Verifiche e considerazioni: Balun 1:1

[max power]

Buongiorno a tutti,
volendo assemblare per la prima volta un balun 1:1 per un nuovo dipolo autocostruito, come per tutte le cose nuove (seppur l'oggetto risulti abbastanza semplice meccanicamente da realizzare) mi sono scontrato con alcuni dubbi.

Il balun è assemblato, 7+7 spire in controfase. Scontrandomi immediatamente con il dubbio se ho fatto una spira in più o in meno (non essendo a mio avviso la cosa così ovvia dato che inizialmente si comincia dall'alto e si finisce dal basso) avrei voluto oltre che visivamente fare anche una verifica obiettiva con qualche strumento.

Mi sono detto quindi che se le spire sono 7+7 in controfase avrei dovuto ottenere un'induttanza equivalente molto bassa, in pratica uguale a quella di un filo di pari lunghezza e con una singola spira, tra l'altro avvolta in aria, in quanto il flusso nel nucleo dovrebbe essere nullo, corretto?

Bè, così non è stato e volevo capire dove sto sbagliando.
Sono inoltre in possesso dell'ormai onnipresente nanoVNA che avrei voluto utilizzare per fare una verifica forse più significativa ma attualmente non sono ancora in grado di utilizzarlo per tale scopo.

Sotto posto tre foto,
la prima dove misuro l'induttanza equivalente delle 6+6 spire
la seconda dove aggiungo una spira (l'induttanza aumenta, ok))
la terza dove tolgo una spira (l'induttanza diminuisce, ok))
la quarta dove simulo due spire avvolte in aria, per avere un'ordine di grandezza dell'induttanza che avrei avuto in mente di leggere misurando le 6+6 spire in controfase. Quest'ultima risulta completamente diversa dalla prima misura.

Non capisco quindi cosa mi sto perdendo e soprattutto come potrei fare a questo punto con un LCR meter a fare una verifica del fatto che le spire in controfase siano uguali (lo so è banale, ma il voler verificare è lecito   

[rosco]

Non credo serva che le spire siano bilanciate ( forse se ci sono di problemi di saturazione del toroide ), ma per il "nano" credo che le misure da fare siano:

1) s21 del cavo, per vedere la perdita di inserzione
( che naturalmente dovrà essere meno possibile e dovrebbe essere dovuta alla sola lunghezza del cavo)

2) s21 collegando solo centrale o solo calza del cavo al centrale del "nano".
Dovrebbe misurare l'efficienza nel ridurre le correnti di modo comune

vedi spiegazione di Davide https://www.rogerk.net/forum/index.php?topic=73585.0

[IK3OCA]

Ciao Max Power, ciao a tutti! Max secondo me c'è un errore nel paragone che fai perché 2 spire così grandi avvolte in aria non sono paragonabili con 1 spira piccola su ferrite, sia per la dimensione delle spire, sia per la caratteristica della ferrite di aumentare enormemente l'induttanza.

Aggiungendo e togliendo 1 spira su ferrite hai ottenuto una variazione di: 220-192 = 28 la prima volta e 192-165 = 27 la seconda volta, questo indica che il valore dell'induttanza di 1 spira su ferrite va da 27 a 28.
Invece con 2 spire grandi avvolte in aria l'induttanza era 2,26, cioè 1,13 per spira, quindi una spira su ferrite ha un'induttanza di 24 volte di una spira grande in aria.

Con 7 spire x 27 (o 28) l'induttanza totale darebbe da 189 a 196, questo è molto vicino alla misura che hai fatto.

Ma indica anche che la parte in controfase dell'avvolgimento non azzera affatto l'induttanza della prima e io questo non lo so spiegare, ci vuole uno più colto di me.

Inoltre tenendo presente che 1 spira è tale quando si fa un giro completo, mi pare che in una parte del toroide ci sia una spira in più che nell'altra.

Un'osservazione forse fuori luogo: ma hai proprio bisogno di un balun senza induttanza? Ci sono baluns avvolti in aria o su ferrite fatti con un singolo avvolgimenti.

