Denna artikel innehåller inte några som helst komplicerade figurer eller ekvationer utan läsaren serveras resultaten på ett fat och förväntas svälja ner dem utan djupare analys.

Vissa diskussioner förekommer dock för att troliggöra resultaten men inte bevisa dem. Att leda resultaten i bevis skulle ge en alltför teoretisk artikel för nybörjaren och radioamatörer med annan bakgrund än teknisk. Syftet med artikeln är att läsaren skall komma ihåg resultaten för att kunna göra kloka val när det gäller matning av antenner och vilken typ av balun som är lämplig i olika sammanhang. I kommande artiklar skall vi titta mer i detalj på hur olika antenner skall matas, fokus ligger inför den kommande portabelsäsongen på antenner som används vid Field Days, IOTA, SOTA, SMFF, SMSS, SMPD och liknande aktiviteter. Antenner som du med lite goda råd kan tillverka själv och lyckas med.

Balanserade och obalanserade transmissionsledningar, baluner och UNUN:s – vad varje radioamatör bör veta

Denna artikel gör inte anspråk på att vara fullständig i något avseende, teoretiskt eller praktiskt. En hel del kommentarer och utvidgningar utelämnas då fokus ligger på att få en grundläggande förståelse för begreppen, ej detaljkunskaper. För att inte skrämma bort läsaren utelämnas en del figurer och ekvationer som ingående förklarar de resultat som uppkommer. Läsaren får helt enkelt acceptera att resultatet blir det beskrivna, figurer och ekvationer skulle helt säkert skrämma bort många läsare.

Fokus ligger på att läsaren skall komma ihåg resultaten och kunna välja rätt typ av balun för rätt tillfälle samt rätt typ av transmissionsledning för rätt tillämpning.

Artikeln är skriven med ensamrätt för SK7BQ, länka gärna till den men kopiera den inte är du snäll.

Transmissionsledningar

Definition

Med en transmissionsledning avses en ledning bestående av parallella eller koncentriska ledningar avsedd för att med hjälp av elektrisk ström överföra information. Information kan också överföras med hjälp av vågledare eller optisk fiber men dessa behandlas inte i denna artikel. Kraftledningar kan också ses som transmissionsledningar i vidare bemärkelse.

Karaktäristisk impedans

En transmissionsledning kan förstås som en serie spolar och kondensatorer längs hela dess längd. Varje spole bestämmer den hastighet med vilken varje omedelbart följande kondensator kan laddas upp då en elektrisk puls som påförs i ena ändan färdas genom ledningen. Spolarnas och kondensatorernas uppgift är att definiera ström/spänningsförhållandet i ledningen. Därför har varje transmissionsledning en karaktäristisk impedans som det kallas, impedans betecknas med stort Z och en transmissionslednings karaktäristiska impedans brukar betecknas med Z_0.

Har då vakuum någon impedans undrar den observante? Jodå, räknar vi på detta, vilket jag besparar läsarna, så kommer vi fram till den så kallade vågimpedansen i fri rymd som är 377 ohm vilket när man räknar på antenner brukar approximeras med 120π ohm.

Vanliga missförstånd om karaktäristisk impedans

Tro nu inte att om vi Ohmmäter en 50 ohms koaxialkabel så visar universalinstrumentet 50 ohm, det gör det inte utan snarare oändligt motstånd. Koaxialkabeln är ju bara två ledare av metall den ena lite grövre än den andra. Det är om vi ansluter ett 50-ohmsmotsstånd och påför effekt i kabeln som en SWR-meter visar 1:1, då har kabeln och avslutningsmotståndet samma impedans, alltså 50 ohm. Det är detta som avses med karaktäristisk impedans. Om en kabel råkar vara en elektrisk halvvåg på en viss frekvens och vi ansluter ett 100 ohms motstånd i änden visar en mätning just 100 ohm på den frekvensen och inte 50 ohm, halvvågskabeln återupprepar den impedans som finns i avslutningspunkten.

En annan väldigt vanlig missuppfattning är att radioamatörer tror att de får 450 ohms matningsimpedans om de ansluter en 450 ohms ”ladder line” till en dipol, vanligtvis 2x 19,5 m. Så är det inte! Är bandkabelns längd en halv våglängd på en specifik frekvens, säg 3,75 MHz, så återupprepas antennens matningsimpedans vilken vanligen ligger mellan 40 och 60 ohm för en typisk installation i sändaränden av kabeln men du får aldrig 450 ohms impedans. På andra frekvenser varierar matningsimpedansen våldsamt från kanske 5000 ohm och nedåt. Därför skall en öppen matarledning anslutas till en symmetrisk antennavstämningsenhet. Det är nämligen så att om det flyter lika mycket ström i en öppen matarledning men med omvänt tecken i de olika ledningarna så är inte hög SWR ett problem utan detta kan anpassas med minimala förluster med en lämplig symmetrisk antennanpassningsenhet. Varför det är så får bli föremål för en annan artikel. En annan viktig tumregel är att du aldrig kan få 50 ohm i mataränden av en koaxialkabel om inte lasten har 50 ohms impedans, det spelar ingen roll hur mycket du förlänger eller förkortar kabeln, vilket bekräftas av Smith-diagrammet för den teoretiskt intresserade.

