Балуны используются во многих областях для перехода между сбалансированными и несбалансированными сценариями: одна из ключевых областей — это радиочастоты, радиочастотные приложения для антенн.
Радиочастотные балуны используются со многими антеннами и их фидерами для преобразования симметричного фидера или линии в несимметричный.
Возникают проблемы, когда симметричная антенна, такая как диполь или антенна аналогичной формы, напрямую питается от несимметричного фидера, такого как коаксиальный кабель.
Коаксиальный фидер имеет много преимуществ перед симметричным фидером, когда речь идет об использовании на УКВ и выше, а также при прокладке фидера через здание или рядом с другими объектами.
Чтобы получить наилучшие общие характеристики и удобство, необходимо преобразовать симметричный фидер или точку питания антенны в несимметричную систему с использованием симметрирующего устройства.
Что такое балун: определение
Балуны широко используются с антеннами и антенными системами для радиосвязи, вещания и многих других приложений. Они позволяют получить наилучшие характеристики от многих форм антенн.
Полезно точно определить, что такое балун.
Балун определение:
Балун : симметричный в несимметричный — это электрическое устройство, которое преобразует симметричный сигнал в несимметричный или фидерную линию . Балун может принимать различные формы и может включать в себя устройства, которые также преобразуют импедансы, но не обязаны это делать.
Хотя балуны широко используются с радиочастотными антеннами, они также могут использоваться в различных приложениях, включая: связь по линиям электропередач; преобразование передачи данных между Cat 5, Cat 6 и т. д. и Twinax; видео, где происходит преобразование между витой парой и коаксиальным кабелем и т. д. Есть много других применений балунов, но это одни из основных.
Для использования с радиочастотными антеннами балуны необходимы там, где используется симметричная антенна, такая как диполь. Наиболее удобной формой фидера является коаксиальный кабель, поскольку его гораздо удобнее прокладывать вдоль антенных мачт или столбов, вдоль земли, сквозь здания и т. д., не беспокоясь о том, что это повлияет на характеристики коаксиального кабеля.
Сбалансированный фидер очень хорош, обычно имеет очень низкий уровень потерь, но его работа основана на том факте, что в двух проводах протекают равные и противоположные токи, что позволяет подавлять поля и передавать сигнал с очень низкими потерями. Близлежащие объекты вызывают нарушение баланса и увеличение уровней потерь в результате излучения сигнала, а также увеличение уровней паразитных наводок вдоль кабеля, что может привести к нежелательным помехам.
Чтобы обеспечить переход между симметричной точкой питания антенны или симметричным фидером и несимметричным фидером, таким как коаксиальный кабель, требуется балун. Одной из основных форм сбалансированных антенн является дипольная антенна. Эта форма радиоантенны используется во многих приложениях радиосвязи сама по себе, а также с другими формами антенн, такими как антенна Яги (Яги-Уда) и многие другие типы радиоантенн. Чтобы эти симметричные антенны питались по коаксиальному кабелю, в точку питания часто включают антенный балун.
Есть несколько причин, по которым балуны могут понадобиться для антенной системы:
- Предотвращение излучения/наводки от внешнего проводника коаксиального кабеля: если используется симметричная антенна и питается напрямую через коаксиальный фидер, то обнаруживается, что внешний экран или экран коаксиального кабеля может излучать и принимать радиочастотные сигналы. Для приема это может означать, что помехи от электрических устройств и т. д. в доме, здании или просто рядом с фидером могут быть уловлены. Для передачи это может означать, что фидер будет излучать сигнал, который может вызвать помехи и привести к потере фидера.Использование балуна обеспечивает правильную работу коаксиального фидера и достижение наилучших общих характеристик антенной системы.Иногда можно обойтись без балуна. Часто одним контрольным признаком является изменение КСВ антенной системы при перемещении или касании фидера, но на самом деле единственный реальный способ определить, нужен ли балун, — это измерить синфазные токи в фидерной линии.
- Где важна диаграмма направленности антенны: Если излучение или наводка происходит от внешнего проводника несимметричного кабеля (коаксиального фидера), это повлияет на общую диаграмму направленности антенны. В случаях, когда это важно, например, при проверке диаграммы направленности, важно, чтобы излучение и прием исходили только от антенны. В этих случаях балун необходим.
