اتصال کوتاه

.

.

در این رشته مقاله ها با ترانسفورماتورهای فرکانس بالای تبدیل امپدانس موسوم به «بالون» و ریزِ جزییات فنی آنها به طرزی موجز و دقیق و موثر آشنا می شویم و راه های ساختن انواع و اقسام بالون ها را یاد می گیریم.

.

بالونِ جریان

.

.

اصولاً یک «بالون جریان 1:1» یک سیم پیچ معمولی است، افزاره ایست که مانع عبور جریان های نامتعادل می شود. این بالون از یک خط انتقال تشکیل شده که روی یا دور هسته ای پیچیده شده باشد. این خط انتقال می تواند یا یک سیم آنتن با ساختمان موازی (مانند فیدِرهای مسطح)، و یا یک کابل هم محور (کواکسیال) باشد. گاهی به جای هسته ی فریتی استفاده از هسته ی هوایی هم کفایت خواهد کرد.

اگر به دو جزء جریان روی دو رسانای خط انتقال دقت کنیم، مشاهده می کنیم که هر دوی این جریان ها، مقدار یکسانی دارند، اما جهت حرکت آنها خلاف یکدیگر است. در حالت ایده آل، میدان مغناتیسیِ این جریان ها طوری افزایش پیدا می کند که هیچ فلوی مغناتیسی در هسته پدیدار نشود.

خلاف این وضعیت با پیدا شدن جریان های غلافی و جریان های نامتعادل پیش می آید. به این ترتیب که در این حالت دو رشته سیم خط انتقال مانند یک سیم منفرد عمل می کنند. بالون به صورت یک چوک یا سلف درمی آید. مقدار خودالقایی (اندوکتیویته) این چوک یا سلف را مقاومت القایی موثر آن تعیین می کند.

برای داشتن یک SWR خوب باید «مقاومت موجی» رسانایی که برای خط انتقال مورد استفاده قرار گرفته (کابل کواکسیال، فیدر موازی ...)، با میانگین هندسی بین امپدانس های ورودی و خروجی برابر باشد. به عبارت دیگر رابطه ی زیر باید برقرار باشد:

.

.

نکته: توجه داشته باشید که هر جا بالونی وجود داشت، الزاماً نباید انتظار داشت که عملکرد صحیحی نیز از بالون دریافت شود! دیده شده که بالون ها در بسیاری موارد به طرزی ناصحیح به کار گرفته شده اند. در برخی موارد به اشتباه انواعی از «مبدل های امپدانس» را، بدون توجه به خواص متعادل کننده که وظیفه ی اصلی یک بالون است، به عنوان بالون در نظر می گیرند. روشن است که چنین مبدل هایی نباید «بالون» (BalUn)، بلکه «اُن اُن» (UnUn) نامیده شوند چون هر دو سمت آنها بالانس نشده (Unbalanced) است.

.

ویژگی های یک «بالون جریان»

هر بالون جریان دارای مشخصه های مهم زیر است:

.

1-      به جریان های متعادل بی هیچ ممانعتی اجازه ی عبور می دهد

بر روی انتقال انرژی توسط جریان های هم اندازه اما مختلف الجهت از آنتن به TRX، و یا از TRX به آنتن اثری گذاشته نمی شود.

.

2-     جریان های نامتعادل را مسدود می کند

در محل استقرار، به مانند یک سیم پیچ (سلف) از خود یک مقاومت القایی نشان می دهد (سیم پیچ مسدودکننده، چوک هم وجه یا کمون مُد). به این ترتیب جریان های غلافی به طرز موثری کاهش می یابند.

.

یک «بالون جریان» (تبدیل کننده ی بالانس شده به بالانس نشده) واسطه ی ارتباط یک خط انتقال نامتعادل (مانند کابل هم محور) به یک بار متعادل (مانند آنتن دو قطبی)، و یا یک خط انتقال متعادل (مانند خط فیدر با دو سیم موازی) به یک بار نامتعادل مانند آنتن هایی با ویژگی های نامتعادل، همچون آنتن های دارای صفحه ی زمین، فید خارج از وسط یا دایپل های نامتعادل است. بالون های جریانی به عنوان «سلف مسدود کننده ی نامتعادل» / «مسدوکننده ی امواج غلافی» عمل می کنند.

.

بالون جریان با نسبت تبدیل 1:1 – مدار معادل

در تصویر زیر بالون جریان با نسبت 1:1 برای جریان متعادل و مدار معادل آن، مدار معادل پیشنهادی Lewallen، دیده می شود. امپدانس Z_w مقاومت القایی برای جریان نامتعادل است.

.

.

در اینجا، در کنار تصویر بالا، روابطی که میان جریان ها و امپدانس ها برقرارند، آورده شده اند.

.

