Le Mythe des Baluns

[VA2JOT Jacques]

La première chose d'inquiétante qu'on constate au sujet des Baluns vendus pour la radio amateur est que les fabricants souvent ne mentionnent même pas si ce sont des transformateurs (tension ou courant) ou des bobines (chokes).

Le deuxième chose qu'on constate est l'absence de paramètres de performance (impédance série vs. fréquence d'exploitation). Comment faire pour savoir si le Balun Choke va faire le travail désiré si on ignore ses performances? Et pourtant, plein de radio amateurs en installent et dorment bien tranquille convaincus qu'ils ont agit selon les règles de l'art. C'à l'air d'un choke, c'écrit que c'est un choke, ça doit être un choke et ça doit faire la job.

Des tests effectués récemment par des amateurs qui fréquentent ce site tendent à démontrer que les balun chokes populaires ne livrent pas la marchandise (ceux qui se vendent pour US$40 et moins). Leur chute d'impédance série devient très importante en bas de 4Mhz. La plupart tombent sous les 300 Ohms à partir de 4Mhz. Elle devient pratiquement nulle dans la bande du 160M.

Pour mes expériences avec la dipole NVIS 80M parru récemments dan la revue de RAQI, j'ai eu recours à un design de choke qui m'a coûté la modique somme de $5,00 US. J'ai utilisé une seule tore dissociable de 1/2 po interne, fabriquée par Fair-Rite avec du matériel #43. (le 73 et 77 font un meilleur travail dans le bas du spectre).

Voici les lecture d'Z série qu'on produit 4 boucles de RG-58 dans la tore en question:
1,8Mhz=600 Ohms
3,7Mhz= >1500 Ohms
7,0Mhz= >1500 Ohms
(la capacité de mesure maximale de mons instrument est de 1500 Ohms) les lecture étaient "off scale".

La plupart des fabricants de Balun Choke de qualité radio amateur considèrent que 300 Ohms est acceptable. J'ai pu observer en faisant mes tests qu'a partir de 750 Ohms d'impédance, le facteur j devenait nul (j=0) (pas de réactance) je crois que c'est une indication que le courrant tombe à zéro faisant de l'inducteur une résistance pûre. C'est l'objectif à atteindre avec un Balun choke en passant (zéro courant sur l'extérieur du blindage).

La tore unique est acceptable pour des puissances allant jusqu'à 200W (ainsi que le RG-58). L'inconvénient d'avoir recours à du plus gros coax est que les quantités et coûts des tores montent en flèche. Une boucle unique (avec du coax de 1/2 po) du même modèle de tore donne les lecture suivantes:
160m=11 Ohms (donc pour avoir 700 Ohms, 66 tores)
80M=37 Ohms                "                         19 tores
40M=65 Ohms                "                         11 tores

Les tore non-dissociables sont passablement moins chères pour ceux qui désirent s'en fabriquer pour du plus gros coax. Une alternative consiste à avoir recours à du coax à haute température comme du Thermax. Avec ce câble, on peut "pousser" 1Kw dans du 1/4" (RG-303) sans s'inquiéter.

La prochaine fois que vous verrez un Balun à $30, demande-vous c'est pour quoi que vous payez.
Le steak ou juste l'odeur de friture?  Une autre façon de dire méfiez-vous de contenants sans contenu.

Bonne journée à tous.

[VE2PID Pierre]

La plupart des fabricants de Balun Choke de qualité radio amateur considèrent que 300 Ohms est acceptable.

... Des experts comme Lewallen mettent la barre légèrement plus haute: A good balun will have an impedance of the order of 500-1000 ohms, and may be resistive, reactive, or a combination depending on construction.

Cependant, à cause des courants de gaine qui sont faibles au départ, la différence entre le 300 et le 500 Ω serait difficile à détecter.
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De mon côté, pour analyser le comportement d'un balun-étrangleur (choke), j'ai fait quelques projections afin de déduire l'effet d'un balun 750 Ω, purement résistif, purement réactif ou moitié-moitié. L'impédance résultante du balun dans tous les cas est 750 Ω.

L'antenne est un dipôle pour le 20 mètres alimenté par un coax de 50 Ω mesurant 30 pieds et la puissance injectée est de 100 watts. Le courant de gaine obtenu est donné dans ce tableau:

Sans balun: 0,12052  A
Avec balun de résistance pure 750 Ω (750 + j*0 Ω): 0,04198  A
Avec balun de réactance pure 750 Ω (0 + j*750 Ω): 0,11198  A
In between, pour avoir l'équivalent de 750 Ω, il faut poser 530,3 + J*530,3 Ω (la racine carrée de la somme des carrés donne alors 750 Ω)
Avec balun d'impédance Z=530,3 + J*530,3 Ω: 0,04343  A
Autre constat: Tous ces max sont au milieu (environ) du coax si le balun est installé près de l'antenne.
 