Vågutbredningsfaktor, engelska velocity factor

I öppna matarledningar, öppna stegar, som beskrivs nedan med luft som dielektrikum är vågutbredningshastigheten mycket nära den för ljus i vakuum. I transmissionsledningar som innehåller annat dielektrikum istället för luft är vågutbredningshastigheten lägre eftersom olika dielektrika transporterar elektromagnetiska vågor långsammare än i vakuum. På grund av detta beror våglängden i transmissionsledningen på vilket dielektrikum som används i just den specifika kabeln. Våglängden i en praktisk transmissionsledning är alltid kortare än våglängden i fri rymd. Tillverkarna brukar ange vågutbredningsfaktorn i sina koaxialkablar men typiska värden för RG58 och RG213 är 66 %. Öppna stegar ligger mellan 95 % och 99 %. 450 ohms kommersiell så kallad ”ladder line” har i regel en vågutbredningsfaktor på 91 %.

Balanserad transmissionsledning

Inom telekommunikation definieras en balanserad transmissionsledning som bestående av två ledare av samma typ, var och en av dem har samma impedans utmed deras längd och samma impedans relativt jord och andra kretsar. Exempel på balanserade transmissionsledningar är en så kallad öppen stege eller ”ladder line” samt bandkabel eller ”twin-lead” på engelska.

En av den balanserade matarledningens fördelar är att den har väsentligt lägre förlust än koaxialkabel. 10 m RG58 har vid 28 MHz en förlust på 3,1 dB och RG8 har en förlust på 1 dB medan en 450 ohms ladder line bara har en förlust på 0,24 dB. Tittar vi på förlusten i 100 m transmissionsledning har RG58 13,4 dB dämpning, RG8 5,72 dB och ladder line 1,99 dB, här blir skillnaden helt avgörande. Högt sittande dipoler matas med stor fördel med öppen stege eller ladder line.

Bildtext: En open wire eller ”öppen stege” på svenska som matar en dipol. Impedansen är beroende av ledarnas diameter samt avståndet mellan dem men ligger i regel runt 600 ohm.

Bildtext: Kommersiell 450 ohms ”ladder line”

Bildtext: 300 ohms bandkabel, så kallad ”twin-lead” använd aldrig denna för amatörradioantenner, den är inte väderbeständig och har sämre egenskaper än alternativen ”öppen stege” och ”ladder line” samt tål väsentligt mindre effekt.

Obalanserad transmissionsledning

Inom telekommunikation definieras en obalanserad transmissionsledning som bestående av ledare med olika impedans gentemot jord. Koaxialkablar, enkla ledare och Microstrip på kretskort för höga frekvenser är alla obalanserade transmissionsledningar. Vanligtvis består obalanserade transmissionsledningar av en ledare som är signalledare och en ledare eller skärm som ansluts till jord.

Bildtext: Ett bandpassfilter i Microstrip, vanligt i mikrovågsutrustning. Stripline är en liknande teknik men med ett något annorlunda utförande.

Bildtext: Professionell 7/8-tums heliax koaxialkabel. Notera att skärmen är utförd av korrugerad massiv koppar och innerledaren är ett kopparrör. Denna kabel tål en toppeffekt på hela 91 kW och har så lite dämpning som 6,3 dB på 100 m vid 2100 MHz! Nackdelen är förutom priset per meter att den har en böjradie på hela 127 mm vilket gör att den främst används i master och i installationer där en stor böjradie kan tolereras. Kabeln har 28 mm ytterdiameter.

En koaxialkabel eller populärt koax har en centrerad signalledare omgiven av en eller flera cylindriska skärmledare. Skärmledaren är vanligtvis jordad.  Koaxialkabeln utvecklades för radar under andra världskriget och utgjordes ursprungligen av kopparrör innan den fick den form som den har idag med en flexibel kabel med flätad skärm, ibland kompletterad med en solid skärm. Koaxialkabelns fördelar är rent teoretiskt perfekt elektrostatisk skärmning och förutsägbara transmissionsparametrar. Det senare är en konsekvens av den strikta geometrin I en koaxialkabel vilket leder till en precision som inte finns i lösa ledningar. Öppna stegar och bandkablar kan påverkas av objekt som kommer för nära, dessa förändrar då de elektromagnetiska fälten runt transmissionsledningen. Detta problem finns inte med koaxialkablar då hela det elektromagnetiska fältet innesluts i kabeln eftersom den är skärmad.

