O symetrizaci se dočteme v každé anténářské příručce, stejně jako o tom, že pokud ji zanedbáme, dojde k deformaci vyzařovacího diagramu a ke vzniku plášťových proudů. Někde se dočteme, že tak může docházet ke vzniku rušení příjmu rozhlasu nebo televize nebo rušení jiných zařízení a v případě přijímací antény bude její napáječ fungovat jako sběrač rušení. Bohužel je však velmi rozšířená představa, že některé typy antén lze napájet bez balunu. Internet snese všechno, v jednom čtenáři velmi dobře hodnoceném článku jsem se např. dočetl následující:
"Balun je člen, jehož hlavním úkolem je převod signálu z podoby nesouměrné na souměrnou (t.j. například ze souosého kabelu ke středově napájenému zářiči) nebo naopak. Tolik slova odborné literatury.
Kromě této činnosti může pracovat i jako transformátor impedance. Tento může být konstruován v podobě lineární, což představuje úsek vedení, nebo vinuté t.j. vinutí na feromagnetickém jádru případně v provedení bez jádra. Pro některé aplikace jako např. cellulární systémy, jak tedy již každého napadlo, se význam balunu vzhledem k typům antén trochu vytrácí. Je-li s ním však přesto počítáno i zde, bude jeho provedení nutně širokopásmové, pro poměry krajních kmitočtů až 1:100. Meze použitelného pásma jsou potom dány nárůstem jalové složky přenosu a útlumu.
Ztráty v balunu jsou značně závislé na jeho provedení. Správně navržený balun na feritovém jádře může mít ztráty pouhých několik procent výkonu, a to díky tomu, že délka vinutí vedení bude nepatrná vzhledem k vlnové délce".
Pro snazší pochopení funkce balunu bych raději mluvil o oddělení napáječe od antény, příp. o potlačení soufázových proudů. Když si vezmete napájený prvek nějaké antény (Yagi, Quadu...) a rozkreslíte si proudy, které tam tečou, zjistíte, že se jedná vždy o totéž - ať hovoříme o převodu signálu z podoby nesouměrné na souměrnou, o oddělení napáječe od antény nebo o potlačení soufázových proudů, je to jedno a to samé. Nejčastěji používaná "definice" - převod signálu z podoby nesouměrné na souměrnou - je však bohužel ta nejméně výstižná, ta nejhůř zformulovaná, protože fakticky zakrývá nejen skutečnou funkci balunu, ale zejména jeho důležitost. Když se váš napáječ stane součástí antény, tak je to opravdový průšvih a také jedna z nejčastějších příčin, proč anténa nefunguje. Proto bude vhodné, když se podíváme, co se děje na napáječi.
Jako příklad může posloužit dipól, napájený bez jakékoli symetrizace (obr. 1) [1].
Obr. 1. Proudy, tekoucí v koaxiálním kabelu,
napájejícího půlvlnný dipól bez jakékoli symetrizace.
Na obr. 1. je jasně vidět, co se děje na napájecím kabelu v případě dipólu, napájeného bez jakékoli symetrizace. Nemůžeme si ale představit, že proud I2 se rozdělí na I4, tekoucí do ramene dipólu a I3, který se "otočí" a coby plášťový proud teče k vysílači - taková představa by byla naprosto chybná. Ve skutečnosti je nutné brát v úvahu skutečnost, že stínicí opletení koaxiálního kabelu má dva povrchy - vnitřní a vnější, které jsou od sebe vzájemně odizolovány, takže to, co teče po vnitřním povrchu, není totožné s tím, co teče po vnějším povrchu.
Uplatňuje se zde skinefekt a hloubka vniku je přitom nepatrná. Proud I1, tekoucí po vnějším povrchu vnitřního vodiče koaxiálního kabelu je v rovnováze s proudem I2, tekoucím po vnitřním povrchu opletení, tedy má v každém okamžiku na libovolném místě stejnou amplitudu, ale opačnou fázi. Proud I3, tekoucí po vnějším povrchu opletení je v rovnováze se všemi proudy, které si najdou cestu jinudy. V případě ideální symetrizace a neexistujících vlivů okolí by tedy proudy I1 a I4, tekoucí do ramen dipólu, byly symetrické - to je tedy symetrie, o které je řeč.
Reálná anténa se ovšem chová jinak, především díky vlivům okolí. Obr. 1 nenaznačuje proudy, se kterými musí být v rovnováze I3, naznačuje však jinou, velmi důležitou skutečnost - proud I4 je vždy menší, než proud I2 i I1 a proud I3 znamená, že část výkonu, přiváděného k anténě, je vyzářena vnějším opletením napáječe. Pokud zabráníme proudu I3, aby tekl po vnějším opletení kabelu, vnutíme soustavě napáječ - anténa symetrizaci a veškerý výkon bude vyzářen anténou, v tomto případě dipólem. Jak jsme uvedli, málokoho napadne napájet dipól bez jakékoli symetrizace, ale obr. 1 nám pomůže při objasnění toho, jak to dopadne, nebudeme-li takto napájet půlvlnný dipól, ale nějakou jinou anténu, o které se obecně soudí, že symetrizaci nepotřebuje.
