253-255.pdf

ANTENNEN

Betrachtungen über Balune (1)

Spannungs-,Strom-

oder Hybrid-Balun?

Hans-Joachim Brandt, DJ1ZB

Hühnerleitergespeiste Antennen sind bei Funkamateuren nach

wie vor sehr beliebt, vor allem wegen ihrer Mehrbandigkeit auf

Kurzwelle und ihrer geringen Beeinflussung elektronischer

Geräte in der Umgebung. Besonders der zweite Grund verlangt

einen möglichst symmetrischen Betrieb der Hühnerleiter, aber

wie man dies am besten erreicht, wird immer noch kontrovers

diskutiert.

Den Autor

erreichen Sie unter:

Hans-Joachim

Brandt, DJ1ZB

Eichenweg 7

84160 Frontenhausen

dj1zb@darc .de

inige finden den alten Span-

nungsbalun für ausreichend, an-

dere schwören auf den Stromba-

lun, wieder andere halten nur das kom-

plett symmetrisch ausgeführte Anpass-

gerät für geeignet. Aber selbst bei de-

nen zeigte eine Kontrolle der Symme-

trie bereits, dass sie nicht immer erfül-

len, was man von ihnen erwartet.

Um mir diese konträren Meinungen zu

erklären, wollte ich das Thema zunächst

mit einem Computer-Simulationspro-

gramm untersuchen. Solche Programme

müssten ja alle derzeit bekannten Er-

kenntnisse und Regeln der Elektrotech-

nik enthalten und würden mir mehr all-

gemeingültige Hinweise liefern als per-

sönliche Erfahrungen einzelner. Schon

1984 hatte ich im QRL das Programm

„Supercompact“ der damaligen Fa. Com-

pact Software kennen gelernt. Heute

steht mir der auch schon betagte „ARRL

Radio Designer“ zur Verfügung, eine ab-

gespeckte Version von Supercompact auf

zwei 1,4-MB-Disketten, entstanden in

Zusammenarbeit der ARRL mit dem da-

maligen Präsidenten von Compact Soft-

ware, Prof. Dr. Ulrich Rohde, DJ2LR.

Auch mit diesem Programm lassen sich

Schaltungen für die Antennenanpassung

und für Baluns simulieren, und ich war

gespannt, welche Ergebnisse ich erhalten

würde.

gleich die Schaltung in der bekannten T-

Form in die Testschaltung Bild 1 mit ein-

bezogen. Der ARRL Radio Designer kann

nur mit asymmetrischen Quellen und

Lasten arbeiten und kennt zwei Arten

von Übertragern. So dient der Typ „TRF“

hier mit dem Übersetzungsverhältnis 1:1

einmal zur Einkopplung der an BNC2 an-

liegenden asymmetrischen Last als sym-

metrische Last für den Balun (als idealer

Übertrager, ohne Angabe einer Indukti-

vität) zwischen den Punkten P1 und P2.

Auch für den mit „T-ISN“ bezeichneten

Übertrager genügt ein TRF. Das T-ISN

stammt aus der drahtgebundenen Nach-

richtentechnik und eignet sich auch hier

ausgezeichnet zum Bewerten der Sym-

metrie am Ausgang des zu testenden Ba-

luns zwischen P1 und P2. Die asymme-

trische Impedanz der Messanordnung, al-

so die Leiter P1 und P2 parallel geschaltet

gegen Masse gerechnet, wurde am Aus-

gang BNC3 stets als ¼ der an BNC2 lie-

genden Last gewählt. Nur so konnten vor

allem beim niederohmigen Lastwider-

stand von 50 " sinnvolle Ergebnisse er-

zielt werden. Die zu testenden Baluns da-

gegen werden mit dem Übertragertyp

„MUI“ dargestellt. Bei ihm kann man eine

Induktivität eingeben und einen Kopp-

lungsfaktor zwischen den Spulen. Wie

bringt man nun eine solche Testschaltung

zum Laufen? Zunächst muss man ein Pro-

gramm schreiben, das den Messaufbau

beschreibt und mit welchem Ziel die va-

riablen Elemente des Anpassgerätes opti-

miert werden sollen. Dazu gehört, dass

der Quellwiderstand 50 " beträgt, wel-

che Durchgangsdämpfung und Rückfluss-

dämpfung bei der Testfrequenz ange-

strebt wird und in welchen Einheiten an

den Ausgängen gemessen werden soll.

