EA1DDO
     
     
           
Balun EA1DDO

Sistema de balun de cuarto de onda por malla para las antenas cúbicas
 

 

Hay un dicho que dice "Burro cargado, busca camino" y como todos los dichos, es cierto.

El amigo Eliezer NP3EW me pidió que le ayudara con una cúbica de cuatro elementos de espaciado largo, con la particularidad que el cable coaxial es rígido, exactamente Andrew 1 5/8, además la antena debe soportar alta potencia.
Para el que no conozca ese cable, decirle que el diámetro viene siendo como el de una lata de bebida, con una mano no logras abrazarlo completamente, además es muy rígido.
Como toda antena cúbica necesitaba un balun, pero con ese cable no podíamos hacer ni un choke bobinado, ni hay ferritas de esos diámetros, ni ninguna solución habitual, tenía que ser algo distinto y que soportara alta potencia.
Ya estaba el burro cargado...

Empezaba el burro a buscar el camino... y me acordé de esos balun que se usaban antes y que aún aparecen en los libros de antenas. Son esos balun que hacen con cable coaxial en múltiplos de cuartos de onda. Podría ser una solución para este caso.
Casualmente estaba leyendo una de los últimos números de la revista Dubus, y veo que Hartmut DG7YBN habla precisamente de un balun de ese tipo, que él lo denomina "Quarter Wave Sleeve".
Hartmut lo estaba usando en las yagis Wimo de 144 y 432 MHz, pero lo que era la idea podría servir perfectamente para nuestra cúbica.

Investigué un poco más y también encontré los balun Pawsey, G0KSC Hybrid, Collins y DK7ZB-Match.

El Pawsey Stub es algo más compicado de realizar que el primero, además le afectan los objetos metálicos cercanos. El G0KSC Hybrid y el Collins, no tengo referencias de ellos, aunque podría ser interesante, sobre todo el primero.
Por lo tanto me concentré en el balun de cuarto de onda con la malla, ya que por simple y efectivo era el que mejor se adaptaba a nuestras necesidades.

Todos estos tipos de balun, solo sirven para antenas monobanda y que el elemento excitado presente 50 OHm.
Pero todas las cúbicas son monobandas, a no ser que uno alimente varias bandas al mismo tiempo, cosa no recomendable.
Si la cúbica tiene varias bandas, lo mejor es poner un conmutador remoto de antenas y alimentar cada banda por separado. Esto nos viene ideal para el este balun ya que con solo medir el cable desde la antena al conmutador a la medida adecuada, la malla ya hace masa en el conmutador y el balun ya está hecho.

Realizarlo es muy sencillo, basta con poner la malla del coaxial a tierra, a un cuarto de onda contando desde el punto de alimentación de la antena.
Tenía que comfirmar con alguien más que ese balun funcionaba realmente.
Quienes más me ayudaron fueron Hartmut DG7YBN y Jim VE7RF. Éste último tiene este mismo sistema en sus yagis monobandas.

El detalle a tener en cuenta es que cuando se mide ese cuarto de onda, hay que aplicar el factor de velocidad correcto, y NO es el factor de velocidad del coaxial "normal".
El factor de velocidad de un cable coaxial viene dado por las características de sus materiales, sobre todo el aislante entre el vivo y la malla. Pero nuestro balun no va a trabajar con las corrientes que van por dentro del coaxial, si no que solo nos interesan las que van por fuera, la famosa I3 de W2DU;

En un sistema radio-coaxial-antena correctamente balanceado, la corriente I3 debería ser mínima, pero si a una antena cúbica alimentada con cable coaxial no se le pone un balun, vamos a tener unas importantes corrientes I3 por el exterior del coaxial que va a provocar que la antena no rinda al 100%, el coaxial va radiar, va a ser parte de la antena y nos va a provocar interferencias en otros aparatos.

Por lo tanto, el factor de velocidad que nos interesa para este balun, no es el que podemos encontrar en las características técnicas del cable, es otro que depende del tipo de funda exterior que tenga el cable, la que suele ser negra de PVC o similar. Ese es el material que va a afectar a I3 y ese factor de velocidad nunca lo he visto en la hoja de características técnicas del cable. Supongo que se podría calcular pero creo que no vale la pena.

