Common Mode Current

Když jsem psal články o základní funkci balunů, domníval jsem se, že problematika plášťových proudů na souosých napáječích je dostatečně známá, protože principy byly přesně definovány a mnohokrát popsány. Jenže mi i po jediném článečku, který jsem letos publikoval, přišlo více mailů, popisuji zde ty největší základy všech základů k tomuto problému.

Příznaky

1. Anténa, která nemá problematiku plášťových proudů vyřešenou, dobře nevysílá a přijímá mnoho rušení. Nevysílá dobře, protože aktivní prvek (zářič, dipól, driven element, atd...) nebo soustava prvků není napájena správně a proudy netečou zářičem, tak, jak mají. Dochází k deformacím vyzařovacích diagramů, ztrátě zisku i k degradaci ostatních parametrů. Více jsem k tomu už dávno napsal např. v tomto článku zde. A psalo o tom mnoho autorů, např. W8JI zde: http://www.w8ji.com/common_mode_current.htm nebo páni Stutzman a Warren v moderní knize: Antenna Theory and Design, kterou mimochodem považuji za jednu z nejlepších knih o anténách.

2. Při vysokých výkonech nás mohou otravovat tyto proudy (common mode current) v hamovně. HF proniká do modulace, pálí nás mikrofon, šifruje nám klíč, přestává nám fungovat touchpad na totebooku, apod.

Příčina

Zpravidla nemáme správně vyřešen přechod ze symetrické, neuzemněné anténní soustavy na soustavu nesymetrickou a uzemněnou, jakou je náš RIG.

Důležitá schémata

1. Základní schéma přechodu symetrické a neuzemněné soustavy antény do nesymetrické soustavy zařízení (mimo řešení se symetrickým tunerem):

Anténa je na obrázku úplně vpravo. Z TCVRu je napájena koaxiálním napáječem přes balun na vstupu anténního tuneru, přes balun na výstupu tuneru a přes symetrické napájecí vedení. Červeně jsou v tomto schématu zakreslené některé impedance Z1, Z2 až Zn, kterými je umožněno HF proudu téci do společné staniční země. Tyto proudy netečou jenom po koaxiálním napáječi antény, ale také různými napájecími obvody RIGu (včetně příslušenství). V manuálu k RIGu zpravidla naleznete doporučené schéma, jak mají být pospojovány zemnicí svorky, např.:

nebo preciznější schéma zapojení, např.:

Dovolil jsem si na obrázcích RIGů označit namalované zemní svorky, které najdeme zpravidla na každém příslušenství, na zdrojích, na TRXech, na anténních přepínačích a na tunerech:

HF proudy, tedy ani tzv. common mode currents, však netečou do staniční země jen těmito svorkami, ale také napájecími obvody. O tom jsem psal v tomto článku zde a uvedl jsem tam i části schémat a hodnoty použitých obvodových prvků.

Náhradní schémata

Z reálného schématu zapojení, které lze namalovat i takto:

si můžeme odnést následující závěry:

a) Použijeme striktně zapojení z manuálu TRXu, které jsem uvedl výše a silně orámoval. Na tom schématu není důležité uzemnění stanice na kolík. V tom schématu je důležité, že k RIGu jsou připojeny dvě symetrické antény, dipól pro spodní pásmo (nebo paralelně spojené dipóly pro více pásem) a směrovka pro horní pásma. Každá z antén z hlediska principu funguje jako neuzemněná (izolovaná). Pohybuje-li se impedance antény na svorkách kolem 50 Ohmů, pak nám symetrizaci zvládne průměrný či dokonce podprůměrný balun. A bude to fungovat, protože izolační schopnost balunu je ještě vyhovující (impedance mezi ramenem dipólu a zemí je ještě dost vysoká a je realizovaná zpravidla dostatečně velkou indukčností balunu). O tom není třeba psát článek, vše je v manuálech k RIGu a anténám.

b) Použijeme jinou anténu, např. takovou, která má sice celou řadu vynikajících vlastností (např. Double Zeppelin) nebo mnohopásmovou jednoduchou (např. G5RV, doublet, apod.), která může nabývat v místě napájení středních a vysokých impedancí, potom nám již nevyhoví řešení s jedním balunem a musíme problematiku common mode currents vyřešit.