Koaxialkablar utgör normen för anslutning av radiosändare till antenner idag. Koaxialkabeln uppfanns av den självlärde engelsmannen Oliver Heaviside 1880. Han har gjort stora bidrag till elläran och var dessutom den som skrev om Maxwells ekvationer på den mer använda vektorformen och är en av grundarna till den matematiska disciplinen vektoranalys. Ett annat stort bidrag var att han introducerade Laplacetransformen vid beräkningar på elektriska kretsar, den metod som används än idag som också medger användandet av komplexa tal i beräkningarna. Heaviside är en av husgudarna när det gäller ellära och elektromagnetism. Observera att det också finns så kallad semirigid koax och styv koax men dessa används endast i professionella sammanhang och tas inte upp i denna artikel. Sådan koax är avsedd för betydligt högre effekter än de vi sändaramatörer för använda. Gasfylld rigid koax används till exempel till TV-sändare. Det finns också mer udda transmissionsledningar som denna ”cage line” som matar en 1200 kW långvågssändare i Polen på 225 kHz

Ett vanligt missförstånd när det gäller koaxialkablar

Ett vanligt missförstånd är att man får sämre ståendevågförhållande, SWR på engelska eller SVF på svenska, på grund av att man använder koaxialkabel med höga förluster, t.ex. RG58 istället för RG213. Det är precis tvärtom!  Om det är höga förluster i koaxialkabeln så kommer ståendevågmätaren att visa ett bättre värde nere vid stationen än om man mäter vid antennen.

Ett vanligt missförstånd när det gäller öppen matarledning eller ”öppen stege” alternativt ”ladder line”

Om du använder en öppen matarledning för till exempel en dipol och anpassar denna till stationen med en riktigt gjord antennanpassningsenhet, en symmetrisk sådan, så fungerar inte matarledningen som antenn. Av den anledningen skall du inte välja en antennavstämningsenhet med en balun på utgången för öppen matarledning vilket är vanligt på de autotuners som är populära idag. Dessa har en asymmetrisk konstruktion och är olämpliga för balanserade matarledningar. Strömmarna i den balanserade matarledningens ledare går åt var sitt håll och de elektromagnetiska fälten tar därför ut varandra. De tar dock inte ut varandra helt på grund av att avståndet inte är noll mellan ledarna men fälten tar ut varandra nästan helt eftersom avståndet mellan ledarna är mycket litet i förhållande till våglängden. Det finns alltså kvar lite av närfältet runt matarledningen men detta är mycket litet och vi kan inte påstå att matarledningen fungerar som antenn. Matarledningen kan däremot börja stråla om du har stor obalans i antennen. Kontrollera detta genom att lyssna med en mottagare ansluten till enbart matarledningen utan ansluten antenn eller med antennen ersatt med ett motstånd.

10 000 kronorsfrågan – Varför har koaxialkablar 50 ohms impedans och en del 75 ohms impedans?

Denna fråga finns det inget entydigt svar på men det finns några mer eller mindre goda teorier varav en del får hållas som mer sannolika än de andra. Vi skall inte gå in på de avancerade formler som används för att beräkna koaxialkablars impedans utifrån dielektrikum som isolerar mellan inner- och ytterledare, dimensioner och materialval. Vi nöjer oss med att konstatera vissa resultat:

Impedansen för en koaxialkabel med en given ytterdiameter och givet dielektrikum som isolation mellan innerledare och skärm är enbart en funktion av innerledarens diameter och dielektricitetskonstanten för det material som utgör isolationen. Det innebär, tvärt emot vad man kan tro, att en tjock koaxialkabel med stor area på skärmen inte ger lägre förluster utan större. Det visar sig att lägst förlust fås vid ungefär 77 ohms impedans. Allra lägst förlust ger luft som dielektrikum men det är ofta opraktiskt så i de största koaxialkablarna är innerledaren upphängd i en spiralformat lindad kärna som ger maximalt med luft mellan innerledare och skärm samtidigt som kabeln är mekaniskt stabil, sådana kablar kallas på engelska heliax air dielectric cables.

Låt oss nu titta på toppeffekttåligheten i en koaxialkabel istället. Vi väljer att titta på toppeffekten istället för medeleffekten därför att effekter från uppvärmning av kabeln avgör maximal medeleffekt medan den maximala toppeffekten är beroende av elektriskt överslag.

