平衡-不平衡变换器(巴仑)的作用、原理、种类

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发布时间 2009-06-01

  平衡-不平衡变换器,英文:Balance - unbalance,缩写:balun。根据它的英文缩写音译就叫巴仑。它的作用除了平衡-不平衡变换之外,同时还视巴仑的形式、结构,可以进行1:1、4:1、6:1、9:1、25:1等比值的阻抗转换。原理是按天线理论,偶极天线属平衡型天线,而同轴电缆属不平衡传输线,若将其直接连接,则同轴电缆的外皮就有高频电流流过(按同轴电缆传输原理,高频电流应在电缆内部流动,外皮是屏蔽层,是没有电流的),这样一来,就会影响天线的辐射 (可以想象成电缆的屏蔽层也参与了电波的辐射)。

  因此,就要在天线和电缆之间加入平衡-不平衡转换器,把流入电缆屏蔽层外部的电流扼制掉,也就是说把从振子流过电缆屏蔽层外皮的高频电流截断。

  要达到这样的目的有很多种办法

  一种是高频开路法,在电缆屏蔽层外皮四分之一波长处接一个四分之一波长的套筒(等于效四分之一波长的开路线),因四分之一波长开路线对该频率视为开路,达到截断高频电流的作用,这种办法,工作带宽窄,频率低时四分之一波长套筒就显得很长,适合大功率高频率使用。

  另一种是抵消法,想办法使流入的电流大小相等方向相反而互相抵消,应用较多的用磁环三线绕的平衡不平衡转换器就属这种,这种频带较宽,使用但大功率时受磁环磁饱和的限制,适合低频率小功率使用。

  再一种是变压器法,通过高频变压器实现平衡不平衡转换,原理就像推挽输出变压器一样,把双向平衡电流变换成但向不平衡电流。变压器可采用磁心或空心绕成,适用大功率使用。

  还有一种是抑制法,振子经过一高频扼流圈接电缆屏蔽层外皮,阻止高频电流流向电缆屏蔽层外皮,此法比较简单,就是把电缆绕十圈左右,绕在磁环上更好,空心也没关系,一般是频率低绕多几圈,频率高小绕几圈。但抑制效果没有前述几种好,因此前面几种多用于专业应用,这种业余应用较多。

  要记住的是我们只是截断屏蔽层外皮的高频电流,并不是截断流向屏蔽层的所有高频电流(要这样的话把振子和电缆皮断开就得了),高频电流是在屏蔽层的里面流的。形象一点可以把电缆想象成水管,本来应该是水都在水管里流,如不加巴仑,水不单在水管里流,而且有一部分还流到管子的外皮。巴仑的作用就是防止跑、冒、滴、漏,迫使水都在水管里流,难言之隐,一用了之!

  常见电台输出常为不平衡型,常见垂直天线也为不平衡型,如R7000等(垂直极化的偶极天线等是平衡输入)一般不用巴仑,阻抗匹配主要通过匹配电路来调整,地网和天线振子夹角的变化也能影响输入阻抗。对于常见的倒V天线用的巴仑来说,它只起到不平衡->平衡变换的作用,它的阻抗比是1:1。特定高度的谐振在目标频率上的倒V天线的阻抗调整,一般通过改变天线的夹角来实现。省去常见的倒V天线的巴仑,直接对天线馈电,虽然有时未必会造成驻波比的明显劣化,但是馈线外层网线会有电流,馈线外层网线也参与辐射,形成一个实质为三条辐射振子的辐射体。这将会导致天线辐射图的改变,改变馈线的长度就会改变天线的驻波比。由于馈线辐射的存在,接近接电台馈线的电视、电话等,常会有TVI、TEL-I等RFI。

  巴仑可以分为电流型巴仑和电压型巴仑

  电流型巴仑有三种形式

  一种是绕在磁环上的(但是和电压型巴仑用镍锌铁氧体NXO不同,电流型通常是用锰锌铁氧体MXo,初始磁导率在800-2000之间),这是用的最广泛的一种,有些人也称它为W8JI电流型巴仑;

  第二种是在馈线、也就是同轴电缆上套上若干个磁珠(几十个),磁珠的材料和一般EMI磁珠一样,初始导磁率大概也在2000左右,只是内径大一些,可以套在同轴电缆外面,其工作原理和抑制(衰减)电磁干扰的EMI磁珠一样,这种被成为磁珠巴仑(ferrite bead balun )或者W2DU型电流巴仑(w2du style current balun)——w2du发明的;

  第三种,就是用同轴电缆绕若干圈之后做成的电流型巴仑,这种方式不受材料(磁环)限制,就地取材,每个人都可以做,而且很容易成功,损耗也比较小,但是覆盖的频率范围比较窄,用于单波段效果最好(比方在yagi上就很常用、效果也好),如果用于宽波段,最好不要超过一个倍频程,也就是 3.5-7Mhz,或者7—14Mhz,或者14-28Mhz。同轴电缆的电流型巴仑有两种方法:乱绕(堆叠)和整齐排布,后者效果更好。找一个合适直径的圆筒做骨架,把同轴电缆整齐的绕在上面,固定,即可。

  电流型巴仑有时称为current balun(这个比较正式),有时称为choke balun或choke,甚至有人直接叫它filter或filter balun(这里choke是阻塞、阻断的意思,不是陷波器,陷波器通常是用trap这个词),因为电流型巴仑的目的是阻断(滤除)馈线上的共模电流。

  除了八木,国内大多数场合采用的是电压型巴仑,相比之下,电流型巴仑性能比电压型巴仑好得多,所以,如果你要使用巴仑,即使在没有合适磁环的情况下也应该用同轴电缆做一个电流型巴仑,要不,你就干脆不用巴仑。

  常用的三线并绕和空心巴仑都是电压型巴仑,根据很多ham的研究结果(有些人水平很高、使用的也都是矢量网络分析仪一类的,叫他们业余无线电爱好者不太合适,应该叫职业爱好者)电压型巴仑只有在天线非常对称的时候才有作用,比方说dippole的两个振子的长度、角度、高度、与周围物体的距离等等,实际上我们通常是做不到的。所以,我觉得要不然就干脆不用巴仑,要用就电流型的——不用巴仑直接后果是天线方向畸变,如果你不在乎方向的话不用巴仑也没有太大危害。(也有一群爱好者坚称巴仑没用—除了八木)

  有一种情况下电压巴仑是有用的,就是配天调,天线宽波段使用是阻抗变化极大,电流型巴仑在负载阻抗和馈线接近时作用才明显,所以天调和对称天线间需要一个电压巴仑。

  简单的说,电压巴仑更像变压器,电流巴仑更像扼流器。

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