Hur mäta korrekt på en unun/balun med nanovna?

[SA7ELF]

Har börjat hitta tillbaka till mina projekt efter en tid med massa andra projekt och jag har återuppsökt un-balen jag tänkte ha till min loop-antenn. Jag fick hem några T68-2 järnpulverkärnor häromdagen och har lindat på lackisolerad koppartråd som jag tvinnat, väl medveten om att järnpulverkärnan inte kommer tillåta något bredare frekvensområde och att de tvinnade koppartrådarna har helt fel impedans.

När jag ska mäta upp un-balen med mina nanoVNA inser jag att det går att koppla in DUT på lite olika sätt och de ger extremt olika mätvärden. (jag tog ingen bild på kopplingen när den var inkopplad "i fas" men det är bara att skifta krokodilerna till höger i bild)

Eftersom nanoVNA har gemensam jord antar jag att det är till stor del och mina undermåliga och långa mätkablar som ställer till det för mig men kan man anta att mätningen som är gjord med krokodilerna för jord ihopkopplade är det som bäst stämmer överrens med verkligheten även om jag i slutändan, när den är kopplad till min antenn INTE kommer ha jorden ihopkopplad? Jag önskar ha antennen galvaniskt skild från min radio mha transformatorn.

 

[SM0GLD]

Du kan mäta på två sätt beroende på vad du vill veta om din transformator.

1. Mät reflektion med din transformator avslutad med en 50ohm konstlast.
Transformatorn ansluts då till en port, DUT, på din VNA och mät hur bra anpassning din transformator ger vid 50ohms belastning över ett frekvensområde.
2. Mät transmission. Transformatorn ansluts då mellan VNA´s båda portar. Med denna metod kan du mäta förlust i överföringen mellan primär och sekundär. Detta vid 50ohms belastning.

Om transformatorn består av tvinnade trådar skall samma ände jordas på båda sidorna.
Långa mätkablar blir alltid ett problem på högre frekvenser.
Din nanoVNA skall ju kalibreras före mätning. Denna kalibrering skall då ske i referensplanet dvs i änden på dina krokodilklämmor.
För att detta ska fungera impedansmässigt måste du hålla dina mätkablar på samma avstånd från varandra under hela kalibreringsrutinen och därefter får du inte flytta kablarna vid kommande mätningar. Detta blir givetvis ogörligt så jag rekommenderar att du löder på lämpliga kontakter på din transformator så du kan ansluta den direkt till din nanoVNA med kortast möjliga kablar.

 

[SA7ELF]

Tack för svaret. Det låter som att den mätkurvan utan någon skarp dip strax under 14MHz är den som närmast stämmer med det man kan förvänta sig när den sitter ansluten mot min antenn. Jag rotade fram en litem mätjig jag fått låna av en vänlig klubbkompis vilket gjorde att jag kunde bli av med mina långa mätkablar.

Eftersom jag kan korrigera impedansen i matningen av loopen är jag mindre bekymrad över reflektionen i det här skedet. Jag ville främst se ifall det gick att få till en un-bal på en såpass liten kärna av järnpulver som gick att använda på främst 80m men gärna 40 och kanske tom 20m och det verkar fungera. Den ligger på runt -0,5dB på alla de banden. På 20m börjar loopen bli såpass effektiv att -0,64dB inte gör mig särskilt mycket. Det är på 80m det är mest kritiskt.

Förhoppningen är att den ska klara mina knappa 6W ut och det tror jag att den här kärnan gör men jag har inte testat den i verkligheten än. Får se ifall det blir någon värme att tala om när man kör lite wspr eller andra digital moder under lite längre tid. Wspr sänder ju under 2 min så jag tänker att om wspr fungerar så bör annat oxå göra det.

 

[SM0AOM]

En järnpulvertoroid T68-2 är en på tok för liten kärna för att få till en användbar magnetiseringsinduktans med ett rimligt antal varv. Min uppskattning är att c:a 20 varv av tvinnat par får rum i kärnan, vilket ger en magnetiseringsinduktans av endast 3 µH. Detta är för litet för att kunna åstadkomma en balunverkan.

Det framgår inte heller vad du tänkt dig för koppling hos transformatorn, om den ska vara en fluxkopplad fulltransformator, eller en transmissionsledningstransformator. Detta har en avgörande betydelse för dimensioneringskraven.

 

[SA7ELF]

Nu blev det lite överkurs för mig. Det jag vill åstadkomma är en magnetisk koppling mellan min loop-antenn (som jag INTE kopplar magnetiskt med en mindre loop utan elektriskt via ett par byglar) och koaxialkabeln från radion. Min tanke var ett göra om koaxens obalanserade signal till balanserad via den liten unbal.