Nu skulle man kunna tro att vi vill ha maximalt avstånd mellan mittledare och skärm och att vi därför skulle vilja göra mittledaren så tunn som möjligt men det är återigen fel. Det elektriska fältet i en koaxialkabel följer komplexa samband som vi inte skall gå in på här men låt oss konstatera att den optimala impedansen för att koaxialkabeln skall tåla så stor toppeffekt som möjligt utan överslag blir om man använder sig av dessa ekvationer 30 ohm. Tittar vi på koaxialkabel med luft som dielektrikum så är överslagsspänningen en funktion av luftfuktigheten, atmosfäriskt tryck, temperatur och ytans jämnhet. Hur ökar vi då toppeffekttåligheten i en koaxialkabel? Jo, vi fyller den med dielektrikum som det vanligaste materialet, plasten PTFE (polytetrafluoreten). Gör vi det uppnår vi i regel en faktor 10 större effekttålighet för samma kabel jämfört med om vi använder luft som dielektrikum. En sådan koaxialkabel har minimala förluster vid 51,2 ohms impedans. I kommersiella installationer är det ofta kontakterna på koaxialkablarna som avgör effektbegränsningen snarare än kabeln i sig själv.

Tittar vi dessutom på det aritmetiska medelvärdet av 30 ohm och 77 ohm så får vi 53,5 ohm och det geometriska medelvärdet är 48 ohm varför 50 ohm är en god kompromiss. Lägg därtill faktumet ovan att PTFE-isolerade koaxialkablar har minimala förluster vid 51,2 ohms impedans. Tillsammans ger detta en rimlig förklaring till varför man valt 50 ohms impedans.

Varför används 75 ohms impedans i TV-sammanhang?

Efter denna utredning borde svaret vara självklart, 77 ohm ger lägst förluster och i TV-sammanhang behöver vi inte ta hänsyn till effekttåligheten i mottagningssammanhang i alla fall och i praktiken inte heller i kabel-tv nät. Inte heller denna gång är svaret det uppenbara. För de dielektrika som används i koaxialkabel för Tv-bruk är den impedans som ger lägst förlust 64 ohm. Varför lämnar vi därhän men svaret är inte det till synes uppenbara 77 ohm. Däremot är det så att man brukar snåla in på material när det gäller TV-koax för att det är en mindre kritisk tillämpning. Man använder sig ofta av ståltråd till mittledaren som beläggs med ett tunt lager koppar. Ju lägre impedans kabeln skall ha desto grövre blir stålet i mittledaren och 75 ohm var förmodligen en bra kompromiss mellan låga förluster och flexibel kabel. Dessutom fanns det vanligtvis endast 300 ohms bandkabel i Tv:ns barndom och baluner mellan den balanserade, se ovan, 300 ohms bandkabeln och den obalanserade 75-ohmsingången på TV-apparaten var lätta att åstadkomma.

Vad lär vi oss av denna diskussion?

Man måste välja ut vissa parametrar att optimera på, det går inte att optimera på alla, det bryter mot fysikens lagar! Detta är en mycket viktig insikt från ovanstående resonemang. Tro därför inte på superantenner, superkablar och annat som krängs på marknaden. De är alltid något lurt med sådana produkter. Seriösa försök att kullkasta fysikens lagar har gjorts och görs men de har alltid misslyckats. Sådana försök lyckas någon gång per årtusende och då är upptäckten så revolutionerande att den påverkar hela mänskligheten. Einsteins allmänna relativitetsteori är det senaste exemplet inom fysiken och upptäckten av DNA och kartläggningen av människans DNA ett exempel inom biologin.

Ett seriöst vetenskapligt försök som gjorts på senare tid är att bryta upp magnetens nord- och sydpol i en separat nordpol och en separat sydpol. Hur många har inte funderat på det när vi fick ”Den lille elektrikern”?

Varför går det inte, jo det bryter mot de lagar som definierar elläran, Maxwells berömda ekvationer och närmare bestämt mot hans andra ekvation av fyra som säger att det inte finns några ”magnetiska laddningar” eller vetenskapligt uttryckt: det finns inga magnetiska monopoler. Detta uttrycks i ekvationen som ”divergensen för B-fältet är noll”.