بالون جریان به عنوان مسدودکننده ی موثر جریان غلافی

رسانای محافظِ (شیلد) کابلِ خطِ انتقالِ انرژیِ فرکانسِ بالا در حضور جریان های نامتعادل، ناخواسته به عنوان بخشی از آنتن عمل می کند و امواج از آن منتشر می شوند.

.

.

همان طور که در قسمت چپ تصویر بالا دیده می شود، شاخه ی قرمز آنتن دوقطبی و شیلد کابل انتقال به صورت یک آنتن اضافی از نوع «اِل-وارونه» (Inversed-L) عمل می کنند. من دوست دارم این آنتن را «آنتن زانویی» بنامم.

استفاده از یک «بالون جریان» مسیر گذر جریان های نامتعادل را مسدود می کند، به این ترتیب که در مقابل این جریان ها از خود یک مقاومت القایی بزرگ نشان می دهد.

همزمان، اما، وجود این بالون هیچ تاثیری بر انتقال انرژی سیگنال های متعادل در درون کابل هم محور نمی گذارد و تنها، جریان هایی را که روی دیواره ی بیرونی رسانای محافظ کابل ظاهر می شوند، تضعیف می کند.

تاثیرگذاری بالون زمانی به بهترین حالت خود می رسد که در محل قله ی جریان نامتعادل نصب شود.

.

.

چه زمانی استفاده از یک بالون لازم می شود؟

وظیفه ی یک بالون «جداسازی موثر پتانسیل RF بین سامانه های متعادل و نامتعادل» است. بالون ها ممانعت می کنند که جریان های جبرانی در مسیرهایی جاری شوند که نباید در آنها حضور داشته باشند. یک بالون از انتشار سیگنال های تداخلی الکترومغناتیسی (EMI=Electromagnetic Interference) هنگام فرستندگی، و دریافت امواج و سیگنال های مزاحم و اختلالی و نویزهای مختلف در زمان گیرندگی پیش گیری می کند.

تصویر زیر عدم تعادل و توازن بین آنتن و خط انتقال (کابل رابط) را در حالت فرستندگی نشان می دهد. این عدم توازن باعث برگشت انرژی فرکانس بالا به تجهیزات مخابراتی و راه یافتن آن به اتصال زمینِ شبکه ی برق و نهایتاً ایجاد اختلال در دیگر وسایل برقی می شود.

.

.

بهترین بالون را چگونه می سازند ؟

برای ساختن یک بالون خوب باید نکته های زیر را در نظر داشت:

• داشتن مقاومت القایی بالا برای جریان های نامتعادل. قاعده ی کلّی این است که مقاومت القایی بالون 10 برابر بالاترین امپدانس باری باشد که به آن وصل خواهد شد. این مقدار متناظر است بر 21 دسی بل تضعیف جریان های نامتعادل)،
• هدف های مهم در فیزیکِ بالون: خودالقایی بالا، تعداد دور کم، طول اجرای کوتاه،
• هدف مهم در پاسخ فرکانس بالون: پهنای باند وسیع،
• برقراری این رابطه: مقاومت موجی رسانای پیچیده شده = میانگین هندسی امپدانس های ورودی و خروجی،
• مقاوم بودن سیم پیچ در برابر ولتاژهای بالا: مثلاً بهره گیری از خط انتقالی که با عایق تفلون ساخته شده باشد،
• تلفات اهمیِ اندک: به کارگیری سیم کلفت، نقره اندود شده، ماده ی رسانای کم مقاومت،
• جنس هسته ی سیم پیچ باید قادر به تحمل بالاترین فلوی مغناتیسی باشد. این به معنی بهره گیری از هسته ی ساخته شده از مواد کم تلفات است. به علاوه، هسته باید به اندازه ی کافی بزرگ باشد.

.

تفاوت میان «بالونِ جریان» و «بالون ولتاژ»

واژه ی بالون در بیشتر اوقات به دو نوع متفاوت از این افزاره اطلاق می شود:

.

• «بالون جریان» جریان های متعادل را ایجاد می کند.

بالونِ جریان به عنوان چوک نامتعادل (مسدودکننده ی امواج غلافی، چوک هم وجه Common mode choke) به کار برده می شود.

وظیفه ی یک بالونِ جریان این است که بر روی اتصالات خروجی خود جریان های یکسان از نظر بزرگی که در جهت های مخالف یکدیگر روان باشند، ایجاد کند. این امر می تواند موجب شود تا ولتاژ خروجی، یعنی آن ولتاژی که در اتصالات خروجی بالون نسبت به زمین قرار می گیرد، چنان مقداری را پیدا کند که برای ایجاد تقارن در جریان خروجی ضروری باشد.

.

• «بالون ولتاژ» ولتاژهای متعادل را ایجاد می کند.

این افزاره به فراوانی برای تطبیق دادن بین آنتن و خط انتقال در باند پهنی از فرکانس های کاری و به عنوان تبدیل کننده یا «ترانسفورمر امپدانس» به خدمت گرفته می شود. بالون های ولتاژی در بیش تر موارد با نرخ تبدیلی پیچیده می شوند که امپدانس های متفاوت بین ورودی و خروجی را به هم تبدیل کنند.

