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Máximo Martín
QTH Locator IN53ui
EA1DDO@HoTMaiL.com

Como medir un Balun, Unun o choque

 
Medir Balun
 
 

Introducción

En la página anterior vimos como construir un balun 4:1 tipo Guanella con doble toroide.
Como ya expliqué antes, yo nunca había construído un balun de ese tipo, y como disponía de un analizador VNA, quería medir el balun a ver como funciona.
Lo más sencillo es poner una resistencia del valor adecuado, en este caso al ser un balun 4:1 sería una resistencia de 200 Ohm, y medir ROE, pero me di cuenta que esa medida no nos dice mucho de como está funcionando el balun. Esa prueba solo nos dice si la transformación está bien, pero no dice si el balun está equilibrando bien, ni cuántas pérdidas tiene, ni ninguna otra cosa. Entonces empecé a investigar que medidas se pueden hacer a un balun, y como hacerlas con un VNA. Tengo que decir que solo encontré dos o tres documentos donde comentaban el tema, pero no lo explicaban claramente, así que tuve que ir sobre la marcha, investigando y aprendiendo según descubría.
Donde sí encontré ayuda fue en Paco EB3DMS y Francisco EB3DYO. Los tres estubimos intercambiando muchos datos y pruebas tal como quedó reflejado en el siguiente hilo del foro de URE.

Encontré un documento de Anaren donde enumera las medidas más comunes:

  • Atenuación total
  • Pérdidas de retorno o ROE
  • Equilibrio o desequlibrio de Fase
  • Equilibrio de Amplitud
  • Rechazo al modo común - CMRR

Llegados a este punto, unas cosas llevan a otras, y todo se va complicando cuando es la primera vez.
Todas esas medidas se hacen con números complejos, y los VNA exportan todos esos datos en un formato estándar llamado Touchstone.

 
 

Archivos Touchstone

Solo voy a comentar el tema para saber de que estamos hablando.
Si a alguno le interesa este tema, puede profundizar en él con la documentación y enlaces que hay al final de esta página.

En el año 1984 una empresa llamada EEsoft creó un formato para exportar datos de su programa Circuit Simulator, y lo llamó Touchstone.
Posteriormente, Hewlet Packard (hoy Keysight) compró esa empresa, y el formato Touchstone quedó como estandar.

Hoy en día, todos los VNA exportan sus medidas en ese formato.

El formato Touchstone es un archivo de texto, que se puede abrir y editar con cualquier programa de edición de texto.
La extensión del archivo es SnP, siendo n el número de puertos usados, por ejemplo, *.s1p *.s2p *.s4p, etc.

El archivo puede tener los datos en diferentes formatos; parámetros-S, Real-Imaginaria, Fase-Amplitud, etc.
No todos los programas son capaces de importar todos los formatos. Hay que asegurarse antes.

A modo de ejemplo, un archivo .s2p puede tener el siguiente aspecto.
Si se omiten los ceros, puede distinguirse la frecuencia en Hercios, y los valores Real e Imaginaria (RI).

# Hz S RI R 50
1500000 0 0 0.006442 -0.000195 0 0 0 0
1563333 0 0 0.006421 -0.000132 0 0 0 0
1626666 0 0 0.006369 -0.000183 0 0 0 0
1690000 0 0 0.006350 -0.000164 0 0 0 0
...

La mayoría de los VNA sencillos que podemos conseguir actualmente (2017) son de dos puertos, así que nosotros vamos a trabajar con archivos Touchstone, bien *.s1p para mediciones de un solo puerto (S11, pérdidas de retorno, ROE, etc.), o archivos *s2p para mediciones sobre dos puertos simultáneos (S21, S31, pérdidas, etc).

 
 

Parámetros de dispersión S

Aquí tampoco voy a profundizar en el tema, tan solo comentar lo mínimo que necesitamos saber para poder realizar las medidas.
Como dije antes, los datos de la mediciones que el VNA va a realizar se denominan Parámetros S.
Según donde se conecte el VNA al balun, será una medición S diferente.

Un balun se dice que tiene tres puertos;

  • Puerto 1, toma desbalanceada (donde se conecta el coaxial)
  • Puerto 2, una de las entradas balanceadas, y masa
  • Puerto 3, la otra entrada balanceada, y masa

Para explicarlo de manera sencilla, las mediciones se las nombra con la letra S, seguida de dos números.
El primer número es el puerto de salida, y el segundo número es el puerto de entrada, del balun.
Y como con el VNA podemos hacer mediciones usando un solo puerto, o dos puertos, podemos medir; S11, S22, S33, S21, S31, S32, S23, etc.

Parametros S
 
 

Medir Unun o Choques de RF

Los llamados Choques de RF o UNUN, son la forma más sencilla de balun.
Al ser simplemente un arrollamiento de un cable coaxial (o bifiliar) sobre sí mismo o sobre una ferrita, se consigue una determinada impedancia en el exterior de la malla del cable coaxial, que impide pasar la I3, con lo cual fuerza a que I1 se iguale a I2.
Aquí no hay relación de transformación, solo impedancia de choque, por lo tanto lo que nos interesa saber de un Unun o choque de RF es cuánta impedancia produce y dónde la produce (sobre qué rango de frecuencias).

