Het Balun project

Hoofdstuk

2. Metingen en resultaten
De metingen
Is er iets zinnigs te zeggen over de ingangsimpedantie van de baluns en waar dit door wordt bepaald?
Tot mijn grote geluk kon ook nog van de Koninklijke Landmacht een nieuwere versie van de MFJ-analyzer lenen. Dit model, de MFJ-259B, kan naast standaard mode van SWR en “Impedantie” ook geavanceerder meten, zoals de reflectiecoëfficiënt enz.. De SWR en impedantie zijn hierbij ook op het display af te lezen. Dit is veel nauwkeuriger dan alleen op de metertjes (zie foto 11). Beide analyzers hebben een ingangsimpedantie van 50 ohm!
Foto 11. De MFJ-259B
Werkwijze
De balun wordt tijdens de metingen afgesloten met verschillende afsluitweerstanden (RL). Deze zijn zoveel mogelijk gemonteerd in coaxpluggen van het type N/BNC en PL. De RL-waarden van 41, 50, 65, 75 en 102 Ohm zijn willekeurig gekozen. Ik heb deze nu eenmaal. Door de vaste ingangsimpedantie van beide analyzers van 50 Ohm ontstaat met het gebruik van de verschillende afsluitweerstanden altijd een misaanpassing en dus een hogere SWR. Deze SWR-waarde is berekenen. De laagste theoretische SWR heeft bij een RL van 41 Ohm de waarde van 1:1,22 (50/41).

Voor een RL van 50 Ohm is dit natuurlijk 1:1 (50/50). Zo geeft de afsluitwaarde van 65 Ohm een SWR van 1:1,3 (65/50). Bij 75 Ohm bedraagt dit 1:1,5 (75/50) en voor een RL van 102 Ohm is de SWR 1:2 (102/50). Een afwijking van deze theoretisch berekende SWR-waarde zegt iets over de eigen impedantie van de balun in kwestie. Voor de afsluiting van de 1:4 balun zijn inductievrije kool- en metaalfilm weerstanden gebruikt zonder coaxplug.

Bij verschillende frequenties wordt de waarde van de SWR en, afhankelijk van de gebruikte analyzer, de “Resistance” of “Impedance” genoteerd. Om de meetwaarde tussen de streepjes vooral consequent te kunnen aflezen werd bij de MFJ-259 een vergrootglas gebruikt.
De uitwerking
De meetresultaten zijn uitgewerkt in tabellen en grafieken op een Excel-spreadsheet. Leve de PC! Niet alle gemaakte tabellen worden in dit verhaal vermeld. Deze zijn echter wel voor geïnteresseerden beschikbaar in het worddocument. Om de resultaten van later uit te voeren metingen met de direct beschikbare MFJ-259 te kunnen beoordelen zijn de metingen met beide analyzers uitgevoerd. Het is niet zeker of ik voor een nieuwe serie metingen weer kan beschikken over de MFJ-259B. Mede hierom ben ik benieuwd of de resultaten met beide analyzers identiek zijn. Ten gerieven van de lezer worden in dit verhaal daarom de meetresultaten gepresenteerd zowel de MFJ-259B als de MFJ-259. Hierbij worden met de MFJ-259 verkregen resultaten steeds in de A-versie van de grafieken en tabellen vermeld.

In de grafieken is steeds op de linker Y-as de SWR en op de rechter Y-as de Impedantie of Resistance af te lezen. Let op, deze laatste as loopt van boven naar beneden! Sommige meetseries zijn 2 tot 3 maal overgedaan. De tabel geeft dan de rekenkundige gemiddelden weer welke in de grafieken zijn opgenomen.
De meetresultaten
In grafieken 1 en 1A van balun 1 is te zien dat de resultaten van beide analyzers onderling niet erg veel afwijken. De Balun 1 met slechts 5 windingen is zeker goed bruikbaar op de banden vanaf 80 meter t/m 20 meter.

Grafiek 1.

Grafiek 1A.
Het verhogen van het aantal windingen van 5 naar 12 windingen laat bij balun 2 in de grafiek 2 en 2A zien dat de SWR ideaal is voor 160 en 80 meter. Voor de hogere banden treedt bij een afsluitweerstand van 50 Ohm een verslechtering op. Doordat de windingen nu dichter tegen elkaar aan liggen, zijn de parasitaire capaciteiten groter.

De balun 2 gedraagt zich voor 50 Ohm als een l/4 stub met een impedantie van 61 Ohm! Opmerkelijk is dat bij een RL van 75 Ohm de SWR over een grotere bandbreedte (vanaf 160 meter t/m 6 meter) vrijwel constant en iets beneden de theoretische waarde van 1:1,5 blijft. Het is dus een balun met een eigen impedantie van circa 75 Ohm!

Grafiek 2.

Grafiek 2A.
Verminderen van parasitaire capaciteit
Indien we het zelfde aantal windingen gebruiken maar een andere wikkelwijze toepassen, dan veranderen de eigenschappen van de balun. We brengen nu na 6 windingen winding 7 aan op de andere zijde van de ringkern (naast winding één). Bij het verder wikkelen komt dan winding 12 naast winding 7 te liggen. Het gevolg is dat de invloed van de parasitaire capaciteiten anders (kleiner) wordt.
De balun 3 is hiervan het eerste voorbeeld. Deze balun is zeer breedbandig geworden en geeft een SWR van minder dan 1:1,5 voor alle frequenties tussen 1,87 MHz en 51 MHz. In de grafieken 3 en 3A is te zien dat in dit frequentiegebied de optimale SWR ligt bij een afsluitweerstand (RL) tussen 50 en 75 Ohm.

