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1:1, 4:1, 9:1, 49:1.

Chiunque abbia iniziato a costruire antenne HF si è prima o poi imbattuto in queste sigle. Su Internet si trovano decine di schemi, toroidi avvolti nei modi più diversi e prodotti commerciali etichettati come:

• balun;
• unun;
• current balun;
• voltage balun;
• choke;
• trasformatore d’impedenza.

Il problema è che questi termini vengono frequentemente utilizzati come se fossero sinonimi.

Non lo sono.

Un trasformatore 49:1 utilizzato su una EFHW, per esempio, svolge una funzione molto diversa rispetto a un choke 1:1 montato al centro di un dipolo.

E un 9:1 utilizzato con un filo non risonante non è semplicemente una versione “meno potente” di un 49:1.

Per comprendere realmente balun e unun bisogna separare almeno tre problemi differenti:

1. bilanciamento della linea;
2. trasformazione dell’impedenza;
3. soppressione delle correnti di modo comune.

Solo dopo questa distinzione tutto diventa molto più semplice.

BALUN: cosa significa?

La parola BALUN deriva da:

BALanced → UNbalanced

cioè:

bilanciato → sbilanciato.

Un balun viene quindi utilizzato quando dobbiamo interfacciare un sistema bilanciato con uno sbilanciato.

Il caso classico è:

dipolo → cavo coassiale.

Il dipolo è idealmente un carico bilanciato.

Il coassiale è una linea sbilanciata.

L’ARRL ricorda che, collegando un feeder coassiale a un’antenna bilanciata, condizioni di modo comune possono far scorrere corrente sulla superficie esterna della calza; queste correnti possono produrre RF nello shack, variazioni del VSWR, alterazioni del diagramma di radiazione, RFI e ingresso di rumore locale.

UNUN: cosa significa?

UNUN deriva invece da:

UNbalanced → UNbalanced

cioè:

sbilanciato → sbilanciato.

È tipicamente utilizzato quando sia la sorgente sia il carico sono considerati sistemi sbilanciati, ma occorre trasformare l’impedenza.

Un esempio classico è:

coassiale da 50 Ω → antenna end-fed ad alta impedenza.

Il trasformatore utilizzato con molte EFHW è quindi, dal punto di vista funzionale, più correttamente un unun.

Nel linguaggio radioamatoriale viene però spesso chiamato genericamente “balun 49:1”.

Non è la fine del mondo chiamarlo così, purché si capisca che la funzione principale è la trasformazione dell’impedenza, non il bilanciamento di un dipolo centrale.

Tre funzioni da non confondere

1. Trasformare l’impedenza

Per esempio:

200 Ω → 50 Ω

oppure:

450 Ω → 50 Ω

oppure:

2.500 Ω → circa 50 Ω.

2. Bilanciare

Per esempio:

coassiale sbilanciato → dipolo bilanciato.

3. Bloccare il modo comune

Impedire che la superficie esterna del coassiale diventi parte indesiderata dell’antenna.

Un singolo dispositivo può svolgere più di una funzione, ma non bisogna presumere che le svolga automaticamente tutte.

L’ARRL descrive infatti balun con o senza trasformazione d’impedenza e line choke specificamente destinati a ostacolare le correnti di modo comune.

Il rapporto di trasformazione

Qui entra in gioco una formula fondamentale.

Per un trasformatore ideale:

rapporto d’impedenza = rapporto di spire²

ovvero:

Z₂ / Z₁ = (N₂ / N₁)²

dove:

• Z è l’impedenza;
• N è il numero di spire.

Questo significa che il rapporto numerico scritto sul trasformatore non corrisponde direttamente al rapporto delle spire.

Trasformatore 1:1

Rapporto d’impedenza:

1 : 1

Rapporto di spire:

1 : 1

Quindi:

50 Ω → 50 Ω

Non avviene alcuna trasformazione nominale dell’impedenza.