La ligne de coax correspond à 1/2-λ

Conclusion: Un balun-choke avec réactance nulle ou faible est le meilleur choix; il atténue (réduit) le courant de gaine d'environ 65%, ce qui n'est pas négligeable.

le facteur j devenait nul (j=0) (pas de réactance) je crois que c'est une indication que le courrant tombe à zéro faisant de l'inducteur une résistance pûre.

... ou à des valeurs infimes... La valeur maximale de courant que j'obtiens, de l'ordre de 0,042 A, incite à dire qu'un balun dont la réactance est nulle mais avec une bonne valeur de résistance va réduire considérablement le courant de gaine.

[VA2JOT Jacques]

Salut Pierre,
Autre constat: Tous ces max sont au milieu (environ) du coax si le balun est installé près de l'antenne. Et maintenant la question à $64,000: y'a un je ne siais quoi qui me dit qu'il n'est pas exclut de devoir mettre un autre Balun étrangleur à la sortie du TX/RX.

D'abord, y'a toujours une certaine assymétrie de la ligne par rapport à l'antenne dans son cheminement vers la station et rien n'exclut que la ligne de transmission ne ramasse quelque bruit haute-fréquence autre que le RF provenant de l'antenne. La présence d'un étrangleur au point d'alimentation n'empêche en rien la partie extérieure de la ligne de transmission d'agir tel une antenne. Elle ne fait qu'opposer un haute résistance entre la branche de l'antenne reliée au blindage du coax et l'extérieur du même blindage.

Pourquoi courir le risque que le blindage extérieur donne voie vers le shack au RF "capté" de l'antenne ou de toute autre source de pollution RF à proximité de la ligne de transmission dans son cheminement vers le shack?

Ici, c'est rendu qu'il y a des tores dissociables à tous les points de raccords coaxiaux.

Qu'en penses-tu?

[VA2JOT Jacques]

Bonjour Dany,
                     Mon post concerne seulement l'usage d'un Balun Choke pour éliminer les courrants sur l'extérieur du blindage. Le site sur ton renvoi les mélange tous, les transformateurs série (current balun),  parallèle (voltage balun) et Choke (étrangleur). Il manque aussi malheureusement les données concernant le Z minimum pour la plpart des Balun dans le tableau. C'est pourtant un des paramètres les plus importants.

n'importe quel balun fait du bon travail Permets moi d'en douter. Il existe des limites de la physique pour les Balun transformateurs qui sont beaucoup moins prononcés avec les étrangleurs. Dans le haut du spectre (10m) la longuer des enroulements produit un déphasage qui va causer une baisse de l'efficacité du transformateur. De mème dans le bas du spectre, l'efficacité du coeur du transformateur s'affaise causant là aussi des pertes. Tout cela se traduit par des pertes d'énergie et l'échauffement du coeur (Core) du transformateur. La plupart de ceux en bas de $50 ne font rien qui vaille sur la bande du 160m.

Une ou des tores d'étranglement n'a pas à transformer toute l'énergie du TX, seulement s'opposer au courant RF qui autrement circulerait sur la partie extérieure du blindage. Elle n'a donc pas à dissiper une quantité apréciable de chaleur qui est la bête noire des Baluns à transformateur.

Tout ce que je sais c'est qu'une antenne bien construite On a beau avoir une antenne bien construite, elle n'est pas dans l'espace. Elle sera toujours à proximité d'objets qui vont affecter sa symétrie. C'est là la raison d'être d'un choke balun et son avantage est 0dB de pertes thermiques et un moindre investissement.

Simple, efficace et économique.

Ciao!

[VE2PID Pierre]

ici, c'est rendu qu'il y a des tores dissociables à tous les points de raccords coaxiaux... Qu'en penses-tu?

Salut Jacques,

En ajoutant un second balun-étrangleur de même impédance Z=750 + j*0 Ω cette fois à la sortie du rig, en TX, il n'y a pas de différence notable ni dans la position du max ni dans la valeur du courant de gaine  (de l'ordre de ±1 mA).

En RX, il faudrait que tu essaies avec et sans le second balun pour déterminer à l'oreille si il y a une différence.

Une explication (possible) est que le balun situé en haut près de l'antenne est le premier que 'rencontre' le courant. Tout comme avec une antenne avec bobine de charge, le courant dépassé ce balun sera fortement réduit, et le second balun n'a pas beaucoup d'effet.

