4:1-Balun selbst gebaut und ausgemessen
Warum teures Geld für einen Balun ausgeben? Der Eigenbau ist ganz einfach und das Ergebnis sehr gut, wie diese Bauanleitung fur einen 4:1-Balun und die umfangreichen Messungen zeigen.
Die Besonderheit des Eigenbau-Baluns liegt in der Anfertigung der Spezialwicklung, die eine besonders hohe Bandbreite sowie ausgezeichnete elektrische Eigenschaften ergibt.
Balun heiBt Balanced/unbalanced, also symmetrisch auf unsymmetrisch. Ein Balun 4:1 ist ein Trafo, der z. B. eine Impedanz von 200 Ohm symmetrisch auf 50 Ohm unsymmetrisch in einem grollen Frequenzbereich transformiert. Er ist aber bei entsprechender Dimensionierung der Wicklung auch in der Lage, jede beliebige Transformation von 4:1, also z. B. auch 100 Ohm symmetrisch auf 25 Ohm unsymmetrisch durcbzuftihren.
Der bier beschriebene Balun wird vorzugsweise dann verwendet, wenn man den unsymmetrischen Ausgangswiderstand eines Senders von 50 Ohm an symmetrische Antennen mit einem Speisepunktwiderstand von etwa 200 Ohm ohne Antennentuner anpassen will.
Die typische Anwendung sind daher Windom-, TFD- oder Falt-Dipole. Auch G5RV-Antennen konnen vorteilhaft angeschlossen werden.
Die erwahnte Antennenimpedanz wird man allerdings nur in einem begrenzten Frequenzband voründen, darüber hinaus wird die Impedanz betrachtlich von diesem Wert abweichen; man benOtigt dann zusatzlich an der Station noch einen Antennentuner. Hier liegt ein weiterer Vorteil eines 4:1-Baluns. Ublicherweise kann man mit einem Antennentuner eine maximale Antennenimpedanz von etwa 800 Ohm auf 50 Ohm transformieren. Dies erfolgt mit einem T- oder L-Glied, besser bekannt als Collins-ülter. Darüber hinausgehend kommt es infolge der dann extremen Werte für L und C zu relativ grol3en Verlusten. Verwendet man dagegen einen 4:1-Transformator bereits an der Antenne, dann erniedrigt rich schon mal eine etwaige hohe Impedanz um den Faktor 4, und dann werden beispielsweise aus 1 kOhm 250 Ohm, was zu wesentlich besseren Bedingungen für den Tuner führt.
Die Schaltung
Der Balun besteht nur aus einem Ferritringkern sowie einer Spezialleitung. Bild 1 zeigt die Schaltung, Bild 2 die Ausführung.
Bild 1: Schaltung des Baluns.
Bild 2: Wickel- und Verdrahtungsschema.
Durch entsprechendes Beschalten der Wicklung entsteht nach den Regeln der Leitungstransformation ein sogenannter Spannungs-Balun. Dies deshalb, weil durch die Spannungsaufstockung der zweiten Wick-lung die Eingangsspannung verdoppelt wird.
Diese Spannung steht gleichzeitig an dem nun vierfachen Widerstand und ergibt somit natürlich die gleiche Leistung wie an 50 Ohm.
Am Ausgang des Baluns steht für die Speisung der Antenne das HF-Signal vom Sender an den beiden Asten erdsymmetrisch und gegenphasig an. Die schallichen Mantelwellen auf dem Koaxkabel werden somit bei symmetrischen Dipolen mit dem Balun in MaBen reduziert. Die Symmetrierung ist aber bei symmetrischen Antennen bei Verwendung des Baluns in jedem Fall gewahrleistet.
