La palabra "balun" procede del ingles "balanced-unbalanced" es decir, balanceado a no balanceado. En principio, la misión del balun o también conocido como "simetrizador", es transformar una señal no balanceada, a una señal balanceada, adaptando asi nuestra linea de transmisión a la antena de forma adecuada y con la menor perdida.
El balun nos proporciona una serie de ventajas frente al sistema de conectar directamente la linea a la antena; prodriamos decir que es imprescindible para obtener un buen rendimiento con la menor pérdida posible.
Entre otras, nos proporciona las siguientes ventajas:
- Evita radiaciones indeseadas del cable que pueden afectar a nuestro equipo y pudiendo evitar interferencias no deseadas en otros equipos (Ordenador, Televisión, etc).
- Mejora el diagrama de radiación, con lo que mejora asimismo la directividad de una antena direccional y su relación de rechazo frente/espalda.
- En algunos casos disminuye la captación de señales no deseadas y mejora el audio.
- Equilibra las corrientes en los ramales de la antena, por ejemplo un dipolo.
Como hemos comentado antes, la misión del balun, es transformar una señal no balanceada, a una señal balanceada, adaptando así nuestra linea de transmisión a la antena.
Cuando la señal sale de nuestro equipo emisor, esta señal se transmite por el cable hasta llegar a la antena. Tanto el chasis del transmisor como la malla del cable, forman parte de la conexión de tierra y por tanto, la corriente de radiofrecuencia que circulan por el tendrán la misma magnitud y de polaridad opuesta, pero en cambio, las tensiones no, ya que el contacto central del cable es el que contiene la señal de radiofrecuencia, mientras que el otro lado, es decir, maya y chasis y por ende, el conector, no. Estamos entonces ante un sistema desbalanceado. Imaginemos pues un dipolo. Solo un punto estaría sometido a tensión de RF. Por lo tanto, necesitamos un "punto medio" para poder "balancear" nuestra antena y que ambos lados irradien de forma "equilibrada".
Cuando la señal sale de nuestro equipo emisor, esta señal se transmite por el cable hasta llegar a la antena. Tanto el chasis del transmisor como la malla del cable, forman parte de la conexión de tierra y por tanto, la corriente de radiofrecuencia que circulan por el tendrán la misma magnitud y de polaridad opuesta, pero en cambio, las tensiones no, ya que el contacto central del cable es el que contiene la señal de radiofrecuencia, mientras que el otro lado, es decir, maya y chasis y por ende, el conector, no. Estamos entonces ante un sistema desbalanceado. Imaginemos pues un dipolo. Solo un punto estaría sometido a tensión de RF. Por lo tanto, necesitamos un "punto medio" para poder "balancear" nuestra antena y que ambos lados irradien de forma "equilibrada".
Un balun en su versión básica es pues, un dispositivo, normalmente transformador o autotransformador, que nos permite tener ese "punto medio" de forma que, cualquier tensión existente en el vivo del cable coaxial, aparecerá con signo opuesto en la otra rama del dipolo. Por lo tanto, la corriente que circula por el lado derecho de este pasara por la mitad derecha del balun y baja por la malla del coaxial, que es compensada por otra corriente igual que circula por la mitad izquierda del balun, procedente del polo vivo del coaxial. Al mismo tiempo hay otra corriente igual que circula directamente desde el vivo del coaxial hacia el lado izquierdo del dipolo.
Ahora bien, cuando necesitamos adaptar la impedancia de nuestra antena, por ser esta diferente a la impedancia que "ve" nuestro receptor, por ejemplo, una antena con impedancia 100 ohm. a una linea de transmisión de 50 ohm, entonces estamos hablando de un Transformador de Linea de Transmisión (TLT) o adaptador de impedancia.
Un adaptador del tipo Transformador de linea de Transmisión, tiene como misión transformar la impedancia de la antena cuando es distinta a la impedancia característica de la linea de transmisión, por ejemplo, una antena tipo Delta Loop cuyo punto de alimentación es de 100 Ohm, a la linea de transmisión, que es de 50 Ohm.