Jako příklad může posloužit klasická anténa GP, jejíž umělá zemní rovina je tvořena čtyřmi paprskovitě uspořádanými vodiči délky lambda/4 [2]. Tato anténa je zjevně nesymetrická a bylo by proto logické napájet ji bez jakékoli symetrizace. Situaci znázorňuje obr. 2.
Obr. 2. Anténa GP, jejíž umělá zemní rovina je tvořena
čtyřmi paprskovitě uspořádanými vodiči délky lambda/4.
Obrázek naznačuje proudové obložení jednotlivých částí antény a byl získán při analýze modelu antény momentovou metodou pomocí programu EZNEC [2]. Situace při výkonu 1500 W vypadá následovně:
EZNEC ver. 3.0
Balun 80 vertical 9/8/06 6:22:14 PM
--------------- CURRENT DATA ---------------
Frequency = 3.6 MHz.
Wire No. 1: 6.700
Wire No. 2: 1.359 (napáječ, příp. stožár)
Wire No. 3: 1.985 (paprsky umělé zemní roviny)
Wire No. 4: 1.985
Wire No. 5: 1.985
Wire No. 6: 1.985
Všimněme si proudu, tekoucího vodičem 2, který představuje napáječ nebo stožár, na kterém je anténa upevněna, případně stožár i napáječ. Jeho existenci lze ověřit i prakticky na hotovém modelu antény např. pomocí proudové sondy s ručkovým měřicím přístrojem. Jeho výchylky budou odpovídat poměrům, uvedeným v tabulce. Je zřejmé, že tento proud bude příčinou celé řady problémů, od rušení elektronických přístrojů v okolí napáječe až po "pálení" kovových částí přístrojů v hamshacku, které bývá často přičítáno nedokonalé vf zemi. Abychom si uvědomili, co všechno může tento proud způsobovat, provedeme při modelování jeden trik - do napáječe umístíme další zdroj, dodávající nulový proud. Tento napěťový zdroj nám umožní výpočet napětí, které bude na balunu, pokud se pokusíme o symetrizaci.
Source 2 Voltage = 145.5 V. at 67.97 deg.
Current = 0 A. at 0.0 deg.
Pokud bychom tedy umístili do napáječe balun, představující nekonečnou impedanci, museli bychom na něm naměřit 145,5 V a fázový úhel 68o. Dokazuje to mj. fakt, ľe umělá zemní rovina ve skutečnosti není zemí, ale proti skutečné zemi bychom naměřili uvedené napětí. Po provedení symetrizace budou poměry na anténě při 1500 W vypadat následovně:
Wire No. 1: 6.4 A
Wire No. 2: 0 A (paprsky umělé zemní roviny)
Wire No. 3: 1.58 A
Wire No. 4: 1.58 A
Wire No. 5: 1.58 A
Wire No. 6: 1.58 A
Závěr je tedy jednoduchý: zemní rovina není zem a proto nebude v bodě, kde bychom očekávali nulové napětí, ve skutečnosti téměř 150 V! Pokud takovou anténu vodivě spojíme se stožárem, budou jím protékat poměrně značné proudy a proto je vhodné anténu upevnit izolovaně. Do napájecí cesty tedy bude nutné vřadit tlumivkový balun, který zabrání protékání plášťových proudů po vnějším povrchu napáječe. Nejde tu o symetrizaci, ale skutečně jen o zabránění toku těchto proudů a proto balun musí být tlumivkový (proudový) - napěťový balun by nepomohl. Kromě symetrizace může tedy proudový balun mít ještě jiný význam - udržet kontrolu nad vyzařováním jednotlivých částí anténního systému. Vyzařovat má anténa a nikoli napáječ a právě v tom tlumivkový balun pomůže.
Plášťové proudy tedy představují velmi nepříjemný problém a jejich vliv bývá často podceňován. Pokud zařadíme do napájecí cesty správně navržený širokopásmový tlumivkový balun (někdy také nazývaný Line Isolator), nemůžeme tím nic zkazit a naopak se tím často vyřeší mnohem víc problémů, než bychom očekávali. Balun tedy potřebujeme!
Literatura:
[1] Maxwell, W.: Some Aspects of the Balun Problem (kopie zde)
[2] Rauch, T.: Verticals and Baluns, http://www.w8ji.com/verticals_and_baluns.htm