Il se crée cependant une onde stationnaire (standing wave) dans la gaine indépendamment de la position des baluns. .. d'où la présence d'un maximum.

[VE2PID Pierre]

Un autre mythe à ajouter à l'histoire des baluns: Leur position sur la ligne de TX, qui est la plupart du temps près de l'antenne (selon la mythologie.. ;-) )

Les placer soit près de l'antenne ou près du rig n'est pas forcément la meilleure stratégie, et peut même être le plus mauvais choix en terme d'atténuation des courants de blindage.

Selon la fréquence, l'impédance du coaxial utilisé et ses autres caractéristiques, de même que la longueur de la ligne de transmission, des positions stratégiques intermédiaires entre l'antenne et la radio peuvent donner de bien meilleurs résultats que les placements 'conventionnels'....

[VE2LH Sylvain]

Les placer soit près de l'antenne ou près du rig n'est pas forcément la meilleure stratégie, et peut même être le plus mauvais choix en terme d'atténuation des courants de blindage.

Selon la fréquence, l'impédance du coaxial utilisé et ses autres caractéristiques, de même que la longueur de la ligne de transmission, des positions stratégiques intermédiaires entre l'antenne et la radio peuvent donner de bien meilleurs résultats que les placements 'conventionnels'....

Vraiment pas évident pour moi ce dernier commentaire de Pierre. Le cable coaxial étant par définition asymétrique, on a intérêt à positionner le balun le plus près possible de l'élément radiant comme le mentionnait Jacques.

Je vois mal comment le positionnement du balun sur la ligne de transmission peut être influencé par l'impédance du coaxial. Possiblement par l'impédance de la gaine extérieure par rapport à la masse mais pas par l'impédance du coaxial...

Sylvain

[VE2PID Pierre]

Vraiment pas évident pour moi ce dernier commentaire de Pierre.

Bonjour Sylvain

C'est pourtant le cas (i.e. que la meilleure position du balun n'est pas nécessairement à l'antenne) !

La raison: il ne faut pas oublier que la partie extérieure de la gaine (le troisième fil) est alimentée aux deux bouts, soit près de l'antenne. à cause de la dissymétrie du coaxial et aussi à la base près du rig. Ces deux alimentations ne sont pas exactement en phase, ce qui entraine que la distribution résultante du courant dans la gaine est en fait une onde stationnaire dont le 'ventre' (le maximum de courant) est à une position intermédiaire et non pas obligatoirement près de l'antenne. Cette position dépend de plusieurs paramètres dont ceux du balun lui-même, mais aussi de la fréquence et des caractéristiques de la ligne de transmission.

Par conséquent, c'est en plaçant le balun à cette position (près du max de courant) qu'il créera le plus d'effet, i.e. que l'atténuation sera la plus importance.

D'ailleurs, un amateur chevronné  (Alex VE2AMT) m'a informé aujourd'hui en courriel qu'il place depuis longtemps un second balun à une position intermédiaire...

Une partie de ce courriel: (de PID) Il est possible de réduire un peu plus le courant de gaine en plaçant le second balun à une position intermédiaire stratégique sur le coax...(de AMT) Chez-moi c'est déjà fait depuis bien des années (depuis que j'ai fabriqué mon premier linéaire avec 3 x 4-400A en 1978).

[VE2LH Sylvain]

Pierre,
Je ne comprends pas pourquoi la gaine serait alimenté près du rig. Le rig est en métal i.e. blindé. Les champs qui sont situés dans l'appareil ne peuvent pas 'sortir' (en transmission) ou entrer (en réception)

Un cable coaxial se promenant dans la maison (près de l'ordi, WI, PS3 etc)  et hors de la maison (passant proche de l'entrée électrique) va ramasser du 'stock',  mais cela n'est pas nécessairement près du rig. Les courants ramassés (une multitude) se propageront le long de la gaine extérieure du coaxial. S'ils ne sont pas atténués par un balun, ils vont se retrouvés sur l'antenne et pouvoir entrer ' à l'intérieur' du coaxial.

Bref, en réception, il y a une multitude de sources qui peuvent être localisés un peu partout. L'idée qu'il y ait deux sources bien localisées me semble vraiment trop simple.