.

.

مشخصه های یک بالون ولتاژ

هر «بالون ولتاژ» بر  پایانه های خروجی خود ولتاژهای متعادلی را نسبت به پتانسیل زمین ایجاد می کند.

با استفاده از «بالون های ولتاژ» توازن و تقارن سفت و سختی پیدا می شود، زیرا سر وسط پیچش خروجی آن به زمینِ پیچش ورودی متصل است.

.

.

اصول کار هر «بالون ولتاژ» مانند یک ترانسفورمر است. یعنی: جریان در پیچش اولیه یک میدان مغناتیسی ایجاد می کند، این میدان در پیچش ثانویه ولتاژی را القا می کند. انتقال انرژی در آن از طریق فلوی مغناتیسی انجام می گیرد، لذا، هسته باید تحمل توان تبدیل شده را داشته باشد.

.

تبدیل (ترانسفورماسیون)

برای حفظ پهنای باند کافی، «بالون ولتاژ» را در بیش تر اوقات به صورت یک «اتوترانسفورمر»، درست مانند ترانس های خط در خطوط فشار قوی انتقال نیروی برق (TLT=Transmission-Line-Transmission)، می سازند.

اگر نسبت مقاومت ها "1" باشد، صحبت از یک بالون ولتاژ 1:1 خواهد بود، یعنی ترانسی که در هر دو طرف آن امپدانس و ولتاژ یکسانی داریم.

اگر نسبت مقاومت ها متفاوت باشد، ولتاژهای ورودی و خروجی با نسبت بین تعداد دور پیچش ها، و امپدانس ها با مربع نسبت بین تعداد دور پیچش ها متناسب خواهد بود.

.

بالون ولتاژ 1:4 – رفتار جریان نامتعادل

در حالت گیرنده، هر گاه جریان های نامتعادل از یک منبع (سیگنال یا اختلال) بر روی هر دو رسانای خط انتقال به طور مساوی وارد شوند، افزاره ی متعادل آنها را به طور کامل به زمین هدایت می کند.

.

.

هر گاه تعادل یا به عبارت بهتر «تقارن» در سامانه ی آنتن رعایت نشده باشد، مثلاً اگر خط انتقال به صورت قائم به سمت آنتن دوقطبی نرفته باشد، یا شاخه های دایپل دقیقاً متعادل نباشند، و امثال این خطاها، ممکن است بخش هایی از جریان متعادل در بارِ متصل به سامانه ی آنتن، یک ولتاژ ناخواسته ی پارازیتی تولید کند. همین امر در حالت فرستنده نیز متصور است، با این تفاوت که بخشی از انرژی فرستنده به دایپل نمی رسد و در طول خط انتقال تشعشع خواهد کرد.

.

در تصویر زیر سیم های پیچیده شده بر روی هسته به رنگ های آبی و قرمز نشان داده شده اند. از این پیچش ها تنها جریان متعادل می تواند گذر کند، زیرا آنها به علت نوع پیچیدن پیچش ها برای جریان های نامتعادل مانند یک چوک مسدود کننده عمل می کنند. از نوع ترسیم آنها (اندازه ی پیکان ها) می توان تشخیص داد که اجزای جریانی در محدوده ی سیم های دوقلو همیشه به یک اندازه بزرگ هستند.

.

.

در صورت تغذیه با جریان متعادل از طریق کابل هم محور (تصویر سمت چپ) نیمی از جریان به صورت جریان متعادل از سیم های دوقلو عبور می کند. نیمه ی دیگر به دایپل می رسد. بنابراین، همزمان یک تبدیل ولتاژ 2:1 صورت می گیرد، تمام توان به دایپل می رسد، مقاومت پای آن باید مقدار اهمی ای چهار برابر امپدانس کابل را داشته باشد.

در حالت حضور جریان نامتعادل با دامنه ی مساوی روی هر دو سیم دایپل نسبت به زمین، اثر بالون ما که با دو رشته سیم پیچیده شده این خواهد بود که جریان نامتعادل را به شکل یک جریان متعادل به طور کامل از پیچش گذر دهد. این با یک اتصال کوتاه به زمین قابل مقایسه است که باعث می شود چیزی برای نفوذ به کابل کواکسیال باقی نماند.

اگر جریان نامتعادل با دامنه های نامساوی روی دو سیم تقسیم شود، تفاوت دو جریان راه انحرافی از درون کابل کواکسیال را در پیش خواهد گرفت. بالون ولتاژ دیگر به عنوان عضو جداکننده عمل نخواهد کرد و هیچ جریان متعادلی را از خود عبور نخواهد داد.

.

.

ادامه دارد ...

.

.

مطالب مرتبط:

بـالـون: شناخت، ساخت، سنجش -3

بـالـون: شناخت، ساخت، سنجش -1

.

.