BALUN ИЛИ НЕ BALUN?
Владимир ПОЛЯКОВ (RA3AAE)
В недавнем номере журнала "Радио" было описано простое симметрирующее устройство (balun) в виде бухты кабеля, скрепленной изолентой [1]. Назначение устройства - препятствовать протеканию ВЧ токов по наружной поверхности оплетки для ослабления антенно-фидерного эффекта [2]. Устройство подкупает простотой и легкостью изготовления, но хорошо ли оно отвечает предъявляемым требованиям?
Рассмотрим их. Balun должен иметь возможно более высокое сопротивление для ВЧ токов на оплетке без разрыва контакта по постоянному току, т. е. быть дросселем. Катушки индуктивности, используемые в качестве дросселей, выполняют по известным правилам: стремление получить максимальное индуктивное сопротивление при минимальной собственной емкости заставляет использовать секционированную обмотку и/или цилиндрическую с некоторым шагом.
Часто широкополосные дроссели делают так: от начала ("горячего" вывода) ведут намотку с большим шагом, затем с меньшим, потом виток к витку, и, иногда, последнюю секцию наматывают способом "универсаль".
Собственная емкость дросселя Со с индуктивностью его обмотки L образует параллельный колебательный контур (рис.1), резонансная частота которого fo тем выше, чем меньше емкость. На частотах выше fo дроссель имеет емкостное сопротивление, быстро падающее с повышением частоты, т. е. перестает выполнять свои функции.
Рис. 1
Сплошной линией на графике (рис. 1) показана зависимость реактивного сопротивления дросселя от частоты для идеальной катушки с бесконечной добротностью. Потери в катушке снижают добротность, ветви кривой уже не уходят в бесконечность (штриховая линия на графике), а в составе полного сопротивления появляется активная составляющая R. Она максимальна на резонансной частоте и равна р0, где р=(L/Co)'72 - характеристическое сопротивление. Отсюда ясно, что для увеличения полного сопротивления дросселя надо всемерно увеличивать его индуктивность и уменьшать собственную емкость.
Но вернемся к нашим Balun'ам.
Кабель, свернутый в бухту, должен иметь заметную собственную емкость (до нескольких десятков пф/м!). Это означает, что бухта кабеля станет не дросселем, а колебательным контуром с определенной резонансной частотой. Естественное желание намотать в бухте побольше витков (для увеличения индуктивности) может привести к прямо противоположному результату: резонансная частота окажется ниже рабочей, и balun будет вести себя как емкость, причем с увеличением числа витков емкостное сопротивление будет падать.
Для проверки этого предположения была собрана простейшая измерительная установка (рис. 2), состоящая из генератора стандартных сигналов (ГСС) и осциллографа. Balun располагался прямо на деревянном рабочем столе и подключался одним выводом оплетки кабеля (жила не использовалась) к корпусу ГСС, к другому выводу присоединялись детекторный диод VD1 и входной кабель низкочастотного осциллографа. AM сигнал от ГСС подавался на balun через очень малую емкость связи, образованную отрезком изолированного проводника длиной около 10 см. Таким образом, установка практически ничего не добавляла к собственной емкости бухты кабеля (емкость диода - доли пикофарады).
Рис.2
Резонанс был обнаружен сразу по резкому возрастанию как постоянной составляющей, так и амплитуды сигнала модуляции на входе осциллографа.
Добротность контура (бухты кабеля) оказалась совсем не малой - от 30 ("ширпотребовский" ТВ кабель) до 60 (кабель с жесткой полиэтиленовой внешней изоляцией). Резонансная частота fo, как и ожидалось, зависит от числа витков N и диаметра бухты D. Данные нескольких измерений для широко распространенного кабеля РК-75-4-11 (внешний диаметр по изоляции 7,3 мм, по оплетке 5 мм, жила 0,72 мм) сведены в таблицу.
|
D, см |
10 |
10 |
13 |
13 |
13 |
20 |
20 |
20 |
20 |
|
N |
3 |
4 |
3 |
5 |
6 |
4 |
8 |
11 |
17 |
|
fo, МГц |
44 |
28 |
28 |
14 |
12 |
14 |
6 |
4 |
2 |
Разумеется, эти данные - ориентировочные, поскольку резонансная частота зависит от плотности укладки витков, близости окружающих предметов и других факторов. По данным таблицы были построены графики зависимости резонансной частоты от числа витков (рис. 3). Они и подскажут максимальное число витков, при котором balun еще остается дросселем.
Рис. 3
Для сравнения в одном из экспериментов вместо бухты (D=20 см, N=11) тот же кабель длиной 7 м был намотан на пластмассовую трубку диаметром 10 см. Получилась цилиндрическая катушка, содержащая 20 витков при длине намотки 15 см. Резонансная частота возросла с 4 до 7 МГц, а добротность - с 30 до 65. Очевидно преимущество традиционного выполнения катушек!
Так что же делать? Проще всего изготовить balun из бухты кабеля для однодиапазонной антенны - его следует настроить в резонанс на рабочую частоту, подбирая диаметр и число витков. Тогда его полное сопротивление будет максимально возможным, а следовательно, будет максимален и эффект ослабления токов на оплетке.
Для широкополосных balun'ов резонансную частоту нужно подобрать такой, чтобы она оказалась вблизи верхнего края рабочего диапазона. Для частот ниже резонансной индуктивное сопротивление balun'a можно найти, зная индуктивность L:
Xi=2pfL,
или по более точным формулам для полного сопротивления параллельного резонансного контура, приведенным в [3]. При понижении частоты balun перестанет работать примерно на той частоте, где его индуктивное сопротивление окажется одного порядка с волновым сопротивлением кабеля, рассматриваемого как провод с диаметром, равным диаметру оплетки, в свободном пространстве (400...600 Ом).
В заключение приведем несколько полезных методик и формул из [З]. Они могут пригодиться тем, кто будет экспериментировать или рассчитывать подобные устройства. Длину кабеля в бухте легко определить по формуле nDN. Индуктивность можно рассчитать так: L=2pN2D[ln(8D/d)-2]. Диаметры бухты D и внешней оплетки кабеля d берутся в сантиметрах, а индуктивность получается в наногенри. Добротность измеряют по ширине резонансной кривой 2df по уровню 0,7 от максимального: Q=fo/2df. Собственная емкость Со balun'a трудно поддается расчету, но ее можно найти экспериментально. Если подключить к выводам дополнительный конденсатор известной емкости С1, то резонансная частота понизится и станет равной f1. Тогда
Co=C/[(fo/f1)2-1].
Пользуясь этим приемом и формулами, было установлено, например, что индуктивность бухты D=10 см, N=4 составляет 3,2 мкГн, а собственная емкость 10 пф, что и дает резонансную частоту 28 МГц, совпадающую с измеренной.
ЛИТЕРАТУРА
1. Balun из фидера. - Радио, 2001, № 10,с.65.
2. Гречихин А., Проскуряков Д. Антенный эффект фидера. - Радио, 2000, № 12, с. 56 - 58; 2001, № 1, с. 64 - 66; № 3, с. 67.
3. Гинкин Г. Г. Справочник по радиотехнике. -М..Л.: ГЭИ, 1948.
Радио, 2002 г., № 1, с.65.