Chokes baluns - много о кабельных дросселях

                                                                           UA3DJY, Игорь

                                                                           RV9CX, Дмитрий

НЕМНОГО ТЕОРИИ

 

    Помеха с которой мы боремся при помощи "запорного дросселя" связана с присутствием синфазных
токов внутри коаксиального кабеля питания антенны, а также с присутствием тока на внешней части оплетки, приходящего со стороны приемника. Эти токи, в основном, создаются импульсными источниками питания и искровой помехой внутри зданий и помещений, распространяются по проводам
питания 220 Вольт.

 

    Для упрощения будем рассматривать два самых распространенных сценария: симметричный диполь (в том числе как часть антенны Яги ) и вертикал с двумя электрически симметричными противовесами. Упрощенно на картинках изображены именно синфазные токи (не рабочий сигнал)!

 


Электрически симметричный диполь.

 

Допустим, внутри кабеля по центральной жиле и оплетке течет синфазный ток I1.
В точке подключения кабеля к диполю ток I1 приходящий с внутренней части оплетки разделяется на
токи I2 (течет в подключенную половинку диполя) и I3 (перетекает на внешнюю часть оплетки и движется
обратно в сторону приемника). При этом I1 = I2 + I3.

 

Кроме этого в точке питания антенны существует ток помехи I4 приходящий от приемника к антенне по внешней
части оплетки кабеля. Ток I4 не равен по амплитуде и фазе току I1 поскольку течет в среде с отличающейся
диэлектрической проницаемостью и потерями.

 

Неравные токи I1 и I2 в половинках диполя создают электромагнитные поля которые полностью не компенсируются.
Дополнительно создает поле ток I3 на оплетке кабеля и ток I4 на оплетке кабеля и одной половинке диполя.

 

Суммарное электромагнитное поле от токов I1, I2, I3, I4 принимается антенной и передается через кабель на приемник
обычными противофазными токами.

 

Допустим, мы изготовили идеальный "запорный дроссель", который разорвал внешнюю часть оплетки кабеля и прекратил
существование токов I3, I4.

 

Тогда ток I2 будет равен току I1 и в половинки диполя будут попадать синфазные токи. Поскольку в антенном полотне
диполя равные токи I1 и I2 текут в противоположных направлениях, то они будут создавать равные взаимно компенсирующиеся
электромагнитные поля и помеха не будет возвращаться на вход приемника.

 

Нужно отметить, что реактивные поля от I1 и I2 будут полностью компенсироваться только в условиях свободного пространства. В реальных условиях мы имеем различное расположение окружающих предметов (провода радиотрансляции, лифтовые будки и пр.) и/или негомогенность земли в окружающем диполь пространстве. Т.е.применение запорного дросселя не гарантирует полной компенсации реактивных полей, созданных синфазными токами, но в существенной мере улучшает эту компенсацию.

 


Вертикал с двумя электрически симметричными противовесами.

 

Физика процесса аналогична диполю. Допустим, мы изготовили идеальный "запорный дроссель" который разорвал внешнюю
часть оплетки кабеля и прекратил существование тока помехи перетекающего с внутренней на внешнюю сторону оплетки и тока
помехи приходящего по внешней стороне оплетки от приемника.

 

Тогда в вертикале мы имеем ток I1, в каждом противовесе ровно половину тока I1. Половинки тока I1 текущие в противовесах противоположны по направлению друг другу и создаваемые ими электромагнитные поля полностью компенсируются. Остается ток I1 текущий в полотне вертикала который создает исключительно реактивное поле. Это реактивное поле может замыкаться на землю или крышу здания в случае присутсвия токов помех на них, и значит может привести к возващению помехи в виде синфазных токов обратно на вход приемника.

 

  

    Из этого объяснения следует вывод о необходимости дополнительно применения гальванически развязанного трансформатора напряжения в точке питания вертикала в схеме приемник-кабель-запорный дроссель-трансформатор напряжения 1:1 - вертикал, который за счет небольшой межобмоточной емкости должен на НЧ диапазонах уменьшить амплитуду синфазного тока I1, попадающего на вертикал.

 

Из рассмотрения полей создаваемых синфазными токами следует вывод что четвертьволновой вертикал более чувствителен
к токам протекающим по земле либо крыше здания чем симметричный диполь.

 

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Данная методика предложена, как самая простая и не требующая дорогостоящего оборудования, но достаточная для изготовления максимально эффективного (для конкретной ситуации) дросселя из имеющихся материалов. Как альтернатива, другой набор оборудования: трансивер с низкой выходной мощностью и мелким шагом изменения выходной мощности (например Elecraft KX3) и ВЧ-вольтметр или даже стрелочный измерительный прибор с детектированием диодом в качестве индикатора.