Även för den som inte behärskar den avancerade matematiken och fysiken är det viktigt att komma till insikten att det inte går att framställa antenner eller kablar som bryter mot fysikens lagar. Den optimala antennen som fungerar lika bra på alla frekvenser finns inte, har aldrig funnits och kommer aldrig att finnas utifrån vad vi vet om fysik i dagens läge. Vi kan framställa mer eller mindre bra kompromisser men den ultimata allbandsantennen finns inte och den ultimata förlustfria transmissionsledningen finns inte, om det är koaxialkabel eller balanserad matarledning spelar ingen roll. Däremot kan vi göra kloka val och välja den bästa kompromissen i varje situation utifrån vad som är viktigt i just den tillämpningen. Grundläggande kunskaper om detta bör varje amatör tillgodogöra sig och det är syftet med den här artikeln.

BALUN från engelskans BALanced – UNbalanced

När vi nu vet vad balanserade och obalanserade transmissionsledningar är så blir begreppet BALUN lättare att förstå om vi dessutom vet att det står för BALanced – UNbalanced. En balun är helt enkelt en transformator mellan en balanserad last, oftast en antenn och en obalanserad matningsledning. Vänta nu lite, balanserad antenn skriver han! Ja, dipolantenner är balanserade. Däremot är vertikalantenner och longwireantenner till exempel obalanserade. En balanserad antenn är symmetrisk och inte beroende av jord som en del av antennen. Mer om detta kommer i kommande artiklar. Den skarpögde kanske ser i bilden ovan med den stegmatade dipolen att de båda dipolhalvorna är en och samma ledning som fortsätter åt vartdera hållet från ena ledningen på den öppna stegen, här finns ingen balun då dipolen är balanserad liksom den öppna stegen.

En balun kan också transformera mellan olika impedanser men behöver inte göra det, då talar vi om en 1:1 balun där 1:1 anger omsättningstalet mellan impedanserna. Den balanserade ändan nämns i regel alltid först men det finns ingen konvention för detta. Impedansomsättningen utgör kvadraten på spännings- eller strömomsättningen. En spänningsomsättning på 2 ger en lindningsomsättning på 2. En 4:1 balun har alltså en lindningsomsättning på 2.

Baluner finns i olika utföranden och är vanliga på kretskort för radiosändare och mottagare men de lämnar vi därhän och koncentrerar oss på de som används för anpassning av antenner.

Baluner och UNUN:s, vad är de till för?

Det finns väldigt mycket skrivet om baluner och UNUN:s, inte minst på Internet. Dock handlar nästan allt om hur man tillverkar olika typer av sådana men väldigt sällan om hur de fungerar och vad man använder dem till. Det är det senare vi skall fokusera på i den här artikeln. Syftet är att ge läsaren en grundläggande förståelse, inte att i detalj beskriva funktionssätten för olika typer av baluner och UNUN:s. Det viktiga i sammanhanget är att den enskilde amatören kan göra kloka val när han eller hon skall köpa eller tillverka en antenn med anpassning för en Field Day, SMFF, SMSS, SMPD, IOTA, eller SOTA-aktivitet till exempel.

Om du någon gång har försökt mäta resonansfrekvensen på en antenn och fått varierande resultat beroende på hur du håller i koaxialkabeln, om du flyttar på den eller mätinstrumentet etc. är du i behov av en balun, den här artikeln skall förklara varför. Samma sak gäller om du någon gång bränt dig på din stations chassi, så kallat ”hett chassi”. Ett annat resultat som kommer att framgå är att om ett system är välbalanserat eller inte har väldigt lite att göra med den typ av transmissionsledning vi använder.

Vilka problem förväntas baluner lösa?

Baluner förväntas lösa obalansproblem men vad är det som är i obalans? För att besvara den frågan får vi titta på strömmarna i en transmissionsledning. I en koaxialkabel är strömmarna i innerledaren och på skärmens insida lika men med motsatt tecken. Detta beror på att fälten från de båda strömmarna är begränsade till samma utrymme. Den så kallade skineffekten gör att en annan ström flyter på utsidan av skärmen än den på insidan av den. Om strömmen på utsidan av skärmen blir betydande så strålar koaxialkabeln som en antenn och det utstrålade fältet är proportionellt mot strömmen. Detta är en oönskad egenskap som vi vill bli av med och det kan vi, som vi skall se nedan, bli med hjälp av rätt sorts balun.

En öppen matarledning har liknande egenskaper trots att den ser olika ut rent fysiskt. Eftersom en öppen matarledning är symmetrisk i sitt utförande så blir utstrålningen från den minimal om de båda strömmarna som flyter genom vardera ledaren är lika men med motsatt tecken. Detta gäller om avståndet mellan ledarna är väldigt litet i förhållande till våglängden och det gäller för 1,8 – 30 MHz.