- Там, где излучение вблизи передатчика должно быть сведено к минимуму: Если часть радиочастотного сигнала, предназначенного для излучения от антенны, также излучается фидером, то вокруг передатчика будут более высокие уровни РЧ. Это может повлиять на передачу различными способами. Это может нарушить передачу в режиме данных, когда РЧ попадет на интерфейс между передатчиком и компьютером, что приведет к сбою системы. Если используется аналоговая аудиопередача, она может попасть на линии аудиовхода и вызвать странные эффекты обратной связи. Решение подобных проблем может заключаться в использовании балуна при переходе от сбалансированного к несбалансированному. Даже если проблема не устранена, скорее всего, ситуация улучшится.
Основы балуна
Основная концепция балуна обычно заключается в использовании трансформатора. Несмотря на то, что существует множество различных типов балунов, базовый тип трансформатора является хорошей отправной точкой для иллюстрации основных операций. Концепция балуна основана на трансформаторе, и его основная функция как балуна состоит в том, чтобы изолировать прямое соединение между симметричной антенной или фидером и несимметричным коаксиальным фидером. Таким образом, заземление несимметричного кабеля не подключается напрямую к симметричной системе и остается сбалансированным. Все трансформаторы имеют ограниченную полосу пропускания, поэтому полоса пропускания балуна должна быть больше, чем полоса пропускания антенны или другой системы, с которой он будет использоваться.
Самый очевидный метод создания балуна — создать трансформатор с двумя обмотками — одна сторона заземлена, а другая сторона имеет дифференциальные выходы. При необходимости можно заземлить центральный ответвитель балуна, но для антенных систем это обычно не делается. Также стоит отметить, что балун двунаправленный, входа или выхода как таковых нет, только балансные и небалансные наборы оконечных устройств.
Балуны тока и напряжения
Существует два основных класса балунов, которые могут быть реализованы:
- Токовый балун: токовый балун пропускает равный ток через две стороны сбалансированной нагрузки. Токовый балун 1:1 фактически представляет собой простую линию передачи, такую как бифилярная обмотка или коаксиальный кабель, намотанный на ферритовый сердечник.
- Балун напряжения: Балун напряжения обеспечивает одинаковое напряжение на двух сторонах сбалансированной нагрузки. Балуны напряжения немного сложнее, чем балуны тока, и оказываются очень неэффективными в предотвращении того, чтобы экран коаксиального кабеля, а также открытая лестничная линия пропускали синфазные токи и излучали энергию. Соответственно, балуны напряжения не используются в большинстве антенных приложений.
Типы антенных балунов
Хотя сущностью многих балунов является трансформатор, существует несколько различных типов балунов, которые можно использовать. Некоторые используют разные методы схем, в то время как другие используют разные концепции. Однако все они образуют основную функцию перехода от сбалансированной системы к несбалансированной.
- Классический балун-трансформер. Традиционный подход к балуну заключается в использовании трансформатора. Он состоит из двух электрически отдельных обмоток, обычно намотанных на сердечнике — обычно тороидальном ферритовом сердечнике. Наличие двух отдельных обмоток таким образом означает, что две цепи электрически изолированы, что может иметь преимущества для некоторых приложений.
- Сердечник, на который намотан трансформатор, может быть либо воздушным сердечником, обычно с каркасом, который может быть фарфоровым, чтобы удерживать две катушки на месте, либо может быть изготовлен из магнитопровода, такого как феррит. Феррит необходимо выбирать таким образом, чтобы он мог работать с задействованными частотами и уровнями мощности.Отношение витков между первичной и вторичной обмотками определяет соотношение уровней входного и выходного импеданса. Таким образом, балун можно использовать не только для преобразования между симметричным и несимметричным, но и при необходимости действовать как согласующий трансформатор. Это может быть очень полезно, когда антенна или другой фидер имеет высокий уровень импеданса, который необходимо преобразовать в более низкий уровень для использования со стандартным 50-омным коаксиальным кабелем и т.д. В некоторых случаях может потребоваться увеличить импеданс коаксиального фидера.Также следует помнить, что в балуне будут потери. Хотя они обычно малы, их все же необходимо учитывать в некоторых приложениях.Одна проблема с этой формой балуна заключается в том, что две половины полностью электрически изолированы. Обнаружено, что внешние антенны могут улавливать статические заряды и накапливаться заряд. Чтобы преодолеть это, можно использовать балун с центральным отводом на уравновешенной обмотке. Центральный отвод заземлен для рассеивания заряда.
