baluns courant - Ve2azx.net

Jacques AudetVE2AZX Sept. 2013VE2AZX@amsat.orgRadio Talk 2013Web: ve2azx.netVE2AZX 1

- POURQUOI UTILISER UN BALUN ?- TYPES DE BALUN- VÉRIFICATIONS DU BALUN AVEC L’ANALYSEUR SWR- RÉSULTATS- MESURES D’IMPÉDANCES DE FERRITES- VÉRIFICATIONS DES FERRITES AVEC LE L’ANALYSEUR SWR- UTILISATION DE FERRITES SUR LE FEEDER ET SURLES CONDUCTEURS ENVIRONNANTSVE2AZX 2

POURQUOI UTILISER UN BALUN ?BALUN = BALanced to Unbalanced - C’est un transformateurPour alimenter une charge balancée, Ex: dipôleDiminue la radiation de la ligne d’alimentation (via le blindage)La ligne d’alimentation devient indépendante de l’antenne:On peut changer sa longueur …La déplacer …Sans que le SWR change.VE2AZX 3

POURQUOI UTILISER UN BALUN ?DIPÔLEBALUN+ -Avec un balun les effets de la radiationde chaque moitié du dipôle s’annulent etle rayonnement de la ligne diminue…En autant que le dipôle et le coax soientsymétriques: coax à angle droit et dipôleparallèle au solIci la ligne devient “flottante” et devientIndépendante de l’antenneAvec une antenne NON symétrique …Ex: antenne windom…L’utilisation d’un balun de type COURANTest nécessaire. …VE2AZX 4

TYPES DE BALUNVOLTAGE- TRANSFORMATEUR AVEC ENROULEMENTS DONNANT UNE SORTIE BALANCÉE- LES IMPÉDANCES IN-OUT SONT DÉTERMINÉES PAR LE RAPPORTDU NOMBRE DE TOURS. BEAUCOUP DE RAPPORTS POSSIBLES- LIMITATIONS DE FRÉQUENCECOURANT- UTILISE UNE OU DES LIGNES DE TRANSMISSION- PEUT UTILISER UN CÂBLE COAXIAL OU UNE LIGNE PARALLÈLEAVEC OU SANS FERRITES- RAPPORT D’IMPÉDANCES 1 : 1 AUSSI 4 : 1 POSSIBLE- FONCTIONNEMENT SUR UNE PLUS LARGE BANDE DE FRÉQUENCESVE2AZX 5

BALUN VOLTAGE 4:1- 2 ENROULEMENTS IDENTIQUESCÔTÉBALANCÉ200 ΏPour vérifier le SWREnroulements identiquesconnectés en sérieSO-239EntréeL’inductance mesurée à la sortie est ~ 4X l’inductance à l’entréeVE2AZX 7

VÉRIFICATION DU BALUN AVEC LE MFJCes tests vérifient:• L’inductance des enroulements• La capacité distribuée des enroulements• La qualité de l’isolation des conducteursRésistance de charge:ANALYSEURSWRCoaxial 50 ohms 50 ohms (balun 1:1)BALUNou200 ohms (balun 4:1)On devrait avoir un SWR inférieur à 1.5 entre 7 et 15 MHzVE2AZX 8

CONNECTION DE LA RESISTANCE DE CHARGE (50 Ω Ici)IL EST IMPORTANT D’UTILISER DES CONNECTIONS COURTESET AVEC UN GROS CONDUCTEUR – ICI EN CUIVREVE2AZX 9

2.0:1swrSWR MESURÉ avec charge 50 ohms1.5:1BALUN 1:1UNADILLAW2AUswr1.0:1Min SWR ~ 1.11 MHz 10 MHz 50 MHz

BALUN 1:1UNADILLAW2AUIMPÉDANCEvsFréquenceavecterminaison50 ohms50 ΩfréquenceréactancerésistanceVE2AZX 11

