Hur mäta korrekt på en unun/balun med nanovna?

[SM0AOM]

Sena tiders barn vet inte vad de gått miste om.


GR 874-LBB ($800) och HP805C ($525) "slotted lines". Bör ej saknas i något hem.




Att mäta upp belopp och fasvinkel hos impedanser med användning av sådana var laborationsuppgifter i Mikrovågsteknik en gång i tiden...

 

[SM0GLD]

Fina grejer du har att leka med.
Man blir sjuk av avund

 

[SM0GLD]

Här lite mätdata på den lilla transformatorn med rörkärnor.
Den består av två st. typ -43 rör. Längd 20mm, yd 12mm, id 3.5mm.
Lindad med 2x 2varv otvinnade trådar. Induktansen är 19µH.





Detaljerade mätdata finns i bifogade pdf filer.

 

[SM0AOM]

Båda mina slotted-lines kommer ur "hyllrensningar".
Hade inte hjärta att se dem gå i återvinningen, och dessutom var det ganska roligt att vara "labassistent" i Mikrovågsteknik en gång i tiden...

Att mäta upp en impedans och plotta den korrekt i Smith-diagrammet (först rita SWR-cirkeln, sedan bestämma
om lasten var kapacitiv eller induktiv och slutligen själva fasvinkeln) tog inte fullt 1/2 timme för en frekvens.





Man kan bara föreställa sig hur lång tid frekvenssvepta mätningar skulle ha tagit.

 

[SM7NTJ]

Att diskutera mätteknik så en vecka in på det nya året är kul men jag har en fråga.
Blir inte en "slotted line" väldigt dyr och svåranvänd på 7MHz?

Mina elever gör laborationer i ellära där de samtidigt mäter ström och spänning för en krets med blandade reaktiva laster med hjälp av ett två-kanals oscilloskop.

Med lite koll på inkopplingens gemensamma punkt och med hjälp av en isolationstransformator som ser till signalkällans och oscilloskopets jordar hålls separerade brukar de flesta kunna avläsa belopp och beräkna fasläget.

När de i en laboration varierar frekvensen kan de på oscilloskopets skärm se växlingen mellan induktiv och kapacitiv reaktans när kretsens resonansfrekvens passeras.

Ovanstående laborationer görs i spänningsområdet 3 - 5 V och med frekvenser upp till 400Hz.

För att kunna mäta ström med oscilloskopet behöver du koppla in en liten krets som omvandlar en ström till en spänning. I vår uppkoppling använder vi ett litet motstånd i serie med kretsen vi mäter på.

När vi "krämar på" med mer effekt och nätspänning så använder vi mätinstrument som på ett personsäkert sätt samtidigt klarar av att visa spänning, ström och fasläge.

Nåja 50 Hz är ganska lättarbetat.

 

[SA7ELF]

Nu har jag lindat en ny balun för att se lite vad som händer med ungefär samma antal varv fast med större kärna. Jag stackade 4st T68-2-kärnor och lindade på godtyckligt antal varv tvinnad tråd. Jag har bara mätt S11 med ett 50 Ohms motstånd på andra sidan balunen men det känns som att den går lägre rent frekvensmässigt. Det verkar som att slumpen eller ren å skär tur gjorde att den första varianten med en kärna mer eller mindre fullt lindad med mitt tvinnade par ger så bra värden jag kan få med detta material vid önskat frekvensomfång men jag blir inte helt klok på vad det bästa sättet att mäta på är. Jag antar att det även delvis hänger på vilken parameter man värdesätter mest. I mitt fall är det en kompromiss mellan genomgångsdämpning och induktiv reaktans (?).