| Symmetrieabweichung | max. 0,6 dB bei 30 MHz |
| Bandbreite fur SWR max. 1,2 | 1 bis 30 MHz |
| Durchgangsdampfung | max. 0,25 dB von 1 bis 30 MHz |
| Belastbarkeit | 300W bei SSB |
| 1 | Ringkern FT 140-77 |
| 1 | Verteilerdose |
| 1 | Stick Drahtleitung 1,5 mm2 |
| 1 | N-Einbaubuchse UG 680U |
| 1 | N-Kabelstecker UG 21B |
Entstehung von Mantelwellen
Beündet sich allerdings im X16-Bereich eines Dipols eM storendes Objekt in Form eines Baums, Hausdachs, Zauns oder einer elektrischen Leitung, wird diese Symmetric trotz Balun gestort, und es kommt zu den gefürchteten Mantelwellen. Darunter versteht man einen an der AuBenseite des Koaxkabels flieBenden HF-Strom gegen Masse, der infolge der nichtabgestimmten koaxialen Speiseleitung TVI und BCI verursachen kann.
Ublicherweise verwendet man Koaxkabel, urn Gerate mit koaxialen Anschlussbuchsen miteinander zu verbinden. Das elektromagnetische Feld existiert bei dieser Verbindung nur innerhalb des Koaxkabels. AuBerhalb des Kabels wird man keine Abstrahlung messen konnen, falls das SchirmmaB des Kabels entsprechend Koch ist.
Anders sieht das bei einem koaxialen Antennenspeisekabel aus, wenn die Antenne symmetrisch ist. Das Koaxkabel endet namlich an der Antenne abrupt, um in die strahlenden Drahte überzugehen. Dabei besteht eine Strahlungskopplung zwischen der Antenne und dem AuBenmantel, nicht aber dem Innenleiter, da dieser abgeschirmt ist. Der im Aul3enleiter des Koaxkabels induzierte HFStrom flieSt gegen Erde ab.
Dies zeigt deutlich, dass an der AuBenseite des Kabels eine ungewollte Abstrahlung der Sendeleistung erfolgt.
Will man die Mantelwellen minimieren, muss man direkt an der Hauseinführung des Koaxkabels eine zusatzliche Mantelstromdrossel in Form eines Strom-Baluns anbringen.
Die Balun-Wicklung
Für das einwandfreie Funktionieren des Baluns benotigt man eine Transformationsleitung, deren Wellenwiderstand gleich dem geometrischen Mittel der Impedanzen an Einund Ausgang ist. Bei den Impedanzen 200 und 50 Ohm ergibt sich 100 Ohm. So eine Leitung muss man sich anfertigen, sic gibt es nicht fertig.
Betrachtet man ein Diagramm ür den Wellenwiderstand von Paralleldrahtleitungen, dann benotigt man dafür zwei Drahte von etwa 1,3 mm Durchmesser in einem Abstand von etwa 1,6 mm. Zusatzlich ist noch die Isolation zu beracksichtigen.
Hier kann man sich mit einer einfachen Losung helfen.
Man besorgt sich aus dem Baumarkt einen normalen Schaltdraht 1,5 mm2, wie er far die Hausinstallation verwendet wird. Davon schneidet man zwei Stücke mit je 450 mm ab.
Nun wird der eine Draht auf seiner gesamten Lange abisoliert und moglichst dicht an den isolierten Draht gelegt.
Bild 3 zeigt die beiden Drahte vor dem Uberzug mit einem Schrumpfschlauch. Am besten geht dies mit einem über die gauze Lange reichenden Schrumpfschlauch, den man allerdings je nach SchrumpfmaB entsprechend Unger bemessen muss. Dieser Schrumpfschlauch isoliert auch den abisolierten, blanken Draht gegen den galvanisch leitenden Ferritkern. Fertigt man die Paralleldrahtleitung ohne Schrumpfschlauch, also mit Bindfaden oder Klebeband an, muss man deshalb den Ferritkern vor dem Bewickeln mit Tesaband zur Kerrtisolation umhüllen.
Bild 3: Ansicht der beiden Drahte.
