, мы просто соединяем их. Но, как только мы это делаем, мы нарушаем баланс антенны, и мы получаем ток, протекающий по внешней стороне коаксиального экрана со всеми вытекающими плохими последствиями.

Итак, что нам нужно, так это коробка между антенной и коаксиальным кабелем, чтобы осуществить переход между сбалансированной антенной и несбалансированной линией подачи коаксиального кабеля, и, да, эти коробки существуют, и они называются балунами.

Существует два типа балунов:

Балуны напряжения

Они заставляют напряжение между землёй и точкой, где один провод линии питания подключен к антенне, быть точно равным (но противоположной полярности) напряжению между землей и точкой, где другой провод линии питания подключен к антенне. Идея здесь в том, что, если напряжения равны, токи тоже будут равны.

Однако, поскольку большинство предположительно сбалансированных антенн, по крайней мере, несколько несбалансированы, токи в двух ветвях не будут одинаковыми. Это приводит к тому, что ток, равный разнице между ними, протекает по внешней стороне коаксиального экрана, т.е. коаксиальный экран теперь действует как антенна. Как раз то, чего мы НЕ ХОТИМ.

Токовые балуны (также известные как «токовые дроссели»)
Они заставляют токи в двух ветвях (половинах) диполя быть равными. Так как теперь нет разницы в этих значениях тока, ток не протекает по внешней стороне коаксиального экрана. Это именно то, что нам нужно, поэтому вот те, которые нужно использовать.

Краткие сведения

Для каждой антенной системы с коаксиальным питанием, разработанной с учетом определенных характеристик, необходим балун тока, расположенный на переходе между сбалансированным и несбалансированным. Они часто встроены в антенны VHF и UHF (юбки, рукава и т.д.), Но, как правило, являются отдельными элементами в высокочастотных системах.

Без текущего балуна антенна прочно связана с внешней стороной коаксиального экрана.

  • Это означает, что энергия, передаваемая антенной, будет поступать в коаксиальный экран, который будет переизлучать ее и, таким образом, влиять на диаграмму направленности антенной системы.
  • Это также означает, что сигналы, принимаемые коаксиальным экраном, выполняющим роль антенны, будут подключены к антенне и переданы на приёмник.

Важно отметить, что, как и любой другой проводник, коаксиальный экран будет улавливать сигналы и переизлучать их. Токовый балун просто гарантирует, что эти переизлученные сигналы не попадают в антенну и, следовательно, не достигают приёмника.

ПРИЛОЖЕНИЕ
ДЕТАЛИ ЭФФЕКТА КОЖИ

Если вы пропускаете постоянный ток по проводу, ток равномерно течёт по проводу, т.е. величина тока, протекающего по центру провода, такая же, как и величина тока, протекающего вблизи внешних краёв провода.

Это не относится к переменным токам. Для тока с частотой 1 МГц в медном проводе ток будет сосредоточен в области глубиной менее 0,1 мм от периметра провода. Эти 0,1 мм называются «глубиной кожи». Глубина кожи становится меньше, чем выше частота. Не имеет значения, имеет ли диаметр провода 1 см или даже 1 метр, только через эту «оболочку» толщиной 0,1 мм проходит значительный ток.

Не будем вдаваться в математические выкладки. Как упоминалось ранее, экран коаксиального кабеля — это не провод с одной поверхностью, а цилиндр с двумя поверхностями, внутренней и внешней. Это означает, что при условии, что его толщина превышает несколько слоёв кожи на интересующей частоте, вы можете иметь ток, протекающий внутри экрана, и совершенно другой ток, протекающий снаружи! Это потому, что ни один ток не проникает достаточно глубоко в материал экрана, чтобы повлиять на другой ток. И это так же, как если бы существовал изолятор, разделяющий их.

Из всего этого следует сделать вывод, что, каким бы нелогичным это ни было, в коаксиальном экране могут протекать два различных переменных тока, один на внутренней поверхности экрана, а другой на внешней.

Jim Smith VE7FO

Больше разных публикаций см. в Telegram канале R3RTambov  подписывайтесь!

73!