I3

Probar un choque de RF midiendo ROE con una carga NO sirve para nada.
Se da por supuesto que las soldaduras están bien y que todo está bien, por lo que medir ROE sirve para muy poco, no nos dice ni cuánta impedancia presenta, ni donde la presenta, ni pérdidas, ni ancho de banda, nada. Solo sirve para comprobar las soldaduras y poco más.

Para saber cuánta impedancia presenta y dónde, tenemos que poner el VNA en modo S21, usando dos puertos, para medir atenuación.
Seguidamente hay que preparar unos latiguillos lo más cortos posibles (unos 10cm) para los puertos Tx y Rx del VNA.
Esos latiguillos se pueden hacer con cable o hilo de cobre forrado. No necesita coaxial, un solo conductor.
Para facilitar la prueba en los balun se le puede colocar un cocodrilo en cada punta, como en la siguiente imagen.

Puntas Choque

El detalle importante a tener en cuenta es que lo que nos interesa medir es la impedancia de la malla.
No vamos a medir el vivo.
Después de calibrar el VNA con los anteriores latiguillos, conectaremos la salida TX del VNA a la malla de un extremo, y la entrada RX del VNA a la malla del otro extremo del choque.
Hacemos un barrido desde 1 hasta 30 MHz, por ejemplo, y veremos que atenuación presenta a lo ancho de todo ese espectro.

En el caso de Unun o choque hecho con cable bifiliar, se medirá cada conductor por separado.
Ambos conductores deberían mostrar unas cifras similares.

Normalmente los VNA no suelen mostrar la impedancia compleja en las medidas S21 como la presente. Si lo mostrara, estupendo.
Si no lo mostrara, como en muchos casos, es muy sencillo exportar los datos de esa medición en forma de Magnitud y Fase, y con una sencilla fórmula lo convertimos a Impedancia Compleja.
Para facilitar las cosas, he preparado un archivo Excel donde se importa los datos de Magnitud y Fase del VNA y ya calcula la Impedancia Compleja, e incluso muestra el resultado en una gráfica.

Descargar --> Calculadora Impedancia Compleja

Calculadora Impedancia Compleja

Una vez que ya tenemos el resultado, en datos o en la gráfica, ya podemos ver cuánta impedancia presenta y dónde.
No hay una cifra mágica de impedancia mínima, pero por decir algo, menos de 1000 Ohm tendría poca o nula utilidad.
Los choques buenos alcanzan cifras de 5000 y hasta 8000 OHm o más, en el rango de frecuencias que interesa.
Y precisamente eso, el rango de frecuencias, es la segunda variable a prestar atención. La mayor impedancia debe concentrarse en las frecuencias que nos interesan. Según como se haga el choque, número de vueltas, diámetro, material de la ferrita (si se usa), nos va a permitir centrar esa impedancia en las frecuencias deseadas.

 
 

Medir Balun

Medir un Unun o choque fue algo sencillo, pero medir un Balun se complica mucho más.
Como dije al principio, un balun es un dispositivo de tres puertos y los VNA sencillos disponen de dos puertos solamente (existen VNA de más puertos pero son aparatos de laboratorio, y de alto coste).
Por lo tanto para medir tres puertos con un aparato de dos, nos obliga a hacer varias mediciones y luego calcular matemáticamente algunas de las medidas finales, como por ejemplo el rechazo al modo común o CMRR, equilibrio de amplitud y de fase, y las pérdidas totales. Alguna medida como pueden ser las pérdidas de retorno S11, se puede hacer directamente.

Además de lo anterior, la cosa aún se complica más debido a que el balun no se puede medir en vacío, necesita "ver" siempre la impedancia correcta en todos sus puertos.

Y como complicación final, tenemos que hacer algo para que al conectar el VNA no varíe o modifique lo que se está midiendo. Necesitamos es una sonda de RF.

 
 

Sonda de RF

La sonda de RF es recomendable por varias razones.  
.- El VNA, o aparato de medida, tiene sus puertos de 50 OHm, si conectamos algo que no sea 50 OHm, la medida no va a ser completamente fiable, estará afectada por esa desadaptación.
.- No afectar al circuito que se está midiendo. Como la sonda tiene una alta impedancia, afectará lo mínimo al circuito donde se conecte.

La sonda, diseño de Paco - EB3DMS, es muy sencilla, solo son dos resistencias.

Sonda de RF

Lo ideal es usar resistencias no inductivas. Además hay que tratar de hacer lo más cortas posibles las separaciones entre las resistencias y la terminación coaxial.
La siguiente es una sonda que hice con resistencias SMD en placa de prototipos.
Unos cocodrilos en las puntas de los cables, nos facilitarán las pruebas.
Una versión mejorada sería soldar las resistencias SMD directamente sobre el conector hembra, sin hilos ni PCB.

Sonda de RF

La sonda también es un atenuador. esta sonda concretamente atenúa 45,05 dB.
Una sonda debe proporcionar un mínimo de 26db para medir sobre 50 OHm.
Si se mide sobre 100 OHm deberían ser menos de 32dB.  
Para calcular la atenuación sería: 20 x Log ( (RH +RL) / RL)  
RL = 50 OHm del puerto del VNA, en paralelo con la resistencia de 56 OHm. En este caso resultan 26,41 OHm.
RH = la resistencia de alta, en este caso 4700 OHm

Con esa sonda ya podemos medir cualquier balun con tranquilidad, sabiendo que el VNA "ve" 50 OHm en su puerto, y que no estamos modificando el circuito.