Testy obejmują kilka typów symetryzatorów wykonanych na różne sposoby, na rdzeniach ferrytowych oraz powietrznych. Są to symetryzatory prądowe (current balun, choke balun) przewidziane do linii o impedancji 50om i symetryzatory napięciowe (voltage balun), transformujące 50om:200om, w układzie często stosowanym na wyjściu skrzynek antenowych. Celem eksperymentów było wyłonienie możliwie prostych rozwiązań działających poprawnie w zakresie częstotliwości 1,8-30MHz. Zostały porównane wyniki uzyskane z różnymi rdzeniami i różnymi uzwojeniami na tym samym typie rdzenia. Wszystkie symetryzatory miały niewielkie wymiary, ograniczające ich zastosowanie do małych mocy.

Symetryzatory prądowe.

Symetryzator prądowy 1:1 uzyskujemy nawijając odcinek linii transmisyjnej na rdzeń ferrytowy lub niemagnetyczny tak, aby uzyskać możliwie dużą indukcyjność. Tworzy się w ten sposób dławik, który stanowi dużą impedancję dla prądów w.cz. które próbujemy wymusić w pojedynczym uzwojeniu lub w obu naraz, w tym samym kierunku. Dla prądów w.cz. o równych wartościach i płynących w przeciwnych kierunkach przez linie symetryzatora jest on „przezroczysty”, bo pola magnetyczne znoszą się. W taki sposób symetryzator prądowy wymusza równe prądy o przeciwnych fazach na swoich wyjściach nawet jeśli wyjścia są obciążona różnymi rezystancjami. Łącząc dwa proste symetryzatory prądowe 1:1 można otrzymać symetryzator prądowy 1:4. Wejścia łączymy równolegle, a wyjścia szeregowo. Taki symetryzator może być nawinięty na dwóch osobnych rdzeniach lub na jednym rdzeniu dwuotworowym.

Symetryzator napięciowy.

Najprostszy symetryzator napięciowy tworzymy z użyciem transformatora odwracającego fazę. Dzięki temu na jednym z wyjść otrzymujemy fazę zgodną z napięciem wejściowym, a na drugim fazę przeciwną ale amplitudy napięć na wyjściach są równe nawet przy niesymetrycznym obciążeniu wyjść. Symetryzatory napięciowe mogą zapewnić jednoczesną transformację impedancji i napięcia.

Fot. 1, 2, 3. Badane symetryzatory. Prądowe: 1 - 7 i napięciowe: 8-11.

Symetryzatory prądowe 1, 2, 3 zostały nawinięte 2 skręconymi drutami DNE 0.4mm. Przy ok. 3 skręceniach na 1 cm długości impedancja uzyskanej linii dwu przewodowej powinna być bliska 50om.

Wykonania 8 i 9 miały uzwojenia z dwóch przewodów z taśmy płaskiej stosowanej w komputerach, która ma teoretycznie impedancję 100om.

Większość pokazanych symetryzatorów może pracować jaką prądowe lub, po połączeniu końca jednego uzwojenia z początkiem drugiego, jako napięciowe. Dwa identyczne symetryzatory prądowe można połączyć tak, aby uzyskać symetryzator prądowy 1:4.

Ocena symetryzatorów została przeprowadzona w oparciu o pomiar tłumienia asymetrii, w układzie podanym na rysunkach.

Na wejście było podane stałe napięcie 1V w.cz. Zmierzona wartość napięcia Vs na wyjściu służyła do obliczenia tłumienia asymetrii według wzoru:

Obliczana też była względna różnica napięć na wyjściu:

12⁽¹⁾ - pomiar z uziemieniem punktu środkowego na wyjściu, 12⁽²⁾ - bez uziemienia punktu środkowego.

Oprócz własności symetryzujących badany też był współczynnik fali stojącej na wejściu symetryzatorów obciążonych impedancją znamionową (50 lub 200om).

Typy 3a i 10a powstały z typów 3 i 10 przez odpowiednie połączenie uzwojeń.

Typ 3a mierzony z uziemieniem punktu środkowego na wyjściu.

Ocena wyników.

Konstrukcja symetryzatora wpływa na tłumienie asymetrii i współczynnik fali stojącej. Poniżej został omówiony wpływ poszczególnych cech konstrukcyjnych na parametry.

Indukcyjność.

Kluczową sprawą jest dostateczna indukcyjność uzwojenia symetryzatora, która dla dolnej częstotliwości 1,8MHz powinna być co najmniej 70uH. Reaktancja uzwojenia wynosi wtedy ok. 800om czyli 15-to krotnie przewyższa impedancję linii 50om. Zbyt mała indukcyjność powoduje spadek tłumienia asymetrii, co widać dla typów „1” i „7”, na częstotliwości 1,8MHz. Zbyt małą indukcyjność powoduje też niedopasowanie przy symetryzatorach napięciowych.

Liczba zwojów.

Duża liczba zwojów pogarsza własności na dużych częstotliwościach. (Nie dotyczy to uzwojeń wykonanych przewodem koncentrycznym.) Najlepiej wypadają symetryzatory kilkuzwojowe na rdzeniach o dużej wartości stałej Al. Problem zbyt dużej liczby zwojów widać dla typu „11”, gdzie tłumienie asymetrii spada z częstotliwością dramatycznie.

