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Luft-Baluns für hohe Leistungen

Unter den Begriffen Balun, Unun und sogar Balbal versteht man HF-Ubertrager für verschiedene Anwendungen. So dient z.B. ein Balun dazu, eine symmetriische Antenne oder Speiseleitung an einen unsymmetrischen Ein- oder Ausgang anzukoppeln.

Zweck des Baluns ist es oft, Mantelwellen und Unsymmetrien der Antennencharakteristik zu vermeiden. Man kann durch entsprechende Wahl des Übersetzungsverhältnisses aber auch Impedanzen anpassen und so etwa eine besonders hohe oder niedrige Antennenimpedanz in den "normalen" mit geringen Verlusten arbeitenden Bereich eines Antennetuners transformieren.

Ein Beispiel

Eine Antenne mit symmetrischer Speiseleitung ist mit 2 kOhm Impedanz hochohmig. Ein nachfolgender Antennentuner hätte bei der Transformation auf die benötigten 50 Ohm unsymmetrisch einen geringen Wirkungsgrad oder könnte ein solches Verhältnis überhaupt nicht transformieren. Bei Vorschaltung eines 1:4-Übertragers verringert sich die Impedanz auf 2.000 Ohm/4 = 500 Ohm. Der Antennentuner wird diese Transformation in der Regel bewältigen, und das mit einem besseren Wirkungsgrad.

Unun und Balbal

Ein Unun ist ein HF-Übertrager, welcher ein unsymmetrisches Gebilde, z. B. eine GroundPlane- oder Langdraht-Antenne an den unsymmetrischen Sender, Empfänger oder Tuner ankoppelt.

Ein Balbal ist analog dazu ein HF-Übertrager, welcher ein symmetrisches Gebilde an den symmetrischen Senderausgang einer Gegentakt Endstafe oder an den symmetrischen Ausgang eines Tuners ankoppelt.

Man kann durch diverse Schaltungen fast jedes Übersetzungsverhältnis in jeder gewünschten Konfiguration (Balun, Unun oder Balbal) realisieren.

Fast allen Schaltungen benutzen dazu das Prinzip des Leitungsübertragers, bei dem meist eine Zweidrahtleitung verwendet wird. Die Formung zu einer Spule verringert die benötigte Leitungslänge.

Einsatzfrequenzbereich

Ein Leitungsübertrager sollte einen möglichst großen Arbeitsfrequenzbereich haben. Nur dann kann man ihn als Breitbandübertrager bezeichen.

Ein gut dimensionierter KW-Bahm ist in der Lage, von 160 m bis über 10 m hinaus seine Aufgabe zu erfüllen. Dies kann in den meisten Fällen nur mit bewickeltem Ferritmaterial in Form von Stäben oder Ringkernen erreicht werden.

Leider besitzt Ferrit- und Pulvereisenmaterial die unangenehme Eigenschaft, mit zunehmender Leistungsdichte bezogen auf den Querschnitt seine elektrischen Eigenschaften zu verschlechtern. Dies macht sich durch Erwännung bzw. durch Entstehen von Intermodulationsverzerrungen bemerkbar.

Man kann diese Effekte bis etwa 300 W bei Verwendung entsprechend großer Querschnitte vermeiden bzw. verringern. Fährt man jedoch höhere Leistungen, werden die dann benötigten großen Kerne schon empfindlich teuer.

Hier kann man durch Einsatz eines Luft-Baluns einerseits Kosten sparen, andererseits Intermodulationsverzerrungen vermeiden und zusätzlich die Gefahr von Spannungsüberschlägen zwischen den einzelnen Windungen minimieren.

Leitungsimpedanz

Für das Ergebnis ist der Wellenwiderstand Z der verwendeten Leitung von Bedeutung. Für 1:4-Baluns sollte man deshalb einen Wert von 100 Ohm anstreben, welcher das geometrische Mittel zwischen Eingangsimpedanz 50 Ohm und Ausgangsimpedanz 200 Ohm darstellt.