Das bleibt für alle Untersuchungen

gleich. Für jede Untersuchung extra ein-

geben muss man den Testfrequenzbe-

reich und die Lastwiderstände am Aus-

gang BNC2 und BNC3. Bei Hühnerlei-

Literatur und Bezugsquellen

[1] www.elektronikschule.de/

~krausg/Kraus_Publications/

publication.html

[2] QST 8/81, S. 51

[3] Jerry Sevick, W2FMI:

„Transmission Line Transformers,

fourth edition”, Page 11-1, SCITECH

PUBLISHING, INC; Raleigh, NC, USA

[4] h ttp://fermi.la.asu.edu/w9cf/

articles/balun.pdf

[5] Andrew Roos, ZS1AN: „A Better

Antenna-Tuner Balun”, QEX 9/05,

10/05

[6] www.qsl.net/zs1an/

[7] www.dx-wire .de

[8] RK1 und RK3 sind Ringkerne aus

dem Ferrit 4W620 und werden vom

DARC-Verlag als EMV-Ringkerne ver-

trieben

[9] Unter www.wuerth-elektronik.de

sind nähere Daten dieser Ringkerne

zu finden: Der RK1 unter „Ferrithül-

se“; Typ 74270097 aus dem Nickel-

Zink-Material 4W620; # = 620; A L -

Wert 852 nH/w 2 . Der kleinere RK3 un-

ter „Ferritring“; Typ 7427015, Materi-

al 4W620, A L -Wert 730

[10] Dieses Material 4W620 wird seit

einiger Zeit auch auf der Webseite:

www.wolfgang-wippermann.de für

Strombaluns empfohlen

[11 h ttp://radioworks.com/

cremote.html

[12] www.radioworks.com/ccoax.html

Testschaltung mit

asymmetrischem Anpassgerät

Da die infrage kommenden Baluns in der

Praxis ohnehin mit einem Anpassgerät

zusammen arbeiten müssen, wurde

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CQ DL 4-2009

ANTENNEN

T4 (Manuskriptnummer)

tern kommen ja an BNC2 Werte zwi-

schen etwa 50 " und durchaus 5000 "

vor. Dann kann man eine Optimierungs-

funktion des Programms nutzen, mit de-

ren Hilfe sich die Abstimmelemente des

Anpassgerätes so einstellen, dass der ein-

gegebene Lastwiderstand, wie bei einem

automatischen Tuner, optimal angepasst

wird. Danach gibt man ein, was an wel-

chen Ausgängen gemessen werden soll

und in welcher Form. Das Programm

stellt dann z.B. für unsere Interessen die

Durchgangsdämpfung und die Rückfluss-

dämpfung (eine andere Bewertung für

das SWR) zwischen Eingang und Aus-

gang des Anpassgerätes einschließlich des

zu testenden Baluns dar sowie die Sym-

metriedämpfung zwischen Eingang und

dem Ausgang BNC3, alles in Form ver-

schiedenfarbiger Kurven auf einem in

Frequenz und dB geeichten Diagramm.

Das liest sich zunächst alles recht kompli-

ziert, und es braucht auch seine Zeit, bis

man sich in so ein Programm genügend

eingearbeitet hat. In Forschung und

Industrie arbeitet man mit derartigen Me-

thoden schon seit längerem recht intensiv

und spart bei der Entwicklung viele Ver-

suche und damit Zeit und Geld. Wer da-

rüber näheres wissen möchte, sei an [1]

verwiesen. Uns soll hier vor allem interes-

sieren, welche Aussagen zu welchem Ba-

luntyp man mit solchen Simulationen ge-

winnen kann.

soll der Blindwiderstand X L der Wicklung

auf der tiefsten zu übertragenden Fre-

quenz mindestens vier Mal so hoch sein

wie die anzupassende Impedanz Z. Denn

erst bei dem Verhältnis X L /Z = 4 ist das

SWR auf der tiefsten Frequenz mit einem

Wert von 1,1 ausreichend niedrig, bei

X L /Z = 3 beträgt es noch 1,39. Zu höhe-

ren Frequenzen hin ist diese Anpassung

breitbandig, bis die Wicklungskapazität

eine obere Grenze setzt.

