Балун у центрі диполя: що NanoVNA довів, а що ні
Антена з попередньої нотатки — два плеча витої пари приблизно по двадцять метрів на висоті шести — чудово працювала на прийом. Не працювало інше: місце, де полотно зустрічається з кабелем. Спершу там була скрутка й ізоляційна стрічка — рішення, яке тримається до першого дощу й не тримається взагалі електрично.
8 грудня 2023-го я зробив нормальний центр: симетрувальний трансформатор на феритовому кільці в герметичній коробці. І, що для цієї нотатки важливіше, перевірив його приладом — а потім з'ясував, що перевірив не те, що думав.
Навіщо диполю балун
Диполь симетричний: два однакові плеча відносно точки живлення. Коаксіал несиметричний: центральна жила й обплетення нерівноправні. Коли з'єднати одне з одним навпростець, струм, який мав би піти в друге плече, частково тече по зовнішньому боці обплетення вниз до апарата.
Кабель стає третім плечем антени. На передачі це криві діаграма й КСХ, який змінюється, коли пересуваєш кабель. На прийомі — а в мене тоді був саме приймач — наслідок неприємніший: обплетення збирає те, повз що проходить. Імпульсні блоки живлення, світлодіодні лампи, зарядки — усе, що шумить у домі, сідає на кабель і заходить у приймач разом із корисним сигналом.
У моєму випадку це не теорія на полях. Полотно висить на шести метрах, тобто не «подалі від будинку», а просто над ним, у тому самому шумовому полі. Виносити антену не було куди — лишалося хоча б не пускати шум ще й другим шляхом, по кабелю.
Балун 1:1 розриває цей шлях: він пропускає протифазний струм, заради якого все й будувалося, і чинить опір синфазному, тобто тому, що тече по обплетенню.
Що це було за кільце
Маркування на самому кільці не прочитати: воно спершу обмотане білою стрічкою, а потім усе разом — чорною. Розмотувати не довелося: маркування знайшлося в іншому місці, в історії покупок — феритове кільце М2000НМ К32×20×9 і мідний обмотувальний дріт ПЕТД2-200 діаметром 1,0 мм.
Розмір. К32×20×9 читається просто: зовнішній діаметр 32 мм, внутрішній 20, висота 9. Оцінка за лінійкою на фото — «приблизно 35–36 мм» — промахнулася на три-чотири міліметри вгору: обмотка зі стрічкою додають до габариту більше, ніж здається на око. За західною номенклатурою кільце лягає між FT-114 (29,0 мм) і FT-140 (35,6 мм).
Матеріал. М2000НМ — марганець-цинковий ферит із початковою проникністю 2000. Найближчий західний аналог — Fair-Rite 77: той самий MnZn, та сама μi = 2000. Здогад «високопроникний ферит, а не порошкове залізо» виявився правильний, і кільце — саме того класу, який для цієї задачі й беруть свідомо.
Обмотка — 14 біфілярних витків. Кожен виток — два дроти, покладені поруч: класична намотка Гуанелли, де два провідники утворюють відрізок лінії передачі на спільному осерді. Числа сходяться з фотографією: 14 витків удвох — це 28 проходів крізь вікно, по міліметру з невеликим на емаль, разом близько 30 мм при внутрішньому периметрі під стрічкою ≈ 56 мм. Один шар із проміжками — рівно те, що видно на макро.
Біла стрічка під обмоткою — не декорація, і тепер у неї дві причини. Перша очевидна: у феритового кільця гострі краї, і вони ріжуть емаль там, де дріт перегинається через ребро. Друга з'явилася разом із маркуванням: марганець-цинковий ферит електропровідний, його питомий опір на кілька порядків нижчий, ніж у нікель-цинкового. Класти голий дріт просто на таке осердя не варто, навіть коли емаль цілісінька.
Скільки це дає. Постійна осердя рахується з геометрії: середня довжина магнітної лінії le = π·(32 + 20)/2 ≈ 81,7 мм, переріз Ae = 9·(32 − 20)/2 = 54 мм², звідси AL = μ0·μi·Ae/le ≈ 1,66 мкГн/вит². На 14 витках це 0,33 мГн — але тільки якби проникність трималася на 2000. Вона не тримається: у MnZn-фериту μ′ починає падати вже за мегагерцом, а втрати ростуть. Для дроселя це не біда, а робочий режим: імпеданс просто перестає бути індуктивним і стає активним. Якщо підставити комплексну проникність 77-го матеріалу — так рахує калькулятор синфазного дроселя — для 14 витків на цьому кільці виходить:
| Діапазон | Активна частина | Реактивна частина | Повний опір |
|---|---|---|---|
| 160 м (1,84 МГц) | 2,4 кОм | +2,2 кОм | 3,3 кОм |
| 80 м (3,65 МГц) | 3,6 кОм | +1,3 кОм | 3,9 кОм |
| 40 м (7,1 МГц) | 3,8 кОм | ≈ 0 | 3,8 кОм |
| 20 м (14,2 МГц) | 3,2 кОм | −0,6 кОм | 3,3 кОм |
| 15 м (21,2 МГц) | 2,9 кОм | −0,7 кОм | 3,0 кОм |
| 10 м (28,5 МГц) | 2,7 кОм | −0,8 кОм | 2,8 кОм |
Тобто від 160 до 10 метрів — три-чотири кілооми, і вже від сорока метрів це майже чистий активний опір. Орієнтир «кілька кілоом», про який нижче, вузол витримує — хоч і без великого запасу. І це розрахунок за даними аналога, а не вимір; далі буде видно, чому це формулювання лишається остаточним.
