ACOPLADORES BALUN BALUN = BALanced-Unbalanced Transformer Un BALUN es usado frecuentemente en radiocomunicaciones para permitir la conexión de un cable desbalanceado a una antena balanceada. SISTEMAS BALANCEADOS

• Un dispositivo es balanceado cuando la corriente eléctrica que circula por él es simétrica con respecto a la tierra común.

• Casi todos los tipos de antena (excepto las verticales) son simétricas, o sea que la conexión es indiferente. El cable coaxial, en cambio, es asimétrico. Si no se desea que por la malla de un cable coaxial circulen corrientes, hay que poner algún elemento que permita hacer el cambio de balanceado a no balanceado

• La función principal del BALUN es conectar una línea simétrica a una asimétrica, y así ayudar a minimizar las pérdidas, entre otras funciones.

• EFECTO KELVIN

Este fenómeno sucede cuando conectamos un cable coaxial desbalanceado a un dipolo balanceado: la corriente eléctrica de alta frecuencia tiende a circular por la superficie de los conductores, perjudicando las líneas de transmisión.

Un cable coaxial está construido con un conductor central, un material separador y un conductor exterior. Si conectamos este cable a una antena dipolo y le aplicamos energía de RF, circulará corriente eléctrica por el conductor central hacia uno de los lados del dipolo y por el conductor exterior hacia el otro lado, para que sea radiada por ésta. Como consecuencia del efecto, circulará corriente por el interior de éste último conductor y por el exterior del mismo, pero al ser de direcciones opuestas y de igual magnitud se cancelarán y el cable no radiará energía. Parte de la energía radiada por la antena se devuelve generando una corriente por la parte exterior del conductor externo, el cable coaxial tenderá a radiar energía de RF comportándose como si la

antena dipolo tuviera otro elemento radiante. Ésta radiación dependerá de la impedancia del conductor externo con respecto a tierra. Por no ser parte de la radiación de la antena, producirá una deformación de sus diagramas de radiación, entre otros efectos. En estos casos, un BALUN debe aumentar la impedancia del conductor exterior de forma que la corriente de RF disminuya y por tanto la radiación baje o se elimine por completo. CARACTERÍSTICAS

• Simetrización de corriente • Adaptación de impedancias • Usados como adaptadores de impedancias, son reversibles. Por lo tanto, 1:4 = 4:1 • La potencia a transmitir depende tanto de la geometría como del material con el que esté

construido. • Para mayor eficiencia, debe ser usado lo más próximo posible a la antena. • Si se usa un BALUN con dieléctrico de ferrita, pasada cierta potencia, el material se

calienta; si la temperatura sobrepasa la Temperatura de Curie (perdida del magnetismo) del material, el BALUN pierde sus propiedades. Para evitar esto, los BALUN se hacen con dieléctrico de aire; sin embargo, el precio a pagar es que a potencia igual, es preciso construir bobinas demasiado grandes como para ser prácticas.

• El BALUN no genera potencia pero si tiene pérdidas. Llamamos pérdida de inserción a la atenuación sufrida por la señal a la salida del dispositivo (~ 0,3 Db).

TIPOS DE BALUN

• BALUN COAXIAL

• BALUN TROMBONE

• BALUN BAZOOKA

• BALUN CON TRANSFORMADOR DE FERRITA

• BALUN CHOKE

• La adaptación de impedancias se logra mediante la conexión de cables coaxiales cortados a una longitud múltiplo de λ/4. Funcionan en un rango muy estrecho de frecuencias, lo que los convierte de hecho también en filtros

• Los BALUNES de cable coaxial son utilizados sobre todo en VHF o UHF, en donde se usan longitudes de cable entre algunos cms. y 1m. de largo.

BALUN TROMBONE (λ/2) Transforma con una relación de 4:1 y su eficiencia de balance es variable con la frecuencia, pero su ROE a la entrada es casi independiente de ella. Su construcción es simple y de tamaño reducido en las bandas de VHF/UHF.

Construcción

Para el caso Z=RL/2 se obtiene adaptación perfecta en toda la banda y en dicho caso Zin=RL/4, por lo que dicho BALUN tiene relación de transformación de 4:1. Por diseño, L=λ0/4. BALUN BAZOOKA

• Es utilizado cuando los niveles de impedancia son similares y la antena opera en una banda estrecha. Sus dimensiones no son exageradas para VHF/UHF y su eficiencia es máxima a frecuencia central.