Wollten wir dieses Rezept auf den Span-

nungsbalun übertragen, kämen wir ins

Schwimmen. Abgesehen davon, dass ein

Blindwiderstand vom Vierfachen von

5000 " ein extrem hoher Wert wäre, ha-

ben wir es bei der Impedanz am Ende ei-

ner Hühnerleiter nicht mit einem festen

Ohmwert zu tun, sondern mit nicht defi-

nierten Impedanzen, die je nach Anten-

ne, Frequenz sowie Typ und Länge der

Hühnerleiter zwischen etwa 50 " und

5000 " variieren können. Außerdem

können noch Blindwiderstände vorhan-

den sein, aber die lassen sich mit dem An-

passgerät in der Regel kompensieren; die-

ses Problem wurde daher nicht extra un-

tersucht. Im Gegensatz zur üblichen An-

wendung eines Übertragers braucht die

Anpassung einer Antenne auch nicht

breitbandig zu sein, denn sie wird ja mit

dem Anpassgerät und dem Balun auf die

Sendefrequenz abgestimmt.

Die Dimensionierung des Spannungsba-

lun für nicht definierte Impedanzen

ähnelt der von Röhrenendstufen mit Pa-

rallelschwingkreis im Ausgang. Die PA

möge einen Arbeitswiderstand von 5000

" haben. Üblicherweise wählt man eine

Schwingkreisgüte von 10. Die Spule er-

hält dann einen Blindwiderstand von 500

" ; daraus wird für jedes Band die

benötigte Induktivität errechnet. Beim

Spannungsbalun zum Anpassen von

Hühnerleitern geht man ähnlich vor.

Nehmen wir 5000 " als hochohmigste

Belastung durch die Hühnerleiter und las-

sen für den Balun auf der tiefsten Fre-

quenz eine Güte von 10 zu, muss der Ba-

lun ebenfalls einen Blindwiderstand von

500 " haben. Wird die Hühnerleiter nie-

derohmiger, wird auch die Güte niedriger.

Auf den höheren Bändern steigt der

Blindwiderstand der Balunspule und die

Güte sinkt ebenfalls, denn im Gegensatz

zur PA wird die Induktivität des Span-

nungsbaluns ja nicht umgeschaltet.

Aus dem errechneten Blindwiderstand

von 500 " ergibt sich bei 1,8 MHz für

den Spannungsbalun eine Induktivität

von 44 µH. Ist die tiefste Betriebsfre-

quenz für die Antenne 3,5 MHz, genü-

gen 22 µH. In industriell gefertigten An-

passgeräten findet man aber auch Span-

nungsbaluns mit wesentlich kleineren In-

duktivitäten, bis herunter zu 10 µH. Die-

se Induktivität liegt parallel zur Hühner-

leiter. Am Anpassgerät liegt bei einem tri-

filar gewickelten 1:1-Balun die gleiche In-

duktivität, bei einem bifilar gewickelten

1:4-Balun ¼ dieses Wertes.

Bei einem flexiblen Anpassgerät ist es im

Grunde egal, ob man einen 1:1- oder ei-

nen 1:4-Balun benutzt. Mir ist aber ein

Fall eines automatischen Anpassgerätes

bekannt, dessen gesamte, als L-Glied ge-

schaltete Spulenkette von 20 µH auf 80

m nur einen Realteil bis maximal 2000 "

anpassen kann (auf 160 m nur 1000 " ).

Die zur Verfügung stehende Antenne hat-

te aber auf 80 m in Parallelschaltung ge-

sehen einen Realteil von etwa 4000 " .

Daher funktionierte ein 1:4-Balun, ein

1:1-Balun nicht mehr. Zudem muss ein

auf einen höheren Realteil abgestimmtes

Anpassgerät mit höherer innerer Blind-

leistung arbeiten; das verringert die Band-

breite der Abstimmung und verursacht

höhere Verluste. Insofern dürfte der 1:4-

Balun generell die günstigere Lösung

sein; das Abstimmgerät würde mit weni-

ger Blindleistung arbeiten, folglich wäre

auch die Bandbreite der Anpassung

größer. Außerdem benötigt die bifilare

Wicklung weniger Wickelraum als die tri-

filare.

Für Zweifler und Praktiker ist auch inte-

ressant zu erwähnen, dass der Spannungs-

balun nicht nur ohmsche Widerstände

transformiert, sondern auch Kapazitäten.

Man braucht nur in einem Experiment

die eine Hälfte eines 1:4-Spannungsbaluns

mit einer Kapazität zu beschalten, dann

kann man mit einem normalen Kapa-

zitätsmesser die resultierende Kapazität

auch auf der anderen Balunhälfte messen!