Przy dużej liczbie zwojów rośnie pojemność własna uzwojenia i może pojawić się rezonans w paśmie roboczym. Taki rezonans wykazał typ „7” na częstotliwości 20MHz. W punkcie rezonansu tłumienie osiąga maksimum. Powyżej częstotliwości rezonansowej tłumienie szybko spada.

Im mniejsza liczba zwojów (krótsza linia), tym lepsze dopasowanie symetryzatora na większych częstotliwościach.

Rodzaj uzwojenia.

Sposób wykonania uzwojenia bardzo wpływa na własności symetryzatorów napięciowych. Porównanie typów 9 i 10 wskazuje, że przewody uzwojenia muszą być silnie sprzężone (skręcone). Poprawia to zarówno symetrię, jak i dopasowanie. Uzwojenie w symetryzatorach prądowych powinno byż tak wykonane, aby stanowiło linię transmisyjną o wymaganej impedancji, aby nie pogarszać dopasowania.

Materiał magnetyczny rdzenia.

Dobór rdzenia do symetryzatora dla zakresu 1,8-30MHz, to sprawa kompromisu. Przenikalność magnetyczna powinna być jak największa, aby uzyskać dostateczną indukcyjność na niskich częstotliwościach ale na wyższych częstotliwościach lepiej sprawują się materiały o średniej przenikalności. Ferryty o przenikalności μ=2000 ( F-2001, K-2004) bardzo dobrze pracują w zakresie 1,8-28MHz ale na 56MHz ma już przewagę materiał Amidon 43 (u=850). Materiał 43 daje natomiast mniejsze indukcyjności, co pogarsza sprawę na 1,8MHz.

Rdzenie proszkowe np. czerwony Amidon-2 często są stosowane w symetryzatorach antenowych z racji dużo większej zdolności przenoszenia mocy. Indukcyjności uzyskiwane na takich rdzeniach są jednak zdecydowanie za małe, więc symetria i dopasowanie na niskich częstotliwościach będzie więc marne. Wskazują to wyniki uzyskane dla typu „11”. Pół biedy, gdy taki „balun” zostanie zastosowany na wyjściu skrzynki antenowej w celu przejścia na wysokoomową linię symetryczną. Skrzynka skompensuje wtedy przesunięcie fazy wnoszone przez symetryzator, a nie powstają w samym symetryzatorze dodatkowe straty mocy. Taki symetryzator zastosowany na końcu przewodu koncentrycznego, przy antenie może natomiast pogarszać WFS w linii, nawet, gdy sama antena wykazuje impedancję bliską 50om, a tłumienie asymetrii będzie dobre jedynie na wyższych pasmach.

Kształt rdzenia.

Najkorzystniejszy jest taki kształt rdzenia, aby uzyskać dużą indukcyjność przy najmniejszej liczbie zwojów (najmniejszej długości uzwojenia). Łatwiej to osiągnąć na rdzeniach wydłużonych, rurkowych. Dlatego korzystnie wypada na testach rdzeń dwuotworowy BN32-202, na którym wystarcza 5 zwojów. Podobne wyniki można uzyskać nawijając tylko 2 zwoje na rurce z materiału o przenikalności 2000 i długości 18mm.

Symetryzator powietrzny.

Badany symetryzator powietrzny „7” nawinięty cienkim przewodem współosiowym wykazuje interesujące własności ale od razu rzuca się w oczy występowanie rezonansu na częstotliwości ok. 20MHz. Rezonans wynika z pojemności własnej cewki jaką tworzy zwinięty przewód. Na częstotliwości rezonansowej tłumienie asymetrii osiąga maksimum ale powyżej niej właściwości symetryzujące szybko się pogarszają. Zjawisko rezonansu takiego symetryzatora jest czasem wykorzystywane do uzyskania wysokiego tłumienia składowej wspólnej na określonej częstotliwości, przy specyficznych, silnie asymetrycznych antenach. Niestety uzyskanie dostatecznego tłumienia w szerszym paśmie jest już trudniejsze.

Symetryzator ferrytowy na przewodzie współosiowym.

Nawlekając rdzenie (rurki) ferrytowe na przewód współosiowy (typy 5 i 6) uzyskujemy symetryzator o bardzo dużej szerokopasmowości, dobrym dopasowaniu i mogący przenosić duże moce. Jego koszt może być jednak znaczny, jeśli będziemy musieli zastosować kilkadziesiąt rdzeni toroidalnych lub rurkowych.

Wnioski.

1. Symetryzatory ferrytowe mają przewagę nad powietrznymi z racji z racji rozmiarów i braku rezonansów własnych w zakresie do 30MHz.

2. Kluczową sprawą jest dostateczna indukcyjność uzwojenia symetryzatora, która dla zakresu 1,8-30MHz powinna być co najmniej 70uH.

3. Ilość zwojów powinna być jak najmniejsza ale z zachowaniem minimalnej, niezbędnej indukcyjności.

4. Rodzaj materiału ferrytowego i kształt rdzenia mają znaczenie drugorzędne. Nawet polskie materiały F-1001 i F-2001 pozwalają uzyskać niezłe wyniki.

Dodatek.

Wykres impedancji linii transmisyjnych wykonanych z przewodu emaliowanego w zależności od średnicy przewodu.

Marcin Świetliński, SP5JNW.

Dokument utworzony: 29.10.06.

Literatura:

[1] The ARRL Antenna Book, 20th Edition

[2] Poradnik Ultrakrótkofalowca, Z.Bieńkowski SP6LB, WKŁ 1988

[3] Baluns: What They Do And How They Do It, R.W.Lewallen W7EL