Om jag tittar på ett Smith-diagram och jämför mina bägge baluner så har en med endast en kärna en "V"-formad kurva medan den med 4 kärnor endast är ett lutande streck "/"



Jag har en T114-43-toroid jag tänkte linda på några varv på för att se hur material 43 beter sig. Jag begriper inte riktigt hur allt fungerar och framförallt inte hur man bör koppla in och mäta med vna för att få fram så nyttig data som möjligt. Det känns som att man är tvungen att koppla in med ena sidan mot S11 och andra sidan mot ett 50 Ohms termineringsmotstånd för att göra en del mätningar och sedan koppla mellan S11 och S21 för att göra ytterligare mätningar och resultaten man får ut får man bedöma utefter vad man mest eftersträvar eller värdesätter. Tvinningen på mina trådar är HELT godtycklig, gjord medelst en vanlig skurvdragare. Sannolikt påverkar tätheten på tvinningen också men jag tänker att det har underordnad betydelse i mitt fall.

 

[SM0AOM]

Blir inte en "slotted line" väldigt dyr och svåranvänd på 7MHz?

"Slotted-line" blir rätt opraktiskt på frekvenser under c:a 400 MHz, utan är mest intressant för att
demonstrera fenomenet "stående vågor". Väldigt få av "Unge Ing. Spoling" har sett en stående våg, utan
det är en ren abstraktion för de flesta.

Men vi som varit med ett tag, som har handlett labbar med "slotted line" och
innan detta dragit en glimlampa eller en lampslinga utefter en transmissionsledning bestående
av parallella trådar, har skaffat oss en intuitiv uppfattning om detta vågmekaniska fenomen.

 

[SA0BUX]

Har ett minne av att vi åtminstone laborerade på mekaniska stående vågor på gymnasiet.

Det fanns en del artefakter i skåpen från 60-talet med olika mikrovågslaborationer där det kan ha förekommit demonstration eller laboration av stående vågor men dom ansågs väl hälsovådliga på 1980-talet.

 

[SM0UAN]

Om man vill göra en impedansanpassning med transformator, så är det väl inte ett krav att linda tvinnat/bifilärt för att uppnå nån viss impedans i själva trådparet man lindar? En flödeskopplad trafo kan, såvitt jag förstår, lindas på klassiskt vis med vanlig linding av primär och sekundär. Att det finns många parametrar att ta hänsyn till vid höga frekvenser är ju helt klart, men för rena försök med kärnor etc är det måhända lika bra att inte trassla för mycket med många varianter samtidigt. Det "ideala materialet" vet inte jag vad det kan vara för nåt, men att det blir obra med väldigt många varv tycks vara nåt många är eniga om - därav att man troligen får bättre resultat med ferritmaterial och lindningar med få varv än med järnpulver och många varv.

Den här sidan tyckte jag gav en del intressant att läsa: https://owenduffy.net/blog/?p=15362

 

[SM0GLD]

Om jag tittar på ett Smith-diagram och jämför mina bägge baluner så har en med endast en kärna en "V"-formad kurva medan den med 4 kärnor endast är ett lutande streck "/"

Mät då från en lägre frekvens så kommer V:ets vänstra flank fram.
Mätningen som visar "/" indikerar att du har högre läckinduktans.

 

[SM0AOM]

Impedansen hos det tvinnade paret är ganska egal så länge
som lindningslängden är "kort" i förhållande till våglängden, en tumregel
är 1/10 våglängd.

För ledningslängder av denna storleksordning får vi en
"lokal diskontinuitet" vars inverkan kan börja försummas.

Transformatorer är, trots att de ser enkla ut, ett svårt och ofta missförstått ämne vilket behöver grundläggande förståelse för den magnetiska kretsen och elkretsteori. Annars blir specifikationer och resultat högst svårtolkade.

VK1OD tillhör de som förstår saken i ganska stor detalj.

 

[SM0GLD]

Det känns som att man är tvungen att koppla in med ena sidan mot S11 och andra sidan mot ett 50 Ohms termineringsmotstånd för att göra en del mätningar och sedan koppla mellan S11 och S21 för att göra ytterligare mätningar och resultaten man får ut får man bedöma utefter vad man mest eftersträvar eller värdesätter

Om din VNA har en korrekt 50 ohm impedans på S21 ingången så kan du alltid koppla in din transformator direkt för tvåportsmätning.
Därefter väljer du själv vad du vill mäta, S11 eller S21.

