Praxe s baluny

O tom, jak funguje balun a proč se používá jsem na tomto webu napsal několik článků. Z komunikace, kterou vedu s hamy i ze čtení různých článků na Internetu vidím, že to je stále aktuální téma. Velmi hezký článek (v češtině) napsal také zde ok1svb: http://ok1ike.c-a-v.com/soubory/ant_panel.htm a krásně tam popsal jednak chování a příznaky nedobře symetrizované antény a také svoje řešení, ze kterého si dovolím citovat alespoň dva odstavce zde:

V prvním odstavci popisuje ok1svb řešení airwound balunu pro symetrické drátové antény. Mohu potvrdit, že takové řešení funguje, i když mám k němu výhrady a sám používám jiná řešení. Ve druhém odstavci popsal praktické chování své antény s dobrou symetrizací. To je skutečně pravda, symetrizovaná anténa bere méně rušení.

OK1SVB zmínil v článku své zkušenosti a popsal chování některých antén, se kterými se musí vypořádat většina hamů. Problém je ve společných proudech. Uvedu zde ještě dva odkazy, kde jsem tuto problematiku a dvě základní role balunů popisoval: První se týká transformace symetrické soustavy (neuzemněné antény) na soustavu nesymetrickou a druhý popisuje příznaky, které můžeme pozorovat na anténě, pokud na přechodu mezi symetrickou a nesymetrickou soustavou hřešíme. Když jsem ty články před rokem psal, netušil jsem, až jak veliké rozdíly v praktickém provozu, zaměřen na tuto věc, zjistím!

Proč jsem vybral článek od ok1svb? Protože tam popsal své trápení s jinak velice rozšířenou a dobrou anténou G5RV. Anténa je jednoduchá, většinou ji lze použít na více pásmech a často se používá s nesymetrickým tunerem nebo podprůměrným symetrickým tunerem. A tady nastává potíž. Potíž se symetrizací. Běžné baluny jakž takž izolují symetrickou soustavu od staniční země na malých impedancích. Jenže G5RV nemá na svorkách jen malé impedance. Při vyšších impedancích je však "izolační schopnost balunu", tj. reaktance mezi symetrickou částí a staniční zemí, srovnatelná s impedancí na svorkách a do země tečou tzv. společné proudy a anténa se nechová jako symetrická a neuzemněná. Je potom částečně uzemněná, i když nemá být a přijímá rambajs.

Automatické tunery

Mnoho hamů používá se symetrickými anténami továrně vyráběné automatické tunery. Já je samozřejmě používám také. Na portable jsem často používal drátovou LW anténu a ladil ji vynikajícím (mám ho raději, než jiná provedení a měl jsem jich dost) tunerem AH-4 od Icomu. Ten se zapojuje takto:

Prakticky to znamená, že tuner je uzemněný a LW je připojen ke svorce na velkém průchodkovém izolátoru (na obrázku vpravo). S TRXem je tuner propojen jednak koaxiálním kabelem a jednak s tzv. tuner-control kabelem. Ten propojuje země obou přístrojů, přivádí do tuneru napájení a jsou tam dva vodiče, kterými se z tuneru startuje ladicí sekvence TCVRu (TRX si pomocí signálů START a KEY snižuje výkon, nastavuje CW režim při ladění atd.). V tuneru jsou součásti kolem tuner-control kabelu zapojené takto:

Všimněte si, že obvody, kterými mohou téci proudy do staniční země, jsou oddělené jen poměrně malými indukčnostmi (např. 100 uH). Proto je takový tuner schopen ladit jenom nesymetrické (uzemněné antény), nikoliv ty symetrické. Ještě pro úplnost uvedu zapojení v TCVRu (ICOM 7200):

Opět je vidět, že jsou řídící signály oddělené indukčnostmi (220 uH), napájení a zem není oddělená nijak. Rovněž toto řešení postačuje, pokud je anténa z principu uzemněná a do země mají téci proudy (LW, vertikál apod.). Od tunerů LDG nemám dokumentaci, netuším, jak je oddělené jejich řízení a napájení od kostry přístroje, ale je to nakonec jedno, protože to se symetrickými anténami až tak uspokojivě nefunguje a mnoho hamů dávno vzdalo rozchodit takové antény.

Co s tím?

Symetrickou anténu můžeme samozřejmě ladit symetrickým tunerem. Já jsem nikdy neměl originál Z-match, ale vyrobil jsem si podobnou věc s moderními trafy na feritech, která fungovala krásně. Hamové, kteří si pořídili tunery ANNECKE Symmetrical Koppler dosáhli s anténami také vynikajících výsledků. Druhou možností je, že se pokusíme symetrizovat zapojení s nesymetrickým tunerem. Já jsem si pro tento účel a pokusy vybral jednoduchý a laciný tuner od LDG, typ Z-11 Pro. Není vůbec vhodný pro symetrické antény a tak ani práce s ním nebyla jednoduchá a dalo to dost práce i přemýšlení, než jsem z této sestavy vydoloval výsledek:

Kde musí být baluny?

