Nicu Crisan YO5OUC

Consecințele „jocului” de-a radiofrecvența sunt curenții de mod comun. Poate că o să zâmbiți citind acest material, dar problema poate deveni serioasă mai ales dacă, îi mai și “invităm” pe acești băgăcioși periculoși la “masă” cu transceiver-ului nostru. Efectele radiofrecvenței ce poate ajunge să perturbe buna funcționare a echipamentelor electronice din jur, vecinii sau într-un cuvânt televizoarele, pot fi dintre cele mai bizare (perturbații de radiofrecvență, blocare stație pe emisie, blocare PC, distrugerea unor componente electronice, modularea vocii peste imaginea din TV-ul vecinilor etc.). Este TVI-ul un indicator al prezentei unui radioamator in zona? Nu neaparat. XYL-ul poate fi primul și cel mai îngăduitor senzor ce ne semnalează problema, prima dată cu calm, pe urmă, apar și vecinii. Tema materialului pe care vi-l propun spre dezbatere este modul în care putem atenua curenții de mod comun, privind acest fenomen cât mai pe dinăuntru.

Pur și simplu “ugly”

                Unul dintre cele mai controversate dispositive de simetrizare/asimetrizare sau pe scurt BALUN (balance to unbalance) este Ugly-BALUN. Literatură de ficțiune, mituri și legende s-au scris despre acest dispozitiv popular. Ușor de făcut, unii spun chiar destul de bun, acest BALUN a ajuns să fie tot mai prezent și nu întâmplător, îl mai folosesc și eu. Într-o zi un prieten mi-a spus că din cauza lui  am eu problemele cu curenții de mod comun. Și nu are prietenul meu dreptate? Sigur că are. Numai că eu știu mai bine când imi apar și când nu aceste probleme. Un lucru e cert i-am răspuns. Problema apare doar atunci când lucrez la o frecvență la care impedanța de intrare a antenei (partea reala sau imaginară ori ambele) este mai mare adică de ordinul sutelor de Ohmi. Numai atunci când SWR-ul este mai mare decât 3 sau când modulul impedanței este de peste 150 de Ohmi. Problema dispare ca prin farmec când impedanța de intrare a antenei este mica (adică sub 50 de Ohmi). O altă certitudine este că problema nu-mi apare decât în banda de 80 m. Acolo, am eu o antenă acordată pe o porțiune de numai 30 KHz. Numai în afara acelei zone de acord  am TVI, chiar și atunci când AT-ul acordă stația la antenă oferind un SWR de 1:1. În benzile superioare începând cu 10 MHz perturbația dispare indifferent de impedanța de intrare a antenei, chiar și în afara benzii de acord. Cât de eficient este acest Ugly-BALUN? Face ori nu face ceva? Probabil cei ce au un BALUN pe tor de ferită, îmi vor spune că, Ugly-BALUN-ul nu face mai nimic pentru că nu are impedanța de mod comun suficient de mare. Într-un fel au dreptate, dar haideți să vedem ce este impedanța de mod comun și de ce multe răspunsuri bune încep cu depinde.

Fig. 1 – Ugly-BALUN in action (Current-BALUN sau 1:1 RF Choke) [1]

Curent sau tensiune? (aripioară sau picior?)

                Sunt două tipuri de BALUN-uri: de curent sau de tensiune. Diferă prin modul cum acționează, primul, asupra curenților diferențiali, iar al doilea, asupra tensiunii diferențiale. Ugly-BALUN face parte din prima categorie, a celor de curent. În figura 2 cele două bobine reprezintă firul central respectiv tresa cablului coaxial înfășurate pe un cilindru cu diametru oarecare. Miezul e aerul ne fiind folosită o ferită la propriu. Problema majoră a bobinelor realizate în aer este că spre deosebire de cele pe miez de ferită au un factor de calitate mai mare deci benzi de operare mai înguste. Această problemă este ameliorată aici pentru că în cazul cablului coaxial factorul de calitate este ceva mai mic din cauza diametrului mare al tresei și pierderilor în dielectric (aici mai intervine și componenta capacitivă a cablului – vom reveni).