73 Rosario

[rosco]

Ma indica anche che la parte in controfase dell'avvolgimento non azzera affatto l'induttanza della prima e io questo non lo so spiegare, ci vuole uno più colto di me.

premesso che non sono "colto" e spesso mi vengono dubbi ...
credo che la controfase serva ad avere 2 flussi in opposizione che quindi hanno risultante nulla o quasi e serva solo per non saturare la capacità del toroide,
oltre che avere il cavo che entra da una parte ed esce dall'altra.
Sicuramente la controfase ha anche altri effetti, ma credo siano minori.
( mutua induzione tra le due induttanze in serie, differenza tra 1 induttanza di n spire e 2 in serie da n/2 spire e chissà cosa altro ...)

Un'osservazione forse fuori luogo: ma hai proprio bisogno di un balun senza induttanza? Ci sono baluns avvolti in aria o su ferrite fatti con un singolo avvolgimenti.

c'è bisogno della reattanza che si opponga alle correnti di modo comune, essendo funzione della frequenza, a frequenze più alte bastano induttanze più basse e vice versa.

[max power]

Allora, le spire secondo me è necessario che siano bilanciate per lo scopo. Ma leggendo le vostre risposte mi stanno venendo ulteriori domande, infatti se paragono il balun 1:1 toroidale con quello multispira in aria, o anche a quello con singola barretta in ferrite, in questo caso (toroide) l'induttanza "dovrebbe" annullarsi, mentre appunto negli altri due la si vuole ottenere, proprio per impedire il cicolare delle correnti di modo comune.

Evidentemente l'induttanza in questo caso non si annulla, ragionando però come un nucleo di un trasformatore se faccio tot spire in un senso e ugual tot spire nell'altro dovrei avere una L pari a quella della singola spira in aria, ovviamente questo vale se tutti gli accoppiamenti sono ideali. A questo punto è come dice Rosco? Si fa il controfase per ottenere comunque un valore di L ma senza saturare il toroide?

Anche perchè se così non fosse, quale sarebbe il senso del controfase? Daltronde lo scopo è quello di ricavare una reattanza, la mia ignoranza dice che sarebbe sufficiente fare x spire attorno al toroide solo in un senso.

In merito allo studio dell'S21 con il nanoVNA appena possibile leggo la discussione postata, Rosco. Grazie.

Ma indica anche che la parte in controfase dell'avvolgimento non azzera affatto l'induttanza della prima e io questo non lo so spiegare, ci vuole uno più colto di me.

Inoltre tenendo presente che 1 spira è tale quando si fa un giro completo, mi pare che in una parte del toroide ci sia una spira in più che nell'altra.

Un'osservazione forse fuori luogo: ma hai proprio bisogno di un balun senza induttanza? Ci sono baluns avvolti in aria o su ferrite fatti con un singolo avvolgimenti.

73 Rosario

IK3OCA, giusto, non lo so spiegare nemmeno io, spero che qualcuno possa illuminarci.

Hai ragione anche sulle spire, sono 6 e 7, (mai fare un balun la domenica dopo pranzo  ) ad ogni modo l'induttanza non viene azzerata anche nel caso in cui ho aggiunto o tolto una spira.

Come detto in precedenza l'induttanza è necessaria e mi verrebbe da aggiungere che è proprio lo scopo del balun!

[max power]

Ok ragazzi... Effettivamente il granchio è stato preso.. Nel momento in cui si passa dall'altro lato del toroide si inverte anche il senso di rotazione dell'avvolgimento... Direi che è corretto e che ha un senso    la regola della mano destra conferma     

[rosco]

azz ... già che ci sei puoi provare cosa succede se non si inverte il senso di rotazione ?