Il dispositivo può però essere progettato per svolgere funzioni di:

• bilanciamento;
• isolamento;
• soppressione del modo comune.

Il tipico current balun 1:1 utilizzato su un dipolo serve soprattutto a impedire che il feedline partecipi eccessivamente alla radiazione.

Trasformatore 4:1

Rapporto d’impedenza:

4 : 1

Il rapporto di spire ideale è:

2 : 1

perché:

2² = 4.

Un 4:1 può quindi trasformare idealmente:

200 Ω → 50 Ω

oppure, utilizzato nel verso opposto:

50 Ω → 200 Ω.

È stato storicamente molto utilizzato, per esempio, con determinate antenne alimentate tramite linee bilanciate o carichi dell’ordine di alcune centinaia di ohm.

Ma bisogna ricordare che l’impedenza reale dell’antenna varia con:

• altezza;
• geometria;
• terreno;
• frequenza;
• oggetti circostanti.

Quindi “4:1” descrive il rapporto nominale del trasformatore, non garantisce automaticamente ROS 1:1.

Trasformatore 9:1

Rapporto d’impedenza:

9 : 1

Rapporto ideale di spire:

3 : 1

perché:

3² = 9.

In teoria:

450 Ω → 50 Ω.

Da qui nasce l’enorme diffusione degli unun 9:1 nelle antenne long-wire e random-wire.

Ma attenzione:

un 9:1 non rende automaticamente risonante qualsiasi pezzo di filo.

Se l’antenna presenta, per esempio:

2.000 Ω

il 9:1 la trasformerà idealmente in:

circa 222 Ω

non in 50 Ω.

Se invece presenta:

100 Ω

la trasformazione porterà il valore a circa:

11 Ω.

Per questo le antenne non risonanti con 9:1 vengono normalmente utilizzate insieme a un accordatore.

Il 9:1 non è un accordatore

Questo è un punto importante.

Un unun 9:1:

trasforma un’impedenza.

Un antenna tuner:

realizza una rete di adattamento variabile.

Sono due cose differenti.

Il 9:1 può aiutare a portare alcune impedenze estreme in una zona più facilmente gestibile dall’accordatore, ma non elimina automaticamente la componente reattiva dell’antenna.

Trasformatore 49:1

Arriviamo al protagonista delle moderne EFHW.

Rapporto d’impedenza:

49 : 1

Rapporto di spire:

7 : 1

perché:

7² = 49.

Se al lato antenna abbiamo:

2.450 Ω

idealmente sul lato radio otteniamo:

50 Ω.

L’ARRL descrive la propria EFHW multibanda come un’antenna con impedenza al punto di alimentazione dell’ordine di 2.500 Ω e utilizza infatti una rete di adattamento 49:1 per portarla nella zona dei 50 Ω richiesta dai normali ricetrasmettitori.

Ma la EFHW ha sempre esattamente 2.500 Ω?

No.

Quel valore è un ordine di grandezza utile per progettare il sistema.

L’impedenza reale al termine di un filo di mezza onda dipende da:

• altezza;
• diametro del conduttore;
• terreno;
• inclinazione;
• oggetti circostanti;
• percorso del filo;
• frequenza;
• modalità con cui viene realizzato il ritorno RF.

È quindi del tutto possibile che una determinata EFHW presenti:

• 2.000 Ω;
• 2.500 Ω;
• 3.000 Ω;
• valori anche differenti.

Il 49:1 è un compromesso progettuale estremamente pratico, non una legge naturale secondo la quale ogni EFHW possiede precisamente 2.450 Ω.

Perché 49:1 e non 50:1?

Perché nei trasformatori il rapporto deve derivare da un rapporto pratico di spire.

Con:

7 : 1

otteniamo:

7² = 49.

Realizzare esattamente 50:1 richiederebbe un rapporto di spire pari a:

√50 ≈ 7,07 : 1

che non offre alcun vantaggio pratico rispetto a 7:1.

64:1

Occasionalmente si incontrano anche trasformatori:

64:1.