Det finns emellertid en rad faktorer som kan få dessa båda strömmar att bli obalanserade. Om detta händer så strålar matarledningen som en koaxialkabel som har ström på utsidan av skärmen. Om strömmarna är lika men med omvänt tecken tar fälten ut varandra och ingen strålning uppkommer, är däremot strömmarna olika uppkommer så kallade common-mode strömmar som även kallas secondary-mode eller antenna current på engelska. Dessa strömmar kallas ofta obalansströmmar eller imbalance currents på engelska och det är samma fenomen i koaxialkabel som i öppen matarledning.

Obalansströmmar orsakar en rad problem:

• Förvrängt strålningsdiagram på antennen eftersom matarledningen strålar och bidrar till strålningsdiagrammet för antennen och de båda antennhalvorna matas olika eftersom strömmarna till dem inte är i balans.
• TVI – strålningen från matarledningen kopplar till TV-apparater i närheten, elnätet i huset osv. och orsakar störningar
• HF i shacket som orsakas av att matarledningen strålar, du får ”hett chassi”

Du har säkert läst i reklamen att baluner förväntas råda bot på dessa problem. Vad som däremot i regel aldrig nämns är att dessa problem beror på obalansströmmar i matarledningen, oavsett om det gäller koaxialkabel eller öppen matarledning. Det skall sägas att om obalansen är minimal så löser inte en balun problemet, minimal obalans kan vi förvänta oss, se nedan.

Obalans uppstår också när vi ansluter vår station direkt till jord, då introducerar vi en tredje ledare i systemet. Obalansen uppstår om det finns en direkt väg till jord via en av ledarna i transmissionsledningen. Åtgärdar vi detta kan vi återigen få balans i systemet. En annan källa till obalans kan vara att de båda delarna av en dipol inte är exakt lika långa, att ena delen kopplar till näraliggande objekt eller att de olika dipolhalvorna dras olika i förhållande till marken. Ytterligare en orsak till obalans kan vara att matarledningen inte dras vinkelrät mot antennen, detta är främst ett problem på UHF där koaxialkabelns diameter inte är försumbar i förhållande till längden på antennelementen, i någon mån finns problemet också på VHF-frekvenser med tjocka koaxialkablar men inte på kortvåg. Det beror på att fältet runt antennen inducerar en ström i transmissionsledningen.

Allmänt om baluner

Det finns mycket information om baluner i olika källor, inte minst på Internet och informationen kan upplevas som motsägande många gånger. Ofta bottnar detta i missförstånd. Frågan är snarare när det är lämpligt att använda en balun och när det inte är lämpligt. Det finns olika utförande av baluner. De kan vara gjorda av transmissionsledningar som koaxialkablar. Baluner kan vara utförda som en transformator med lindningar kring en ferritkärna men även luftlindade utan kärna. Baluner kan också utföras som ferritkärnor utanpå koaxialkabelns skärm eller som några varv av koaxialkabeln vid anslutningen till antennen. I det sistnämnda fallet minskas de så kallade common mode strömmar som går på utsidan av koaxialkabeln och kan ge upphov till störningar i RF-känslig utrustning och ökat brus i mottagaren. Impedansen i strömkretsen höjs genom att lindningarna utgör en drossel, som på engelska heter choke, därför kallas denna variant för choke-balun på engelska. Obalansen minskar och därför benämns detta förfarande som en ”choke-balun”.

När skall en balun användas?

• För att undvika deformation av antennloben t.ex. med syfte att minimera att oönskade signaler, ”störningar”, når antennen, obalans i matningen kan ge upphov till detta
• För att få en antenn som likströmsmässigt är kortsluten
• För att anpassa en antenn som har en annan impedans än matarledningen
• Exempel på några vanligt förekommande omsättningstal hos spänningsbaluner är 1:2, 1:4, 1:6 vilka kan användas för att anpassa en antenn med en resistiv impedans på 100, 200 och 300 ohm till en 50 ohms koaxialkabel.

När skall en balun inte användas?

I vissa situationer är det olämpligt att använda en balun som är utformad som en transformator. Detta oavsett vilken omsättning balunen har. Detta gäller inte strömbaluner som utgörs av ferritkärnor utanpå koaxialkabeln eller en lindad koaxialkabel som nämns ovan.

En balun utformad som en transformator har bestämda in- och utgångsimpedanser. Impedanserna är anpassade till impedansen hos matningen och till impedansen hos lasten. Om man t.ex. använder en 1:1 balun till en halvågsdipol så görs den för att se 50 ohm både på in- och utgången. Av praktiska skäl används ofta halvågsdipoler p.g.a. att de råkar ha en resistiv impedans på ca 40–60 ohm vid resonansfrekvensen på vanliga monteringshöjder. Detta möjliggör användning av koaxialkabel som matarledning. På andra band än vad dipolen är utförd för får den en annan impedans och vi får mer eller mindre missanpassning vilket resulterar i stående vågor.