[IK3OCA]

Ripensandoci io credo che quando le correnti di due conduttori vicini (= conduttore centrale e parte della calza affacciata all'interno del cavo coax) vanno in senso contrario non si possa creare alcuna induttanza e che lo scopo del balun sia di arrestare, mediante l'impedenza di un'induttanza, la corrente di modo comune che scorre nella parte esterna del cavo, a cui non corrisponde alcuna corrente in senso contrario.
Per cui un'induttanza è necessaria e se la si dovesse azzerare con conduttori avvolti in controfase si perderebbe lo scopo.
E infatti ci sono baluns costituiti da un cavo coassiale avvolto a bobina tutto nello stesso senso.

E allora perchè avvolgere in controfase?  Il mistero va svelato.

73 Rosario

[max power]

IK3OCA esatto. Ma in realtà non è un controfase nel vero senso della parola, è semplicemente un proseguo in fase del medesimo avvolgimento ma sul lato opposto.

Effettivamente rimane da capire il perchè si faccia in questo modo, ieri sera ho fatto altre due prove e come dovrebbe essere in teoria è anche in pratica, ovvero 14 spire avvolte normalmente equivalgono a 7+7 spire avvolte con la modalità "finta controfase" 

Rosco, questa sera farò anche la prova che mi hai chiesto su un altro toroide identico FT240-43, quello che mi aspetterei di trovare è l'induttanza di una spira singola, di lunghezza pari a quella del toroide, in quanto se il flusso è confinato completamente nel nucleo non dovrebbe fare altro che annullarsi e quindi le spire che circondano il toroide non dovrebbero contribuire a formare induttanza. Comunque verificheremo 

Ecco le foto delle 14 e delle 7+7:

[IK3OCA]

Ehm... capacità parassite da annullare?

[max power]

IK3OCA cosa intendi? Quelle penso che siano inevitabili in ogni caso e comunque immagino di piccola entità. Nel senso che la componente induttiva, oggetto della misura, dovrebbe essere molto predominante!

[IK3OCA]

Sussistono delle capacità parassite tra spira e spira e anche nel complesso di un avvolgimento e l'effetto riguardo alla RF è di far funzionare il balun come un filtro passa alto che non riuscirebbe a presentare la giusta impedenza alle correnti di modo comune per tutte le frequenze che si desiderano, ma solo per quelle sotto un certo valore; il frazionamento in due avvolgimenti sicuramente riduce questo aspetto.

Però mi sono incuriosito della cosa e voglio venirne a capo e capire tutto quello che necessita

Farò una ricerca.

73 Rosario

[davj2500]

Sussistono delle capacità parassite tra spira e spira e anche nel complesso di un avvolgimento e l'effetto riguardo alla RF è di far funzionare il balun come un filtro passa alto che non riuscirebbe a presentare la giusta impedenza alle correnti di modo comune per tutte le frequenze che si desiderano, ma solo per quelle sotto un certo valore; il frazionamento in due avvolgimenti sicuramente riduce questo aspetto.

Ciao a tutti.

Nei choke non si usa l'effetto di blocco dato dall'induttanza perché, dato il basso livello di induttanza che riusciamo ad ottenere, sarebbe molto blando.
Quello che viene utilizzato come blocco è l'autorisonanza, cioè quella condizione in cui l'induttanza e la (pseudo) capacità parassita si combinano in parallelo in condizioni di risonanza, cioè reattanza nulla e resistenza idealmente infinita.
Di solito nel progettare gli induttori ci si tiene molto al di sotto della frequenza di autorisonanza perché a quel punto l'induttore diventa un'enorme resistenza e, superato quel punto, si comporta come una capacità. Nel progettare un choke invece si va proprio alla ricerca della frequenza di autorisonanza e si cerca di portarla alla frequenza che ci interessa bloccare.

Questa è l'analisi di un choke in aria di 10 spire di RG-58 su 10cm di diametro



Come si vede la sua induttanza a 400kHZ è di 12.5μH che a 22MHz farebbero circa 1700 ohm di reattanza: nella tabella di G3TXQ questo valore sarebbe classificato come "arancione", cioè appena un gradino sopra il "totalmente inefficace".
Invece a 22MHz abbiamo un picco di attenuazione di oltre 40dB (linea nera) dovuto al fatto che, come si evince dalla riga arancione della reattanza che in quel punto passa da zero, siamo alla frequenza di autorisonanza.