Fig. 2 Schema echivalentă Choke – BALUN, bobinele sunt cuplate inductiv

                În figura 2 este reprezentată schema electrică a unui Choke-BALUN (de curent cu un raport de transformare de impedanță de 1:1) categorie din care face parte și Ugly-BALUN (deci un Ugly-BALUN este un Choke-BALUN ce folosește cablu coaxial, dar bobinat în aer). Un Choke-BALUN poate fi realizat practic pe un tor de ferită sau pur și simplu în aer caz în care devine Ugly (inestetic). Se pot utiliza două conductoare paralele înfășurate pe miez sau cablu coaxial. În orice situație bobinele  și  vor avea valori egale. În acest caz cuplajul mutual dintre ele este . Factorul de cuplaj va fi  deci prin ambele bobine trece același flux magnetic (normal). Dacă dipolul este simetric atunci , dar au semne opuse. Atunci curenții diferențiali  și  sunt și ei egali și opuși. Bobinele nu ar trebui să se opună curenților diferențiali pentru că ar discrimina frecvențele și atunci am avea un filtru trece jos. Să vedem! În cazul echilibrului perfect între curenți avem:

 ; numai dacă curenții diferențiali sunt egali,

 ; M este cuplajul mutual dintre bobine.

În consecință dacă antena este simetrică și  atunci tensiunile de pe bobine sunt zero deoarece fluxurile magnetice produse de cei doi curenți se anulează reciproc. În acest caz Choke-BALUN-ul nu va avea nici un efect, nici nu ajuta nici nu încurcă. Ca și cum nu ar exista în calea curenților diferențiali deci nici nu se va încălzi miezul sau altceva (dielectricul sau firele).

Acesta este însă cazul ideal. Problemele apar din următoarele motive:

a.       Dipolul nu este niciodată simetric datorită diferenței de lungime a brațelor sau datorită cuplajului cu obiectele din jur (dispuse asimetric și având diferite proprietăți).

b.       Dezechilibrarea dipolului se produce și dacă conectăm tresa cablului coaxial la unul din brațe. Dacă are o impedanță mai mică va micsora tensiunea în acel punct și va dezechilibra dipolul.

Efectul dezechilibrării dipolului duce la  diferit de  și la . Ca urmare apare un surplus de curent pe una din ramuri. Acum va intra în acțiune Ugly-BALUN-ul. Acesta va urma modelul liniei de transmisie adică datorită distribuției sarcinilor între firul cald și interiorul tresei va menține curenții diferențiali egali prin cele două bobine, dar în exteriorul tresei apare un curent suplimentar. Acesta este curentul de mod comun (modul comun apare pe exteriorul tresei) sau un invitat nepoftit.

Fig. 3 Dezechilibrarea dipolului urmată imediat de apariția curentului de mod comun () pe exteriorul tresei cablului coaxial.

În figura 3 este ilustrat fenomenul. În interiorul cablului legea o face modul diferențial deci curenții urmează modelul liniei de transmisie și vor fi egali, dar opuși. Ei produc fluxuri magnetice opuse ce se anulează reciproc. Ca urmare modul diferențial nu determină o cădere de tensiune pe bobine ca și în cazul precedent.

Surplusul de curent  va produce un flux magnetic suplimentar ce determină o cădere de tensiune. În acest caz bobina  (tresa cablului) se opune curentului de mod comun imediat. Modelul din figura 3 a fost propus de către R. Lewallen, W7EL [2] în 1995. Acesta propune introducerea impedanței de mod comun pentru a evidenția ramificarea curenților și efectul bobinei pe tresă asupra curentului de mod comun .  Ea ar trebui să aibă un caracter inductiv, partea reală ar fi mică, iar partea imaginară aproximativ . Aceasta este impedanța despre care amicul meu spunea că ar avea o valoare prea mică în cazul Ugly-BALUN. Vom vedea în continuare.

Ugly-BALUN (văzut pe dinăuntru)

                În continuare vom folosi un model în care vom presupune că efectul liniei coaxiale asupra BULUN-ului este minim. Asta s-ar întâmpla dacă impedanța tresei ar rămâne foarte mică aproape de zero la ambele capete. Acest lucru în practică se poate realiza dacă: linia are o lungime electrică de  (adică impedanța de la un capăt se repetă la celălalt capăt) sau dacă folosim contragreutăți în sfert de undă conectate la tresa cablului coaxial chiar la intrarea în BALUN (punctul C din figura 2). O altă variantă ar fi îngroparea cablului sau conectarea la împământare a tresei în cât mai multe puncte (de exemplu de-a lungul unui burlan din tablă zincată folosit la scurgerea apei din 3 în 3 metri sau mai bine prin burlan). Personal am adoptat varianta împământării la capete folosind pilonul de susținere al antenei (din țeavă de aluminiu).