Den Wellenwiderstand kann man entweder messen oder errechnen. Wir ersparen uns dies, gehen in den Baumarkt und kaufen je 10 m Installationsdraht in den Farben grün/gelb und braun aus 1,5-mm²-Kupferdraht.

Legt man diese beiden Drähte dicht aneinander, erhält man etwa 120 Ohm Wellenwiderstand.

Spannungsfestigkeit

Der kunststoffisolierte Draht ist auch bezüglich Spannungsfestigkeit interessant, er ist für 700 Veff spezifiziert.

Dies dürfte auch für kräftige Endstufen ausreichend sein: 1 kW in 50 Ohm bedeutet etwa 220 Veff. Beim Betrieb als Übertrager besteht natürlich die Gefahr von Spannungsüberhähung durch Resonanz bei Anpassung an hochohmige Antennen, jedoch ist bei zahlreichen Versuchen mit den erlaubten 750 W auch an einem 2x40 m Doublet mit hoch und niederohmigem Betrieb auf allen Amateurfunkfrequenzen keinerlei Reaktion in Form von Überschlägen oder Wärmeentwicklung aufgetreten.

Zum Konzept

Der bevorzugte Übertragertyp ist der 1:4-Balun, welcher einen unsymmetrischen 50 Ohm Senderausgang an eine Zweidrahtleitung mit etwa 200 Ohm anpassen kann. Solche Übertrager sind als Ferrit-Baluns in den meisten koaxialen Antennentunern eingebaut, sie ermöglichen dann die Anpassung des Tunerausganges an die Zweidrahtleitung. Bei hohen Leistungen ist dies aus den vorher genannten Gründen nicht die optimale Lösung.

Versuche mit einem Guanella Zweidraht Übertrager verliefen viel versprechend, weshalb diese Idee näher untersucht wurde. Nach zahlreichen Versuchen hat sich herausgestellt, dass mit einem Guanella Übertrager das beste Ergebnis zu erzielen ist. Er ist zwar doppelt so groß wie ein so genannter Ruthroff Übertrager, der Frequenzbereich ist aber wesentlich größer, bei gleichzeitiger Minimierung der Übertragerverluste.

Der Aufbau

Man erkennt in Bild 1 zwei Spulen aus Paralleldrahtleitungen, welche der Übersicht wegen mit den Farben schwarz und weiß bezeichnet wurden (in Wirklichkeit grün/gelb und braun). Dies sind Doppelspulen, sie bestehen aus je einer aufgewickelten Paralleldrahtleitung.

23 Windungen pro Spule sind ein Kompromiss zwischen der Funktion bei tiefen Frequenzen und den kapazitiven Effekten bei hohen Frequenzen. Der Übertrager funktioniert deshalb von 160 m bis über 10 m in sämtlichen Amateurbändern.

Als Spulenkörper benutzen wir je ein 25 cm langes Stück Plastikrohr mit einem Außendurchmesser von 40 mm, ebenfalls aus dem Baurnarkt.

Der Aufbau erfolgte erst mal in bewährter Brett-Technologie.

Zugegeben, der Übertrager ist nicht gerade klein, aber er verkraftet locker 1,5 kW an einer Kunstantenne.

Bewickelt wird er mit parallel gelegten Drähten. Nach je einer Windung mit zwei Drähten kommt anschließend eine Kunststoffkordel oder dünnes geflochtenes Kunststoffseil mit etwa dem gleichen Durchmesser wie ein isolierter Einzeldraht. Diese Wicklung macht man, nachdem die Drähte aufgebracht wurden. Dies ist zwingend erforderlich, da sonst der große Arbeitsfrequenzbereich nicht erreicht wird. Die Kordel gibt es ebenfalls im Baumarkt. Sie bleibt zwischen den Windungen und dient durch die Trennung der Leitungen der Verbesserung des Anpassverhaltens.

Kräftige Keramikklemmen und eine UHF Einbaubuchse bilden die Anschlüsse für 200 Ohm "Balanced" an die Feeder-Leitung und 50 Ohm "Unbalanced" an den Transceiver oder die Endstufe.