Se guardiamo la tabella di G3TXQ (sk) vediamo che il mio choke corrisponde circa al suo "10T RG58 on 4.25" air cored": il diametro del supporto non è uguale al mio (10cm contro circa 11) e il suo ha una frequenza di autorisonanza leggermente più bassa (17MHz contro i 22MHz del mio) ma più o meno ci siamo:



I choke fatti con la ferrite hanno Q più basso per cui l'autorisonanza non è così stretta ed intensa, rendendo il choke più adatto ad applicazioni a banda larga.
Se misurate l'induttanza del choke con un LCR meter normale, non avrete mai alcuna informazione utile perché questi strumenti lavorano a frequenza troppo bassa per vedere l'autorisonanza. Va misurata con un network analyzer o un (costosissimo) LCR meter per RF.

Ciaoo
Davide

[UnoDellaZonaUno]

E allora perchè avvolgere in controfase?  Il mistero va svelato.

Si chiama avvolgimento in stile Reisert, dal nome di W1JR che ha fatto studi su balun e choke ad uso radioamatoriale, è opinione comune che sia solo una questione di comodità per avere i due capi del conduttore agli estremi opposti del toroide.
Niente fasi, il choke non è un trasformatore, e l'attraversamento va contato come avvolgimento.

Saluti.

[max power]

Buongiorno a tutti, buongiorno Davide.
Grazie ovviamente per le precisazioni, personalmente ero convinto del fatto che fosse la sola induttanza a creare questo "sbarramento", mi sembra di capire però che, pur esistendo il contributo di quest'ultima, l'effetto maggiore lo si ha durante la condizione di autorisonanza parallelo (max tensione e minima corrente).
Ammetto che devo ancora capire molte cose e quindi leggerne altrettante, ma come sarebbe possibile verificare l'autorisonanza di un choke mediante lo strumento di cui è ormai dotata mezza popolazione mondiale, quale il nanoVNA?

Grazie!

[davj2500]

Buongiorno a tutti, buongiorno Davide.
Grazie ovviamente per le precisazioni, personalmente ero convinto del fatto che fosse la sola induttanza a creare questo "sbarramento", mi sembra di capire però che, pur esistendo il contributo di quest'ultima, l'effetto maggiore lo si ha durante la condizione di autorisonanza parallelo (max tensione e minima corrente).
Ammetto che devo ancora capire molte cose e quindi leggerne altrettante, ma come sarebbe possibile verificare l'autorisonanza di un choke mediante lo strumento di cui è ormai dotata mezza popolazione mondiale, quale il nanoVNA?

Prendi il centrale da una parte e lo colleghi al centrale della porta S11; prendi il centrale dall'altra parte e lo colleghi alla massa della porta S11 (fai un loop) e misuri l'impedenza.
Ad un certo punto avrai la X che sale verso l'infinito per ricomparire da sotto (vedi traccia arancione): quella è la frequenza di autorisonanza.



Ciaoo
Davide

[max power]

Grazie mille Davide. Inutile dire che sei sempre gentile e disponibile.


Un saluto! 73   

[IK3OCA]

Ciao e grazie a tutti per gli interventi!
Però io non ho capito e, siccome sono testardo, tanto faccio finché capisco.

Se lo scopo del balun non è di ottenere un'impedenza solo per mezzo di un'induttanza (ovviamente variabile con la frequenza) ma di realizzare un'auto risonanza per mezzo della capacità distribuita associata all'induttanza presente, similmente ad un circuito LC in parallelo, allora, se si volesse ottenere un alto picco di impedenza mirato, perché non collegare agli estremi della calza un condensatore variabile invece di andare a caso nella speranza che la capacità distribuita sia quella giusta?
Ma allora anche diversi balun in serie potrebbero realizzare un'altissima impedenza, qualora fosse necessaria, accordando ciascuno a frequenze vicine. O no?