5 :14 :1KENPRO KA50SWR3 :12 :11 :1Min SWR ~ 1.31 MHz 10 MHz 50 MHzVE2AZX 12

5 :1SWR4 :1UNADILLA 1 : 13 :12 :11 :11 MHz 10 MHz 50 MHzVE2AZX 13

5 :1SWR4 :1UNADILLA4 : 13 :12 :11 :11 MHz 10 MHz 50 MHzVE2AZX 14

TEST EN CIRCUIT OUVERT AVEC LE MFJCe test vérifie l’autotransformateur:• L’inductance des enroulements• La capacité distribuée des enroulements• La qualité de l’isolation des conducteursTcoaxial50 ohmsBALUNCircuitouvertANALYSEUR SWRCoaxial 50 ohmsOn devrait avoir un SWR inférieur à 1.1 entre 3.5 et 7.5 MHzVE2AZX 15

MESURE DU SWR - CIRCUIT OUVERT – 50 ohms à l’entréeCH1 S 11 SWR 200 m / REF 123 Sep 2003 11:17:021_: 1.36011.8 MHzswrPeu importele rapport detransformationSWR MESURÉPRmCor2.0:1SCALE200 m /div50 ohmsBALUN 1:1 ou 4:1UNADILLA W2AU2_: 1.10363.5 MHz3_: 1.09997.562 MHz4_: 1.339214 MHz5_: 2.161930 MHz5swr1.5:1SWR141.0:12 31 MHz 5 MHz 10 MHz50 MHzVE2AZX 16

Inductance des enroulementsà 1.8 MHzIMPÉDANCEvsFréquenceavec baluncircuit ouvertfréquenceréactancerésistanceBALUN 1:1UNADILLAW2AUEntre 3.5 et 7 MHzL’impédance est infinie (ouvert)L’inductance des enroulementsrésonne avec la capacité distribuéeVE2AZX 17

BALUNS COURANTQuestionCombien y a-t-il de conducteurs indépendants pour le RF dans un câblecoaxial ? 1, 2, 3 ou 4 conducteurs ?Il y a 3 conducteurs:- Le conducteur central,- L’intérieur du blindage- L’extérieur du blindageNoter que le courant RF qui circule sur l’extérieur du blindage est indépendant ducourant circulant à l’intérieur. Le courant pénètre très peu dans le conducteur,soit par l’intérieur du coax ou par l’extérieur. (Skin Effect)Noter aussi que le SWR n’a rien a voir avec le courant qui circule sur l’extérieurdu coax. Pour le SWR, c’est à l’intérieur du câble que cela se passe.VE2AZX 18

CHARGE BLINDÉELorsque la charge est blindée, le courant reste à l’intérieur du coaxIl n’y a PAS de courant sur l’extérieur du coaxDans ce cas, les ferrites placés sur l’extérieur du coax n’ont AUCUN effetCable CoaxialCourantCharge blindéeCourantVE2AZX 19

UNE CHARGE NON BLINDÉEUn dipôle est une charge non blindéeIci une partie du courant rayonné par l’antenne va se retrouver surle blindage du coaxCable CoaxialCourantCourantDipôleUne charge non blindéeCourant externeVE2AZX 20

UNE CHARGE NON BLINDÉEL’ajout d’un ferrite ajoute une resistance (RF) sur l’EXTÉRIEUR du coaxLe ferrite n’a AUCUN effet sur les courants à l’intérieur du coaxLe ferrite réduit le courant sur le blindageCâble CoaxialFERRITECORECourantCourantUn dipôle est unecharge NON blindéeie. rayonnanteVE2AZX 21

BALUNS COURANTQuelle valeur de résistance est requise quand onalimente un dipole avec un câble coaxial ?% du boutFeed pointDipole λ/2Un câble coaxial alimenteun dipôle au centre ouavec un offsetCircuit équivalent:Le coaxial fait partiede l’antenneStub λ/4Représente lapire longueur decoaxTXCircuit-ouvertDipole λ/222

