Balun & Unun: Perchè usarli, e come sceglierli

Questa domanda è forse quella che mi viene rivolta più spesso.

Circolano molte "leggende" in merito; c'è chi dice che un Balun non serve a nulla, ed anzi produce perdite; c'è chi pensa che un Balun serva ad eliminare il ROS; e infine molti dicono che un Balun (o un Unun) si possa mettere insieme con un pezzo di filo ed un toroide sconosciuto trovato al mercatino, o anche arrotolando un tratto del cavo coassiale.

 

Anzitutto, chiariamo le definizioni:

  • Balun: E' un dispositivo che serve a collegare una antenna bilanciata, come un dipolo, ad una linea di trasmissione sbilanciata, come un cavo coassiale. Può effettuare nel contempo una trasformazione di impedenza, ma il suo scopo principale è quello di bilanciare le correnti nei due rami dell'antenna ed adattarla al cavo coassiale, bloccando nel contempo i ritorni di radiofrequenza che, scorrendo all'esterno della calza del cavo coassiale, rientrerebbero nella stazione.
    La miglior conclusione è quella che ha scritto IZ2UUF nel suo sito www.IZ2UUF.net:
    In conclusione, se alla domanda “mi serve un balun?” non sappiamo rispondere, chiediamoci: “voglio un elemento dell’antenna di forma e dimensioni randomiche che, insinuandosi nell’edificio, arrivi fino alla mia radio?”. Se la risposta è “no”, allora ci serve un balun.
  • Unun: praticamente svolge una funzione molto simile, ma serve per collegare un'antenna sbilanciata (Endfed, o Verticale, per esempio) ad un cavo coassiale.

Qui accanto (immagine presa da Wikipedia) vediamo un dipolo, collegato con una linea bilanciata ad un carico (che rappresenta la nostra stazione).

Le onde radio inducono nel dipolo una corrente, che tramite la linea bilanciata arriva al ricevitore.

Siccome le correnti nella linea bilanciata sono uguali e contrarie, la linea non irradia e non riceve, ed al ricevitore arrivano solo le correnti indotte nel dipolo.

Ma le cose nella realtà non vanno così bene...

Anzitutto nessun dipolo è mai veramente bilanciato. Tanto per cominciare, ci saranno cose, attorno e sotto ai bracci, che lo sbilanceranno: case, pali di sostegno, recinzioni...

Poi ci si mette di mezzo il Cavo Coassiale. Il conduttore centrale è collegato ad uno dei bracci; ma l'altro braccio è collegato alla calza del cavo, che per via dell'Effetto Pelle è come se fosse costituito da due conduttori separati ed indipendenti: la faccia interna della calza e la faccia esterna. Nella figura accanto (grazie, Davide Achilli IZ2UUF) vedete come la corrente che esce dal trasmettitore si divida: la corrente del polo centrale del cavo coassiale (C) va tutta a sinistra (A), mentre la corrente che viaggia sulla faccia interna della calza (D) si divide in due: una parte va sul braccio destro (B) ed un'altra parte torna verso il trasmettitore sulla faccia esterna della calza del cavo coassiale (E). Questa corrente ci ritorna nella stazione (e per giunta ad alta tensione, da cui la scossa se tocchiamo la radio), rovina irreparabilmente il lobo di radiazione della nostra antenna, ed in definitiva non fa nulla di buono. Il contrario succede anche in ricezione, con deciso aumento delle interferenze e del rumore.

Qui invece abbiamo una simulazione su EZNEC+ di una antenna G5RV: un dipolo (1 e 2) alimentato con un tratto di linea bilanciata (3).

Al punto (5) abbiamo collegato il nostro cavo coassiale; e non essendoci nessun Balun, sulla calza del cavo coassiale (6) avremo una bella (brutta!) corrente di modo comune che ci rientra in pieno nella stazione.

Oltre tutto, siccome le correnti nei bracci (1) e (2) non sono mai, per forza di cose, ben bilanciate anche le correnti nella "linea bilanciata" di alimentazione sono diverse; quindi la linea NON è più bilanciata, per cui irradia (e non dovrebbe) e riceve interferenze e rumori.

Adesso, nella nostra simulazione, abbiamo aggiunto un buon Balun nella posizione (5).

Miracolo! le correnti nei bracci del dipolo sono adesso uguali tra loro, così come le correnti nella linea bilanciata di alimentazione (3).

E sulla calza del cavo coassiale (6) la corrente è NULLA!

Quindi, riassumendo: Se alla nostra antenna bilanciata colleghiamo direttamente un cavo coassiale, otterremo sicuramente uno sbilanciamento e delle correnti di modo comune.

Ma non basterebbe realizzare un buon Choke, magari con una ventina di spire realizzate avvolgendo il cavo coassiale attorno ad un tubo di plasitca (il cosiddetto "Ugly Balun")?

Beh, sicuramente bloccheremo molte delle correnti di modo comune... ma l'antenna rimarrà comunque sbilanciata, ed il lobo di radiazione sarà sicuramente distorto e forse rovinato...

Non dimentichiamo, poi, che molti Balun possono fornire contemporaneamente una trasformazione di impedenza; per cui se la nostra antenna ha una impedenza diversa da 50 Ohm (ad esempio, un dipolo ripiegato, o un dipolo alimentato fuori centro) potremo contemporaneamente disporre di un perfetto adattamento di impedenza tra l'antenna ed il cavo.