Diese resultierende Kapazität hängte

natürlich ab vom Wert des Kondensators

selbst, von der Induktivität des Baluns und

von der Frequenz, mit dem der Kapa-

zitätsmesser in diesem Falle misst. Ich ha-

Spannungsbalun

Meine erste Anregung zum Spannungs-

balun für die Speisung unserer Delta Loop

im Fieldday von C13 fand ich in [2]. Heu-

te hat er einen schlechten Ruf, nicht un-

bedingt gerechtfertigt, wie sich zeigen

wird. Dazu kommt, dass manche OMs

immer noch Schwierigkeiten mit dem

Verständnis seiner Funktion und seiner

Dimensionierung zu haben scheinen. Be-

kannter ist der Entwurf von Übertragern

für definierte Impedanzen, also für einen

bestimmten Wellenwiderstand oder eine

bestimmte ohmsche Belastung. Bei ihnen

Bild 1:

Balun-Testschaltung

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CQ DL 4-2009

ANTENNEN

be das einmal mit meinem LC-Meter IIB

von AADE probiert. Der Spannungsbalun

lässt also die Ausgangskapazität eines

asymmetrischen Anpassgerätes symme-

trisch an beiden Anschlüssen der Hühner-

leiter wirken!

Die Simulation eines 1:4-Spannungsba-

luns am Ausgang eines asymmetrischen

Anpassgerätes mit einer Gesamt-Indukti-

vität von 10…44 µH ergibt in der Test-

schaltung eine sehr gute Symmetrie-

dämpfung (>50 dB) im gesamten Kurz-

wellenbereich; sie ist sogar praktisch un-

abhängig davon, ob der Lastwiderstand

hoch- oder niederohmig ist! Erst wenn

der HF-Querstrom durch den Balun oder

seine Güte zu gering wird, leidet auch die

Symmetrie. Der Querstrom ist natürlich

frequenzabhängig und auf dem tiefsten

Band am höchsten. Trotzdem arbeitet die

hier für das unterste Band beschriebene

Dimensionierung des Spannungsbaluns

auch noch im 10-m-Band einwandfrei.

Trotz all dieser Vorzüge hat der Span-

nungsbalun für die Speisung von Hühner-

leitern einen gravierenden Nachteil: Un-

symmetrische Belastungen verträgt er

überhaupt nicht; die Ausgangsströme

werden dann entsprechend ungleich.

Gleichtaktströme durch Einstrahlung von

der Antenne auf die Hühnerleiter kann er

ebenfalls nicht abdrosseln. Seine Indukti-

vität für Ströme, die auf beiden Leitern in

gleicher Stärke von der Antenne zum An-

passgerät fließen, würde sich zu Null

kompensieren!

zelnen bifilaren Wicklung auf dem Über-

tragerkern (egal ob man sie parallel ge-

schaltet misst oder jeden Draht einzeln).

Das Ergebnis mag viele überraschen,

denn von einer solchen Dimensionierung

war meines Wissens bisher nirgends kon-

kret etwas zu lesen. Aber schon rein in-

tuitiv wird vielleicht folgende Erklärung

verständlich: Bei guter Symmetrie liegt an

der Wicklung eines 1:1-Strombaluns die

Hälfte seiner Eingangs- und Ausgangs-

spannung. Bei hochohmigerer Last muss

auch diese Wicklungsspannung mit an-

steigen können, und das bei geringem

Strom. Daher werden dann mehr Wick-

lungen benötigt oder eben eine höhere

Induktivität.

Die Induktivität eines Strombaluns muss

also mit der Höhe des Lastwiderstandes

„wachsen“, um die Symmetrieforderung

zu erfüllen. Diese Bedingung wird leider

auch in [3] nur in recht allgemeiner Form

ausgedrückt, dass die Wicklung die Spei-

sequelle und die Last „ausreichend“ von-

einander entkoppeln müsse. Es genügt al-

so nicht, einen Strombalun für 50 " zu

dimensionieren, wo man noch gut mes-

sen kann, um dann anzunehmen, er

werde ebenso gut bei 1000 " oder gar

5000 " arbeiten.

An sich kann man Strombaluns auch oh-

ne ein Anpassgerät simulieren, weil bei

ihnen im Gegensatz zum Spannungsba-

lun keine Parallelinduktivität zu kompen-

sieren ist. Aber dabei zeigen sich Schwie-

rigkeiten, die in der Praxis kaum zu über-

winden sind. Denn nach der Anschau-

ung, beim Strombalun handele es sich

um eine aufgewickelte symmetrische HF-

Leitung, sollte eigentlich der Wellen-

widerstand der bifilaren Wicklung dem

geometrischen Mittel aus Eingangs- und

Ausgangsbelastung entsprechen. Diese

Forderung kann beim Bau von Baluns für

die Speisung von Hühnerleitern gar nicht

erfüllt werden, da diese für eine Frequenz

oder Antenne niederohmig und für eine

andere höherohmig ist und der Wellen-

widerstand des Baluns jedes Mal angepas-

st werden müsste. Beim 1:4-Strombalun

kommt noch hinzu, dass die am Ausgang

miteinander verbundenen „mittleren“

Spulen bei falscher Eingangs- und Aus-

gangsbelastung in den Wicklungen zu un-

symmetrischen Strömen führen. Der 1:1-

Strombalun kennt dieses Problem nicht.