Diese fertige Leitung hat einen von der Lange unabhangigen Wellenwiderstand von etwa 110 Ohm, wie eine Messung beweist. Man kann diese Messung leicht nachvollziehen, falls man eM Messgerat besitzt, das C und L messen kann: Die 450 mm lange Zweidrahtleitung wird mit offenen Enden an das Messgerat gelegt. Die Drahte besitzen eine bestimmte Kapazitat, in unserem Fall etwa 60 pF. Das Ende wird dann kurzgeschlossen und die Induktivitat gemessen, die etwa 0,7 µH betragt. Zieht man die Wurzel aus L/C (praktisch: L in nH und C in nF), dann erhalt man etwa 108 Ohm. Das ist der Wellenwiderstand der Leitung. Damit ist these bestens als Transformationsleitung ftir unseren Bedarf geeignet.
Nun müsste man etwa λ/4 für die großte Wellenlange, also beispielsweise 40 m für das 160-m-Band, im Freien auslegen oder leicht verkürzt als Luftspule anfertigen, um eine entsprechende Transformation von 4:1 zu erreichen.
Dies kann man sich ersparen, indem man einen Ferritkern mit hohem AL-Wert verwendet. Dadurch reduziert sich die ohne Kern erforderliche Lange auf die nunmehr benotigten 450 mm. Diese Lange ergibt auf dem Ringkern 7 Windungen. Beim Zusammenschalten ist darauf zu achten, dass die blanke Leitung, also der Punkt 1, zum Innenleiter des Koaxkabels führt.
Einfache Konstruktion
Beim Gehause wird man wieder im Baumarkt fündig, namlich in Form einer Verteilerdose aus Weichplastik (Bild 4).
Bild 4: Die wenigen Einzelteile fur den Balun.
Am unteren Ende der Dose wird eine wasserdichte N-Buchse mit Massering montiert und anschlieBend der Trafo entsprechend Schaltung verdrahtet (Bild 5).
Bild 5: Buick in das Gehause des Baluns.
Die beiden Drahte zur Antenne werden links und rechts von der N-Buchse nach unten (Wasserdichtheit) aus dem Gehause geführt, wie es Bild 6 zeigt.
Bild 6: Der offene Balun mit etwas mehr Abstand betrachtet.
Die beiden Montagelaschen links und rechts am Gehause sind recht praktisch, um die Antennenschenkel daran zu befestigen. Das somit zugentlastete Antennenkabel kann dann mit den in der Verteilerdose mitgelieferten Anschlussklemmen (im Baumarkt überprüfen!) mit dem Balun verbunden werden.
Das Antennen-Koaxkabel wird nun an einem N-Stecker montiert und sollte moglichst rechtwinkelig zum Dipol in Richtung Sender geführt werden.
Die Messungen
An dem recht einfachen Balun k6nnen nun eine Menge Messungen durchgeführt werde, wobei in erster Linie die Verluste sowie das Anpassverhalten interessieren.
Die Messung der Verluste erfolgte mit 100 W Sendeleistung gemaß der Prinzipschaltung Bild 7. Dazu benötigt man zwei gleiche Transformatoren, die back to back, also Rücken an Rücken geschaltet werden. Man erhalt somit ein Trafogebilde, das es gestattet, die 50 Ohm des Transceivers an die 50 Ohm einer Kunstantenne zu übertragen. Dies deshalb, weil man keine 200-W-Kunstantenne mit 200 Ohm kaufen kann.
Bild 7: Messaufbau zur Ermittlung der Verluste.
Misst man nun die Leistung am Transceiver sowie die Leistung an der Kunstantenne, kann man als Differenz den frequenzabhangigen Verlust pro Balun feststellen: 160 m 1 W, 80 m 2 W,40 m 3 W, 20 m 6 W, 10 m 6 W, 6 m 7W.