Ma non basta costruirselo, con un toroide che abbiamo?

Non è così semplice. Se prendiamo un toroide inadatto, o peggio sconosciuto (acquistato al mercatino) e ci arrotoliamo attorno un pezzo di filo da elettricista, otterremo qualcosa che SEMBRA uguale ad un buon Balun progettato con cura, avendo a disposizione la strumentazione adatta; e vi assicuro che un ROSmetro ed anche un VNA economico NON sono sufficienti.

Ci sono in commercio almeno una cinquantina di mescole diverse, prodotte da almeno altrettanti produttori; e le specifiche che pubblicano i produttori sono più adatte ad un Progettista Qualificato che al Radioamatore medio! Il nostro mercato non è il loro target primario!

Oltre tutto, ogni produttore usa denominazioni diverse, e NESSUNO le scrive sui propri prodotti; per cui il Toroide comperato al mercatino rimane un perfetto sconosciuto... E NON fidatevi MAI del colore! Ci sono in giro toroidi cinesi semplicemente riverniciati...

Questo accanto, per esempio, è un ottimo Balun 4113 della Balundesigns. Il Toroide è una mescola speciale, realizzata su ordinazione, e non corrisponde a nessuna di quelle più comuni (credetemi, ci ho guardato...).

L'avvolgimento è realizzato con filo in Polyamideimide, isolato con tubo in PTFE di spessore non standard.

E perchè tutto questo?

Perchè in questo modo il Balun funziona in modalità "Transverse Electromagnetic Mode", per mutua induzione tra i conduttori appaiati che hanno esattamente l'impedenza di progetto; il nucleo interviene solamente sullo sbilanciamento delle correnti, ed è molto più difficile che vada in saturazione,  anche con potenze  e con ROS elevati.

Beh, anche questo qui accanto dovrebbe fare le stesse cose...

Il toroide, più piccolo, è stato probabilmente riverniciato; il filo (da elettricista) è avvolto alla "va là che va bene"; ho dei dubbi anche sul circuito...

E sicuramente l'impedenza dei conduttori è totalmente casuale...

Alla fine costa poco; chi lo compera e lo installa non vedrà grandi miglioramenti... e parlerà male dei Balun in generale...

Tra parentesi: se è sigillato, e per aprirlo bisogna tagliarlo, forse ha qualcosa da nascondere!

Allora ho fatto la controprova.

Ho costruito un Balun 4:1 Guanella (in corrente) con lo schema di Jerry Sewick W2FMI, un toroide T104-2 della Fair-Rite, filo isolato in PTFE, ben serrato con nastro in Fiberglass.

Ho realizzato un circuito di misura come si deve per adattare l'impedenza di uscita (200 Ohm) ai 50 Ohm del VNA, ed ho provato a misurarne i parametri con un VNA-3E modello DG8SAQ della SDR-Kits debitamente calibrato su Standard Amphenol, ed il programma VNWA.

Doverosa premessa... la rete di adattamento (necessaria) aggiunge una costante alla misura, cha un interesse relativo (come dire, valida per un confronto), non assoluto.

 

Qui sotto trovate i risultati...

Allora, andando con ordine:

Il ROS è abbastanza lineare, va da 2,72 sugli 80, poi 2,18 sui 40, e poi è abbastanza lineare tra 1,95 a 30 metri, 1,75 a 20 metri, e giù fino a 1,44 sui 10 metri.

L'impedenza... potrebbe andare meglio. Dai 25,55 Ohm a 80 metri sale progressivamente, sui 20 metri è 41,53 Ohm ed arriva a 49,44 Ohm sui 10 metri.

L'attenuazione (qui gioca la rete di adattamento...) non è lineare, va da -3,84 db a -7,30 db.

Conclusione: Questo Balun, anche se costruito con cura, non ha sufficiente linearità per poter essere usato su tutte le HF.

Stessa identica configurazione di misura con un Balun 4132 della Balundesigns.

Il ROS è una retta perfetta, da 1,07 a 1,19 sulla intera banda!

L'impedenza è anch'essa una retta: da 52,32 Ohm fino a 50,82 Ohm su tutta la banda!

l'Attenuazione è anchessa perfettamente lineare, da -9,71db a -9,79 db!

Due parole sull'attenuazione: NON è l'attenuazione che il Balun producerà sulla vostra linea, ma è l'attenuazione della rete di misura per l'adattamento di impedenza!

Conclusione: la linearità è eccezionale, il ROS è addirittura eccezionale, se paragonato a quanto visto sopra.

Una scelta perfetta dei componenti più indicati, ed una costruzione impeccabile.

Per chiarire quest'ultimo punto, ho collegato due Balun 4132 in serie e rovesciati tra loro in modo da eliminare la rete di adattamento (ho riportato l'uscita a 50 ohm).

Ho dovuto amplificare la scala, sennò avremmo avuto tutte le rette sovrapposte al centro e non si capiva nulla.

Il ROS causato da DUE balun va da 1,05 a 1,10!

E l'attenuazione?  va da -0,00 db a -0,10 db... praticamente non misurabile...

L'impedenza va da 50,62 a 52,21 Ohm!

 

Conclusione: E' talmente lineare, ed ha una perdita di inserzione così bassa che ho dovuto amplificare le scale pur di vedere qualcosa di significativo!

 

Per finire, quella che io chiamo la "galleria degli orrori"...