Eterno grazie a chi potrà dare questo chiarimento + iscrizione al registro dei salvatori dei radioamatori ignoranti con fronde dedicate + pensierino gentile.

--...  ...-- Rosario

[max power]

Ottime domande Rosario, speriamo che qualcuno possa dare una risposta.

Da dilettante quale sono ho provato a fare le misure consigliate da Davide e mi sono imbattuto in varie questioni. Tralasciando le connessioni un po' fatiscenti che ho fatto (fanno pena lo so, però ho cercato almeno di avere connessioni corte ed un buon contatto per misure veloci, il filo è stagno) ho provato a ragionare sui risultati ottenuti.

Non ho la pretesa di aver fatto misure precise, quello eventualmente più avanti quando ne avrò capito la natura  .Vorrei però poter dire che, all'incirca, il comportamento dei risultati ottenuti sarebbero "somiglianti" agli equivalenti con connessioni e strumenti più accurati.

Prima misura, è il balun postato sopra con 6+6 spire di RG58U, ne misuro la X e l'SWR in rapporto logaritmico. Alla X non saprei dare un giudizio, se non evidenziare i due picchi di autorisonanza ad una determinata frequenza come da attesa. Mentre per l'SWR mi trovo un po' disorientato, perchè ottengo valori così strani? Che significato ha avere un ROS con l'andamento in figura?





Nelle due foto successive ripeto le stesse misure per il balun che dovrebbe essere l'ufficiale per il dipolo in costruzione, in questo caso ho provato a fare 5+5 spire con RG400U ripetendo le stesse misure:






In questo caso noto che i picchi di risonanza si trovano ad un impedenza più bassa con un comportamento meno stretto in frequenza, probabilmente dovuto alle 10 spire complessive rispetto alle 12 del primo?
Situazione diversa invece per l'SWR, il comportamento del secondo è proprio diverso dal primo, non c'è proprio inoltre la presenza di quel picco negativo verso i 35Mhz.

Che dite?

Un saluto!

[Franco Balestrazzi]

Scusa, ma mi sembra di vedere (ho perso la vista tantissimo e devo operarmi di cataratta in entrambe gli occhi entro l'anno e pertanto mi scuso se ho interpretato male le due foto), che in entrambe le due seconde foto tu stai misurando il Return Loss (RL)  e non l'SWR.
Non vorrei avere visto male , ma siccome anch'io ho il nanoVNA il valore logaritmico che compare in alto a sinistra e' il realta' il RL e non l'SWR. Piu' e' "profondo", cioe' piu' e' attenua, meglio e'. Anche quando esegui la stessa misura con una antenna piu' il "dip" e' accentuato meglio e'. Se vuoi misurare l'SWR, devi andare in TRACE, poi FORMAT, poi selezionare SWR e cosi' la traccia 1 abilitata indichera' l'SWR.
73' Franco

.

[max power]

Ciao Franco grazie della risposta.

Non ti preoccupare per l'aver letto bene o male, in effetti ho fatto delle foto un po lontane del display, più che altro volevo far vedere nella foto anche la configurazione fatta così da far capire come era fatto il circuito, questo purtroppo a discapito della chiarezza della lettura in effetti.

Comunque, si è effettivamente il return loss (logmag), ma non è strettamente correlato all'SWR quest'ultimo? O meglio, dove è presente il dip non dovrei aspettarmi anche un basso swr? In effetti non ho fatto la doppia misura ma posso farla.

Non mi spiego inoltre i comportamenti così diversi dei due balun.

Ciao!

[IK3OCA]

Max ti vedo in pena  fra qualche giorno iniziano le svendite di ceri votivi per i santi 

Scusami, a volte in pochino di ironia aiuta.

73 Rosario

[max power]

Rosario, l'ironia aiuta sempre! 