BALUNS COURANTAlimentation avec un câble coaxial d’un dipolePour diminuer le courantdans le stub:On insère un balun courantqui ajoute une résistanceen série sur l’extérieur ducoaxialTXBalun(ferrites)Dipole λ/2TXDipole λ/2Circuit équivalent du balunQuelle est la résistance minimum pour:- avoir peu d’effet sur l’impédancede l’antenne ?- avoir avoir peu d’effet sur le gain ?RRésistancedu balunVE2AZX 23

BALUNS COURANTDipole λ/2Alimentation avec un câble coaxial d’un dipoleRλ/4IMPEDANCE DIPOLE VS DU LOAD DIPÔLER50 % OFFSET Z dipole at resonance33 % OFFSET Z dipole at resonanceDIPOLEGAINAVERAGEMOYENGAIN VSDULOADDIPÔLER50 % OFFSET Z dipole at resonance33 % OFFSET Z dipole at resonanceΩ14012010080Feeder à 33%dB321Feeder au centreFeeder à 33%60Feeder au centre040-120R en Ω01.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06100 1000 10 000 100 000 1M-2R en Ω-31.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06100 1000 10 000 100 000 1MAlimentation au centre (50%): R > 1000 ohmsAlimentation à 33% du bout: R > 10000 ohmsOn a intérêt à alimenter l’antenne au centre électriqueVE2AZX 24

BALUNS COURANTFERRITESCOAXANTENNECircuit équivalent RFTransfo Idéal1 : 1AntennebalancéeZ - FerritesLa résistance causée par les ferrites sur le câble, c’estl’impédance du balun courant. Doit être élevée ( > 1000 ohms)- Pour minimiser le RF transmis et reçu par le feeder- Pour minimiser l’augmentation de température à haute puissanceZ ferrite > 5000 ohmsVE2AZX

IMPÉDANCE DES FERRITESDÉPENDS DU…-MATÉRIEL- DE LA LONGUEUR- DU VOLUME DE MATÉRIEL- VARIE EN FONCTION DE LA FRÉQUENCE- POUR CALCULER L’IMPÉDANCE Z: (approx.)IMPÉDANCE POUR UN TOUR ET POUR UNE FERRITEmultiplié par…NOMBRE DE FERRITESmultiplié par…(NOMBRE DE TOURS) au carréFERRITE- NOTE: 1 TOUR = FERRITE SUR UN FIL DROIT8X Impédance8X ImpédanceVE2AZX 26

IMPÉDANCE DES FERRITES- FERRITES VS POUDRE DE FER … DEUX MATÉRIAUX DIFFÉRENTS- FERRITE: POSSÈDE UNE PERMÉABILITÉ ÉLEVÉE (10 à 15000)DONC ON AURA UNE INDUCTANCE ÉLEVÉE POUR UN PETIT NOMBREDE TOURSMAIS L’INDUCTANCE N’EST PAS STABLEOK POUR TRANSFO ET BALUNS- POUDRE DE FER: PERMÉABILITÉ BASSE … INDUCTANCE BASSE,DONNE UNE INDUCTANCE STABLE (EX.: VFO, FILTRES, TUNERS)EXEMPLE: AMIDON -> FERRITES ET POUDRE DE FERNUMÉROTATION - EXEMPLE: FT240-43FT: FERRITE240: DIAMÈTRE EXTÉRIEUR EN po. X 100 ( ici 2.4 po.)43: TYPE DE FERRITE, PERMÉABILITÉ = 850VE2AZX 27

MESURES D’IMPÉDANCERÉPONSE EN FRÉQUENCE- Ne permet PAS de mesurer séparément les composantes résistives et inductive- Vérification rapide en variuant la fréquence- Niveau de référence: = 0 dB = court-circuit à la place du ferrite- Permet de mesurer des impédances élevées >> 1000 ohmsVoir: http://ve2azx.net/technical/Series_Parallell-Impedance_with_VNA-Re_Im.xlsGenerateurDe signalRSZxFerriteà l’essaiRLVoltmètreRFRS et RL sont généralement 50 ohmsPour calculer Zx à partir de l’atténuation (en + dB): Zx = (RL + RS) . (10 - 1)(assumes que Zx est résistif)dB20VE2AZX 28