• Presenta una impedancia infinita a la corriente que quiere circular por la parte externa de la malla coaxial. Esto se consigue por medio de un transformador de λ/4 en corto circuito. Fuera de la frecuencia central, la operación es aun satisfactoria.

BALUN DE FERRITA

• Es un transformador de banda ancha con entrada asimétrica y salida simétrica. Se puede construir con núcleo de aire o bien de ferrita.

• Es el más utilizado en receptores de radio y TV. Es bastante complejo su cálculo y construcción. Poseen un gran ancho de banda y una gran rigidez. Existen modelos con relación 1:1 y de 1:4 en impedancia.

• Soportan hasta 1KW de potencia a la salida. • Rango de frecuencias de 1.8 - 60 MHz • Se usan para mayor rendimiento en las antenas de radio. • El núcleo de ferrita contribuye a incrementar el ancho de banda de la antena, debido a su

alto grado paramagnético. • El número de vueltas del primario y secundario depende de la relación de impedancia que

se pretenda acoplar, junto con el toroide del tamaño elegido. El campo magnético se confina dentro de un toroide. La ventaja de los toroides es que por su geometría y su material, confinan muy bien el campo magnético, limitando así las pérdidas.

BALUN CHOKE

• Consiste en hacer una inductancia con el propio cable coaxial, de tal forma que las corrientes inducidas en la malla del mismo no puedan circular por él.

• Al tener el cable coaxial la malla por fuera y el conductor vivo por dentro, esta bobina sólo afecta a la malla. Si la bobina así formada tiene suficiente inductancia, impedirá que las corrientes circulen por la malla.

• Para antenas que funcionen a más de 10 MHz, bastan 20 espiras de un diámetro de 25 cms.

Se puede lograr lo mismo, haciendo que el cable coaxial dé varias vueltas alrededor de un toroide de ferrita, con lo que el número de espiras será mucho menor.

Técnicas de acoplamiento • El funcionamiento de un sistema de antenas en un rango de frecuencia no es

completamente dependiente de la respuesta de frecuencia del elemento de la antena en sí, sino más bien en las características de frecuencia de la línea de transmisión combinación de elementos de la antena. También la variación de cada uno en función de la frecuencia no es la misma. Así, el acoplamiento eficiente de redes de adaptación deben ser diseñadas para que traten de pareja, coinciden con las características de los dos elementos en el rango de frecuencia deseada.

• En muchas redes de acoplamiento es similar al que se utiliza para conectar la línea de transmisión a el elemento de la antena y que puede ser diseñado para proporcionar características de frecuencia aceptable.

T-match La adaptación en T permite acoplar una baja impedancia con otra mayor. Las dos varillas paralelas al dipolo funcionan como líneas de transmisión de acoplamiento. Los condensadores sirven para anular la inductancia de las barras añadidas.

Procedimiento de diseño 1.) Determinar el valor de divisor de corriente α, mediante la siguiente expresión:

2.) Calculo el radio equivalente de los dos conductores mediante la siguiente ecuación:

3.) Determinamos la impedancia en los terminales de entrada del elemento T mediante:

Donde:

4.) La impedancia de entrada se puede calcular mediante:

La admitancia de entrada:

Circuito equivalente Para cuando l` es igual a λ/2 la impedancia de la línea de transmisión Zt es grande, de esta manera la expresión de ZIN se reduce a:

Para cuando los dos conductores son iguales, el factor de división de corriente α = 1 y por lo tanto ZIN = 2Za.

Los capacitores en serie eliminan la reactancia a la frecuencia central dada y mantienen el balance del sistema. Estos capacitores se seleccionan de tal manera que ZIN = RIN.

Entonces:

GAMMA MATCH Este tipo de acople se usa en antenas transmisores y/o receptoras, y resisten potencias relativamente altas.

• Para realizar el proceso de diseño del acople gamma, se requiere conocer las siguientes características:

Longitud del elemento antena

Impedancia característica del cable coaxial

Separación entre los centros de los elementos y gamma: s

Radio de los elementos de la antena y gamma: a y a`

Distancia de la separación de conexión del elemento gamma al elemento antena, a la

conexión de la línea de transmisión al elemento antena: l`/2

• Lo que se busca definir es el valor final de l`/2 que determine el valor de la capacitancia que haga que ZIN = Zo.