Detto ciò, gli studi che ho fatto nella mia vita si sono limitati al puro ramo elettrotecnico, posso dire che mi sono utili come punto di partenza ma per questo ramo, se uno volesse approfondire tutto, dovrebbe fare un intero corso di... telecomunicazioni?

Quindi è chiaro, per quanto mi riguarda mi sento un po' uno che vuole approfondire ma che (lo ammetto) cerca l'aiuto più facile limitandosi a fare quello per cui intende approfondire, chiedendo aiuto al più esperto sperando che quest'ultimo venga in aiuto, la causa di questo vuole essere alla fine un tentativo di risparmiare tempo, che è sempre meno.

Contemporaneamente credo che ci siano tante altre persone nei miei panni, motivo per il quale questa volta, con questi balun, ho pensato di perseverare qui sul forum cercando risposte (passo dopo passo) anche ai minimi dubbi, sia per me stesso ma anche per lasciare una traccia di aiuto al prossimo con i medesimi miei quesiti, ma vedo che alla fine veramente pochi saprebbero rispondere (daltronde non mi sarebbe costato nulla fare il mio bellissimo e semplice balun con 5+5 spire come da ormai 1000 pdf che si trovano online, sicuramente funzionerebbe). Le persone competenti sappiamo bene che ci sono e chi sono, contemporaneamente le capisco al 100% e le ringrazierò sempre per il contributo che continuano a dare, comprendo in ugual modo che non possono passare la loro esistenza a chiarire i fuorvianti dilemmi di max power 

Un saluto e a questo punto.. Buon studio!   

[Franco Balestrazzi]

Si, Max, il RL e l'SWR sono correlati, mi sono solo permesso di sottolineare che il LOGMAP e' il RL e non l'SWR come avevi scritto non sapendo se avevi compreso appieno il funzionamento del nanoVNA. Per inciso, i cablaggi SMA originali fanno veramente pieta' : mi e' rimasto il connettore in una mano e il cavetto con il centrale nell'altra. SE hai modo sostituiscili con dei migliori,  consiglio. Tra l'altro qualche problemino il nano lo ha. Se attacchi il cavo di antenna sulla porta 1 e poi vai a fare le letture della resistenza e reattanza in un intervallo di frequenza (R+/-JX), tutto bene , ma se provi a leggere la parte reale e quella immaginaria alle volte leggi una parte reale negativa e questo mi lascia perplesso.
73' Franco

[max power]

Grazie Franco per le precisazioni.
Per quanto riguarda le connessioni non ho avuto al momento soprese dagli originali, ad ogni modo la taratura l'ho fatta direttamente sugli SMA dello strumento, successivamente ho cercato di fare la misura sugli stessi senza aggiungere cavi, se non un adattatore PL-SMA.

Proverò a ripetere anche io le misure che hai detto, vediamo cosa ne esce.

Ciao!

[IK3OCA]

Ciao Max Power, ciao a tutti! Max grazie per aver tollerato il mio humor  .

Allora mi sono informato, come avevo promesso, e sto continuando a farlo riguardo alla risonanza dei balun choke e alla mia domanda se un condensatore variabile connesso alla calza all'inizio e alla fine del balun choke avrebbe potuto modificare la frequenza risonanza.

La risposta à sì, poi spiego.

Conseguentemente. come supponevo, dei balun choke posti in serie, ciascuno con una risonanza diversa, possono allargare il range di arresto delle correnti non volute.

La notizia è che è possibile costruire dei balun choke risonanti costituiti da un filo di 10 - 20 cm. posto adiacente e parallelo alla cavo coassiale i cui estremi sono connessi a un condensatore variabile.
Si può anche realizzare connettendo due punti della calza distanti come sopra ad un condensatore variabile.

Il tutto funziona da trappola per una determinata frequenza impedendone in passaggio all'esterno della calza del coax.

Allego foto, tratta da ARRL Antenna compendium 3.

Forse la notizia serve a qualcosa.

73 Rosario

[max power]

Molto interessante Rosario, è sicuramente una cosa utilissima da sapere, ottimo!! 

Un saluto!