Bild 2 informiert zur Wickeltechnik. Unten wird ein Wickelversuch festgehalten; die Kordel ist weiß und wird jeweils nach einer Windung von zwei Drähten (hierblau) nachträglich gewickelt. Oben ist der fertige Guanella Übertrager mit grüner Kordel sowie blauer und gelb/grüner Paralleldrahtleitung zu sehen.

Bild 3 zeigt den fertigen Übertrager.

Nun nach Ruthroff

Neben dem Guanella Prinzip gibt es noch den einfacheren Ruthroff Übertrager, welcher bevorzugt in Verbindung mit Ferritkernen aufgebaut wird.

Die einfachste Form ist der 1:4-Balun. Er besteht aus einer Paralleldrahtleitung auf nur einem Spulenkörper, man kann ihn als halben Guanella Übertrager betrachten. Bei diesem Ubertragertyp ist ebenfalls die Kordel mitzuwickeln.

Als Messmuster wurde er ebenfalls am Brett aufgebaut (Bild 4 und 5) und anschließend mit einem Guanella Übertrager verglichen.

Ein Ruthroff-Ferrit-Balun

Für eine vergleichende Messung ist es interessant, einen einfachen Ferrit Balun mit der gleichen 1,5-mm² Paralleldrahtleitung zu wickeln. Hier wird keine Abstandskordel mitgewickelt!

Man benötigt infolge des Ferrit Ringkernes nur 8 Windungen, welche einfach durch den Ringkern gewickelt werden. Verdrahtet wird der Ferrit Balun genau wie der Ruthroff Luft Balun. Bild 6 zeigt ihn.

Dieser Balun ist wesentlich kleiner (Bild 7), darum beginnt er, sich ab 300 W CW zu erwärmen, bei noch höherer Leistung entstehen Intermodulationsprodukte.

Vergleichsmessung

Um die elektrischen Eigenschaften der drei Übertragertypen zu vergleichen, wurden sie mit einem Smith Diagramm Netzwerk Analyzer getestet.

Jeder der Übertrager wurde dabei mit einem 200 Ohm Widerstand symmetrisch abgeschlossen. Anschließend wurde der Impedanzverlauf von 1 bis 30 MHz an 50 Ohm unsymmetrisch getestet.

Zur Orientierung ist in den Darstellungen der SWR 2 Kreis eingezeichnet. Kurvenverläufe innerhalb des Kreises sind als gut zu bezeichnen, darüber hinaus gehende gewährleisten keine 1:4-Transformation.

Betrachten wir Bild 8 etwas genauer! Ganz links der Luft Balun nach Ruthroff; er ist nur für den Frequenzbereich von etwa 3 bis 9 MHz einsetzbar. Darunter und darüber steigt das SWR über 2. Allerdings kann man die Eigenschaften beträchtlich verbessern, indem man einen normalen, etwas größeren Ferritstab aus einem alten MW-Kofferradio in die Mitte der Spule bringt.

Besonders bei niedrigen Frequenzen, also ab dem 160m Band, wird das SWR dann kleiner als 2 werden. Allerdings arbeitet der übertrager dann wieder mit einem Ferritmaterial.

In der Mitte sieht man das Ergebnis mit dem Luft Balun nach Guanella. Er schafft den Frequenzbereich von 1 MHz bis weit über 30 MHz mit einem wesentlich besseren SWR. Außer bei niedrigen Frequenzen kann man von einem maximalen SWR von 1,3 bis 30 MHz ausgehen.

Der beste Balun ist allerdings der kleine Ferrit Balun nach Ruthroff. Hier kann man von einem fast idealen Übertrager sprechen, der Frequenzbereich von 1 MHz bis 30 MHz, wird mit dem SWR von maximal 1,2 erfasst.

Noch ein Vergleich

Es ist schon einige Zeit her, da baute Heatlikit noch Antennentuner und Baluns. Aus dieser Zeit stammt ein schöner Luft Balun mit einer aus Blankdraht hergestellten Paralleldrahtleitung und der Bezeichnung B-1. Es handelt sich um einen 1:1-Balun, der von 50 Ohm unsymmetrisch auf 50 Ohm symmetrisch transformiert. Wie aus Bild 9 ersichtlich, sind die beiden Baluns etwa gleich groß; die Leistung des Heathkit Geräts ist für maximal 500 W ausgeleg Schön ist die blanke Paralleldrahtleitung mit 24 Windungen zu erkennen.