I början kopplade jag koaxialkabeln direkt till loopen vilket fungerade bra det med men jag tyckte det kändes mer rätt att balansera signalen innan anslutning mot loopen.

Plus att jag vill lära mig mer om HF/RF-transformatorer. Jag försökte linda en 49:1 un-un på en -43-kärna i somras men fick inga vettiga värden så jag fortsätter än så länge att experimentera med -2 och -14 järnpulver-kärnor. Jag känner att jag fortf har alldels för dålig förståelse för flux, induktans, dämpning av common mode etc så jag experimenterar lite när andan faller på och försöker förstå och dra slutsatser så gott det går så jag är mycket tacksam för alla era svar.

En av slutserna jag trodde jag kunde dra av vna-mätningen här var att den var användbar från ca 3,4MHz upp till ungefär 14MHz men är så inte fallet?

 

[SM0GLD]

ca 10µH behövs för att Xl ska nå 200ohm@3,5MHz. Tumregeln säger att Xl bör vara minst 4 X Z (50ohm x4=200)
Detta betyder att du måste linda 2X42 varv på den kärnan.
Järnpulverkärnor är direkt olämpliga för detta ändamål, det blir på tok för mycket tråd.
Ferrite använder man till bredbandstransformatorer.
Järnpulverkärnor fungerar bra i avstämda kretsar.

Men det var ju inte det det hela handlade om utan hur man mäter.
Dimensionering är ju en sak och mätning en annan.

 

[SM0AOM]

En NanoVNA-mätning säger väldigt lite om egenskaperna hos en balun, eftersom man inte får reda på common-mode impedansen eller det relativa fasläget hos utgångarna. Båda dessa har ett stort inflytande på hur balunen kommer att fungera i praktiken. När magnetiseringsinduktansen dessutom är för liten så finns det en parallellreaktans som kommer att påverka mätvärdena påtagligt. Den behöver normeras bort om man ska kunna ha en uppfattning om egenskaperna.

Genom att mäta impedansen mellan anslutningarna hos utgången och den terminal på ingången som man utnämnt till "jord" går det att få en grov uppskattning av common-mode impedansen. Den bör vara minst 4 ggr lastimpedansen för att balunen kan anses vara användbar.

 

[SA7ELF]

Jag tror jag är med på grundidén med att t.ex. linda koax-kabel runt en ferrit-kärna för att göra om den obalanserade signalen till balanserad och att det då krävs minst 4x högre dämpning av common mode än den impedans matningskabeln har, men i det här fallet borde väl inte det krävas ifall man ser det som en 1:1 transformator med galvaniskt separerad primär och sekundärlindning? Om man driver primären med en obalanserad signal från en koax och sedan har ett balalnserat antennsystem anslutet till sekundären behövs väl ingen CM-dämpning alls i stort sett?

 

[SM0AOM]

Då är det fråga om en "fluxkopplad" transformator. En sådan är helt beroende av en tillräckligt hög magnetiseringsinduktans, när den är blir för låg verkar lindningarna som kortslutningar över signalerna.

En fluxkopplad transformator har i teorin en oändligt hög CM-impedans, men i praktiken så försämras den av
strökapacitanserna mellan primär och sekundärlindningarna.

Jag skulle rekommendera att du läser på en del om grundläggande elektromagnetisk fältteori, speciellt Faradays induktionslag och transformatorformeln (avsnitten 1.4, 2.4 och 3.1.8 i KonCEPT-boken), samt grunderna i elkretsteorin. Utan en sådan underbyggnad blir verkningssätten hos baluntransformatorer helt obegripligt.

 

[SM0GLD]

Om du har för låg magnetiseringsinduktans (primär induktans) så har du i praktiken en induktans paralellt med din transformator.
Denna induktans måsta vara "tillräckligt hög" för att du inte ska "se" denna induktans.
Du vill ju se impedansen som ligger på transformatorns sekundärsida och själva transformatorn ska ju vara "osynlig"

 

[SA7ELF]

Nu börjar jag förstå lite mer. När jag började ge mig på det här med transformatorer insåg jag att det behövdes en viss mån av induktans för att saker skulle börja hända. Ett varv primärt och ett varv sekundärt blir rent matematiskt 1:1 men kommer bara ses som en ren kortis men finns det här någon tumregel eller formel? SM0GLD skrev att 10uH var minimum för att uppnå en induktiv reaktans vid 3,5MHz på ca 200 Ohm, men jag trodde det primärt hade med common mode-dämpning att göra?

 

[SM0AOM]

Man kan börja försumma inflytandet av magnetiseringsinduktansen när dess reaktans är minst 5 gånger större än impedansnivån som lindningen arbetar mot. En nättransformator har ofta ännu större induktans för att hålla ner tomgångsförlusterna. Transformatorkonstruktion är en balansgång mellan motstridiga krav på frekvensgång och förluster.