K pochopení a vyjasnění problému použijeme tato náhradní schémata:

Schéma 1:

Toto schéma nám reprezentuje naprosto neuzemněnou, od země izolovanou anténní soustavu i s RIGem. Jak jsem už uvedl, kudy všudy common mode currents tečou, jde o teoretické schéma, které se nám snad podaří realizovat jen v letícím balónu, a to pouze se zařízením, které budeme obsluhovat bezdrátovou myší, aby náš prstíček a naše tělo nefungovalo jako zářič. Praktické schéma vypadá však takto:

Schéma 2:

Na tomto schématu vidíme (znázorněno červeně), jak část proudů teče do staniční země. Teče tam skrz naše tělo, které drží mikrofon, skrz napájecí obvody, skrz zemnicí svorky, skrz ochranu nulováním (vodič PE, PEN):

V některých případech hlučnou anténu umlčíme např. tím, že stanici uzemníme přes čtvrtvlnné koaxiální vedení nebo přes rezonanční obvod.
Schéma 3:

Přijímač nám zpravidla začne "poslouchat", ale nesmíme se zařízení dotýkat. Na tomto principu fungují také baluny tzv. sleeve dipólů, rukávy u VHF a UHF antén, atd.

Praktická opatření u jednoduchých krátkovlnných antén

Praktická opatření jsem již dříve popsal:

a) Vyvineme a odladíme (nebo koupíme) pro přechod mezi symetrickou a nesymetrickou částí anténního systému vysokofrekvenční transformátor. S moderními ferity je realizovatelný, lze zabezpečit slušnou symetrii, případně použít symetrické elektrostatické stínění. Takový transformátor nám docela dobře přechod mezi symetrickou a nesymetrickou částí soustavy zajistí. Popis a informace jsou např. zde.

b) Použijeme symetrický tuner. Jen některé symetrické tunery jsou dobré. U těch dobrých patří jejich mechanická skříň (bedna) k nesymetrické (uzemněné části soustavy) a žádná z parazitních kapacit tuneru nám netvoří nesymetrii. Nesymetrie nám nesmí vznikat např. ani kapacitou přes napájecí adaptér měřiče výkonu (VSWR). Nesymetrie nám nesmí samozřejmě vznikat ani průchodem symetrického vedení skrz zeď hamovny nebo přes zapomenutou zemní svorku, kterou používáme v nesymetrickém režimu.

c) Pokusíme se rozchodit zapojení s nesymetrickým tunerem (např. automatickým). Jde o jedno z nejjednodušších zapojení s nejlevnějšími komponenty, kterými nesymetrické tunery jsou, ale jde o jednu z nejobtížnějších úloh, kterou musíme vyřešit. Bohužel. Popis takového řešení jsem popsal dříve, než jsem psal tento článek a je zde.

Připíšu alespoň pár zásad, které je třeba dodržet:

aa) Anténu se snažíme natáhnout tak, aby byla co nejvíce symetrická vůči zemi.
bb) Žebříček antény vedeme symetricky vůči každému z ramen dipólu. Nejlépe svisle dolů. Je to důležité.
cc) Mezi žebříček a tuner dáme balun, jehož vinutí bude navrženo jako symetrické a bude realizováno s vhodnou impedancí. Tento požadavek nejlépe vystihují následující schémata, první schéma opakuji.