Protože jsem potřeboval přizpůsobit přísně symetrickou, hodně zkrácenou anténu, navíc umístěnou na půdě, nemohl jsem si dovolit jednak další ztráty již u tak mizerné a krátké antény a ani prohřešky vůči symetrii, abych vůbec něco slyšel.

První balun jsem zařadil mezi tuner a TCVR. Tam je přizpůsobeno a izolační schopnost balunu se uplatní naplno. Použil jsem proudový balun (tzv. choke balun) navinutý tenkým koaxiálem na dlouhé feritové tyči. Mám toto řešení raději, protože oba konce nemají mezi sebou vysokou kapacitu. V tomto místě balun krásně symetrizuje, ale jen za předpokladu, že vyřešíme oddělení tuneru od staniční země. O tom ještě budu psát. Kostra tuneru NESMÍ být uzemněná. Je na ní při vysokých impedancích antény vysoké HF napětí proti zemi, stejné, jako na kolíku výstupního konektoru. Balun na vstupu do tuneru brání jeho průniku do společné staniční země po koaxiálu. Pouze tento jeden balun však pro fajnovou DX práci nestačí a ještě musíme vyřešit, aby proud netekl skrz řídící a napájecí kabely tuneru.

Druhý balun jsem zvažoval dát mezi tuner a anténu. Jedna z možností je použít airwound balun, který bych navinul symetrickým nebo zkrouceným vedením na PVC trubku. U málo zkrácených antén bych určitě chrochtal slastí a byl bych spokojený tak, jako ok1svb. Jenže moje anténa byla dost zkrácená a kvůli ztrátám jsem nechtěl mít mezi anténou a tunerem příliš mnoho impedančních skoků a další ztrátové vedení (na vzduchovém balunu je přeci jenom kolem 5 metrů vedení, které nemá zrovna velké vzdušné vzdálenosti mezi vodiči, jako žebřík). Zbýval mi tedy omezený počet technických řešení, která bych mohl s krátkým vedením realizovat. Zkoušel jsem dvě. Balun vinutý symetrickým vedením na feritové tyči. Takové vedení je proti vzdušnému vedení mnohem kratší, impedanční skok (nepřizpůsobení) ve vedení je méně významný. Druhou možností je použití transformátoru. Zkoušel jsem provedení na feritové rouře, které docela dobře fungovalo.  Vinutí (PVC lano) byla dost oddělena, viz obrázek:

U trafa jsem nepoužil elektrostatické stínění, ale nevinul jsem obě vinutí bifilárně (kvůli malým kapacitám), vinutí jsou tedy dvě a jsou od sebe oddělena, jak je vidět z fotek. Stejně dobře to funguje i na toroidu, to jsem vyzkoušel mnohokrát jindy (u některých vertikálů to používám). Trafo jsem testoval výkonem 100 Wattů, viz fotka displeje, ze které je vidět, že IC-706 jel naplno, měřák (bargraf) na displeji ukazuje 100 Wattů při RTTY.

Rádio však tento výkon dlouho nesnáší,  je rozpálené jak krbová kamna :-). A už vůbec to nemá rád tuner LDG. I když jsem měl kryt tuneru demontovaný, abych tam "viděl" optickým teploměrem, tento toroid se na jednom pásmu při výkonu 100 Wattů "rozpálil", takže jsem stejně musel zkoušku trafa dělat na jiných přístrojích:

Na mém trafu jsem pozoroval jen maličké oteplení. Jádro HF trafa je tedy schopné přenést stovky Wattů, ale protože jsem použil tenoučká vinutí, aby neměla mezi sebou veliké kapacity, je výkon omezen vodičem vinutí. Navíc jsem ho u vzorku realizoval jen lankem s obyčejnou PVC izolací. I takové vinutí je pro 100 Wattů použitelné. Jednoduchý tuner LDG Z-11 Pro však nikoliv. Ale 50 Wattů přenese a utransformuje a to mi stačí.

Třetí balun by měl být na řídícím kabelu tuneru (tuner control kabel). Toto místo je nejslabším článkem přechodu ze symetrické na nesymetrickou soustavu použité antény. Nejde nám o to, abychom VF proudy zablokovali. To už udělali výrobci tuneru a TRXu. Jenže potom není pořádně oddělená zem tuneru od staniční země, ke kterým jsou připojené přístroje nesymterické (síťový zdroj, TCVR) a někde uzemněné (např. do sítě nn přes kapacity napájecího zdroje, pokud jinde uzemnění nemáme). Jaký vliv má toto uzemnění, jsem zkoumal tak, že jsem tuner napájel z akumulátorové baterie (neuzemněné) a signály START a KEY jsem galvanicky oddělil pomocí optočlenů. Později jsem baterii nahradil maličkým spínaným zdrojem, který má zanedbatelnou kapacitu mezi výstupem a sítí nn a opravdu mi nic nepřizemňuje!