 

[SA7ELF]

Och priset för mest överambitiösa 1:1 balun går till.... *trumvirvel* ... UNDERTECKNAD!

Har ägnat dagen åt att bygga klart min 1:1 balun för koppla in mellan min loop-antenn och min sändtagare. Om jag räknat rätt fick jag på 27 varv tråd. (Nej man bör/ska inte linda på tråd så att i stort sett hela kärnan är täckt) Den röda lindningen är ansluten till en N-kontakt via några centimeter RG-402. Jag tryckte i en plastbussning för att hålla lindningarna på plats och hålla balunen centrerad kring koaxialkabeln men den fyller ingen egentligen funktion. Jag valde att bygga anslutningarna i mässing än så länge. Får se ifall det blir koppar i framtiden om jag känner att den presterar som jag vill.

Den gröna lindningen är bara fastlödd i några mässingsbrickor som sedan ansluter ut via gängstången.

 

[SA7ELF]

Idag har jag påbörjat ett ambitiöst projekt med att mäta på ett gäng olika järnpulvermaterial för att försöka begripa mig på lite mer hur dessa beter sig. Min primära förhoppning är att hitta ett material som lämpar sig väl för ett eller ett par band i lägre delen av HF-segmentet. Jag har fått prover på följande material: -0, -2, -6, -10, -14 och -17

Jag har börjat med material -0 för att få någon form av baslinje. Jag tror jag lyckats få plats med 28 varv (det är klurigt att räkna varv med så smal tråd när det dessutom är lindat så fullt det bara är möjligt) och har kopplat ihop två kärnor "back-to-back" och mätt av med min nanoVNA. Resultaten var INTE vad jag hade förväntat mig och det blev dessutom markant olika värde beroende vilken fas jag hade. Jag testade att skifta polaritet på ena änden i den filen som heter "phase". Eftersom det är ganska många varv had jag förväntat mig hyffsat bra värden på låga frekvenser och sämre med äkad frekvens men den som jag tror är fasvänd verkar ge lägre genomgångsdämpning ju högre frekvens jag körde. Jag har svept 0,6MHz till 30MHz och filerna är bifogade som text-filer. Ladda hem och döp om till .s2p för att analysera i t.ex. vnasaver.

Jag är väldigt tacksam för att tänkbar input då jag kände att dagens experiment gav fler frågor än svar.

 

[SM0UAN]

Utan att vilja hävda expertkunskaper så undrar jag om den "fasvända" provuppsättningen påverkas av kapacitans mellan närliggande lindningsvarv. Ligger sådana närliggande varv i "motfas" borde man kunna tänka sig att den kapacitans som ändå finns där, får större inflytande i och med större spänningsskillnad.

 

[SM0AOM]

"Mix 0" är inget järnpulvermaterial, utan är en fenolplastmaterial för en spolform
med µr = 1, eller = fria rymden.

Common-mode impedansen blir därför mycket låg, i storleksordningen 2 ohm på
600 kHz och 110 ohm på 30 MHz och dessutom rent imaginär vilket gör det upplagt för resonansfenomen.

Dessutom är permeabiliteten så låg att ett påtagligt läckfält finns runt toroidkärnan vilket
ytterligare förrycker resultatet.

För att en bifilärlindad balun ska kunna arbeta som avsett behöver common-mode impedansen
överskrida minst 4 gånger designimpedansen, alltså 200 ohm.

När common-mode impedansen är så låg så blir det som händer i matningsänden mycket beroende på
det som finns i laständen, bl.a. polariteten. På låga frekvenser kommer reaktansen hos lindningen
vara så låg att den i princip är en kortslutning över utgångskontakten på VNA-n och då slutar balunen att fungera.

Dessutom riskerar den att ha självresonansfenomen på höga frekvenser.

Det är av den orsaken som man gärna använder ferritmaterial till baluner och "common-mode chokes".

 

[SA7ELF]

Nu har jag kommit vidare med lindningar av lite olika kärnmaterial och först ut är material 2 och 14 som ska vara relativt lika men 14 har en högre permeabilitet vilket verkar ge den en liten fördel över hela HF-spektrat jämfört med material 2 men skillnaden är mycket liten - nästintill försumbar.