Sylvain

[VE2PID Pierre]

Re-bonjour Sylvain

'Mon' explication sur le phénomène du max sur la gaine (libre à vous de la critiquer, on est là pour ça n'est-il pas ??):

La gaine du coax est un des deux conducteurs de la ligne de TX. Le courant entrant (ou sortant selon l'état du cycle) du rig est donc directement fourni à la gaine, puisqu'elle sert de conducteur. De plus, à cause de l'effet pelliculaire (skin effect), la gaine se comporte comme s'il y avait 2 conducteurs. Le courant de gaine se distribue donc sur les deux côtés du blindage (gaine).

Mais en plus, une partie du courant fourni en haut à l'antenne retourne dans la gaine sur sa partie extérieure. L'interaction du courant qui revient d'en haut et celui provenant de la sortie directe du rig crée des interférences constructives à cause de la différence de phase entre les deux.. d'où la présence du max dont je parlais plus haut. Je répète que ce courant est sur la partie extérieure de la gaine.

Est-ce plausible? Une chose est sûre, il y a effectivement présence d'un max à une position intermédiaire, pas obligatoirement près de l'antenne.
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P.S.: Tous les ouvrages de référence traitant des câbles coaxiaux les considèrent comme formés de 3 conducteurs:

- Le conducteur central
- L'intérieur de la gaine
- L'extérieur de la gaine

Les deux premiers forment la ligne de transmission proprement dite mais la présence du 3ième conducteur complique les chose en débalançant le système. L'étude du fonctionnement des baluns passe par la compréhension de ce troisième conducteur et des courants qui y sont présents. Le rôle d'un balun est d'éliminer le courant dans le troisième conducteur, ce qui re-balance la ligne. On obtient alors un système BALanced à partir d'un système UNbalanced.

[VE2LH Sylvain]

La gaine du coax est un des deux conducteurs de la ligne de TX. Le courant entrant (ou sortant selon l'état du cycle) du rig est donc directement fourni à la gaine, puisqu'elle sert de conducteur. De plus, à cause de l'effet pelliculaire (skin effect), la gaine se comporte comme s'il y avait 2 conducteurs. Le courant de gaine se distribue donc sur les deux côtés du blindage (gaine).

Pierre,

Je viens de citer le passage qui me pose des difficultés. Le courant sortant du rig se propage dans le cable coaxial mais seulement dans la face interne de la gaine là ou il y a différence de potentiel entre la face interne de la gaine et la face externe du conducteur intérieur. Le courant ne peut se propager à la face externe de la gaine justement à cause du 'skin effect' qui empêche le courant de pénétrer à l'intérieur de la gaine.
Mon explication n'est peut-être pas clair ...
Par conséquent,  je ne vois pas la génération d'interférences constructives.
Ceci dit on peut certainement penser que l'ajout d'atténuateurs judicieusement placé sur la gaine peut améliorer la rejection de sources nuisibles, surtout si ceux-ci sont placés à une demi longueur d'onde de l'antenne.

73

Sylvain
PS J'irai voir le lien de Dany demain. Il se fait tard.

[VE2PID Pierre]

Par conséquent,  je ne vois pas la génération d'interférences constructives.

Et pourtant il y a formation de nœuds et de bosses sur l'extérieur de la gaine. Ça se déduit par calcul des courants de gaine. D'ailleurs, je viens de trouver cette autre description qui dit la même chose (sorry it's in english):

However, when coax is used to feed a balanced load, such as a dipole antenna, some provision should be made for converting from the unbalanced transmission line to the balanced load. Otherwise, RF currents will flow on the outer conductor of the coax, compromising the effectiveness of the antenna.

Think of a coaxial transmission line as a wire centered inside a metal pipe. When we connect the coaxial transmission line to our transmitter, the RF current flows on the center wire and on the inside surface of the pipe. This is due to what's called the "skin effect". The "skin effect" describes how RF currents flow in a thin layer on the surface of a conductor, proportional in depth to the wavelength of the signal. If we connect the other end of the coaxial transmission to a balanced antenna, such as a dipole, RF current from the center wire flows to one side of the antenna. The current from the inside surface of the pipe however, is connected to two conductors: the other side of the antenna and the outside surface of the pipe. Current flowing on the outside of the pipe is subtracted from the current that should be flowing on the antenna creating voltage and current nodes on the outside surface of the pipe back down to the transmitter where it is grounded. To go back to our coax fed dipole example, RF current on the outside surface of the coaxial transmission line shield will distort the radiation pattern of the antenna and detract from its effectiveness. It may also contribute to television interference.

Source: http://educationalradionet.blogspot.com/2008/12/baluns-jim-k7wa-no-28.html

Reste à expliquer pourquoi on a ces nœuds (nodes). À mon avis, comme il y a division de courant en haut, je ne vois pas pourquoi il n'en serait pas de même près du rig. Et comme il y a déphasage, c'est fort propice à la formation d'interférences constructives et destructives... ??