VÉRIFIEZ VOS FERRITES AVEC VOTRE ANALYSEUR SWRTresse de blindageflexible de câble coaxialPrévoir la longueur pourplusieurs tours.Ferrite à vérifierGaine isolanteMale UHFConnector50 ΩConnection àL’ANALYSEUR SWRConducteur en Cu ou AlLe ferrite est en parallèle avec la terminaison de 50 ohmsNOTE: On peut utiliser plusieurs sections de gaine isolante de ~2 po. chacune, sur le conducteur.C’est utile lorsqu’on veut faire plusieurs tours. (Le dessin montre un seul tour)VE2AZX 29

IMPÉDANCE APPROX. DU FERRITE VS SWR MESURÉ1000500FERRITE IMPEDANCE ohms20010050IMPEDANCE DU FERRITE EST RÉACTIVE20IMPEDANCE DU FERRITE EST RÉSISTIVE101.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0SWRVE2AZX 30

MESURES D’IMPÉDANCE1000 Ω2 tours1 tour – 2 ferrites1 tour100 Ω- FERRITE POUR RG-8- 2 BLOCS SÉPARABLES10 Ω1 MHz 10 MHz 100 MHz 1000 MHzOn a 80 ohms a 10 MHz avec 1 tourVE2AZX 32

MESURES D’IMPÉDANCE2 tours1 tour – 2 ferrites1 tour665- LE FACTEUR DE QUALITÉ Q < 1LORSQUE F > 20 MHz- L’IMPÉDANCE DEVIENT ~ RÉSISTIVELORSQUE F > 20 MHzQ FactorFACTEUR Q34321001 10 100 1 10 3FREQUENCE MHz

MESURES D’IMPÉDANCE2 tours1 tour – 2 ferrites1 tour443-L’INDUCTANCE DIMINUE À MESURE-QUE LA FRÉQUENCE AUGMENTE-L’INDUCTANCE DISPARAÎTPOUR F > 100 MHzQ FactorINDUCTANCE uH2021011 10 100 1 10 3FREQUENCE MHz

MESURES D’IMPÉDANCE1000 Ω2 tours100 Ω1 tour10 Ω1 MHz 10 MHz 100 MHz 1000 MHz- IMPÉDANCE SEMBLABLE AU PREMIERVE2AZX 35

MESURES D’IMPÉDANCE1000 Ω2 tours1 tour100 Ω10 Ω1 MHz 10 MHz 100 MHz 1000 MHz- IMPÉDANCE SEMBLABLE AU PREMIERVE2AZX 36

MESURES D’IMPÉDANCE1000 ΩFERRITE RECTANGULAIRE100 Ω3 tours4 tours2 tours10 Ω1 tour1 Ω1 MHz 10 MHz 100 MHz 1000 MHz-Donne ~ 10 % DE L’IMPÉDANCE DES FERRITES PRÉCÉDENTS- COUVRE UNE PLUS LARGE BANDE- REQUIERT 8 TOURS SUR UN FERRITE POUR AVOIR 800 ohmsVE2AZX 37

MESURES D’IMPÉDANCEFERRITE RECTANGULAIRE4 tours3 tours2 tours1 tour2015- OPTIMISÉ POUR UNE LARGE BANDEDE FRÉQUENCES- L’INDUCTANCE DISPARAÎTLORSQUE F > 6 MHz ET…INDUCTANCE uH1051 tour2 tours- L’IMPÉDANCE DEVIENT ~RÉSISTIVE051 10 100 1 10 3FREQUENCE MHz

MESURES D’IMPÉDANCE1000 ΩFERRITE RECTANGULAIRE2 tours100 Ω1 tour4 FERRITES10 Ω1 MHz 10 MHz 100 MHz 1000 MHz- QUATRE TOURS VONT DONNER ~ 800 ohmsVE2AZX 39