Fig. 4 Modelul electric în care efectul cablului este minimizat – impedanța foarte mică de pe tresă la ieșirea AT-ului se repetă la tresa BALUN-ului în punctul C (prin măsurile descrise)

                În figura 4 se vede că practic dacă linia de transmisie are lungimea electrică egală cu jumătate din lambda atunci masa electrică se deplasează (se repetă) în punctul C. Asta ar însemna că în banda de 80m folosind un cablu coaxial cu un factor de viteză 0,66 vom avea nevoie de 26,4m. Fenomenul se repetă în benzile pentru care lungimea cablului rămâne un multiplu de lambda/2 (40m, 20m, 10m și aproape și pentru 6m). Să vedem cum acționează impedanșa de mod comun în acest caz.

                 trebuie să fie egal cu  pentru că fluxurile magnetice produse de curenții prin bobine se anulează reciproc. Deci:

 ,

,

.

                Din ultima ecuație rezultă că . De unde se vede ușor că raportul curenților diferențiali de la bornele dipolului este unitar doar dacă impedanța de mod comun este mult mai mare decât impedanța la intrarea antenei măsurată față de masa flotantă acolo unde apare un nul al tensiunii (aproximativ la mijloc). Păi asta înseamnă că:

-       La rezonanță dipolul are impedanță minimă și  

-          BALUNUL de curent este eficient în punctul de alimentare unde curentul este mare și deci impedanța de intrare mică.

În mod paradoxal cea mai eficientă măsură pentru micșorarea curenților de mod comun nu este neapărat creșterea impedanței de mod comun a BALUN-ului ci mai degrabă acordul antenei, lucru ce duce la scăderea lui .

Utilizarea unui dipol dezacordat (Hei Huston! We have a problem.)

Utilizarea unui dipol dezacordat nu este o idee bună chiar dacă pentru mulți problema este ușor de ignorat cu un Auto-Tuner. Apăsăm un buton și stăm liniștiți pentru că avem un VSWR de 1:1. Ușor ușor suntem tentați să mărim și puterea. Dacă lucrăm și în modurile digitale atunci povestea poate fi desprinsă dintr-un film horror pentru că tot controlul este realizat de pe PC care, poate, nici el nu are o separare galvanică bună. Curenții de mod comun îți pot rade aparatura în acest caz. Batem în lemn să rămînă doar un scenariu. Să zicem totuși că avem un Ugly-BALUN, ce va face acesta?

Raportul curenților poate fi păstrat unitar dacă  este mult mai mare decât . Cât de mare poate fi ? Păi la un VSWR = 5 poate ajunge până pe la 300 de Ohmi. Dar exact, cât? Vreau să știu până unde poate opri BALUNUL curenții de mod comun, în ce condiții, mai exact. Va fi nevoie atunci de parametrul introdus de F. Witt Al1H [3] [4] ce măsoară gradul de asimetrizare al curenților de la intrarea în dipol:

.

Vom înlocui curentul  cu  din raportul curenților, astfel vom avea:

 dacă  este mult mai mare decât . Această aproximare ar fi sustenabilă dacă impedanța de mod comun ar fi de cel puțin zece ori mai mare decât . În acest caz fericit  și curenții de mod comun extrem de mici. Păi dacă  ar fi de circa 100 de Ohmi atunci impedanța de mod comun a BALUN-ului  cel puțin. Pentru a obține o asemenea reactanță la frecvența de 3,7 MHz ar fi nevoie de o inductanță de cel puțin 43 micro Henry. Păi Ugly-BAUN-ul meu are 27 de spire bobinate în aer pe un diametru de 50 mm. La un calcul pornind de la RG58 și utilizând calculatorul lui K1AON rezultă o reactanță de doar 229 Ohmi și o inductanță de doar  Pentru cazul meu  În cazul în care VSWR-ul este sub 2:1 atunci  și  În ambele situații dezacordul dintre curenți este inacceptabil.

