jueves, 11 de julio de 2013

CÓMO ELEGIR UN BALUN/UNUN


Es aconsejable montar en nuestras instalaciones de antenas un balun/unun adecuado en el punto de alimentación que nos permita, por una parte disponer de una buena adaptación entre el cable coaxial y la antena (balanceado/no balanceado o no balanceado/no balanceado), y por otra conseguir la mejor relación de transformación de impedancias posible.

Antes de pasar a analizar los distintos factores que nos determinarán la elección de nuestro balun/unun, me gustaría comentar tres aspectos esenciales:

1)  Los balun/unun que proporcionan el mejor rendimiento son los basados en transformadores TLT (Transmission Line Transformers), a diferencia de los clásicos transformadores con devanado primario y secundario, o FCT (Flux Coupled Trasformers). En éstos últimos, las pérdidas de energía por acoplamiento de flujo magnético son muy superiores a las de los transformadores TLT.

2)  Los balun/unun que proporcionan el mejor rendimiento son aquellos diseñados con núcleo toroidal de ferrita. Otros dispositivos construidos con barras de ferrita, núcleo de aire o ferritas rodeando los cables coaxiales no alcanzan la eficiencia óptima. Por un lado, las pérdidas de inserción son inferiores con los toroides de ferrita; y por otro, la reactancia de choque necesaria también es superior con los toroides de ferrita.

3)  El toroide de ferrita utilizado debe reunir una serie de características que lo hagan adecuado para la aplicación que nos ocupa y en la gama de frecuencias en la que vamos a trabajar: permeabilidad magnética, densidad de flujo máxima, factor de pérdidas, etc.
Nota: para esta aplicación específica no son adecuados los toroides de polvo de hierro, por la baja reactancia de choque que se obtiene con los devanados.

Como conclusión, podemos decir que los balun/unun de mayor rendimiento son los construidos con toroide de ferrita (adecuado) y con devanados formando un TLT. Estas características debería proporcionarlas el fabricante del balun/unun en cuestión, para que podamos saber a priori si vamos a comprar un producto de calidad.

BALUN 1:1 de corriente (300 w PEP, 1-52 MHz)


 


A continuación se examinan otros factores importantes a la hora de seleccionar nuestro balun/unun:

Tipo de antena

Lo primero que nos condiciona a la hora de elegir el balun/unun es el tipo de antena que vamos a utilizar. En el caso de instalar una antena balanceada deberemos usar un BALUN. Para las antenas no balanceadas utilizaremos un UNUN.

Ejemplos de antenas balanceadas:

- Dipolos monobanda
- Dipolos multibanda
- Delta
- Quad
- Windom
- T2FD
- Yagi
- Logarítmico-periódicas
- Moxon
- Loop


Ejemplos de antenas no balanceadas:

- Monopolos con plano de tierra
- Hilos largos o escasos con plano de tierra
- Hilos en V o L invertida con plano de tierra

Importante: la simulación del plano de tierra mediante conexión con pica al suelo, con radiales, con malla metálica u otras contra-antenas da lugar a diferentes impedancias para un mismo sistema radiante.


Balun de corriente o de tensión

En todas las instalaciones en las que necesitemos un balun, elegiremos siempre un balun de CORRIENTE, pues se consigue equilibrar las corrientes en los ramales de la antena y eliminar (o minimizar) la corriente de retorno por la cara externa del cable coaxial de alimentación. Como el campo magnético es proporcional a la corriente, al tenerlas equilibradas (iguales en magnitud y opuestas en fase), el diagrama de radiación de la antena no sufrirá las distorsiones que provocan ese desequilibrio.

Por otra parte, la eliminación de la corriente de retorno de RF hará que el coaxial no radie. Esa radiación indeseada provoca también distorsiones en el diagrama de radiación, así como interferencias en los equipos eléctricos circundantes. Evitaremos también ciertos efectos no deseados en el transceptor.





BALUN 6:1 de corriente (2 Kw PEP, 1-52 MHz)
 
Impedancia y relación de transformación

La impedancia de nuestra antena depende fundamentalmente y, para una frecuencia determinada, del material con que esté construida, de su topología, de la altura respecto al suelo, del entorno y de la conductividad del terreno. Conocer dicha impedancia, al menos de manera aproximada, es un dato esencial para continuar con el proceso de elección del balun/unun.

En el caso de las antenas balanceadas, existe otro factor importante que nos determinará el valor de la impedancia y es su punto de alimentación. En efecto, una antena tipo dipolo no tiene la misma impedancia si es alimentada en su punto central (antenas simétricas) o si este punto se desplaza hacia uno de los dos ramales (antenas asimétricas, como es el caso de las antenas Windom). En el caso de las Delta ocurre algo similar: no se obtiene la misma impedancia si el punto de alimentación está en un vértice o si lo está en uno de los lados del triángulo.