Rozdíly v dosahovaných výsledcích

Rozdílů mezi anténami se špatnou symetrizací (nebo bez balunů) a se symetrizací si všimli mnozí z nás. OK1SVB napsal doslova "symetrizovaná anténa bere podstaně méně rušení ...". Projeví se to v praxi a na digimódech? Rád používám pro takové zkoušky mód JT65 a JT9. Dnes, když jsem začal psát článek, připravil jsem si k rychlému přepnutí dvě sestavy přístrojů do jedné antény a do jednoho TRXu. Sestavy se lišily jen použitými baluny a tunerem. Zkoušel jsem dneska kolem 10:00 na pásmu 14 MHz. Zkoušel jsem několikrát po sobě a když jsem nabyl dojmu, že rozdíly ve výsledcích jsou typické, zachytil jsem obrazovky. Na obrázku vlevo je soustava s jiným provedením symetrizace a na obrázku vpravo je v tomto článku popsaná soustava se 2 baluny, galvanickým oddělením tuneru od všech přístrojů:

Shrnutí výsledků

1. Stanice OH3T na kmitočtu 1274 Hz má o 9 dB lepší odstup S/N (JT65, -12dB/-03dB)
2. Stanice OH3T na kmitočtu 2571 Hz má o 6 dB lepší odstup S/N (JT9, -17dB/-11dB)
3. Stanice EA1CLT na kmitočtu 2093 Hz má o 6 dB lepší odstup S/N (JT65, -17dB/-11dB)

U obou řešení symetrizace jsem byl přesvědčen o tom, že fungují. Rozdíly byly jen v detailech. Zde popsané řešení používalo tuner maličkých rozměrů (Z-11Pro, tedy s malou kapacitou k okolí, balun mezi TRX a tunerem navinutý tenoučkým koaxiálem a galvanické bezkapacitní oddělení na řídícím kabelu. Druhé řešení využívalo tuneru 1 kW (AT-1000 Pro), který má větší bednu a tím i větší kapacity, které dělají nesymterii, proudový balun mezi TRX a tunerem byl dimenzovaný na 1 kW a mezi anténou a tunerem byl pouze balun, nikoliv HF trafo. Řídící kabel nebyl použit a tlačítko ladění jsem spínal ručně. Tuner však byl napájen ze stejného zdroje, jako stanice, na napájecím vedení byly jen tlumivky (nebylo použito galvanické oddělení s maličkou kapacitou). Použitý SW pro dekódování byl v obou případech VSJT-X, verze 1.5, AGC bylo vyblokováno. Očekával jsem maximálně rozdíly obtížně rozlišitelné, tj. kolem 1 až 2 dB. Nikoliv rozdíly větší než 6 dB. Je to neuvěřitelné, ale je to tak. Řešení přechodu ze symetrické na nesymetrickou soustavu má tedy u antény velice zásadní vliv na její vlastnosti při příjmu slabých signálů a pokud to není uděláno precizně, dokáže to znehodnotit celou anténu. V žádném případě tedy nejde o to, že by nám nesymetrizovaná soustava jen "šilhala", jak se píše v zastaralé literatuře. Nedobře symetrizovaná soustava degraduje neuzemněnou symetrickou anténu na anténu uzemněnou, navíc uzemněnou nedefinovaným způsobem (třeba přes kapacity napájecích zdrojů tuneru). Taková soustava pak také přijímá různá rušení, často z neznámých směrů a parametr odstupu S/N je mizerný.

Poznámka: Podobné jevy lze vysledovat také u vertikálů. Díky dobře vyřešené zemi lze docílit u vertikálů skutečnosti, že jsou při příjmu velmi tiché. I když jsou signály slaboučké, lze je detekovat s dobrým S/N. Napsal jsem tu o tom hodně článků.

Na maličkou horizontální anténu (h = 7.5 m), nataženou na půdě domu, laděnou automatickým tunerem (kterou budu rovněž v některém dalším článku popisovat), jsem tohoto dne neslyšel žádné vzdálené mezikontinetální stanice. Tady se určitě polepším a počkám si na situaci, až budu slyšet slaboučké signály s odstupem SN kolem -30 dB. Pak bude srovnání zajímavější. U jednoho řešení symetrizace budu DX spojení slyšet a spolehlivě dekódovat a u druhého řešení očekávám, že nebude po slabých stanicích ani vidu ani slechu.

Poznámky:

1. Určitě se budu v budoucnosti velice rozmýšlet, zda zbytečně předimenzuji balun.
2. Určitě budu dbát na to, jak je proveden automatický tuner a zda vůbec půjde znásilnit nesymetrický tuner k provozu na symetrické soustavě.
3. Určitě si dám pozor na to, jak je konstruován symetrický tuner vůči uzemněné přístrojové skříňce. Už jsem viděl u několika drahých přístrojů ledacos.
4. Určitě vždy udělám při jakémkoliv srovnávání dvou antén vše, co lze udělat pro její dobrou symetrizaci, abych zamezil společným proudům, které toho dovedou u antény hodně, hodně moc zdegradovat.