Ce se întâmplă fără BALUN dacă am conectat coaxialul direct la dipolul acordat?

Păi atunci impedanța de mod comun este zero și . O idee proastă! Dar nu catastrofală. După cum știți merge, dar cam dăm cu RF-ul prin televizoare. Amicul meu avea dreptate până aici.

De ce nu trebuie aruncat Ugly_BALUN-ul (Un filtru ascuns pe sub “masă” sau asul din mânecă)

Ugly-BALUN e un fel de “Hopa Mitică” pentru că nu se sparge, nu se strică. E ușor, ușor de făcut, nu se încălzește și nu-ți rupe/întinde dipolul dacă acesta e întins la capete. Mai mult! Poate fi montat fără a tăia cablul coaxial ceea ce reduce pierderile de inserție. Dar tot nu ai suficiente argumente să nu-l arunci.

Funcționează totuși … e adevărat ceva mai puțin eficient decât un Choke-BALUN pe tor de ferită. Nu face rău … dar nici nu poți exagera cu dezacordul. Totuși.

Să-l vedem pe teren atunci când punem analizorul vectorial pe el.

Pentru măsurători în locul antenei s-a montat o rezitență de 50 de Ohmi, iar punctul C de la intrarea BALUN-ului s-a conectat la masa VNA-ului. Analizorul folosit este un mini-VNA Pro realizat de mini-RADIO SOLUTION cu un domeniu de analiză între 1-200 MHz. Iată ce am obținut:

Fig. 5 SWR-ul măsurat când la ieșirea Ugly-BALUN-ului (27sp/aer/FI50mm/RG58U) s-a montat o rezistență de 50 de Ohmi

Se vede că SWR-ul rămâne sub 2:1 pentru toate benzile între 1 și 54 MHz.  Acesta este un rezultat bun pentru domeniul 1-20 MHz și acceptabil în rest.

În faza a doua s-a comutat analizorul în modul de lucru “transmission” s-au făcut calibrările și s-a măsurat atenuarea pe tresa cablului între punctele C și D. Iată rezultatul.

Fig. 6 Atenuarea de transmisie TL pe tresa lui Ugly-BALUN în dB – TP este faza coeficientului de transmisie

La frecvența de 3,7 MHz am plasat un marker triunghiular ce indică atenuarea (TL) produsă de tresa cablului (-12 dB). Asta înseamnă o atenuare de patru ori a tensiunii semnalului de 3,7 MHz injectat la intrare. Se mai vede ușor faptul că tresa se comportă ca un filtru oprește bandă deci bobina nu acționează singură ci sigur e ajutată de o componentă capacitivă plasată în paralel.

În figura 7 este prezentat modul în care se măsoară atenuarea TL. Tresa Ugly-BALUNULUI este montată la ieșirea VNA între borna SMA (DUT – Device under test) și DET (Detector). Cablurile de legătură suplimentare au fost compensate la calibrare deci ele nu mai contează. Aparatul generează un semnal vobulat în frecvență ce urmează două căi diferite. Pe ramura de sus ajunge la DUT și trece prin tresa cablului, apoi este măsurat la DET cu un detector intern. Pe calea de jos semnalul trece printr-o linie de referință cu pierderi extrem de mici și foarte bine adaptată. Unda reflectată pe linia de referință este aproape zero. Aparatul face apoi raportul modulului tensiunii măsurate la DET cu modulul tensiunii de referință. În felul acesta se evită eroarea ce ar fi produsă ca urmare a efectului undei reflectate asupra semnalului de la intrare (Pin). Portile 1 și 2 ale T-ului sunt izolate (nu se afectează reciproc).

Fig. 7 Schema de principiu corespunzătoare scenariului de test în care se urmărește determinarea inductanței L2 a tresei cablului

Deci  la 3,7 MHz, de unde rezultă reactanța tresei  . Reactanța corespunde unui circuit LC paralel. Dacă considerăm că inductanța  conform calculatorului lui K1AON (Prof. Dr. J.Corum) și ținând cont de rezonanța de la 24 MHz din figura 6 ar rezulta o capacitate parazită de 4,4 pF în paralel. Acest așa zis “AS” este o cacealma ieftină pentru că nu aduce îmbunătățiri semnificative, din contră. Reactanța X este chiar mai mică decât cea estimată la început adică 146Ω  în loc de 229Ω. În cazul acesta factorul . În cazul în care nu am avea un BALUN atunci , iar dacă am folosi un Choke-BALUN pe tor de ferită IMB-ul ar scădea sub 0,1.