Conocer el valor de la impedancia de la antena nos va a determinar cuál es la relación de transformación más adecuada para nuestro balun/unun. A veces este valor no es sencillo de determinar, ni siquiera aunque dispongamos de instrumental (analizador de antenas). Existen distintos motivos por los que esto último es así. Lo explicaré con dos ejemplos:

1)   Antena Delta instalada con un vértice superior (a 15m de altura) y dos vértices inferiores (ambos a la misma altura).
En este caso deberíamos instalar nuestro analizador en el vértice superior para averiguar el valor de impedancia en su punto de alimentación. Seguro que esto no es nada fácil…
Otra opción es conectar un cable coaxial en el vértice y medir en el otro extremo. En esta ocasión, si no utilizamos la longitud adecuada de coaxial nos llevaremos una sorpresa, ya que la distribución de corrientes y tensiones a lo largo del cable hará que no se reproduzca en el extremo donde vamos a medir la misma impedancia que existe en el punto de alimentación de la antena.
Por otra parte, en el caso de frecuencias de trabajo muy bajas, la longitud de cable coaxial a utilizar para reproducir la impedancia del punto de alimentación en el otro extremo puede ser bastante larga y que no dispongamos de ese cable (o que no queramos comprarlo únicamente para realizar la medida). Con este panorama, puede que nos quedemos sin saber cuál es el valor de la impedancia en el punto de alimentación.

2)     Antena de hilo para portable de 10m, montada en caña de pescar y con plano de  tierra simulado con pica en el suelo.
En este caso el punto de alimentación está accesible, sin embargo, la impedancia de la antena va a variar en gran medida dependiendo de la conductividad del terreno, por lo que instalaciones en distintos puntos darán distintas impedancias (los experimentos de campo en la banda de 40m confirman que puede variar desde 70 hasta más de 400 ohm). Una vez más nos quedamos sin saber el valor de la impedancia, pues es variable.


¿Qué podemos hacer?

En el caso de la Delta podríamos realizar una simulación con algún programa profesional de modelado de antenas para tener una idea aproximada de la impedancia que va a tener. Habitualmente la impedancia está en torno a los 110 ohm y es adecuado el BALUN DE CORRIENTE 2:1.

Para el hilo montado en la caña de pescar, salvo para montajes muy específicos (instalaciones fijas con impedancia conocida o acopladores en la base de la antena), utilizaremos el UNUN en la base y un acoplador en el lado del transceptor. Cuando usemos hilos escasos (7-12m), si vamos a utilizarlos en bandas bajas (como en 40m), sería recomendable usar el UNUN 2:1+acoplador. Si usamos, por ejemplo, el 9:1, nos podemos encontrar con que la antena tenga una impedancia baja (100 ohm) y que el UNUN nos la baje todavía más y nuestro acoplador no sea capaz de hacer su función (sobre todo los acopladores internos). En el caso de los hilos realmente largos, aun trabajando las bandas bajas, la impedancia que obtendremos será más alta que esos 100 ohm, por lo que se podría pensar en los UNUN 4:1 ó 9:1+acoplador.

Potencia máxima de trabajo

Habitualmente las especificaciones de los balun/unun sobre potencias máximas a utilizar se expresan haciendo referencia a la potencia de pico de la envolvente (PEP, en vatios). Esta es la potencia que podemos considerar máxima para transmisión en banda lateral única (SSB). Para utilización con modulaciones de portadora continua (CW, AM, FM) deberemos utilizar menos potencia, aproximadamente la mitad de la máxima potencia PEP indicada.

Hay que tener en cuenta que la potencia máxima utilizable se debe considerar en condiciones de adaptación de impedancias entre la antena y el cable coaxial. Por ejemplo, un dipolo monobanda en V invertida para la banda de 40m, si está bien ajustado, puede tener una resistencia de aproximadamente 50 ohm y muy baja reactancia. En estas condiciones podemos transmitir con la potencia máxima especificada usando un balun 1:1 de corriente. Sin embargo, la utilización de ese dipolo en otras bandas (con acoplador), puede generar altas tensiones en el punto de alimentación. Para estas situaciones debemos optar por reducir la potencia de transmisión, o bien, utilizar un balun 1:1 que pueda soportar más potencia de la que teníamos pensado transmitir.

Importante: los balun 1:1 NO deben ser usados con dipolos de media longitud de onda alimentados con coaxial en su punto central trabajando en el SEGUNDO ARMÓNICO de la frecuencia fundamental. La impedancia en el punto de alimentación puede incluso superar los 10.000 ohms, generándose muy altas tensiones que podrían superar la tensión de ruptura entre espiras o excesiva disipación de calor en el material ferromagnético. En el ejemplo anterior, si el dipolo fuera utilizado en la banda de 20m tendríamos la situación descrita de operación en el segundo armónico. Debe evitarse este tipo de uso.