 

Измерялись потери дросселя в схеме делителя со входом 50 Ом трансивера(приемника). Дроссель (оплетка кабеля!) подключался максимально близко к антенному разъему трансивера.  Для измерения использовался S-метр трансивера и калиброванный генератор с регулируемой амплитудой шагом 0.1 дБ

Включается генератор напрямую в трансивер - фиксируется определенная точка на S-метре (например ровно 9 баллов), затем последовательно включается дроссель и увеличивается уровень генератора до этого же уровня S-метра. Полученная разница в уровнях генератора - потери в дросселе. Стрелочный S-метр более предпочтителен, по очевидным причинам.

Из дБ потерь рассчитывается модуль комплексного сопротивления дросселя.

Намотка кабеля виток-к-витку.
При сопротивлении дросселя более 10кОм и полностью наполненном сердечнике попытка разбить обмотку на две части для уменьшения паразитной емкости уже малоэффективна.

Затухание дифференциального тока (полезного сигнала) в центральной жиле (и в меньшей мере в оплетке) - исключительно омические потери на рабочей частоте самого кабеля, прямо пропорциональны  длине намотанного кабеля. Это основная причина почему полиэтиленовый RG58 нельзя использовать на непрерывных мощностях более 1 кВт при КСВ 1.0  - нагрев кабеля за счет омических потерь, и как результат плавление полиэтиленового диэлектрика.

Есть случаи когда 9 кОм недостаточно, например "off center fed вертикалы", они же "коммерческие многодиапазонные  вертикалы" и "OCF-диполи", у которых кабель неизбежно работает частью антенны, поскольку поставляемые с антенной балуны недостаточно изолируют.

Чтобы получить 40 кОм надо мотать совсем тонким кабелем, и здесь уже ограничение мощности на передачу. Хотя бывают и исключения - на 3.5 МГц было зафиксировано 57 дБ потерь с кабелем RG58. 

Если делать посредственные балуны с потерями 30 дБ и сопротивлением 1.5....2 кОм то будет велика мощность рассеиваемая на феррите на передачу (при 1кВт подводимой мощности рассеивается более 30 Вт на феррите), а синфазная грязь приходящая с импульсников/с дома не полностью будет гаситься.  

ПРАКТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

 

Первая лабораторная работа (все что делалось до сих пор на кольцах 600НН внешним диаметром 32 мм  давало не более 30...31 дБ изоляции).

В полученных результатах модуль импеданса балуна от 10 до 40 килоОм. В приложенном файлике расчет изоляции из сопротивления и мощности рассеиваемой на балуне (крайний случай когда сопротивление балуна считаем активным)

 

ФЕРРИТ 400НН кольцо 65Х40Х15мм

 

один виток это один провод внутри кольца. Измерения в схеме делителя дроссель/50 Ом, при измерениях намотка выполнялась проводом, оптимальное количество витков :

 

ОДНО КОЛЬЦО:

FREQ, МГц Подавление, дБ Кол-во витков
28 47 23
21 49 25
14 50 27
10 55 31
7 57 38
 
   

ДВА СЛОЖЕННЫХ ВМЕСТЕ КОЛЬЦА

FREQ, МГц Подавление, дБ Кол-во витков
3.5 58 32
1.8 54 37
 

При полученных модулях сопротивления балуна для 1 кВт подводимой мощности потери мощности в кольце составляют от 1 до 5 Вт.

 

При мощностях до 1 кВт можно использовать RG58

 Вот еще одна работа с кабелем RG58: абсолютно другие витки и НЧ диапазоны выполняются тоже на одном кольце:

FREQ, МГц Подавление, дБ Кол-во витков
10 45 19
7 46 20
3.5 57 25
1.8 >50 30
 
RV9CX, chokes, балуны, balun
Chokes 30m, 18T and 40m 20T
RV9CX, chokes, балун
Choke 160m, 30T

45 дБ изоляции это 9 килоОм модуль комплексного сопротивления, рассеиваемая на кольце мощность при 1 кВт подводимой менее 5.5 Вт.

Также в ходе измерений было выяснено, что наиболее оптимален для ВЧ диапазонов феррит М300НН. Для примера, широкополосный choke балун 10..28мГц:

chokes, RV9CX
Широкополосный дроссель 14-28 МГц

феррит М300НН 81х51х15мм 24 витка фторопластом внешним диаметром 4мм. Полученные параметры такие:

FREQ, МГц Подавление, дБ модуль сопротивления, кОм рассеиваемая мощность, Вт
10 43 7 7
14 47 11 5
18 48.5 13 4
21 49 14 4
25 44 8 6
28 49.5 15 3
 

К слову сказать, при намотке данного балуна кабелем RG58 было получено ощутимо худшее и менее широкополосное подавление чем с посеребренным фторопластом. Повлияли высокая добротность кабеля + немного меньший внешний диаметр фторопласта.