Et c'est justement en plaçant le balun sur les 'bosses' que son effet est maximisé.

[VA2JOT Jacques]

c'est fort propice à la formation d'interférences constructives et destructives... ?? Je crois que si. Il faut éviter de voir les choses comme on voudrait qu'elles soient mais plutot chercher quoi d'autre elles pourraient être. Comme on dit en Chinois, think outside the envelope.

Ainsi, une ligne coaxiale avec un bon choke au feedpoint peut agir dans certaines circonstances comme une antenne à long fil (suggéré antérieurement) terminée sur le chassis d'un élément de la station, elle pourrait aussi se comporter tel un élément parasite de l'antenne et causer des interférences constructives et/ou destructives dans le patron de radiation dépendamment de la fréquence d'exploitation.

Ca c'est pour la ligne de transmission, quoi penser maintenant à quoi d'autre ou peut s'attendre sur un lot timbre-poste de citatdin avec tous ces "polluants" parasites suceptibles de se retrouver dans le champ immédiat d'une antenne HF?

S'cuzez le double sens mais ça porte à réfléchir 

[VE2PID Pierre]

de VE2PID Reste à expliquer pourquoi on a ces nœuds (nodes)

Bon... Je viens ce matin de recevoir le son de cloche de Lewallen.
 
Une ligne de transmission coaxiale avec son courant de gaine devient elle-même une antenne et elle irradie comme toute autre antenne. Le courant 'descend' de l'antenne sur la partie extérieure de la gaine puis il est réfléchi au bout de la ligne pour remonter le long de celle-ci. Par interférences destructives et constructives entre ces deux courants, on obtient les max et min observés. Il y a donc bel et bien une onde stationnaire sur l'extérieur de la ligne avec ses bosses et ses nœuds. Cependant, mon hypothèse d'interraction avec un courant venant directement du rig n'était probablement pas valable.

De : Roy Lewallen <w...@eznec.com> Date : Tue, 02 Jun 2009 22:12:27 -0700
You have a maximum for the same reason you have maxima and minima along an antenna -- in fact, a transmission line with common mode current *is* an antenna, and radiates the same as any other one. The maxima and minima can be explained as the envelope of traveling current waves reflecting from an open end (or current balun or other discontinuity) and interfering with each other.These are known as standing waves, because the positions of the maxima and minima stay in the same places and don't move... It sometimes is necessary to insert more than one balun (quarter-wavelength spacing is typical) to reduce feedline outside current to a low level.

Ça explique pourquoi le fait de placer un ou des baluns à la position des maxima de la ligne est une bonne stratégie. L'atténuation calculée plus importante qu'en des positions arbitraires confirme la pertinence de ce choix. Comme ces maxima se répètent à tous les ½-λ, les baluns doivent être distancés de la même valeur, s'il y en a plusieurs.

En plus de ces courants produits par conduction, d'autres courants dans l'extérieur de la gaine seront également produits par induction avec une antenne non symétrique et/ou pas une ligne de TX placée non symétriquement par rapport à l'antenne. Toujours dans le même message...

Induced current will be zero if the transmission line is symmetrically placed with respect to a symmetrical antenna which has equal currents in the two halves. But in other cases, the fields from various parts of the antenna won't sum to zero at the location of the transmission line, so current will be induced on it. Current baluns can reduce this current also, but it generally takes at least two, spaced a quarter wavelength apart.

CQFD ? ;-)

[VE2LH Sylvain]

Salut!
Il ya autant d'avis que d'intervenants. Ça doit pas être si simple ... hi.

Les commentaires de Lewallen collent avec ma vision de l'affaire sauf pour l'ajout d'un deuxième balun à un quart de longueur d'onde. Je prétends qu'il faut une demi longueur d'onde.....
Ceci dit, l'important est de connaître l'endroit des maximas de courants (si on utilise des ferrites). Ce sont les conditions frontières qui vont dicter l'endroit ou ces maximas seront. Mon hypothèse est que la condition frontière à utiliser est  la présence d'un minima de courant à la connection du rig (je n'en vois pas d'autres...). Un quart d'onde plus loin ( et aux multiples impairs) on aura un maxima de courant, meilleur(s) endroit(s) pour l'installation d'une choke.

Malgré cette belle théorie, je vais mettre un balun tout près de l'antenne. Suite à cette discussiion, je ferai certainement des essais avec un choke supplémentaire lorsque la tour sera installée. Il y a assez de sources 'déplaisantes' ici pour faire un bon terrain d'expérimentation!

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Sylvain