UNUN 9:1 (2 Kw PEP, 1-30 MHz)


Ajuste de la antena

Este es un aspecto muy importante de la instalación, directamente asociado con la relación de transformación necesaria para el balun/unun. La lógica nos dice que, conocidas la impedancia de la antena y del cable coaxial, ya podemos deducir la relación de transformación que necesitamos para nuestro balun/unun. Este valor será orientativo, pues en la práctica la impedancia de la antena variará respecto al valor teórico en condiciones de espacio libre.

En efecto, la impedancia de la antena, ya instalada, puede ser parecida a la teórica, pero no será la misma: la resistencia puede variar e incluso aparecer cierta reactancia que no habíamos contemplado. Esto es así porque el entorno y la altura respecto al suelo van a influir decisivamente en el valor de la impedancia. En el caso de las antenas no balanceadas el tipo de tierra o contra-antena utilizada determinará en gran medida el valor de dicha impedancia.

Por este motivo, aunque seleccionemos nuestro balun/unun con la relación de transformación adecuada, debemos realizar un ajuste de la antena, que puede conllevar cambios en la longitud de la misma, en su altura, en el ángulo entre ramales (si es un dipolo), en el punto de alimentación, etc. El ajuste nos dejará la instalación en condiciones de trabajo óptimas.


Tabla orientativa
Teniendo en cuenta todo lo anterior y las medidas de campo realizadas en distintas instalaciones, sugiero los siguientes balun/unun para los ejemplos de antenas que se relacionan en la siguiente tabla:


ANTENA
BALUN/UNUN
COMENTARIOS
DIPOLO MONOBANDA en V invertida (alimentación centrada)
BALUN 1:1 DE CORRIENTE
El ajuste del ángulo entre los ramales permite obtener un mínimo para la curva de ROE en función de la frecuencia.
DIPOLO MULTIBANDA con bobinas trampa (alimentación centrada)
BALUN 1:1 DE CORRIENTE
La antena instalada debe tener una impedancia próxima a los 50 ohm resistivos en todas las bandas de trabajo para su utilización sin acoplador.
Antena DELTA con vértice superior y dos vértices inferiores (alimentación en el vértice superior)
BALUN 2:1 DE CORRIENTE
La antena puede instalarse en posición vertical o con cierta inclinación respecto al eje vertical.
Antena de CUADRO en posición vertical (alimentación en el centro del lado inferior; los cuatro lados iguales)
BALUN 2:1 DE CORRIENTE
Si la antena en realidad es un rectángulo, la impedancia será mayor. Puede ser necesario el BALUN 4:1 de CORRIENTE.
Antena WINDOM
BALUN 6:1 DE CORRIENTE
La impedancia teórica de la antena es de 300 ohm. No obstante, si está instalada a baja altura será inferior. Se recomienda un balun 6:1 de corriente que tolere variaciones en la impedancia: VER VIDEO .
Antena YAGI
CHOKE/BALUN 1:1 DE CORRIENTE
Los modelos clásicos de antenas Yagi tienen una impedancia inferior a 50 ohm. El choke se instala entre el sistema de adaptación y el cable coaxial, para equilibrar las corrientes de los ramales del elemento excitado.
Si la antena ha sido diseñada con una impedancia de 50 ohm no existirá el sistema de adaptación y únicamente se instalará el choke.
Antena MOXON
CHOKE/BALUN 1:1 DE CORRIENTE
Esta antena tiene una impedancia de entrada de 50 ohm. Se instala el choke en el punto de alimentación.
LOOP de longitud aleatoria
CHOKE/BALUN 1:1 DE CORRIENTE
Se escogerá el choke con la suficiente potencia PEP como para tolerar tensiones apreciables en el punto de alimentación.
Deberá utilizarse acoplador.
Monopolo vertical de 10m con pica en el suelo (por ejemplo un hilo en caña de pescar)
UNUN 2:1
La impedancia dependerá de la frecuencia de trabajo, pero tendrá gran influencia la conductividad del terreno.
Si se pretende utilizar la banda de 40m, se recomienda el UNUN 2:1+acoplador.
Antena de hilo largo con toma de tierra
UNUN 4:1 ó 9:1
La impedancia dependerá de la frecuencia de trabajo, pero tendrá gran influencia la tierra o contra-antena utilizada.
Salvo para alguna banda específica, en el resto deberá utilizarse acoplador.







BALUN 2:1 de corriente
(2 Kw PEP, 1-40 MHz)










  
  BALUN 1:1 de corriente
(4 Kw PEP, 1-52 MHz)











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Alberto - EB4HRA


11-07-2013