Man kann den Verlauf auch grafisch darstellen (Bild 8). Die Abbildung zeigt den frequenzabhangigen Verlust eines Baluns im Verhältnis zum Eingangssignal. Die Differenz der beiden Kurven entspricht dem Verlust und kann in dB abgelesen werden.
Bild 8: Ein- und Ausgangsleistung über der Frequenz (hor. 10 MHz, ver. 0,5 dB pro Kastchen).
Weiter wurde untersucht, ob durch einen Balun Verzerrungen zu erwarten sind. Diese Messung kann nur mit hoher Senderleistung erfolgen, denn nur dann kommt der Kern in eine etwaige beginnende Sattigung. Verzerrungen aullem sich in Oberwellen. Jeder Sender erzeugt auch Oberwellen. So wird man bei 3,5 MHz Grundwelle am Ausgang eines Senders bei 7 sowie 10,5 MHz eine Oberwelle linden. Bei der Messung der zusatzlichen Oberwellen warden die beiden Baluns wieder back to back an den Ausgang des Senders gelegt.
Bild 9: Aufbau zur Messung der Oberwellen.
Es zeigte sich keine Verschlechterung zum ursprunglichen Signal, auch nicht mit 300 W (Bild 10 und 11). Wahrend bei 100W der Kem nicht mal handwarm wurde, stieg die Temperatur bei 300W allerdings merklich an.
Bild 10: Die Oberwellen bei 300 W mit Balun (links der Marker fur DC, daneben Grund- sowie erste und zweite Oberwelle).
Bild 11: Die Oberwellen bei 300 W ohne Balun (links der Marker fur DC, daneben Grund- sowie erste und zweite Oberwelle).
Auch bei der Untersuchung auf Intermodulation wurden die beiden Baluns wieder back to back betrieben (Bild 12). Am Eingang wurde ein Zweitonsignal eingespeist, am Ausgang die Verzerrungen mit einem Frequenz-Analyzer untersucht. Die Frequenzdifferenz betrug etwa 1 kHz. Es zeigten sich keinerlei zusatzliche Verzemmgen im gesamten Ubertragungsband bei 100W Sendeleistung.
Bild 12: Messaufbau zur Feststellung von Intermodulation.
Das Bild 13 zeigt die Entstehung der Intermodulationsprodukte im 40-m-Band bei Einspeisung eines HF-Zweitonsignals. Bezeichnet man das eine mit f1 and das andere mit f2, dann gilt für die Entstehung von Intermodulationsprodukten drifter Ordnung 2 × f1 - f2 und 2 × f2 -f1. Als Beispiel sei fur f 7 und für f, 7,001 MHz angenommen. Hierfür bilden sich Intermodulationsprodukte drifter Ordnung bei 6,999 und 7,002 MHz. Far Intermodulationsprodukte fünfter Ordnung gilt 3 × f1 - 2 × f2 und 3 × f2 - 2 × f1. Für unser Beispiel ergeben sich dainn Intermodulationsprodukte bei 6,998 und 7,003 MHz. Intermodulationsprodukte treten in beliebig hohen Ordnungen auf, werden aber mit steigender Ordnung immer kleiner.
Bild 13: Intermodulation im 40-m-Band.
Die Bilder 14 und 15 zeigen die Intermodulationsprodukte im 80-m-Band bei einer Leistung von 100 W mit and ohne Balun. Man kann keinen Unterschied feststellen. Dies war such bei 24 MHz der Fall and bedeutet, class ein Balun der getesteten Grolle bei dieser Leistung keine Intermodulationsprodukte hervorruft.
Bild 14: Intermodulation mit Balun auf 80 m.
Bild 15: Intermodulation ohne Balun auf 80 m.
Anschließend wurde noch ein Versuch mit eingeschaltetem Kompressor gemacht. Die beiden HE-Trager sind nun im Abstand von 500 Hz eingestellt. Sehr schon ist (in Bild 16 and 17) wieder zu sehen, dass keine Verschlechterung mit Baluns auftritt. Die Darstellung zeigt infolge des nun geringeren Abstands die Intermodulationsprodukte bis zur 13. Ordnung.