Iată de ce nu am totuși probleme cu TVI-ul.

Mai jos este un tabel cu măsurători efectuate la intrarea cablului ce intră în AT. Cablul este RG58U și are o lungime de 14,6m (aprox.  la 3,7 MHz considerând factorul de viteză 0.66 al cablului).

Tabel 1. Măsurarea dipolului + Ugly-BALUN+14,6m RG58U la mufa unde este conectat AT-ul

                După cum se vede antena se comportă cel mai bine la 3,67 MHz, totuși, impedanțele de intrare rămân mai mici de 50Ω lucru ce favorizează Ugly-BALUN acesta având la dispoziție o impedanță de numai 146Ω pentru a opri curenții de mod comun.

Concluzii (Îmi cumpăr sau nu îmi cumpăr tor de ferită?)

Amicul meu are perfectă dreptate de această dată. Nu aș recomanda cuiva să folosească un Ugly-BALUN dacă antena nu e bine acordată. Impedanța de mod comun este prea mică la frecvențe de sub 10 MHz și pune în pericol echipamentul. Totuși, ignorarea totală a BALUN-ului și conectarea cablului coaxial direct la dipol implică un risc cu mult mai mare decât utilizarea unui BALUN slăbuțel. Atenție că AT-ul nu va opri curenții de mod comun și nici feritele clipsate pe tresa cablului la intrarea în AT sau/și transceiver.

Măsurile ce ar opri/atenua curenții de mod comun într-un dipol ar fi după mine următoarele:

1.       Utilizarea unui Choke-BALUN pe tor de ferită (FT240-31) folosind cablu coaxial (circa 8-9 spire)

2.       Pentru puteri mai mari de 600W până la 1000W pe două toruri de ferită FT240-31

3.       Acordul antenei pe frecvență

4.       Utilizarea unui cablu cu o lungime electrică multiplu de lambda/2.

5.       Echilibrarea brațelor antenei sau dezechilibrarea lor în sensul micșorării curenților de mod comun. Pentru această operație se poate folosi o ferită pe cablu de coborâre la intrarea în AT pe care s-au înfășurat circa 9-10 spire. La borne se conectează un detector de RF ca cel prezentat în [6]. Se va scurta/lungi unul dintre brațele antenei în sensul micșorării curentului detectat de diodă. Atenței! Nu umblați la antenă în timpul emisiei.

6.       Împământarea cablului coaxial la capete cu fire separate. Împământarea AT-ului.

7.       Îngroparea cablului în pământ pe porțiunea ce intră în casă.

8.       Folosirea clipsurilor de ferită (beads) la intrarea în AT, AP, Transceiver.

9.       Folosirea contragreutăților (eventual radiale) pentru a consolida masa tresei la intrarea în BALUN.

10.   O rugăciune înainte de culcare (măcar îngerelul).

Am ascultat eu de sfaturile amicului meu? Normal că nu. Mă bazez încă pe punctul 10.

Le mulțumesc celor ce au avut răbdare să citească până spre ... sfârșit. Nu trebuie neapărat să-mi dați dreptate, în fond, după un zâmbet fiecare știe mai bine ce secrete ascunde hamshack-ul propriu.

73 de YO5OUC (Nicu)

Bibliografie

[1] - http://www.hamuniverse.com/balun.html

[2] R. Lewallen, W7EL, 1995, “The 1:1 Current Balun,”

http://fermi.la.asu.edu/w9cf/articles/balun/index.html

[3] F. Witt, AI1H, “Evaluation of Antenna Tuners and Baluns—An Update,” QEX, Sep/Oct 2003.

[4] https://www.nonstopsystems.com/radio/pdf-ant/radio-tuners-baluns.pdf

[5] F. Crețu YO8CRZ – Radiotehnică vol. 1

[6] https://ham.stackexchange.com/questions/1271/how-to-detect-common-mode-currents-or-rf-in-the-shack

Nicu Crisan YO5OUC

Articol aparut la 15-8-2019

5416