Bedenk dat de impedantie van de aan te sluiten antenne een grote invloed heeft. Deze impedantie is sterk afhankelijk van de antennelengte en gebruikte geometrie (De handboeken over antennes staan hier vol van).

Grafiek 3.

Grafiek 3A.
Nog meer windingen?
Het verhogen van het aantal windingen van 2x6 naar 2x7 windingen levert niet echt een verbetering op, zie de grafieken 4 en 4A. Alle windingen komen nu wat dichter tegen elkaar aan te liggen en de parasitaire capaciteit (overspraak) neemt daarom toe.
De eigen impedantie van balun 4 zal ook circa 75 Ohm bedragen. Voor een lage SWR is het dus wenselijk een coaxkabel met een karakteristieke impedantie van 75 Ohm te gebruiken!

Grafiek 4.

Grafiek 4A.
Balun 5, de zelfbouw balun van PA3EXP, is mechanisch een lust voor het oog. Gebruik van deze balun geeft alleen vanaf 160 t/m 40 meter (zie de grafieken 5 en 5A) een SWR lager dan 1:1,5. Helaas was de balun tijdens de metingen niet door mij te modificeren, daar deze aan de plugzijde was dichtgelijmd.

Grafiek 5.

Grafiek 5A.
De professionele balun van Fritzel, Balun 6, is volgens zijn specificatie van 1 tot t/m 50 MHz bruikbaar met een maximaal vermogen van 700 Watt CW of 1400 Watt SSB. De breedbandigheid valt mij wat tegen (zie de grafieken 6 en 6A). Bij gebruik van 50 Ohm coaxkabel begint boven de 10,5 MHz de SWR op te lopen tot een waarde van 1:3,9 bij 50 MHz. Dit kost de QRP-er in de 10-meter band vermogen!

Grafiek 6.

Grafiek 6A.
Volgens de technische gegevens van Amidon is de blauwe ringkern tot 5 MHz te gebruiken. Balun 7, een probeersel met 2x 4 windingen op een de blauwe ringkern en luidsprekerdraad, geeft aan hoe dit uitwerkt. Zo´n uit de losse pols gemaakt balun blijkt in ieder geval goed bruikbaar te zijn voor de 160 t/m de 40 meterband, het liefst aangesloten op een 75 Ohm coaxkabel (zie de grafiek 7).

Grafiek 7.
Ook balun 8, de 1:4 balun van PE1FMR, is goed te gebruiken, zeker vanaf frequenties boven 7 MHz (zie in de grafiek 8).

Grafiek 8.
De resultaten van mijn tweede probeersel balun 9, een blauwe en gele twee ringkern met 2x5 windingen, zijn in de grafieken 9 en 9A te zien. Duidelijk is hierbij de invloed van de blauwe kern (tot 5 MHz) en de gele kern rond 50 MHz te zien. Met een afsluitweerstand van 65 Ohm is deze ringkern zelfs op 72 MHz bruikbaar.

Het blijft voor mij een uitdaging om deze combinatie van ringkernen van meer windingen te voorzien. Naar verwachting zijn de eigenschappen van een balun met 2x6 windingen, naar analogie van balun 2 en 3, beter.

Helaas is het koperdraad op!

Grafiek 9.

Grafiek 9A.
Grafiek 10 en 10A geven een overzicht van een aantal baluns met een afsluitweerstand van 50 Ohm. Deze baluns zijn met uitzondering van balun 5, voor alle kortegolf banden goed te gebruiken.

Grafiek 10.

Grafiek 10A.
Grafiek 11 laat voor een aantal baluns het rendement zien. Balun 3 heeft een rendement dat voor de gehele kortegolf uitstekend is te noemen.

Grafiek 11.
Conclusies
Mijn eerste waslijnantenne deugd niet. Op de foto´s is voldoende informatie te vinden over de wikkelwijze van de baluns. De grafieken geven een duidelijk beeld van de meetresultaten aan de baluns. De invloed van de afsluitbelasting RL is hierin duidelijk te waar te nemen.
De eigen impedantie van een balun wordt niet alleen bepaald door het aantal windingen en het type ringkern, maar ook door de gebruikte draaddikte.
Om te weten hoe veel invloed de draaddikte heeft zijn aanvullende metingen nodig met verschillende draaddikten.
Zelfbouw van een balun loont. Het resultaat doet zeker niet onder voor een professionele balun, ook al is mijn conclusies slechts gebaseerd op de vergelijking met één professionele balun.
Het gebruik van een analyzer van het tvpe MFJ-259 of 259B (zie foto 12) is hierbij een belangrijk hulpmiddel.
Foto 12.
Aanbeveling
De meeste VERON-afdelingen hebben sinds jaar en dag geïnvesteerd in zendapparatuur en antennes voor gebruik tijdens evenementen en velddagen. Ter stimulering van de zelfbouw verdient het aanbeveling om op afdelingsniveau ook te investeren in meetapparatuur, zoals bijvoorbeeld een Antenne analyzer van MFJ. Zelfbouwen kan natuurlijk ook!
73 de Willem, pa0wjg
Referte:

[1]. Electron november 1983. Bredeband-ringkerntransformatoren en dergelijke voor de kortegolfbanden. Herbert Rutgers, PA0SU.
[2]. Electron november 1985. Het ontwerpen van HF-bredebandtransformatoren door Henk van Amersfoort, PA0HVA.