- Балун с автотрансформатором: как следует из названия, в этой форме балуна используется автотрансформатор, т.е. одна обмотка, обеспечивающая переход от симметричного к несимметричному.
- Одним из преимуществ автотрансформаторного балуна является то, что он по своей сути обеспечивает путь постоянного тока к земле для всех соединений, как на несимметричном коаксиальном входе, так и на симметричном входе. Как описано выше, это позволяет снимать статический заряд.
- ВЧ-дроссель в качестве балуна: Одна из основных проблем при подаче питания на симметричную антенну с помощью несимметричного фидера, такого как коаксиальный кабель, заключается в том, что РЧ-сигнал распространяется по внешней стороне коаксиального кабеля, что может привести к нежелательному излучению и наводке.Концепция дроссельного балуна заключается в увеличении индуктивности на внешнем проводнике несимметричного проводника, чтобы предотвратить распространение сигналов только по этому проводнику.Одна реализация дроссельного балуна состоит в том, чтобы намотать несколько витков фидера вверх в точке питания антенны, чтобы он действовал как дроссель фидерной линии. Хотя это очень простая реализация, она не всегда работает хорошо. Коэффициент подавления синфазного сигнала балуна зависит от импеданса системы в точке, где используется балун. Кроме того, индуктивности нескольких витков коаксиального кабеля может быть недостаточно для обеспечения адекватного подавления на частотах ниже 10 МГц или около того.Другая реализация заключается в намотке коаксиального кабеля вокруг тороидального каркаса. Очевидно, что необходимо учитывать радиус изгиба коаксиального кабеля, а это означает, что обычно требуются тороиды большего размера. Также необходимо учитывать свойства тороидального феррита, чтобы обеспечить наилучшее затухание на частотах использования.
Монтаж балуна
Хотя балуны бывают разных форм, они часто используются с внешними антеннами и требуют также внимания к механическим устройствам.
Необходимо учитывать ряд факторов:
- Защита от непогоды: Поскольку многие балуны используются снаружи, они должны быть изготовлены таким образом, чтобы выдерживать суровые погодные условия. Жара, солнце, дождь, отрицательные температуры и многое другое сказывается на любом объекте в удаленном месте. В то время как проникновение воды является серьезной проблемой, которая может позволить влаге попасть в любой коаксиальный фидер, солнце также может вызвать деградацию пластика с течением времени, тепло может привести к деградации любого уплотнения коробки или другого уплотнения, а отрицательные температуры также могут вызвать деградацию.Любой коаксиальный кабель должен быть надлежащим образом герметизирован, возможно, путем закрытия любого разъема самоклеящейся лентой и т. д.
- Механические крепления: важно, чтобы любой балун мог быть механически встроен в антенную систему. Если балун сопрягается между коаксиальным кабелем и лестничной линией, дополнительные способы его фиксации могут не потребоваться. Однако многие балуны также образуют центральную или Т-образную часть проволочной дипольной антенны, например, для проволочных ВЧ-антенн.
- Здесь натяжение провода не должно удерживаться соединениями. Вместо этого в балун должна быть встроена какая-либо форма разгрузки от натяжения, или должен использоваться дипольный тройник, а балун прикреплен к центральной части с помощью петлевых проводов к соединениям балуна. Также часто помогает наличие крепления для центральной опоры. Это особенно полезно, когда балун используется с перевернутым V-образным диполем, где центр диполя прикреплен к центральному высокому шесту, мачте или другой точке крепления.
Балуны являются важным элементом многих антенных систем. Они позволяют правильно преобразовать симметричную антенну или фидер в несимметричную, такую как коаксиальный кабель, который можно легко провести через здание и т. д. туда, где это необходимо. Балуны могут принимать различные формы, и это позволяет выбрать наиболее подходящий формат для любой конкретной ситуации.