Ofta gör man så att den största fluxtätheten som kärnan tillåter blir dimensionerande, och man väljer ett tillräckligt stort antal lindningsvarv för att med viss marginal hålla sig under det maximala flödet när transformatorn är obelastad på sekundärlindningen.

 

[SA7ELF]

En liten sidofråga som inte riktigt har med rubriken att göra: Påverkar stackning av flera toroid-kärnor antalet varv som behövs? Till en början trodde jag det så jag beställde 5st T68-kärnor men sedan läste jag någonstans att det enda som påverkar är antalet varv, men om induktansen ökar vilket jag är rätt säker på att den gör så borde det ju även innebär att man kan påverka antalet erforderliga varv med antingen större kärna, eller om man som i mitt fall har ont om utrymme stacka ett flertal kärnor. Eller är jag helt ute å cyklar nu?

 

[SM0UAN]

Det finns ju en mängd olika sätt att betrakta och beskriva RF-transformatorer, har jag till slut förstått. I vissa fall beskriver man lindningarna som transmissionledningar och därmed skull man inte kunna jobba med varvtalsomsättning på "normalt" sätt, andra beskriver en RF-trafo som en "klassisk" trafo, med speciella krav. Man har ju lite extra problem med läckinduktans och kapacitans inom och mellan lindningarna, exempelvis. Jag har roat mig med en del försök och det är svårt att få till konsekventa värden över stora frekvensområden. Jag använder ringar av material 43 för att kunna linda få varv och ändå få induktans som räcker till. Sen kommer problemen med vilken lindningslayout som är bäst och hur långt man kan gå med impedansomsättningen och ändå ha bra effektöverföring. Det finns nån sida (som jag tappat länken till) där en person har mängder med texter om just RF-trafos/baluner. Just detta med benämningsmystiken gör ju inte det hela lättare heller - i många fall tycker jag mig se ordet "balun" när det är fråga om en anpassningstrafo.

 

[SM0AOM]

Ferritmaterial som 43 är inte avsedda för fluxkopplade transformatorer på höga frekvenser,
primärt därför att de har ganska höga förluster och dessutom ett olinjärt magnetiseringsförlopp med åtföljande
hysteresförluster.

Att åstadkomma transformatorer som ska fungera i stora frekvensområden och kanske även ha stora impedansomsättningar är ett svårt navigerande bland motstridiga krav.
För att få till bra resultat blir det nödvändigt att förstå grundläggande samband om den magnetiska kretsen.

Sedan är det många radioamatörer (de flesta?) som sätter likhetstecken mellan "HF-transformator" och "balun".

 

[SM0GLD]

men om induktansen ökar vilket jag är rätt säker på att den gör så borde det ju även innebär att man kan påverka antalet erforderliga varv med antingen större kärna, eller om man som i mitt fall har ont om utrymme stacka ett flertal kärnor. Eller är jag helt ute å cyklar nu?

Du kan stacka flera kärnor och vinna i induktans men aldrig så mycket som du vinner genom att använda ferrite.
Det du vinner är effekttålighet.

 

[SM6GXV]

Det finns ett antal bra nerladdningsbara .PDF'er som beskriver tekniken
med transmissionsledningstransformatorer mm.

Exvis

Transmission Line Transformer Handbook (W2FMI)

Designing Wide-band Transformers for HF and VHF Power Amplifiers (N7ZWY)

 

[SA7ELF]

Så för att summera och återvända till rubriken: är det så här man ska koppla om man vill mäta en balun eller liknande mha en vna?


Och är det något annat än nivån på signalen man får in på port S21 man ska kika på? Fasläge eller annat t.ex?

 

[SM0GLD]

Har man flera utgångar på sin trafo så kan man jämföra fasvridningen.
I första hand ger S21 insertion loss och har man transformatorer med en omsättning högre än 1:1 så kan det vara praktiskt att mäta två sådana transformatorer "back-to-back"
Annars anser jag att S11 ger svar på det nödvändigaste.

Mini-Circuits har bra info ang mätning av rf transformatorer.
AN20-001

 

[SA7ELF]

Jag vet att alla säger att material 2 inte fungerar för det jag vill göra men ALLA mina mätningar tyder på att det fungerar. Jag har en insertion loss på omkring 0,5dB över det spann jag önskar använda transformatorn/balunen på och när jag nu lite snabbt kopplade in ett 50Ohms-motstånd på ena lindningen och sedan kikade på impedansen i S11 där den andra sidan är inkopplad går det från ca 48 till 63 Ohm vilket jag utan bekymmer kan korrigera i matningen av min antenn. Vad är det jag missar?