Bild 16: Intermodulation mit Kompression und Balun.
Bild 17: Intermodulation mit Kompression und ohne Balun.
Nun zur Messung der Anpassung. Im Gegensatz zu den Back-to-back-Messungen erfolgt diese nur mit einem Balun. Dieser wird am Ausgang mit einem 200-Ohm-Widerstand beschaltet, wahrend man am Eingang die Abweichung von 50 Ohm untersucht (Bild 18). Dies kann recht eindrucksvoll in einem SmithDiagramm dargestellt werden. Es ist für diese Messung ideal, denn es zerlegt sozusagen einen komplexen Widerstand in seinen Real-mid Imaginarteil. Die Darstellung erfolgt frequenzabhangig and erlaubt eine rasche Beurteilung. Sie zeigt - Bild 19 - eine Kurve, die, von rechts unten bei 1 MHz beginnend, sich über den Mittelpunkt nach links und dann senkrecht nach oben bewegt, urn bei 60 MHz zu enden.
Bild 18: Messaufbau zur Darstellung der Anpassung.
Als Regel gilt: Je naher sich die Kurve am Mittelpunkt beündet, desto besser ist die Anpassung, denn der Mittelpunkt bedeutet reelle 50 Ohm.
Entfemt sich die Kurve vom Mittelpunkt, so wie in unserm Fall nach oben, dann bedeutet dies, dass zu den idealen 50 Ohm noch ein Imaginarteil, hier induktiv, dazukommt.
Durch Auswahl von geeigneten Smith-Diagrammscheiben kann man sowohl den Betrag von Real- als auch Imaginarteil direkt ablesen und daraus den resultierenden komplexen Widerstand errechnen, der im Bild eingezeichnet wurde.
Das Diagramm offenbart bei genauerer Betrachtung ein ausgezeichnetes Anpassverhalten des Baluns, denn immerhin betragt seine Abweichung von den idealen 50 Ohm nur wenige Ohm innerhalb des Frequenzbereichs 1 bis 60 MHz.
Bild 19: Verlauf der Anpassung im Smith-Diagramm.
Abschließend erfolgte die Prilfung der Symmetrie. Dazu benotigt man zwei nonnale Glühbirnen mit je 100W in isolierenden Bakelitfassungen (wieder Baumarkt), die man am Ausgang des Baluns gegen Masse schaltet (Bild 20). Speist man nun am Eingang des Baluns vom Transceiver her im 160-m-Band (geringste Frequenz) Leistung ein, dann mussen beide Lampen gleichmallig hell leuchten. Sie werden allerdings nicht mit 100W leuchten, denn der Transceiver wird infolge Fehlanpassung seine Leistung automatisch verringem (Bild 21).
Bild 20: Symmetrie-Test mit zwei Gluhlampen.
Bild 21: Gute Symmetrie - die Lampen leuchten gleich hell.
Legt man dagegen nur eine Glühlampe an den 200-Ohm-Ausgang des Baluns, dann wird sie relativ hell leuchten (Bild 22), denn ihr Warmwiderstand betragt etwa 2302 V / 100 W 530 Ohm plus einem geringen induktiven Anteil der Glühwendel.
Bild 22: Nur uber den Balun angeschlossen, leuchtet die Lampe schon hell.
Der Transceiver "sieht" infolge der 4:1 Transformation etwa 130 Ohm, wird also nur mal3ig abregeln, denn dies entspricht einem SWR von 2,6. Schaltet man die gleiche Glithbirne dagegen direkt an den Transceiver, wird sie infolge der Fehlanpassung entsprechend einem SWR von 10,6 nur sehr schwach oder ilberhaupt nicht leuchten, da der Transceiver stark oder total abregelt.
DJ1UGA, Hans Nussbaum.