Die Schaltung (Bild 10) ist ähnlich wie beim 1:4-Balun. Durch Parallelschaltung der Spulen erhält man das gewünschte Transformationsverhältnis von 1:1. Nachdem man den Eigenbau-Übertrager auch für 1:1-Betrieb umlötenkann, wurde ein weiterer Vergleich - dies mal Heathkit gegen Eigenbau - durchgeführt.

Als erstes wurde wieder die Anpassung getestet (Bild 11). Erkennbar links ist der gute Verlauf beim Eigenbau, das SWR liegt weit innerhalb des Kreises. Rechts dagegen, beim Heathkit Balun, ist der Verlauf längst nicht so, gut. Nur bei niedrigen Frequenzen ist ein akzeptables SWR erreichbar, ab 3 MHz steigt es auf 2 und darüber.

Untersuchung der Verluste

Wie bei Messungen am Anfang von Speiseleitungen bedeutet auch bei einem Übertrager ein gutes SWR nicht zwangsläufig gute Funktion, dann nämlich nicht, wenn das gute SWR durch hohe Verluste verursacht wurde bzw. mit diesen gekoppelt ist. Gutes Funktionieren eines Baluns bedeutet also immer gutes SWR und geringe Verluste.

Die Messung muss bei einem Balun mit einem zusätzlichen Messübertrager durchgeführt werden. Man kann nämlich mit den modernen Messgeräten nur unsymmetrisch, also gegen Masse messen. Man schaltet deshalb am symmetrischen 50 Ohm Ausgang des zu untersuchenden Baluns einen Messbalun an, welcher wieder 50 Ohm symmetrisch auf 50 Ohm unsymmetrisch transformiert. Die Verluste des Messbaluns sind natürlich zu berücksichtigen.

Bild 12 zeigt das Ergebnis des Vergleichs. Achtung, der vertikale Bereich beträgt nur 1 dB, deshalb die abenteuerlichen Kurvenverläufe. Links der Heathkit-Balun, der von 1 bis 10 MHz etwa 1,5 dB verliert, bis 30 MHz weitere 1,5 dB. In Summe sind das also 3 dB - 1 dB (Mess-Balun) gleich 2 dB.

Der Eigenbau Balun schneidet hier ebenfalls besser ab. Von 1 bis 10 MHz sieht man nur 1 dB, bis 30 MHz dann 1 dB zusätzlich. Hier kommt also 2 dB - 1 dB = 1 dB gegenüber 2 dB beim Heathkit Balun zusammen. Alles in allem haben beide Baluns keine gravierenden Verluste. Das kann sich bei ungünstigen, also sehr niedrigen oder sehr hohen zu transformierenden Impedanzen allerdings ändern.

Die Verluste des Eigenbau Baluns wurden noch eingehender untersucht und im Maßstab 10 dB pro Displaykästchen senkrecht dargestellt (Bild 13). Diesmal glänzt der 1:4-Balun mit einem Frequenzbereich bis 50 MHz. Man erkennt die geringen Verluste von 2 dB - 1 dB = 1 dB.

Zusammenfassung

Mit wenig Aufwand kann man ausgezeichnete 1:1- und 1:4-Baluns mit Hilfe von einfachen Paralleldrahtleitungen bauen. Besonders der Guanella Übertrager besitzt sehr gute elektrische Eigenschaften, welche mit Ferrit Ringkernen nur schwer erreichbar sind. Zusätzlich ergibt sich ein wesentlicher Preisvorteil gegenüber einem Ferrit Balun. Allerdings ist der Guanella Übertrager wesentlich größer, was aber nicht immer ein Nachteil ist. Dass die HF-Leistung verzerrungsfrei übertragen werden kann, ist auch beachtlich.

Hans Nussbaum, DJ1UGA