 

Еще эксперимент: кольца размером 101x61x15мм, измеренная проницаемость феррита М1150 - низкочастотный феррит с высокими потерями.

 Результаты с кабелем RG58 достигли максимально возможного уровня подавления тока оплетки 47 дБ (с тонким проводом смог получить 47..48дБ), диаметр кабеля RG58 5mm:

FREQ, МГц Подавление, дБ Кол-во витков
3.5 47 28
1.8 47 31
 

 47 дБ изоляции это 11 килоОм модуль комплексного сопротивления, рассеиваемая на кольце мощность при 1 кВт подводимой менее 5 Вт.

     В результате несмотря на очень большой размер кольца получились посредственные результаты. Получается что для диапазона 160м нужно использовать феррит либо 400НН либо 600НН, кольца внешним диаметром более 60мм.

 

Что касется СПОСОБОВ НАМОТКИ.

Был опробован и т.н. "общепринятый способ" для дополнительной развязки концов дросселя:

феррит 200НН, суммарный размер кольца 65х40х12, компромисс для трехдиапазонной Yagi.
При 21 витке получились следующие параметры для ВЧ диапазонов:
Частота / потери к нагрузке 50 Ом
------------------------------------------------------
28 МГц / 50 дБ
21 МГц / 56 дБ
14 МГц / 41 дБ

Все это, конечно же, для тонкого провода, для кабеля RG58 будет другое количество витков и хуже цифры.

Но можно даже по этим цифрам сказать что этот балун ощутимо широкополоснее чем вариант "вся обмотка виток-к-витку", поэтому в трехдиапазонном варианте логично использовать общепринятый тип балуна.

 

В случае, когда сердечник заполнен полностью, как говорилось выше, данный способ намотки не отличается повышенной эффективностью.

 

Еще один опыт: добавлено к колечку что выше - второе колечко последовательно, 600НН внешним диаметром 32 и 8 витков на нем.

На 21 МГц подавление с 56 дБ выросло до 63 дБ, на 28 МГц с 50 до 59 дБ. Витки по максимуму подавления на малом кольце не подбирал - случайное количество витков, что было намотано когда то на кольце.

Получается что если включать несколько колечек разной проницаемости последовательно то можно не только сделать широкополосный но и экстра эффективный балун, вариант для трехдиапазоных Yagi.

 

Вообще, вывод о применимости ферритов такой:

300НН  от 14 до 28 мГц
400НН  от 3.5 до 14 мГц
400НН-600НН для 1.8-3.5 мГц

 

Рекомендация по установке "запорного дросcеля": как можно ближе к точке питания антенны.

 

 

Еще вариант изготовления однодиапазонного и весьма эффективного балуна: параллельный контур.

Если сделать на кольце еще витка три проводом и подключить к получившейся катушке переменный конденсатор, то все то же самое достигается при количестве витков кабеля раза в полтора меньше, достаточно конденсатором настроить  резонанс.

С конденсатором на феррите 200НН, на диапазоне 20м было получено 63 дБ подавления в кабеле.


 

Итак, тезисно, основные моменты:

Работа на резонансе с потерями, феррит оптимальной добротности и с ограничением на минимально допустимый размер. В однодиапазонном варианте наблюдалось подавление в резонансе до 68 дБ (125 килоОм модуль сопротивления).

  Ферриты марки 200НН на ВЧ диапазонах уже непригодны из-за высокой добротности, а значит резко выражена температурная зависимость подавления синфазной помехи при работе на резонансе.

Ферриты марки НМ могут применяться на частотах от 1.8 до 3.5 мГц но выжать более 48 дБ(12 килоОм модуль сопротивления) подавления на них не удавалось.
 
Внешний размер кольца не менее 65мм, разница между внешним диаметром и внутренним не менее 30мм. Чем больше кольцо и внутренний просвет для намотки кабеля тем легче добиться максимального подавления.

Диаметр кабеля - чем меньше тем лучше подавление можно достичь.  По этой причине для мощности 1 кВт лучше всего использовать либо отечественный серебренный фторопласт либо импортный тефлон внешним диаметром примерно 4мм.

Толстые полиэтиленовые кабели приводят к снижению достижимого подавления.

С учетом того, что работа однодиапазонного дросселя осуществляется на частоте параллельного резонанса получившегося параллельного контура, емкость которого складывается из межвитковой емкости и емкости между концами катушки, важно выдержать верное число витков. Причем, зависимость индуктивности от числа витков - квадратичная, поэтому подавление выше по частоте теряется быстрее. Отсюда вывод: лучше недоматывать витков, чем перемотать.

 

Еще важное замечание:

Поскольку мы работаем на резонансе+потери, потенциально можно снизить количество витков на феррите, сделав на кольце проводом дополнительную катушку в 3..5 витков (в зависимости от диапазона) и добившись максимальных потерь на резонансе при помощи подключенного к ней переменного конденсатора, после чего заменить переменный конденсатор постоянным.