¿Es lo mismo balun que unun?No. un UNUN, significa "unbalanced-unbalanced", es decir, desbalanceado a desbalanceado, esto es, acoplar un sistema radiante desbalanceado a una linea de transmisión desbalanceada, y hace referencia a transformadores de impedancia o autotransformadores en este sentido. Este tipo de dispositivos suele emplearse mayoritariamente en antenas de hijo largo, ya que el radiante es el propio hilo y el punto de alimentación está en el extremo de este (unos 450 Ohm en el caso del hilo largo y dependiendo de la altura de instalación), presentado una alta impedancia, en contraposición al dipolo,cuya configuración es balanceada y al ser este un sistema equilibrado y alimentado al centro, su impedancia suele ser del orden de los 50 Ohm.
En principio no. El tipo de material y por tanto, de sus características, dependerá de su uso, es decir, de la frecuencia de trabajo, potencia a soportar, perdidas, temperatura de curie, uso como choke o balun/unun, etc.
¿Puedo usar cualquier dispositivo para acoplar la linea de transmisión de mi antena?.Ademas, habrá de utilizarse un tipo de material, adecuado a la frecuencia principal de trabajo. Recordemos que cuando calculamos un inductor, este resulta de acuerdo a varios factores, incluida la frecuencia, y por lo tanto, será 100% eficiente a esa frecuencia, calculo y material.
No obstante, existen tipos de material muy eficientes en banda ancha, en nuestro caso, desde 1 a 30 Mhz, e incluso mas.
Dependerá del tipo de antena a utilizar, la frecuencia y la impedancia de la misma. Por ejemplo, para un hilo largo es posible utilizar un unun 4:1, o un 9:1 en función de la altura y la frecuencia de trabajo. No obstante una buena tierra o contraantena es necesaria para que trabaje correctamente. Para una windom, utilizará un balun de relación 6:1 o 4:1 en función de la altura, apertura de brazos, etc. Normalmente el 6:1 se suele utilizar en alturas superiores a 12 o 16 metros.
La impedancia de una antena
La impedancia de la antena (Z), es un numero complejo. Contiene una parte real, que se denomina Resistencia (R), y una parte imaginaria, que es la Reactancia (jX). Podemos definirla como la relación entre la tensión y la corriente existente en un punto determinado de la antena, donde Z = V/I.
La impedancia puede representarse en forma binómica como la suma de una parte real y una parte imaginaria:
La impedancia puede representarse en forma binómica como la suma de una parte real y una parte imaginaria:
"R" es la parte resistiva o real de la impedancia, "X" es la parte reactiva y "j" es la parte imaginaria de la impedancia. Básicamente hay dos clases o tipos de reactancias:
La impedancia tiene una parte resistiva, que da lugar a fenómenos inductivos (Reactancia inductiva XL), y una parte reactiva, que da lugar a fenómenos capacitivos (Reactancia capacitiva XC). Cuando jX es positiva, es una reactancia inductiva; cuando jX es negativa, es una reactancia capacitiva.
Representación vectorial de la impedancia
Las antenas son resonantes cuando se anula su reactancia de entrada y están diseñadas para su frecuencia correspondiente.
¿Qué es la impedancia característica y como influye en nuestro balun/unun?
La impedancia característica de una línea de transmisión es el valor de la relación entre el voltaje y la corriente en la línea si hipotéticamente, ésta tiene una longitud infinita o tiene conectada en sus terminales una impedancia igual a su impedancia característica.
En resumen, debe cumplirse que su impedancia debe permanecer inalterada cuando ésta, es cargada con elementos con igual impedancia característica.
La impedancia característica de una línea de transmisión depende de los denominados parámetros primarios de ella misma que son: resistencia, capacitancia, inductancia y conductancia (inversa de la resistencia de aislamiento entre los conductores que forman la línea).
La fórmula que relaciona los anteriores parámetros y que determina la impedancia característica de la línea es:
donde:
Z0, es la impedancia característica en ohmios,
R, es la resistencia de la línea en ohmios por unidad de longitud,
C, es la capacitancia de la línea en faradios por unidad de longitud,
L, es la inductancia de la línea en henrios por unidad de longitud,
G, es la conductancia del dieléctrico en siemens por unidad de longitud,
ω, es la frecuencia angular = 2πf, siendo f la frecuencia en hercios,
j, es un factor imaginario
La impedancia característica de algunas lineas de uso frecuente está determinada por la formulas siguiente, según el tipo. Dos son los que nos interesan:
- Linea bifilar abierta en el aire, son dos conductores separados entre si con caracter comun por el aire.
- Linea coaxial, donde un conductor central aislado, está rodeado por otro conductor exterior.