En lämplig anpassningsenhet (tuner, autotuner, matchbox är andra benämningar på samma sak) kan användas för att få anpassning mellan sändaren och anpassningsenheten. Sändaren ser då 50 ohm och SWR-mätaren indikerar 1:1. Stående vågor finns dock fortfarande kvar på koaxialkabeln med resulterande additionsförluster i matarledningen. Balunen kommer, trots användning av anpassningsenhet, inte längre att se 50 ohm från antennen eftersom antennen nu har en annan impedans. Balunen ser inte heller 50 ohm från koaxialkabeln på ingången eftersom det finns stående vågor på koaxialkabeln. Vi får förluster i balunen på grund av missanpassning och effekt går åt till att värma upp balunen istället för att stråla ut i antennen. Mättas kärnan i balunen kan övertoner på andra frekvenser stråla ut och du kan orsaka störningar på helt andra frekvenser än den du sänder på.  Detta gäller givetvis även andra konfigurationer och baluner med olika omsättningstal för till exempel vikta dipoler etc.

Använd inte en 4:1-balun för att få en balanserad ingång på nu så populära autotuners för koaxialkabel och autotuners som är inbyggda i radiostationen. Detta är en olämplig lösning som minskar verkningsgraden vilket resulterar i att mindre effekt går ut i antennen. Vid höga effekter kan balunen skadas på grund av de höga spänningar som är närvarande. Hur en antennavstämningsenhet för balanserad matarledning skall vara utformad får bli föremål för en annan artikel men de 4:1-baluner som säljs av välkända tillverkare avrådes bestämt ifrån!

Spänningsbaluner eller voltage baluns på engelska

Även begreppet Ruthroff-balun används på engelska efter sin uppfinnare på Bell Labs 1959. Spänningsbaluner transformerar en impedans till en annan och kallas så även om strömmarna också transformeras.

Spänningsbaluner försöker alltid tvinga utgångsklämmorna till lika spänningar. De introducerar ibland fasförskjutning mellan varje utgångsterminal och "jord". Om impedansen vid varje utgång inte är exakt lika kommer strömmarna i transmissionsledningen eller lastströmmarna inte att vara lika och med motsatt tecken i vardera ledaren. Detta betyder att transmissionsledningen kommer att stråla. Spänningsbaluner isolerar heller inte mot common mode strömmar, alltså att matarledningen strålar. En spänningsbalun garanterar nästan säkert viss strålning från matarledningen (eller mottagning), eftersom det finns väldigt få "perfekt balanserade" laster eller ”perfekta” spänningsbaluner. En spänningsbalun isolerar mot common mode strömmar endast om antennen är perfekt balanserad. Observera att det är strömmarna, inte spänningarna som ger upphov till obalans och därför tjänar det ingenting till att tvinga spänningarna till att vara lika men med omvänt tecken för att förhindra att skärmen strålar på matarledningen. En spänningsbalun har tre lindningar, så kallade tertiary windings på engelska. Det krävs en figur och ett antal ekvationer för att förklara varför så vi konstaterar endast att för att balansera spänningarna på utgången krävs tre lindningar.

Till skillnad från en 1: 1 strömbalun, se nedan, kommer en spänningsbalun alltid att magnetisera sin kärna i direkt proportion till belastningsspänningarna. I en spänningsbalun påverkar belastningsimpedansen direkt uppvärmningen av toroidkärnan och flödestätheten i toroiden.

Strömbaluner

Strömbaluner förekommer under olika namn på engelska: current-balun, choke-balun, isolation-balun, Guanella-balun. Det är bra att lära sig alla då de förekommer flitigt i beskrivningar. Guanella var en schweizisk ingenjör som uppfann den.

En strömbaluns fördelar är bland andra följande:

• Effekten balanseras mellan de drivna elementen i en antenn, i en dipol mellan dipolhalvorna
• Dämpar common mode strömmar på koaxialkabelns skärm och förhindrar på så sätt att koaxialkabeln strålar och orsakar störningar
• Dämpar störningar som tas upp av koaxialkabelns skärm vilket kan leda till minskat brus i mottagaren

Som en tumregel skall strömbaluner alltid användas framför spänningsbaluner när det är möjligt. Strömbaluner, speciellt av typen 1:1, tolererar lastimpedanser och variationer i impedansförhållandena betydligt bättre än spänningsbaluner och har oftast lägre förluster. Strömbaluner kan också användas som isolatorer eller UNUN:s.