MESURESD’UNFERRITEBEADFERRITE BEADAPPROX. 0.1 PO. LONG.VE2AZX 40

MESURES D’IMPÉDANCE(mode réponse en fréquenceAvec ferrite en série)6 tores type F- bleu0Impédance (Ώ)78216462900167830 KHz 100 KHz 1 MHz 10 MHz 30 MHz6 Tores 4 toursVE2AZX 41

MESURES D’IMPÉDANCE(mode réponse en fréquenceAvec ferrite en série)6 tores type F- bleuImpédance (Ώ)021690031621 MHz 10 MHz 30 MHzVE2AZX 42

MESURES D’IMPÉDANCE(mode réponse en fréquenceAvec ferrite en série)2 tores type F - bleu1 tour0.0Impédance (Ώ)5.912.218.825.933.4L’augmentation de l’inductanceest causée par l’inductance desfils1 MHz 10 MHz 100 MHzVE2AZX 43

MESURES D’IMPÉDANCE(mode réponse en fréquenceAvec ferrite en série)2 tores type F - bleu5 tours0Impédance (Ώ)782164629001 MHz 10 MHz 100 MHzVE2AZX 44

MESURES D’IMPÉDANCE(mode réponse en fréquenceAvec ferrite en série)Coax avec 25 beads #430Impédance (Ώ)782164629001 MHz10 MHz 100 MHzVE2AZX 45

MESURES D’IMPÉDANCE(mode réponse en fréquenceAvec ferrite en série)Fil #14 avec 50 beads #730Impédance (Ώ)78216462900Excellent pour HF1 MHz 10 MHz 100 MHzVE2AZX 46

BALUN COURANT DONNANT UN RAPPORT DE 4:1- BALUN COURANT UTILISANT 2 FILS PARALLÈLES AU LIEU D’UN COAX- FORMANT UNE LIGNE DE TRANSMISSION COMPACTETORE #150 Ω200 ΩTORE #2From: W1CGNOTE: CE BALUN COURANT 4:1 ESTSUPÉRIEUR AU BALUN VOLTAGE 4:1VE2AZX 47

- BALUN COURANT UTILISANT 2 FILS PARALLÈLES AU LIEU D’UN COAX- FORMANT UNE LIGNE DE TRANSMISSION COMPACTECOAX50 ΩCÔTÉ BALANCÉ200 ΩLes entrées sonten parallèleLes sorties sonten sérieOn utilise des filsparallèles pourfaire une lignede transmission lineW1CGVE2AZX 48

TESTS SUR LES ANTENNESMESURES DE COURANTABALUNSONDECOURANTBMESURER LE COURANT AU POINTSA, B, C.LES COURANTS B ET C DEVRAIENTÊTRE < 10% DU COURANT EN ACMFJ-206VE2AZX 49

ON PEUT UTILISER DES FERRITES AVEC UN BALUN VOLTAGEBALUN- MESURER LE COURANT SUR LE BLINDAGE- PLACER DES FERRITES AU POINTS DECOURANT MAXIMUM- AUGMENTE L’ISOLATION FEEDER - ANTENNE- STABILISE L’IMPÉDANCE DE L’ ANTENNEFERRITES- PEUT RÉDUIRE LE BRUIT CAPTÉ PARLE FEEDER- ESPACER ¼ DE LONGUEUR D’ONDEOU AU MAXIMUM DE COURANTVE2AZX 50

ON PEUT UTILISER UN ENROULEMENT DE COAXIALBALUN- BOBINE de 6 - 12 po. / 5 à 10 TOURSVE2AZX 51

UTILISATION D’UN BALUN SUR UNE ANTENNE VERTICALERADIALESNe PAS connecter sur unemise à la terre à ce point,si on utilise quelques radialesFERRITESLe coax ne devrait pasfaire partie de l’antenne !OK pour la miseà la terreVE2AZX 52

UTILISATION DE FERRITES SUR LE FEEDER D’UNE YAGI VERTICALEDIMINUE L’INTERACTION ENTRE COAX + MÂT AVEC L’ANTENNE YAGIRef: QEX Sept – Oct. 2006FERRITE #43ATTACHÉS AVECDU RUBAN OUDES ATTACHESEN PLASTIQUE~ λ/2MÂT EN FIBRE DE VERREVE2AZX 53