Bei der Simulation mit dem ARRL Radio

Designer kann man den Wellenwider-

stand der Balunwicklung nicht einge-

ben, nur den Koppelfaktor der Spulen.

Aber zweierlei fällt dabei auf: Ohne An-

passgerät muss man den Koppelfaktor

extrem eng machen (k = 1), damit die

Anpassung gut wird. Mit Anpassgerät

besteht diese Notwendigkeit nicht so

streng; das Anpassgerät stimmt zwar et-

was anders ab, aber für die Abstimmfre-

quenz wird immer (auch beim 1:4-

Strombalun) eine genügend hohe Rück-

flussdämpfung erzielt. Offensichtlich

hilft das Anpassgerät dabei für eine gute

Anpassung des Balunweges mit (eventu-

ell durch Beeinflussung der Kapazität

zwischen den Wicklungen), auch wenn

dessen Wellenwiderstand nicht immer

den Regeln entspricht. Allerdings leidet

bei kleinerem Koppelfaktor die Symme-

triedämpfung; sie kann aber bis zu ei-

nem gewissen Grade mit einem Strom-

balun höherer Induktivität wieder aus-

geglichen werden.

Die Simulationsergebnisse mit den hohen

Induktivitäten für Hühnerleitern mit

höheren End-Impedanzen lassen befürch-

ten, dass die unvermeidliche Wicklungs-

kapazität in den Strombaluns auf den obe-

ren Bändern zu Eigenresonanzen führt

und dass man dann auf einen Balun nied-

rigerer Induktivität umschalten muss. Ein

mir bekanntes asymmetrisches Anpass-

gerät enthält als Ausgangsbalun einen

1:4-Guanella mit Induktivitäten von

45 µH; nach der Tabelle erscheint das bei

tiefen Frequenzen für mittlere Impedan-

zen noch knapp, aber für höhere Bänder

schon durchaus geeignet.

(wird fortgesetzt)

Bild 2:

Balun-vorn-

Testschaltung

Strombaluns

Der Nachteil des Spannungsbaluns hat

den Strombalun ins Spiel gebracht. Ihn

gibt es meist in Form von 1:1- und 1:4-Ba-

luns. Ihr Verhalten ist ganz anders. Bei

der Simulation genügt es, ihre Symmetrie

auf der niedrigsten Arbeitsfrequenz zu be-

urteilen, für Amateurfunkzwecke also bei

1,8 MHz. Bei höheren Frequenzen ist die

Symmetrie immer besser, solange die

Wicklung für die Arbeitsfrequenz noch

als Induktivität arbeitet und die Wick-

lungskapazität nicht stört. Die Tabelle

zeigt die Ergebnisse der Simulationen. Zu

bestimmen war die erforderliche Balunin-

duktivität für eine Symmetriedämpfung

von 20 dB und 30 dB, entsprechend 10:1

und etwa 30:1, in Abhängigkeit von der

zu symmetrierenden Last. Eine Symme-

triedämpfung von 10:1 dürfte man mit

bloßem Auge an zwei in die Hühnerlei-

tung eingefügten Glühbirnchen gerade

noch erkennen, die Werte für 30:1 sind

mehr von grundsätzlichem Interesse. Die

angegebene Induktivität ist die einer ein-

Tabelle:

Theoretisch bei

1,8 MHz erforderli-

che Induktivitäten

von Strombaluns

in Abhängigkeit von

der Last. Liegt die

tiefste Frequenz

höher, genügen

entsprechend klei-

nere Induktivitäten

Tabelle

Lastwiderstand 1:1-Guanella 1:4-Guanella

Symmetriedämpfung

20 dB (10:1) 30 dB (30:1) 20 dB (10:1) 30 dB (30:1)

50 "

9 µH 30 µH 7 µH 30 µH

500 "

100 µH 350 µH 100 µH 350 µH

5000 "

1000 µH 3500 µH 1000 µH 3500 µH

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