Balun - unbal
Antenne-aanpassing eenvoudig gedaan.
Iedereen die ooit eens met transmissietechnieken te maken heeft gehad, weet dat je niet zomaar een stuk coax aan een antenne kunt knopen. De symmetrie van een dipool wordt daardoor namelijk wreed verstoord, met alle nare gevolgen van dien. Wie dus waarde hecht aan een goede ontvangst, dient voor een degelijke aanpassing tussen de antenne en de ontvanger te zorgen. Daarvoor bestaan diverse methoden. We beperken ons in dit artikel tot een mogelijke vorm van aanpassing: de BALUN-transformator.
In goed Engels betekent balun: BALanced - UNbalanced. Wat daarmee bedoeld wordt, kan het beste aan de hand van figuur 1 worden verklaard. Wanneer twee even lange en identieke leidingen aan de ene kant parallel geschakeld worden en aan de andere kant in serie, dan heeft die konstruktie twee kenmerkende eigenschappen: ten eerste is er sprake van een impedantietransformatie en ten tweede vindt er een verandering plaats van symmetrisch naar niet-symmetrisch (BALUN) en andersom (UNBAL). Deze uitleg is weliswaar niet helemaal volgens het boekje, maar wel wat aanschouwelijker. In de leerboeken worden zulke schakelingen algemeen als BALUN-lijnen betiteld, waarvan de karakteristieke impedantie Z aan de parallel geschakelde zijde als Z/2 verschijnt. Het andere, in serie geschakelde einde, heeft een ingangsimpedantie van 2Z. De met deze symmetrie-verandering overeenkomstige impedantietransformatieverhouding is dus 1 : 4.
Figuur 1. Het principe van een BALUN-schakeling. In a uit twee stukjes lintleiding en in b uit twee stukjes coax vervaardigd. Z is de karakteristieke impedantie van de leidingen. In b kan men tevens zien hoe de coaxkabel op de BALUN moet worden aangesloten.
Lucht-BALUN
Kortegolfdipolen, FM- en TV-antennes worden vandaag de dag meestal via een coaxkabel met de televisie of de radio verbonden. Een direkte verbinding tussen antenne en coaxkabel heeft echter het nadeel dat de symmetrische antenne asymmetrisch wordt belast, ook wanneer de impedantie van de antenne (bijvoorbeeld 60 Ω) overeen zou komen met de karakteristieke impedantie van de kabel (ook 60 Ω). Daardoor treden in de afscherming van de coaxkabel zogenaamde mantelstromen op. En dat heeft tot gevolg dat de kabel bij het zenden uitstraalt en bij ontvangst als antenne werkt. Onaangenaam! Het verhinderen van die stromen in de afscherming kan het eenvoudigste worden gedaan door de kabel aan de antenne tot een soort smoorspoel te wikkelen (zie figuur 2a). Eenvoudiger kan het echt niet! De "spoel" is mooi breedbandig, de kabel blijft zoals die was en er hoeft niets te worden afgeregeld. jammer genoeg heeft deze methode ook wat nadelen: Er hangt een tamelijk dikke klos aan de antenne en bij hoge frekwenties werkt de zaak niet meer als smoorspoel.
Figuur 2. De eenvoudigste symmetreerinrichting: de antenneleiding wordt bij de antenne tot een luchtspoel gevormd (a). Met behulp van een gewikkelde lint-leiding van 120 Ω en een lengte van λ/4 kan men een symmetreerinrichting maken voor een FM-dipool met coaxkabel (b).
Gegevens BALUN-spoel (figuur 2):
kabellengte in omgewikkelde toestand: ≥ λmax : 10
lengte: diameter ≥ 4
impedantie van de BALUN-spoel:
Zs = √(Za × Zk)
Zs = karakteristieke impedantie van de kabel waaruit de spoel is gewikkeld
Za = impedantie van de antenne
Zk = karakteristieke impedantie van de toevoerleiding
In figuur 2b hebben we nog een tweede voorbeeld van een dergelijke BALUN getekend. Hier gaat het om een verbinding tussen een (symmetrische) dipool van 240 Ω en een asymmetrische 60-ohms-kabel.
Wikkelt men de stukjes lintleiding (λ/4) zoals in figuur 2b is getekend en knoopt men ze volgens figuur 1a aan elkaar, dan kan op het ene einde ("2Z") de antenne en op het andere uiteinde ("Z/2") de toevoerleiding worden aangesloten. In het algemeen gelden voor het berekenen de hiernaast staande vuistregels. In ons geval krijgen we voor de karakteristieke impedantie van de lintleiding de volgende uitkomst: √(240 × 60) = 120 Ω. De lengte van de leiding bedraagt bij een golflengte van 3 m (FM) dus minstens 3 m : 10 = 30 cm. De binnendiameter van de spoel is hierbij maximaal 7,5 cm. De windingen moeten zo dicht mogelijk naast elkaar worden aangebracht, waarna het aan te bevelen is, om de aansluitingen met wat plastic spray in te spuiten, zodat ze tegen vochtigheid beschermd zijn. (Op de zojuist beschreven wijze kunnen natuurlijk ook VHF- en UHF-antennen "gesymmetreerd" worden.)
Ringkern-BALUN
Wanneer we een BALUN-spoel op een ferriet-ringkern wikkelen, dan ontstaat er een kleine, plaats- en materiaalbesparende symmetreerschakeling. Ook hier weer twee voorbeelden. Figuur 3a toont een BALUN die overeenkomt met die in figuur 2a. Op de ringkern worden ongeveer 10 windingen gelakt koperdraad (0,25 mm 4)) in getwiste vorm aangebracht. Met deze getwiste wikkeling op een Amidon-T50-ringkern krijgen we een frekwentiebereik van 12 tot 280 MHz.
Figuur 3. Dezelfde symmetreerinrichtingen als in figuur 2. Het enige verschil is dat ze op ringkernen zijn aangebracht. Het frekwentiebereik gaat van 12 tot 280 MHz.
Het zou dus, gezien het frekwentiebereik, mogelijk moeten zijn om met een soortgelijke schakeling de aanpassing van een FM-dipool aan een coaxkabel te bewerkstelligen (analoog aan figuur 2b). Een BALUN voor dat doel hebben we in figuur 3b getekend. Ook hier moet getwist worden gewikkeld. De juiste aansluitingen kan men met behulp van een ohmmeter uitpluizen en met elkaar verbinden. De impedantietransformator heeft een verhouding van 4 staat tot 1. Wanneer men dus een antenne op de punten 1 en 4 aansluit en de toevoerleiding op de punten 3 en 4, dan ontstaat exakt dezelfde symmetrering als in figuur 2b. Aan u de keus!