Rapporto di spire:

8:1

perché:

8² = 64.

Teoricamente:

3.200 Ω → 50 Ω.

Può risultare più adatto ad alcune configurazioni EFHW, ma non significa che sia “migliore” del 49:1.

Dipende dall’impedenza reale dell’antenna.

Qual è quindi il rapporto giusto?

La risposta tecnica è:

quello che trasforma l’impedenza reale del carico nell’impedenza richiesta dalla linea con le perdite più basse possibili.

In pratica, però, dobbiamo fare i conti con antenne la cui impedenza cambia con la frequenza.

Per questo i trasformatori radioamatoriali sono quasi sempre compromessi broadband.

Current balun e Voltage balun

Anche qui esiste molta confusione.

Voltage balun

Tende a imporre tensioni simmetriche ai due rami del carico.

Current balun

Tende invece a imporre correnti uguali e opposte.

Nelle normali antenne HF alimentate tramite coassiale, il current balun è spesso particolarmente interessante perché affronta direttamente uno dei problemi fondamentali:

la corrente indesiderata sulla superficie esterna della calza.

L’ARRL considera proprio la reiezione del modo comune una caratteristica fondamentale nella valutazione delle prestazioni di un balun.

Guanella e Ruthroff

I nomi compaiono frequentemente negli schemi.

Semplificando:

Guanella

È legato all’idea del transmission-line transformer.

Può essere utilizzato per costruire eccellenti current balun e trasformatori broadband.

Ruthroff

Utilizza un diverso accoppiamento e viene frequentemente impiegato in trasformatori d’impedenza e autotrasformatori RF.

Non è necessario conoscere tutta la teoria matematica per costruire una buona antenna, ma è utile sapere che due trasformatori con lo stesso rapporto nominale:

4:1

possono comportarsi molto diversamente dal punto di vista:

• del common mode;
• della banda passante;
• delle perdite;
• della fase.

Un trasformatore non è soltanto il suo rapporto

Quando vediamo scritto:

49:1 – 1 kW

sappiamo ancora pochissimo del dispositivo.

Dovremmo voler conoscere almeno:

• insertion loss;
• bandwidth;
• return loss;
• capacità di gestione della potenza;
• materiale della ferrite;
• dimensioni del nucleo;
• comportamento del common mode;
• temperatura;
• risposta alle diverse frequenze.

L’articolo tecnico ARRL dedicato alla misura dei balun sottolinea infatti che vanno considerate insieme caratteristiche quali reiezione del modo comune, banda passante, perdite di trasmissione, precisione della trasformazione e capacità di gestione della potenza.

La ferrite

Il nucleo non è semplicemente “un pezzo di ferro nero”.

Il materiale magnetico determina in gran parte:

• permeabilità;
• perdite;
• frequenza utile;
• comportamento del trasformatore.

Fair-Rite, per esempio, produce materiali specificamente destinati ai trasformatori broadband: il Mix 67 è dichiarato per trasformatori a larga banda e applicazioni d’antenna fino a circa 50 MHz, mentre il Mix 68 è destinato ad applicazioni analoghe a frequenza ancora più elevata, fino a circa 150 MHz.

Questo non significa che “Mix 67 = automaticamente miglior 49:1”.

La prestazione dipende dall’intero progetto.

Saturazione e riscaldamento

Quando trasmettiamo potenza RF, il nucleo è sottoposto a campo magnetico.

Un trasformatore progettato male può:

• scaldare;
• aumentare le perdite;
• modificare il proprio comportamento;
• arrivare alla saturazione.

La situazione diventa particolarmente critica nelle bande più basse, dove per una determinata tensione RF il numero di spire e l’induttanza del primario diventano fondamentali.

Per questo non bisognerebbe giudicare un trasformatore soltanto dalla dimensione della scatola.

Il condensatore compensatore dei 49:1

Su molti trasformatori EFHW troviamo un piccolo condensatore collegato sul lato a bassa impedenza.