Jag har ett flertal olika material kvar att mäta på men det är lite pilligt att linda kärnorna.

Jag lindar på 27-28 varv bifilärt på varje kärna och mitt resonemang är att det ger mig den högsta möjliga kopplingsgraden eller signalöverföringen vid den lägsta frekvensen. Antalet varv är det som begränsar egenskaperna uppåt i frekvens men om man lindar av varv för att nå längre upp i frekvens gör man det på kostnad av kopplingsgraden - är det korrekt?

Bifogar s2p-filer för de som är intresserade. Är det något annat jag borde mäta när jag håller på?

 

[SM0AOM]

Om det fortfarande är 1:1 strömbaluner som det handlar om har du nog helt missuppfattat hur en sådan arbetar.

Det förekommer ingen som helst koppling eller transformatorverkan mellan de två trådarna, utan de utgör istället en parallell-ledning som transporterar HF-energin på ledningarnas utsida och i mellanrummet mellan ledningarna. Att den är "upprullad" på en toroidkärna saknar betydelse i sammanhanget. Ström som flyter i den ena riktningen i den ena ledaren skapar ett magnetfält, vilket motverkas av ett lika stort och motriktat som skapas av strömmen i den andra tråden vilken flyter åt andra hållet. Därför påverkas inte genomgångsegenskaperna hos lindningen av lindningen eller kärnan.

Däremot så hindras strömmar som flyter i samma fas på ledningarna, eller "common-mode" strömmar av att linda upp trådarna.
En induktans som finns i serie med common-mode strömmen kommer att sträva att begränsa den.



Om det gick att göra en kärna med obegränsad permeabilitet så skulle bara ett fåtal varv få en nästan oändlig
reaktans och då kunde inga common-mode strömmar uppstå oavsett hur lasten är kopplad och oavsett frekvens.
Då har vi skapat en "ideal strömbalun" som fullständigt isolerar lasten från generatorn.

När reaktansen är liten så kommer den att finnas mellan ena anslutningsklämman till lasten och "jord", och då
påverkas lastsidan av detta, och verkan hos balunen försvinner helt. Den lägsta common-mode impedans som
är meningsfull brukar man ange till 4 gånger designimpedansen, alltså 200 ohm.
När man har plats med 28 varv på en T68-2 kärna så blir common-mode induktansen c:a 4 µH
vilket kräver en frekvens av minst 10 MHz för att ge 200 ohm reaktans.

Av denna orsak är det inte så bra att använda järnpulverkärnor till strömbaluner, det går åt
så många varv att de dels inte får plats, och dels skapar kapacitansen mellan varven resonansfenomen.
Man klarar sig med en handfull varv på en ferritkärna för att få common-mode impedanser på flera hundra ohm redan vid
3,5 MHz.

Det är därför inte speciellt meningsfullt att försöka göra baluntransformatorer som ska ha stort frekvensområde
med järnpulverkärnor.

Föreslår ett studium av G3TXQ(SK) mycket informativa sidor om egenskaperna hos ferritkärnor och strömbaluner.

Common-mode chokes

Photographs of a copy of the Ten Tec Argosy transceiver

www.karinya.net

 

[SM0GLD]

Om det fortfarande är 1:1 strömbaluner som det handlar om

Jag tror det handlar om 1:1 fluxkopplade transformatorer.

 

[SA7ELF]

Vad den tekniska termen är vet jag inte riktigt men jag vill bl.a. få en galvanisk isolation mellan min radio och min antenn (dubbel gamma-match-kopplad loop). Jag tror inte jag är ute efter dämpning av common mode-signaler då dessa sannolikt är i stort sett obefintliga i min setup.

Om HF-energin transporteras på utsidan av ledarna och kärnan inte har någon med funktionen att göra förstår jag inte hur olika material kan göra skillnad? Jag är inte heller ute efter ett brett frekvensomfång utan ett eller två av kortvågsbanden - 80 och 40m till en början.