Le pregunté a Jim me dijo que al cuarto de onda le restara un 2% (factor de velocidad 98%).

Hartmut me dirigió a la página de DK7ZB donde explica su DK7ZB-Match y allí Martin dice;

The outside of the shield has air (and a litle bit of insulation) in the surrounding and VF = 0,97

También encontré en la página de Tom W0IVJ lo siguiente;

Therefore when you figure the electrical length of the coax, you must use 0.67 for the transmission line part and 0.95 for the outside shield.

Así que tenemos 0.98 de Jim, 0.97 de Martin y 0.95 de Tom.
Supongo que las diferencias dependen del material de la funda, espesor, calidad, tipo de malla, etc.
Pero nosotros podemos redondear en 0.97 que es un -3%.

 

A continuación hay un cuadro con las medidas del Balun EA1DDO en las frecuencias más habituales;

Frecuencia____ 1/4_-3%_metros 1/4_-3%_pies
28.500 MHz 2.5509 metros 8.3668 pies
27.200 MHz 2.6728 metros 8.7667 pies
21.200 MHz 3.4292 metros 11.2478 pies
14.200 MHz 5.1197 metros 16.7925 ies
7.100 MHz 10.2394 metros 33.5851 pies

 

Por lo tanto, solo hay que medir el cable coaxial, desde el extremo de la antena, un cuarto de onda menos el 3%, y en ese punto, se corta un poco la cubierta del cable, lo suficiente como para poder hacer un puente a masa o tierra. Normalmente en ese punto la tierra más cercana que tenemos es el boom, que através del mástil y la torre debe de ir a tierra.
El puente no es más que hacer contacto eléctrico entre la malla del coaxial y el boom.
Puede hacerse con una abrazadera, cable soldado, kit de tierra, etc. Incluso puede colocarse un conector hembra con un soporte metálico al boom y allí conectar el cable bajante.
Ya queda a la elección de cada uno el sistema de contacto a emplear. Eso si, es recomendable que el punto del coaxial donde hace la conexión quede protegido contra la lluvia, por lo que después de cortarlo se debe sellar de alguna manera, por ejemplo con silicona, grasa, o cualquier otro producto.

Balun EA1DDO cable 1 5/8

Un detalle, aunque yo siempre hablo de 1/4 de onda, realmente puede ser cualquier múltipo impar de 1/4, como por ejemplo 3/4, 5/4, 7/4, etc.
Eso es útil si por ejemplo un 1/4 de onda menos el 3% no nos alcanza el boom, entonces podemos medir 3/4 de onda menos el 3% y sería el mismo resultado.

 

Balun EA1DDO Quad NP3EW cable 1 5/8

 

 

 

La explicación de como funciona es la siguiente.
Como decía más arriba, la antena cúbica es una antena "balanceada", quiere decir que ambos lados tienen el mismo potencial a tierra. Lo contrario de esto sería una antena desbalanceada como por ejemplo una vertical, donde la malla y los radiales van normalmente a tierra.
El cable coaxial es también desbalanceado, pues su malla va a tierra através del conector y el chasis de la radio.
Al conectar una antena balanceada a un cable desbalanceado, estamos poniendo a masa uno de los brazos de la antena, por lo que se podrucen unas corrientes desde ese brazo de la antena hasta tierra, tal como se ve en el dibujo de más arriba.
Lo ideal sería usar un cable balanceado, como la línea paralela o "de escalerilla", pero hoy en día casi no se usa porque presenta otros inconvenientes.
Por lo tanto, tenemos la antena balanceada (cúbica, yagi, etc) conectada a un cable coaxial desbalanceado, y produce la corriente I3 desde un brazo de la antena a tierra, y esa corriente I3 va por el exterior de la malla del coaxial.
Si fuera una antena multibanda habría que usar un balun o choke que permitan el uso en varias frecuencias, pero como todas las cúbicas son monobandas, podemos usar este "Balun EA1DDO", que solo funciona para antenas monobandas y que sean de 50 OHm.