NOTES- BALUN VOLTAGE UTILISÉ SOUS SWR ÉLEVÉ:• VERIFIER L’ÉCHAUFFEMENT DU FERRITE• DIMINUER LA PUISSANCE• UTILISER DES FERRITES MIX 73 (µ=2500) OU 31 (µ=1500)POUR USAGE À HAUTE PUISSANCE: MIX 43 (µ=850) Voir Ref. 4• LES PERTES DANS LE BALUN VONT AUGMENTER SI SWR EST ÉLEVÉ• LES BALUNS VOLTAGE NE SONT PAS RECOMMENDÉS SI SWR > 5:1À MOINS QU’ILS SOIENT CONÇUS POUR UN TEL USAGE- LES BALUNS ONT UNE ATTÉNUATION TRÈS FAIBLE,NORMALEMENT < 0.3 dB … QUAND LA CHARGE EST ADAPTÉEVE2AZX 54

ON UTILISE DES FERRITES…AntenneFerriteXCEIVERALIMENTATIONORDINATEURCAMÉRACâbleUSBVE2AZX 55

À RETENIR- BALUN VOLTAGE EST SOUVENT UTILISÉ POUR CHARGES PLUSÉLEVÉES QUE 50 OHMS. BEAUCOUP DE RAPPORTS D’IMPÉDANCE POSSIBLES- FORCE DES TENSIONS ÉGALES À LA SORTIE- PAS DE PROTECTION CONTRE LES COURANTS QUI CIRCULENTSUR L’EXTÉRIEUR DU COAX - GÉNÉRALEMENT- PEUT ÊTRE COMBINÉ AVEC UN BALUN COURANT- BALUN COURANT CRÉE UNE RÉSISTANCE SUR L’EXTÉRIEUR DUCÂBLE COAXIAL (OU SUR TOUT CONDUCTEUR)- AUSSI APPELÉS “COMMON MODE CHOKES”- DIMINUE LA RADIATION DU COAX ET LA CAPTATION DE SIGNAUX- STABILISE L’IMPÉDANCE DE L’ANTENNE ET PEUT DIMINUER LE BRUIT RX- GÉNÉRALEMENT 50:50 ohms (AUSSI 50:200 DISPONIBLE)VE2AZX 56

À RETENIR- DIMINUE LA RADIATION DU COAX ET LA CAPTATION DE SIGNAUXExtrait de la réf. 4:On utilise généralement des “COMMON MODE CHOKES” pour:1- Réduire le niveau de RF provenant du TX qui est propagé en mode commun surle feeder et causant des interférences (RFI) dans le shack ou ailleurs.2- Réduire les effets du RF transmis … sur les circuits 60 Hz, TV, téléphone etautres câbles susceptibles de capter le signal transmis… sur tous les appareilsde la maison et des voisins.VE2AZX 57

Extrait de la réf. 4:Pour bloquer le bruit RFgénéré par tous les appareilsde la maison.Pour atténuer la propagation deces bruits via la ligne 60 Hz,téléphone et autres câbles … versvotre radio via l’extérieur du coaxet ensuite à votre antenne.VE2AZX 58

RÉFÉRENCES1- Informations générales sur les baluns – Index des bons articles:http://www.nonstopsystems.com/radio/frank_radio_baluns.htm2- Cost effective ferrite chokes and balunshttp://www.nonstopsystems.com/radio/article-cost-effective-chokes.pdf3- VE2AZX Web Site (cette présentation): http://ve2azx.net4- Réduction des interférences à l’intérieur de la maison:Chuck Counselman W1HIS :http://www.yccc.org/Articles/W1HIS/CommonModeChokesW1HIS2006Apr06.pdf5- FOURNISSEURSDigikey http://www.digikey.comFair-Rite http://www.fair-rite.comAimdon http://www.amidoncorp.comByteMark http://www.cwsbytemark.com/prices/toroidal.phpThe Toroid King http://www.kitsandparts.com/index.phpVE2AZX 59