铜管巴伦

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从铜管巴伦说起……

最近,我优化了一款叠双菱天线,在和同轴电缆馈线进行匹配时,设计使用了一种铜管巴伦。有朋友问,不接这个铜管巴伦行不行?或者像长城天线那样,用同轴电缆做U形环巴伦,行不行?针对这些问题,我进行了比较深入的学习。今天就把学习体会,向坛友做个汇报。

在无线电接收和发射系统中,天线是馈线的负载,因此,天线和馈线的匹配非常重要。在我们使用的WIFI频段,最常用的馈线就是50欧姆同轴电缆,而使用的天线,却是五花八门,既有输入阻抗为73.1欧姆的半波偶极天线,也有输入阻抗为292欧姆的折合半波偶极天线,不能不考虑匹配的问题。

匹配的方法,就是使用巴伦。那么,什么是巴伦?

最初我以为,巴伦就是英文Balance的音译。Balance不就是平衡的意思嘛。后来才知道,巴伦是由Balance和Unbalance两个单词组合而成:Balance—Unbalance,Balance是平衡的意思,Unbalance 是不平衡的意思。把这两个词合成缩写为一个单词——Balun,音译为巴伦。所以,巴伦就是“平衡—不平衡”的意思。我们在天馈系统经常要用到巴伦,就是要进行平衡不平衡的转换。

为什么要进行平衡不平衡转换?我们知道,很多天线如半波振子天线、折合振子天线、环形天线等都是平衡馈电的,它们都有两个馈电点,两个馈电点的信号电压(或电流)的相位是互为反相的。而主馈电缆常常使用同轴电缆,同轴电缆属于不平衡(不对称)馈线,其

内导体是馈电点,而外导体是地线点。不平衡馈电的同轴电缆直接连接到平衡结构的天线上,就会破坏天线的对称性,使天线两臂上的电流大小不等。这种不平衡性会造成馈线上的驻波加大,导致辐射功率的损耗。

有些巴伦还有另外一个作用,就是进行阻抗变换。比如长城天线所用的1:4的U形环半波巴伦,就是一种既进行平衡不平衡转换,又兼顾阻抗转换的巴伦——它把同轴电缆的50欧姆特性阻抗,转换为天线的200欧姆的输入阻抗(这就是1:4的含义)。同时,又把同轴电缆的不平衡馈电和长城天线的平衡结构相匹配。

关于天馈系统不平衡造成的不良影响和1:4半波U形环巴伦的原理,请参照我《漫谈长城天线的巴伦》一文,有比较详细的描述,这里不再赘述。

这里准备只说说“硬型巴伦”。——这个词可是我自己杜撰的,因为这类巴伦,都是应用了刚性材料,比如铜管,铜棒等等,这些材料不能弯折,需要一定的空间来安装。我把用非刚性同轴电缆制作的巴伦,称为“软型巴伦”,因为这些同轴电缆,可以盘绕、弯曲,可以在比较狭小的空间安放。(关于硬型和软型的分类,只是根据材料的刚性程度划分的。我胡乱分,你们就胡乱听。如果和某些教科书有冲突,有人找我问责,我就闪人。哈哈)

首先介绍1/4波长短路棒巴伦。我从某本教科书上截了一个图:

干脆把他的说明也截下来:

这本教科书说的比较简单,下面我稍微详细的解说一下。我另外画一张图:

振子的左臂与同轴电缆外导体(屏蔽层)连接,即图中A点。振子右臂与同轴电缆内导体(芯线)、λ/4波长短路棒上端连接。见图中B点。λ/4波长短路棒下端则通过金属短路环和同轴电缆外导体(屏蔽层)连接。从上图可以看出,从A点到B点的距离为两个1/4波长,即λ/4+λ/4=λ/ 2 。所以,同轴电缆芯线的信号从B 点传到到A点,正好走了1/2波程,相位正好相差180度。就把同轴电缆的不对称变成对称了。(随便说一下:1/4波长金属短路棒的直径,应和同轴电缆馈线外导体的直径相同,上面示意图中金属短路棒画细了。大家凑合看吧。)

你也许会有疑问——这样接法,A点和B点,岂不是被短路了?,恰恰相反,从A、B两点看进去,阻抗为无穷大!这就是1/4波长传输线的绝妙之处!!

上图是一段1/4波长传输线,例如我们常用的75Ω和50Ω同轴电缆,选取一定的长度,便可成为某一频率的1/4波长传输线。这一段传输线在对应的频率上有一个非常重要的特性:A端短路时,B端阻抗呈无限大;B端短路时,A端阻抗呈无限大。神奇的是,如果A端开路时,B端阻抗呈现无限小(就是短路了)!B端开路时,A 端也一样,呈现短路状态。

1/4波长线的这种特性为我们带来极大的方便,比如上面的金属短路棒巴伦,就利用了这一特性。因为短路棒的长度为1/4波长,下端和同轴电缆外导体短接,从上端即从A、B两端看进去,阻抗就是无穷大!

(其实,上面那个短路棒也可以用一段1/4波长的同轴电缆代替,同样可以起到平衡不平衡转换的作用。但是,要求这段1/4波长的同轴电缆要与主馈同轴电缆平行,且保持一个恒定的距离。如果使用软性同轴电缆就不容易做的了,所以很少被人采用。) 如果上面1/4波长短路棒巴伦的原理弄懂了,那么,我在激情版叠双菱天线中使用的铜管巴伦就不难理解了。它的正式名称叫开槽式平衡器,或称为缝隙式平衡器。

对照上面的短路棒巴伦示意图,可以看出,信号从同轴电缆的芯线,即图中B点(振子左臂),传输至A点(振子右臂),正好走了半个波长的路程,所以天线振子的两臂之间,信号正好相差180度,同轴电缆的不平衡馈电,变成了平衡的馈电了。

开槽铜管,既起到平衡不平衡转换的作用,又起到了对振子两臂的支撑作用,使天馈系统的机械结构更加稳定。

铜管和中心铜线,组成了一个空气介质的铜管同轴电缆。中心铜线外径和铜管内经的比值,要控制在1:2.3左右。这样才能保证铜管同轴电缆的特性阻抗为50欧姆。铜管同轴电缆的介质为空气,所以馈线的绝缘层不要伸进1/4波长开槽线里面。因为这样,就不是完全的空气介质了,就要考虑波长缩短系数的影响了。

开槽式铜管巴伦的长度,必须大于1/4波长,否则就起不到巴伦的作用,不能进行平衡不平衡转换,只是起到了支撑振子的作用。

就像德拉甘先生的叠双菱天线使用的铜管,实际只是一个空气介质的铜管同轴电缆。因为德拉甘叠双菱天线的振子和反射板的距离,只有二十几毫米,支撑振子的铜管长度,达不到1/4波长,也就无法应用1/4波长传输线原理进行平衡不平衡转换。还有一些老外制作的双菱天线,也是把铜管作为支撑振子的支柱。他的铜管,只能接天线的一臂,天线的另一臂,要直接接馈线的芯线。你要是把振子的两臂都接到铜管上,可就真的短路了。所以,他们的铜管,要锯掉一块,以免和振子的另一臂接触,造成短路。见下图:

激情版叠双菱天线,天缘巧合,优化后的振子和反射板的距离,正好是31.09mm,铜管的长度刚好超过1/4波长,为我们使用开槽式铜管巴伦,提供了得天独厚的条件。

请看yahen同学制作的激情版叠双菱天线:

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