Perché?

Per compensare, almeno parzialmente:

• induttanze parassite;
• capacità distribuite;
• risposta alle bande superiori.

Lo scopo è migliorare la risposta broadband del trasformatore.

Il valore ottimale dipende però da:

• nucleo;
• numero di spire;
• disposizione dell’avvolgimento;
• cablaggio;
• contenitore.

Per questo copiare un determinato condensatore da uno schema senza replicare la geometria del trasformatore non garantisce lo stesso risultato.

Perché il NanoVNA è così utile?

Con un VNA possiamo verificare un trasformatore prima ancora di collegarlo all’antenna.

Per esempio, per un 49:1 possiamo terminare l’uscita con una resistenza non induttiva vicina al carico di progetto.

L’ARRL propone proprio, per il proprio trasformatore EFHW, una verifica utilizzando un carico resistivo di circa 2.500 Ω, osservando poi il comportamento dal lato coassiale.

Possiamo così misurare:

• S11;
• return loss;
• SWR;
• banda utile.

Test pratico di un 49:1

Supponiamo di costruire un trasformatore per:

50 Ω → 2.450 Ω.

Colleghiamo:

NanoVNA → ingresso 50 Ω

e:

resistenza non induttiva ≈ 2,4-2,7 kΩ → uscita antenna.

Eseguiamo uno sweep:

1-30 MHz

oppure:

1-50 MHz.

Se il trasformatore funziona correttamente dovremmo trovare un adattamento ragionevole nelle bande per cui è stato progettato.

Attenzione alle resistenze

Una normale resistenza può diventare, salendo di frequenza:

R + L + C.

Per questo nei test RF sono preferibili resistenze:

• non induttive;
• con terminali cortissimi;
• montate direttamente sul connettore.

Altrimenti potremmo misurare più il fixture che il trasformatore.

Il balun 1:1 e il choke 1:1

Qui la terminologia si sovrappone.

Un current balun 1:1 ben progettato può contemporaneamente:

• interfacciare antenna bilanciata e coassiale;
• contrastare le correnti di modo comune.

Per questo spesso viene chiamato:

choke balun.

Ma il punto fondamentale rimane:

non trasforma 50 Ω in un’altra impedenza nominale.

Esempio: dipolo da 50-70 Ω

Antenna:

dipolo risonante.

Feedpoint:

ordine di qualche decina di ohm, variabile con configurazione e altezza.

Linea:

50 Ω.

Non abbiamo bisogno di un 49:1.

Non abbiamo bisogno di un 9:1.

Spesso è molto più importante utilizzare:

1:1 current balun / choke.

Esempio: loop da circa 200 Ω

Se il progetto presenta circa:

200 Ω

e vogliamo usare:

50 Ω

un rapporto nominale:

4:1

può essere appropriato.

Esempio: filo non risonante

L’impedenza può variare enormemente con la frequenza.

Un:

9:1 unun

può essere utilizzato per ridurre alcuni valori elevati e renderli più gestibili dall’accordatore.

Ma non bisogna confondere questa configurazione con una EFHW risonante.

Esempio: EFHW

Feedpoint dell’ordine di:

alcuni kΩ.

Linea:

50 Ω.

Soluzione comune:

49:1 unun.

L’ARRL utilizza esattamente questa soluzione nella propria EFHW per 10, 15, 20 e 40 metri.

Il problema che il 49:1 non risolve

Il 49:1 trasforma l’impedenza.

Ma non garantisce automaticamente l’assenza di common mode.

Ed è questa forse la distinzione più importante di tutto l’articolo.

Possiamo avere:

ROS 1,2:1

e contemporaneamente una significativa corrente sulla calza.

Il trasformatore non crea un ritorno RF dal nulla

Una corrente RF deve sempre chiudere il circuito.

Se colleghiamo un generatore a un’estremità di un filo di mezza onda, dobbiamo comunque considerare come ritorna la corrente.