Žebříček transfrormuje vysokou až střední impedanci (dlouhé ziskové) antény. Ale také např. kompenzuje jalovou složku na požadovaném kmitočtu. V jednom z příkladů je to vidět na tomto Smithově diagramu (bod TP2 mezi kružnicemi). Balun 1 je vinutý vedením s vyšší charakteristickou impedancí na feritovém jádře. Elektricky opět transformuje jako čtvrtvlnné vedení, a to z bodu TP2 do TP3:

Jde tedy o tzv kaskádní řešení transformačních vedení (tak, jak je vidět ze schématu nahoře) a tak jak odpovídá tomuto náhradnímu schématu:

dd) Symetrickým vedením a balunem 1 (kaskádní vedení) se snažíme na důležitém, pro nás kritickém pásmu, transformovat impedance na nízké až střední hodnoty, srovnatelné se jmenovitými hodnotami koaxiálního napáječe.

ee) Nesymetrický tuner není uzemněný!!!!!!!!! Je to hrozně důležité, ale velice nesnadno realizovatelné, protože se tuner často uzemňuje parazitními reaktancemi přes napájecí obvody.

ff) Před tunerem je zařazen další balun 2, který plní obvyklou funkci, kterou od balunu očekáváme, tedy izoluje nám symetrickou soustavu od soustavy uzemněné, kterou je RIG s napájecím zdrojem.

gg) Na pozici balunu 2 použijeme dobrý koaxiální balun. Vhodné konstrukce balunů jsou navinuté tenkým koaxiálem na feritové tyči z odpovídajícího materiálu. Použijeme co nejtenčího koaxiálu, který přenese požadovaný výkon. 100 Wattů přenese i RG-174. Tenkým koaxiálem snadno navineme na feritu potřebnou indukčnost s malou vlastní kapacitou cívky. Lze také použít toroidní jádro. Potom vineme podle vzoru W1JR. Vinutí má stejný směr. Po navinutí jedné poloviny vinutí se vrátíme s kabelem na začátek a ve stejném smyslu navineme druhou část vinutí. Toto opatření se dělá také kvůli tomu, aby mezi konci vinutí byla maličká parazitní kapacita. Jen za dodržení těchto zásad balun funguje.

Na vstupu tohoto balunu je již anténní soustava uzemněná, nesymetrická, nikde nám netečou po plášti koaxiálu žádné proudy. Anténa se nám jeví jako tichá a přijímané signály mají vysoký odstup S/N. Výsledky jsem v předchozím článku také uvedl. A tentokrát jsem zopakoval i teorii. Nicméně, ukázal jsem vám, že požadavky na balun 2 nejsou zanedbatelné. Vlastnosti balunu 2 lze samozřejmě vylepšovat. Uvedu toto schéma (bohužel se mi vloudila chybička a smazal jsem si zdrojový soubor obrázku a zůstal mi jen černobílý rastr):

Popíšu o co v tomto řešení jde. Použitý automatický tuner je nesymetrický, levného typu, kterými nás zásobovaly američtí výrobci. Na vstupu, směrem od antény jsou důežité tyto prvky - svislý žebříček, balun 1, který je navržen jako proudový balun pro drátové antény. Má vinutí s odlišnou impedancí (vyšší než 50 Ohmů) tak, aby žebříček i vinutí balunu byly v kaskádě. Automatický tuner nesmí být uzemněný. Slouží k transformaci impedancí a tuto věc zvládá ve velkém rozsahu. Bohužel, tuner není symetrický a přechod do nesymetrické soustavy není řešen. Od toho byl zapojen na vstup tuneru další balun 2. Jenže parazitní kapacity takového řešení stále existují. Na schématu jsou označené jako "parazitní kapacita C". Kapacitu se pokusíme vykompenzovat kompenzační kapacitou na balunu. Ta je také nakreslena na schématu. Z tohoto důvodu je balun 2 pouzdřen tak, aby se vnější kompenzační kapacita dala připojit. Řešení v určitém rozsahu kmitočtů funguje. Jenže parazitní kapacita C není frekvenčně nezávislá. Je to ve skutečnosti reaktance, kapacita s "dlouhým přívodem". Technické řešení balunu, které má větší šířku pásma také existuje. Podívejte se na další schéma. Zde jsem anténu se žebříčkem a balunem 1 (jsou ve všech uvedených případech stejného provedení) nakreslil vpravo a považuji je za vysvětlené. Před tunerem je opět balun 2. V jednom pouzdře je však vybaven dalším systémem - kompenzačním balunem, který je uzemněn. Kompenzační balun velmi účinně kompenzuje proudy, které tečou parazitními kapacitami z blízkého tuneru. Proudový systém balunu 2 si už jen plní svou, dříve popsanou roli a významně zamezuje vzniku plášťových proudů, které by tekly do staniční země, nedej bože, odfláknuté např. jako žlutozelený vodič PE někam do domovního rozvodu.