Чи витримає це передачу. Ті самі втрати, які роблять із М2000НМ хороший дросель, на передачі обертаються теплом: синфазний струм гріє саме це осердя, і високопроникний MnZn у цьому сенсі вразливіший за нікель-цинкові 43-й чи 31-й матеріали. У грудні 2023-го питання не стояло — до коробки був підключений приймач. Але згодом на цьому ж вузлі пройшли мої перші цифрові зв'язки, тобто осердя таки попрацювало на передачу, ще й у режимі, де несуча тримається всю посилку. Витримало. Повторювати це наосліп для ста ват я б усе-таки не став: кільце під таку потужність рахують заново.
Коробка
Корпус — звичайна розподільна коробка. Крізь протилежні стінки проходять наскрізні болти з шайбами й баранцями: до них кріпляться плечі полотна, і перетягувати їх можна взимку в рукавицях, без паяльника на щоглі. Кільце вкладене плазом, обмотане чорною стрічкою. Один зі стиків зроблено синім обтискним наконечником, решта — під термоусадкою.
Це той рівень виконання, за який не соромно, і водночас той, який робиться за вечір із того, що є в шухляді.
Вимірювання
NanoVNA, розгортка від 1 МГц, S11 з боку кабелю. На вихідних клемах замість плечей полотна — резистор 50 Ом. Це важливо: мірявся сам вузол, а не антена разом із ним.
На 3,660 МГц — 51,5 Ω з послідовними 198 нГн, КСХ 1,097. Чотири з половиною ома реактивності на п'ятдесят активних.
На 14,300 МГц — 50,19 Ω, КСХ 1,040. Практично ідеальні п'ятдесят ом.
Тобто від 80 до 20 метрів вузол лишається прозорим: він не вносить ні втрат, ні перекосу опору, які було б видно на цьому масштабі.
І тут головне
Цей вимір не є перевіркою балуна як балуна.
Я подав сигнал у кабельний бік і подивився, що бачить прилад. Він побачив п'ятдесят ом. Але ті самі п'ятдесят ом він показав би й тоді, якби я під'єднав той самий резистор просто через шматок кабелю — жодного фериту для цього не потрібно. S11 у 50 Ом міряє протифазний тракт: чи не з'їв трансформатор узгодження, чи немає в ньому втрат і паразитних резонансів у робочій смузі. На це питання відповідь отримано, і вона хороша.
Питання, заради якого балун узагалі ставлять, — скільки опору він чинить синфазному струму — цим виміром не порушене взагалі. Синфазний струм тече по зовнішньому боці обплетення, тобто по тому провіднику, якого в схемі S11 просто немає.
Це не помилка приладу й не помилка методики. Це помилка інтерпретації, і я її зробив: побачив КСХ 1,04 і вирішив, що вузол перевірено. Перевірено половину.
Як міряти правильно
Синфазний опір дроселя міряють інакше: два виводи одного боку закорочують між собою, два виводи другого — теж, і між цими двома точками вимірюють імпеданс. Це і є те, що синфазний струм «бачить» на своєму шляху. Для КХ орієнтир — кілька кілоом у робочому діапазоні; менше означає, що обплетення й далі працює антеною, просто трохи гірше.
Робиться тим самим NanoVNA й тими самими руками. Різниця тільки в тому, куди підключити щупи, — і в тому, чи ставиш собі правильне питання.
Чого вже не дізнатися
Правильний вимір — синфазний опір між закороченими парами — так і не зроблений, і зробити його вже не вийде: вузла для цього немає. Три-чотири кілооми з таблиці вище так і лишаються розрахунком за даними аналога. Розрахунком обґрунтованим, але не виміром.
Свою роботу коробка з кільцем зробила чесно: спершу тихий прийом, потім перші цифрові зв'язки. Незробленим лишився один-єдиний вимір — рівно той, заради якого прилад і діставали.
І це, мабуть, головне, що варто винести з нотатки. Прилад був у руках, вузол — на столі, часу — скільки завгодно. Не вистачило одного: правильно поставленого питання. Наступного разу список того, що треба зміряти, складається до того, як щупи торкнуться клем.