Таким методом, при сохранении приемлемого подавления, можно снизить количество витков кабеля на кольце примерно на треть, больше уменьшать витки кабеля не стоит - снижается подавление.

 

Хочется отдельно остановиться на подавлении синфазных токов на кабеле приемных антенн. Очевидно, что нет необходимости в толстых кабелях и больших кольцах, однако, добиться максимально большого подавления необходимо - ведь сигналы на НЧ диапазонах ничтожны, а локальные синфазные токи могут быть существенными.

  Хочу предложить вариант использования готовых синфазных дросселей. Такие дроссели намотаны двумя проводами, имеют нормированные характеристики и ничтожны по стоимости, в сравнении с самодельными дросселями по технологии, описанной выше. Выглядят такие дроссели так:

Для одного из дросселей Murata  5 серии вот такая характеристика:

синфазный, RV9CX, приемные антенны
Дроссель Murata 50225

Как видно, на НЧ диапазонах подавление синфазного тока более 8кОм по модулю, а внесение затухания для дифференциального тока ощутимо начинает прибавлять только выше 10 МГц. Уже не плохой дроссель для приемных антенн!  Datasheet. 50475с еще интересней. Есть и получше, в т.ч. Epcos. Или вот такая штука от Pulse Electronics:

Плюсы очевидны:

1. низкая стоимость, в сравнении с классической реализацией кабелем на кольце

2. существенно лучшие массогабаритные показатели при существенно бОльшем подавлении синфазных токов. Такой дроссель встраивается прямо внутрь коммутатора.

3. более легкая техническая реализация

Write a comment

Comments: 10
  • #1

    Дмитрий UA9LT (Monday, 29 October 2018 05:53)

    Спасибо, тезка, за интересный материал. Сейчас, правда, легче купить не отечественные ферриты, а "забугорные". По Вашему мнению, какой лучше применить? Ферриты обычно заказывал здесь: http://www.kitsandparts.com/store2.php

    Офтопик: наблюдал сегодня как Вы быстро отработали VP6D на 20м в моде FT8. С первого пиликанья, отлично!

  • #2

    RV9CX (Monday, 29 October 2018 06:06)

    Дима, привет. Спасибо за отзыв. Да, я тоже по той ссылке много лет назад кучу назаказывал, сейчас распродаю неспеша. У меня на очереди проверка Т200-6 и Т130-2, тоже интересно как себя поведут. Пока есть опасения, что слишком все добротно получится. Поделюсь опытом. Времени нет, ни на что, хотя на столе вольтметр место уже занимает) Готовился к подъему новой антенны, вчера поднял - потому и сработал VP6D быстро))) Кстати, это была самая первая ЩСО на эту антенну.

  • #3

    Дмитрий UA9LT (Monday, 29 October 2018 11:50)

    Отлично, тезка! Новая антенна показала себя весьма прилично!
    Буду ждать результаты по применению импортных колец. Кстати, как бы проверить результаты при температуре наружного воздуха +35 и -30, будет что либо меняться (т.е. работа в реальных погодных условиях)?

  • #4

    RV9CX (Monday, 29 October 2018 12:04)

    Да, ожидается что изменения будут, поэтому высокодобротные кольца типа 50ВЧ или даже 100НН нестабильны. Буду проверять, это несложно. Скорей всего на зиму оставлю.

  • #5

    Дмитрий UA9L (Tuesday, 13 November 2018 08:50)

    Сергей, еще вопрос. Можно ли включить "запорный дроссель" непосредственно между элементом антенны и оплеткой фидера, а центральную жилу фидера подключить напрямую к элементу антенны? Дабы избежать использования тонкого коаксиала в дросселе и выполнить обмотку из толстого медного провода...
    Или эта конструкция бессмысленна?

  • #6

    RV9CX (Tuesday, 13 November 2018 09:05)

    Я не Сергей, но отвечу.
    Конструкция бессмысленна, потому что Ваш полезный сигнал из оплетки не потечет в полотно антенны и ему останется в полном объеме затекать на внешнюю сторону оплетки. Т.е. будет еще хуже.

  • #7

    Александр RD9D (Friday, 04 January 2019 18:06)

    Привет Дим, хорошая, интересная статья, ждем продолжения экспериментов.

  • #8

    RV9CX (Friday, 04 January 2019 18:13)

    Спасибо, Саша. Да, идей полно, а жизни на все не хватает))

  • #9

    Сергей (Saturday, 05 January 2019 09:59)

    Не совсем понял методику измерения, если можно поподробней.

  • #10

    RV9CX (Saturday, 05 January 2019 11:50)

    Я не понимаю, что можно еще добавить к, и без того подробному, описанию. Задвайте вопросы.