Poznámka 1: Velice dobré vlastnosti měla při testech anténa PA0FRI nové generace, kterou Frits nedávno opět vylepšoval. Prováděl jsem zkoušky této antény, protože jí mám rád. Stručný popis a výsledky jsem popsal zde. Frits si zvolil přiměřený cíl a navrhl geometrii antény tak, aby měla poměrně slušné přizpůsobení na 80 a 40 metrech. Nepoužil tedy balunu 1, jako já, ale sériové kapacity u spodního konce žebříčku. Takové řešení jsem rovněž použil. A uplatnil jsem zkušenosti s anténami napájenými žebříčkem. Před vstupem do budovy jsem udělal venkovní uzemnění. Na toto uzemnění jsem připojil vnější konce obou koaxiálů, kterými jdu skrz zeď. Až sem je anténní soustava přísně symetrická proti zemi. Kompenzační kapacitu jsem dal pouze mezi jeden vodič symetrické soustavy a plášť koaxiálního napáječe. Funguje to docela dobře. Pokud byste použili na ostatních pásmech symetrický tuner s HF trafem, např. Supermatch, velice vás to překvapí. Pokud se chcete k takovým výsledkům přiblížit s jiným řešením, dá to práci. S vnějším uzemněním stanice a s kompenzací na balunu nebo s použitím kompenzačního balunu to však jde. Nezapomeňte však, že ty zemní svorky na tunerech nesmí být uzemněné.

Poznámka 2: Baluny jsou širokopásmovější, než HF trafa. HF trafo si můžeme představit náhradním schématem, kdy v sérii s anténou máme indukčnost vinutí, kterou kompenzujeme kapacitou na sekundáru. Ve Smithově diagramu to vypadá takto (vlevo) a náhradní schéma kompenzace je vpravo.

Indukčnost vinutí nám spolehlivě vyjede mimo kruh, kde je VSWR = 3 a menší. Mimo tento rozsah se tedy pohybuje i oblouk transformačního poměru trafa. Na sekundáru je provedena kompenzace kapacitou. Ve středu je VSWR = 1 a je to na kmitočtu 15 MHz. Uvnitř kruhu s VSWR = 3 jsou body frekvencí od cca 7 MHz do 20 MHz (body 10 a 20 MHz jsou zvýrazněny červeným kolečkem a popisem). Vidíte tedy, že prototyp HF trafa není nic moc. Návrh širokopásmového trafa je náročnější a k úspěchu vás dovede pouze jakostní ferit, který přenese požadovaný výkon, ale při malé indukčnosti vinutí. Trafo jde zkonstruovat, zkoušel jsem trafo pro přenos výkonu maximálně 1500 Wattů.

Závěr

Antény, jejichž impedance se pohybuje kolem 50 Ohmů (dipól, paralelní dipóly, trapované symetrické dipóly, směrovky, apod.) lze symetrizovat dobrým balunem. U antén, u nichž lze impedanci transformovat na 50 Ohmů, tuto impedanci transformujeme vhodným balunem s transformačním poměrem. Např. Cobwebb 1:4, směrovky DK7ZB 1:4 až 1:2, deltaloop 1:2, atd. Takový balun musí mít schopnost nejenom transformovat, ale také neuzemněnou soustavu izolovat od uzemněné. Pokud ji nemá, doplníme ještě další proudový balun 1:1. U symetrických antén, které mají v místě napájení vysokou impedanci použijeme symetrický tuner a tuto zásadu budeme preferovat. Můžeme se pokusit o využití popsaného zapojení s více baluny a neuzemněným symetrickým tunerem. Z hlediska návrhu takové soustavy a z hlediska požadavků na izolační schopnosti balunu je to však nejnáročnější řešení. Ale jde to vyřešit.