Al poner a tierra un cuarto de onda de la malla del coaxial, hacemos que ese trozo de coaxial sea resonante, es una especie de stub.
Los cuartos de onda tiene muchas propiedades y una de ellas es que en el extremo opuesto al de tierra, la impedancia es muy alta, altísima, y eso hace que la corriente I3, no pueda dirigirse por se camino, le cerramos el paso, obligándola a dirigirse por el camino correcto, el brazo de la antena.
Con unos dibujos se puede entender mucho mejor.

 

En el dibujo anterior se ve como una antena sin balun, pierde parte de la corriente en uno de los brazos y baja por el exterior del coaxial a tierra.
Eso provoca que la antena radie mal, se pierde potencia, además crea interferencias en otros aparatos en casa. También la ROE varía con la longitud del coaxial.

 

Con el balun, se ve como ambas corrientes en ambos brazos de la antena son practicamente iguales y ya no hay corrientes por el exterior del coaxial hacia la radio.
El rendimiento de la antena es muy superior.

 

Nota

Aunque en la teoría este balun funciona perfectamente, en la práctica puede que en algunos casos no rinda al 100%.
El problema viene por la conexión a tierra, el largo del boom, la distancia entre la conexión y el suelo, etc.
En frecuencias altas suele funcionar bien ya que el boom suele ser más largo que la longitud de onda, y la distancia al suelo también suele ser grande (en longitudes de onda). En cambio, en las bandas de HF, sobre todo las más bajas, esa distancia a tierra puede ser un cuarto de onda o media onda, o sus múltiplos, y afectar al rendimiento de este balun.
Por lo tanto, su efectividad depende de la situación de cada antena. Lo mejor es estudiar la situación antes o probarlo.
Si por alguna razón este tipo de balun no se adaptara a su instalación, a continuación hay otro balun que también es muy sencillo de hacer, muy efectivo y no le afecta ni la tierra, ni el boom ni objetos metálicos cercanos.

Balun Coaxial 1:1

El Balun Coaxial es muy sencillo de hacer ya que se hace con el mismo coaxial de alimentación, es de relación 1:1, soporta toda la potencia que el coaxial soporte y su efectividad es muy alta. Solo sirve para antenas de 50 OHm (hay otra versión 4:1).

Tan solo hay que cortar dos trozos de cable coaxial normal, de 50 OHm, el mismo que alimenta la antena. Un trozo es de un cuarto de onda y el otro trozo es de tres cuartos de onda. Hay que contar con el factor de velocidad del coaxial a la hora de cortarlo. Para la mayoría de los coaxiales hay que multiplicar por 0.695
Hay que conectarlo tal como se aprecia en el dibujo, un vivo a un lado de la antena, el otro vivo al otro lado de la antena, ambas mallas unidas. En el otro extremo se unen los tres vivos y las tres mallas.
Puede hacerse mediante soldadura y encintado, con una caja estanca y soldadura o incluso una caja estanca con conectores, cada uno puede hacerlo como mejor le parezca, siempre procurando hacer buenas conexiones y aislandolo de la humedad.

 

Balun Coaxial 4:1

Como el anterior pero relación 4:1
Se conecta como se ve en el dibujo. El cable usado es de 50 OHm, el mismo que alimenta la antena.
La línea de media onda se corta teniendo en cuenta el factor de velocidad del cable coaxial.

 

Esta página como documento PDF: Balun - EA1DDO

 

Enlaces con información interesante relacionada con este tema;

Martin - DK7ZB Match
Tom W0IVJ, Common Mode
Steve - G3TXQ Baluns
John - KX4O
Justin - G0KSC Hybrid Balun
Walter - W2DU Chapter 21, Some Aspects of the Balun Problem
Roy - W7EL Baluns: What They Do And How They Do It
I4BBE/I0QM Balun
Collins Balun
Antenna-Theory Baluns

 

Choke RF con cable coaxial