Ejemplo: (gamma match) La longitud eléctrica: l/2 del elemento excitador de una antena Yagi Uda es de 20 m. y su impedancia en su punto central es de: 30.44 – j 30.44 Ω. Se desea conectarla a una línea de transmisión tipo coaxial de: Zo = 50 Ω, usando un acoplamiento gamma. El elemento de la antena y el elemento gamma son hechos de tubos de aluminio con diámetros de

2a = 0.95 x 10-3 λ y 2a` = 3.175 x 10-4 λ respectivamente. El distanciamiento entre el centro radial del elemento antena y el elemento gamma es de: s = 3.81 x 10-3 λ. Determinar la capacitancia del condensador, del acople, suponiendo que se empieza con una distancia de separación de conexión del elemento gamma al elemento antena de: l`/2 = 0.036 λ.

PROCESO DE DISEÑO 1.) Determinar el valor de divisor de corriente α, mediante la siguiente expresión:

2.) Determinar el radio de transformación:

3.) La impedancia de la antena (elemento excitador en su punto medio sin acople):

4.) Calculamos la impedancia transferida al primario del circuito equivalente mediante:

5.) Determinar la impedancia característica de la línea de transmisión conformada por el elemento antena y el elemento gamma: Zo` mediante la siguiente expresión:

6.) Normalizar a Z2 con respecto a Zo`:

7.) Invertir el valor de z2, para determinar su correspondiente admitancia normalizada y2, esto se puede hacer usando la Carta de Smith. La admitancia y2 es una reactancia inductiva, debido al corto circuito de la línea de transmisión formada por el elemento antena y el elemento gamma.

8.) Determinamos la impedancia normalizada del elemento gamma mediante:

Esta impedancia, es una reactancia inductiva ya que la longitud del elemento gamma

siempre será menor que λ/2. Se puede determinar mediante la carta de Smith, mediante el siguiente proceso:

• Se localiza el punto zs = 0 + j0, correspondiente a la impedancia de carga en corto circuito.

• Se hace un desplazamiento hacia el generador en un valor de l`/2. el punto encontrado representa zg.

9.) Mediante la carta de Smith hallo el valor de la admitancia normalizada yg

10.) Se determina la admitancia normalizada vista en el terminal superior de condensador y1 = y2 + yg = (1.6+j1.6) – j 4.35 = 1.6 – j2.75: 11.) Invierto el valor de y1 mediante la carta de Smith para determinar la impedancia normalizada z1.

10.) Se determina la admitancia normalizada vista en el terminal superior de condensador y1 = y2 + yg = (1.6+j1.6) – j 4.35 = 1.6 – j2.75: 11.) Invierto el valor de y1 mediante la carta de Smith para determinar la impedancia normalizada z1.

12.) Ahora la desnormalizo:

Z1 = (z1)(Zo`) =(0.16+j0.28)(315) = 50.4 +j88.2 Ω 13.) Determino la impedancia de entrada en los terminales del conjunto de antena - acople

gamma: ZIN = - jXc + Z1 = - jXc + R1+jX1 = R1+j (X1-Xc) ZIN= 50.4 +j (88.2 -Xc)

14.) Para que ZIN = R1 = Zo = 50 Ω ≈ 50.4, entonces X1 – XC = 0, lo que implica que:

OMEGA-MATCH • Una versión ligeramente modificada del gamma-match es el omega-match que se muestra

en la figura 9.23. La única diferencia entre los dos es que, además del condensador serie C1 hay un cortocircuito en el C2 que puede ayudar en la consecución de los acoples. Generalmente la presencia de C2 permite utilizar una varilla más corta o es más fácil coincidir con un elemento activo de resonancia. La función principal de C2 es cambiar Y1 en el paso 9 del proceso de diseño de manera que cuando se invierte sin normalizar su parte real es igual a la impedancia característica de la línea de transmisión de entrada.

• Esto posiblemente eliminará la necesidad de cambiar las dimensiones de los elementos coincidentes, si un acople no se logra.