Il ritorno può coinvolgere:

• contrappeso;
• capacità verso terra;
• struttura del trasformatore;
• superficie esterna del coassiale;
• terra della stazione.

Questo sarà fondamentale nel prossimo articolo dedicato alla EFHW.

Perché alcune antenne cambiano ROS aggiungendo un choke?

Perché il coassiale probabilmente faceva parte dell’antenna.

Prima:

antenna + coassiale esterno

costituivano il sistema radiante.

Aggiungendo il choke modifichiamo il percorso del modo comune.

Il sistema cambia.

Non significa che il choke abbia “disaccordato” misteriosamente l’antenna.

Significa che l’antenna precedente non era esattamente quella che pensavamo.

Quanto deve essere potente un balun?

Bisogna distinguere:

potenza del trasmettitore

da:

potenza dissipata nel trasformatore.

Un trasformatore efficiente dissipa solo una piccola frazione della RF.

Ma se presenta perdite elevate, quella piccola scatola può trasformarsi rapidamente in un riscaldatore.

Modes digitali a elevato duty-cycle sono particolarmente severi perché mantengono la potenza media molto più alta rispetto a una conversazione SSB intermittente.

Per questo:

“1.000 W PEP”

non racconta necessariamente come il dispositivo si comporterà con trasmissioni prolungate.

Come scegliere un balun o un unun

Prima domanda:

L’antenna è bilanciata o sbilanciata?

Seconda:

Qual è la sua impedenza reale?

Terza:

Serve una trasformazione d’impedenza?

Quarta:

Esiste un problema di common mode?

Quinta:

Quali frequenze devo coprire?

Sesta:

Quale potenza e duty-cycle utilizzerò?

Solo dopo possiamo scegliere sensatamente il dispositivo.

Tabella pratica

La tabella è volutamente indicativa: l’impedenza reale dell’antenna resta il parametro decisivo.

Gli errori più frequenti

“Ho un’antenna, quindi mi serve un balun”

Non necessariamente.

“Un 9:1 accorda qualsiasi filo”

No.

“Un 49:1 elimina il common mode”

Non automaticamente.

“ROS basso significa balun perfetto”

No.

“Più grande è il toroide, migliore è il trasformatore”

Non necessariamente.

“Tutte le ferriti nere sono equivalenti”

Assolutamente no.

“Un balun 4:1 trasforma sempre l’antenna in 50 Ω”

Solo se l’impedenza presentata al lato ad alta impedenza è vicina al valore per cui è stato progettato.

Il concetto fondamentale

Quando installiamo balun e unun dovremmo smettere di ragionare in termini di:

“Quale scatolina devo comprare?”

e iniziare a ragionare così:

Qual è l’impedenza?

↓

Dove scorrono le correnti?

↓

Il sistema è balanced o unbalanced?

↓

Serve una trasformazione?

↓

Serve common-mode rejection?

↓

Quale rete realizza queste funzioni?

È un modo di ragionare completamente diverso.

Ed è anche molto più radioamatoriale.

Conclusioni

Balun, unun e choke sono strumenti differenti che possono condividere parte della stessa tecnologia.

Il balun nasce dall’interfaccia fra sistemi bilanciati e sbilanciati.

L’unun lavora fra sistemi sbilanciati.

Il trasformatore d’impedenza modifica il rapporto fra tensione e corrente visto alle due porte.

Il common-mode choke ostacola le correnti indesiderate sulla parte esterna della linea.

Un:

1:1

non svolge la stessa funzione di un:

9:1.

E un:

49:1

non è semplicemente un “balun più grande”.

Comprendere queste differenze permette non soltanto di costruire antenne migliori, ma soprattutto di capire perché funzionano.

E quando iniziamo a misurare questi dispositivi con un VNA invece di affidarci soltanto a schemi copiati da Internet, balun e unun smettono di essere scatole misteriose e diventano quello che realmente sono:

componenti RF progettati secondo precise leggi elettromagnetiche.