Till skillnad från spänningsbalunen som alltid har tre lindningar, se ovan, har strömbalunen endast två. Dessa kan utföras som två tvinnade ledare eller som en dubbelledare med isolation mellan ledarna. Strömbalunen kan ses som en bifilär RF-drossel som motverkar strömmarna som flyter genom den. När koaxialkabel vindas i ett antal varv kan strömbalunen ses som en RF-drossel som verkar enbart på utsidan av skärmen på koaxialkabeln och reducerar strömmen till ett minimalt värde. Observera att förfarandet inte har någon påverkan på koaxialkabeln i sig själv när det gäller impedans, elektrisk längd, SWR och så vidare. Att ta hänsyn till är att den minsta böjradien för koaxialkabeln inte får underskridas men det är i praktiken inget problem för de kablar radioamatörer använder. G3TXQ har en utmärkt artikel om hur man lindar choke-baluns med olika typer av koaxialkabel: http://www.karinya.net/g3txq/chokes/ Att trä ferritkärnor utanpå koaxialkabeln ger samma effekt. Det finns färdiga sådana choke baluns att köpa men se upp med kvaliteten, det finns mängder med skräp som krängs på Internet. Högkvalitativa finns här: https://myantennas.com/wp/product-category/cmc-2/

Bildtext: En choke-balun utförd med ferritringar på en koaxialkabel med krympslang över

Bildtext: En choke-balun i utförande med ferritringar på en teflonisolerad koaxialkabel. Konstruktionen är innesluten i ett väderskyddande hölje och syns inte på bilden. Balunen tål 3 kW och är utförd för 1–30 MHz

Bildtext: En choke-balun lindad av koaxialkabel

För- och nackdelar med baluner

Fördelar

• Förhindrar att matarledningen strålar
• Förhindrar i och med att matarledningen inte strålar störningar och förvrängning av antennens strålningsdiagram
• Kan förhindra att störningar tas upp av matarledningen

Nackdelar

• Kan introducera förluster
• Toroidkärnorna kan mättas och orsaka problem
• Järnpulverkärnor ger dåliga egenskaper på lägre frekvenser, ferritkärnor är bättre
• Transformerar inte alltid 4:1 och 6:1 oavsett vad som sägs i reklamen

Att tillverka baluner själv, att tänka på:

Det är naturligtvis billigast att själv tillverka baluner men man måste då absolut se till att man väljer rätt material i toroiderna i förhållande till frekvenser som balunen skall användas på, vilken typ av balun det är och vilken effekt den skall tåla. Likaså måste balunen lindas på rätt sätt och med rätt typ av isolerad tråd. Tänk på att till exempel nu så populära FT8 inte kan sändas med högre effekt än cirka 30 W om balunen sägs tåla 100 W så överdimensionera alltid balunerna, i synnerhet om du kör digitala moder som har en hög duty-cycle. Vill du köra 100 W på FT8 så se till att balunen klarar 500 W. Så fort som balunen blir varm får vi problem och i värsta fall uppnår vi den så kallade Curie-temperaturen då toroidens magnetiska egenskaper upphör. Dessbättre återgår de vid avkylning men vi bäddar för problem. Även i QRP-tillämpningar är det klokt att se till att balunen klarar betydligt mer än den effekt du avser att påföra, i synnerhet om du vill köra digitala moder då du inte bör välja en balun som klarar mindre än 100 W.

Det finns mängder av tips på Internet om hur man tillverkar baluner och jag tänkte ge lite tips på baluner till de olika antenner jag kommer att presentera så jag väntar med att ge tips på hur man tillverkar dem tills vi går igenom de vanligaste antenntyperna för fältbruk i kommande artiklar.

UNUN från engelskans UNbalanced – UNbalanced

Om du vill mata en slumpmässig längd antenntråd, vertikal eller annan obalanserad antenn skall du använda en UNUN, UNbalanced – UNbalanced, utförd som en spänningsbalun. Jag tar inte upp de olika utförandena och omsättningstalen här utan det blir i samband med en eller flera artiklar om lämpliga antenner för fältbruk.

Bildtext: En 9:1 UNUN för anpassning av en long wire till koaxialkabelmatning. Notera den trifilära lindningen. Det är alltså en ”spänningsbalun”.

Avslutning

Om du orkat så här långt hoppas jag att du nu har en bättre insikt i vilka olika typer av transmissionsledningar som finns, deras för- och nackdelar samt de väsentligen två olika typer av baluner som finns. Vi kommer att titta mer på detaljer kring baluner när vi går igenom antenner och hur de skall anpassas till din station.

73 de Gert, AA7G / SM5LWC