La distancia entre dichos conductores y su diámetro, determinan la impedancia característica de la linea. Si variamos la distancia entre estos conductores, variamos la impedancia característica de los mismos.
Por ello, a la hora de diseñar nuestro balun o TLT, debemos tener en cuenta la impedancia característica de la linea a utilizar, que está determinada por la relación de transformación y la impedancia de entrada/salida del dispositivo. Un ejemplo, supongamos que queremos realizar un balun de relación 2:1, esto es 50 ohm (entrada/generador), y 100 ohm (salida/antena) respectivamente, es decir, necesitaríamos una impedancia característica de 70 ohm aproximadamente.
Hay muchos tipos y diseños diferentes que puedes encontrar tanto en la bibliografía citada, como en Internet, pero básicamente los más usuales y conocidos en radio son los de tensión y los de corriente.
- Balun de tensión o conocido como Ruthroff en honor a su autor.
- Balun de corriente o conocido como Guanella en honor a su autor.
1 - En los baluns de tensión: Los baluns de voltaje tratan de forzar a que en los terminales de salida haya igual voltaje introduciéndose un desfase entre cada terminal de salida y tierra, produciendo como efecto negativo, que la linea de coaxial irradiará.
A diferencia de una balún de corriente de relación 1:1, un balun de voltaje siempre va a magnetizar su núcleo haciendo el trabajo de un transformador. En un balun de voltaje, la impedancia de la carga calentara el nucleo y variará su densidad.
Como punto positivo, este tipo de balun tiene la ventaja de que conecta el vivo con la malla, por lo que intenta realizar una función de descarga de cualquier estática que se produzca o acumule en la antena.
2 - En los baluns de corriente: No hay acción transformadora. Los campos magnéticos equilibrados se oponen a las corrientes de trabajo equilibradas y se anulan entre sí presentando muy poca impedancia a estas corrientes. Por otro lado, las corrientes de modo común producirán un campo magnético mutuamente inductivo y enfrentarán una alta impedancia.
Por lo tanto, es preferible un balun de corriente. Este es el objetivo.
La primera presentación sobre estos transformadores de la línea de transmisión fue realizada por Guanella en 1944. Propuso el concepto de bobinar las líneas de transmisión para formar un estrangulador que suprimiría el modo no deseado en aplicaciones balanceadas a desequilibradas. A raiz de hay, determinadas combinaciones de su balun de relación 1:1 consistente en los bobinados paralelos, hizo posible la obtención del balun más famoso, el 4:1 guanella de corriente.
Dentro de estos, podemos encontrar distintas maneras que construir un balun:
Dentro de estos, podemos encontrar distintas maneras que construir un balun:
Existen distintas maneras de construir prácticamente un balun:
- Balun de ferrita en coaxial (choke)
En este tipo de baluns o chokes, se hace pasar un cable coaxial por dentro de varios anillos de ferrita , de relación de impedancias 1:1, y que actúan como chokes ante el paso de la RF por cara externa el coaxial.
- Balun toroidal
Los baluns construidos con toroides tienen la ventaja de que el campo magnético se confina dentro del toroide. La ventaja de los toroides es que, por su geometría y su material, confinan muy bien el campo magnético, limitando así las pérdidas. Se pueden construir baluns de diferentes relaciones de impedancias, como 1:1, 4:1, 2:1 etc., pero estos últimos son Transformadores de Linea de Transmisión (TLT).
- Balun de cable coaxial (choke)
El balun de cable coaxial (o balun de aire) puede realizarse enrollando el coaxial en forma de coca o rollo para conseguir un choque. Es barato y funciona relativamente bien en frecuencias bajas (7 a 14 Mhz.), pero es poco aconsejable y casi ineficaz en frecuencias altas.
También se utilizan tramos de cable coaxial para adaptar la impedancia de la antena al equipo. Son mas conocidos como Stubs. En estos stubs, la adaptación de impedancias de la antena a la linea se consigue mediante la conexión de cables coaxiales cortados a una longitud múltiplo de 1/4 de onda y teniendo en cuenta el factor de velocidad del tipo de cable utilizado. El rango de frecuencias en el que funcionan es muy estrecho.
Este tipo de baluns o stubs de adaptación, no son recomendables, ya que no evitan el retorno de RF hacia el equipo, con la considerable radiación indeseada, y posibles averías en nuestro equipo.
Estos stubs también se utilizan como filtros pasabanda o rechazobanda, (muy utilizados en estaciones de contest cuando trabajan varias bandas a la vez en un mismo lugar), ya que a la frecuencia de resonancia del 1/4 de onda a la que están cortados, presentaran una alta o baja impedancia en uno de sus extremos, según esté abierto o cerrado en este, dejando pasar la frecuencia de resonancia, o rechazándola, pero eso ya es un capitulo aparte.
- El Sleeve balun o Bazooka balun
La potencia que puede soportar en transmisión un balun depende tanto de la geometría, como del material con el que está construido el núcleo del mismo, bien ferrita con diferentes mezclas, bien de polvo de hierro, o núcleo de aire.
Si se usa un balun con núcleo de ferrita, superada cierta potencia, el material con el que esta construido se sobrecalienta y por tanto, si la temperatura sobrepasa la Temperatura de Curie del material, el balun pierde sus propiedades magnéticas.
Para evitar este problema, algunos baluns se hacen con núcleo de aire; sin embargo, el inconveniente es que a igual potencia, es preciso construir bobinas muy grandes como para ser prácticas, y ademas, los baluns de aire solo funcionaran bien a la frecuencia para la que han sido diseñados y algo mas, no pudiendo utilizarlos como un banda ancha.
El balun no genera potencia. En cambio, todo balun tiene pérdidas. A estas perdidas se le llama pérdida de inserción, que es la atenuación sufrida por la señal a la salida del dispositivo con respecto a la entrada. Una pérdida de inserción típica en un balun es de 0,3 dB.
Si se usa un balun con núcleo de ferrita, superada cierta potencia, el material con el que esta construido se sobrecalienta y por tanto, si la temperatura sobrepasa la Temperatura de Curie del material, el balun pierde sus propiedades magnéticas.
Para evitar este problema, algunos baluns se hacen con núcleo de aire; sin embargo, el inconveniente es que a igual potencia, es preciso construir bobinas muy grandes como para ser prácticas, y ademas, los baluns de aire solo funcionaran bien a la frecuencia para la que han sido diseñados y algo mas, no pudiendo utilizarlos como un banda ancha.
El balun no genera potencia. En cambio, todo balun tiene pérdidas. A estas perdidas se le llama pérdida de inserción, que es la atenuación sufrida por la señal a la salida del dispositivo con respecto a la entrada. Una pérdida de inserción típica en un balun es de 0,3 dB.
La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la impedancia de salida con respecto a la impedancia de entrada; en resumen, la relación entre la impedancia de salida y la de entrada.
La relación de transformación de impedancias para un balun o unun se suele expresar mediante la notación n:1 ó 1:m.
La relación de transformación de impedancias para un balun o unun se suele expresar mediante la notación n:1 ó 1:m.
- La relación n:1 se entiende como la impedancia alta en la antena y la impedancia baja en el cable coaxial.
- La relación 1:n se entiende como la impedancia baja en la antena y la impedancia alta en el cable coaxial.
Los valores en las relaciones de transformación de impedancia mas usuales son las siguientes:
Relación de transformación. Impedancia de la antena. Impedancia de la linea coaxial
1 : 1 50 ohms. 50 ohms.
1.5 : 1 75 ohms. 50 ohms.
2 : 1 100 ohms. 50 ohms.
2.25 : 1 112.5 ohms. 50 ohms.
3 : 1 150 ohms. 50 ohms.
4 : 1 200 ohms. 50 ohms.
6 : 1 300 ohms. 50 ohms.
9 : 1 450 ohms. 50 ohms.
No obstante los baluns, usados como adaptadores de impedancias, son reversibles. Por lo tanto, 1:4 es lo mismo que 4:1, solo que la carga en cada extremo será distinta, según el tipo de antena (ejemplo 12,5 ohm en antena y 50 ohm en la linea, estaríamos hablando de un balun 1:4, o lo que es igual, 12,5 X 4=50)
Fuentes utilizadas:
- https://ludens.cl/Radiacti/topicos/balun/balun.htm
- http://ce3yu-alberto.blogspot.com.es
- http://www.qsl.net/xe3rlr/balun.htm
- Constantino Perez Vega, Universidad de Cantabria.
- http://f5zv.pagesperso-orange.fr/RADIO/RM/RM25/RM25d/RM25D05.html