StroomBalun en Mantelstromen

Wisselstroom en gelijkstroom in een dipoolantenne
Het transport van de in de bron opgewekte “symmetrische” energie naar een “symmetrische” dipoolantenne vindt plaats op basis van Transversale Elektromagnetische Golven (TEM-golven). In beide leidingen vloeit een stroom die gelijk van grootte is maar tegengesteld in fase. Bij volledige symmetrie is I1 = -I2.
Ook de opgewekte elektrische- en elektromagnetischevelden in de toevoerleiding heffen elkaar op. Er vindt derhalve geen straling plaats. Ook Instraling door externe stoorbronnen worden in deze ‘ideaal’-omgeving volledig onderdrukt.
In de praktijk is geen enkele antenne volledig symmetrisch. Daarbij komt ook nog dat de antenne zal moeten worden gevoed vanuit een transceiver die over het algemeen een niet-symmetrische bronimpedantie heeft. Gevolg hiervan is onbalans en het ontstaan van mantelstromen. We laten hierbij nog even buiten beschouwing dat de antenne-impedantie en bron-impedantie over het algemeen ook niet gelijk zijn.

Het ontstaan van mantelstromen
Mantelstromen ontstaan als de stroom die de leiding instroomt in onbalans is met de stroom die er uitvloeit. Of wel de I1≠I2. Er ontstaat dan een (mantel)stroom I3 die, zoals in het nevenstaande voorbeeld is weergegeven, een verbinding vormt tussen dipoolarm 2, mantel en aarde. Er ontstaat een vertikaal gepolarizeerd veld rondom de coax. De buitenmantel van de coaxkabel werkt dan als antenne. Ook kan dit veld leiden tot low frequency interference, het oppikken van stoorspanningen.

De “stroom”-balun
De “stroom”-balun is een combinatie van de woorden Balans-Unbalance. Aan de balanskant is deze vrij van aarde terwijl die aan de onbalance kant aan aarde ligt. De eigenschappen van een ideale stroom-balun zijn:

  • laat wisselstroom ongehinderd door
    De energie die door de leidingen stroomt is even groot maar tegengesteld. Het resulterende veld is derhalve “nul”.
  • vertoond een oneindig hoge weerstand voor gelijkstroom.
    De spoel vertegenwoordigt een impedantie met hoge inductieve weerstand voor de “common-mode-stromen”. De mantelstromen worden in het ideale geval volledig onderdrukt en daarmee ook de mogelijke externe stoorspanningen.

De opbouw van een stroom-balun
De opbouw van een stroom-balun is niets anders dan een aantal twee-aderige wikkelingen met dezelfde wikkelrichting. Een kern van magnetisch materiaal is niet noodzakelijk omdat het resulterende electromagnetische veld in afstemming “nul”. Dit neemt niet weg dat desondanks vaak wel een magnetiseerbare kern wordt toegepast, maar perse noodzakelijk is dat niet. Met een poeder-ijzer kern ontstaat wel een betere onderdrukking van de mantelstroom.
De golfweerstand van de toevoerleiding naar de antenne moet in het geometrische midden liggen tussen in-uitgangsimpedantie:

Uit de formule is af te leiden dat de maximale onderdrukking van de mantelstromen frequentie afhankelijk is. Een balun is derhalve altijd een compromis.

Eisen te stellen aan de “stroom”-balun

  • Hoge weerstand tegen mantelstromen
  • Grote bandbreedte
  • Hoge doorslagspanning
  • Zo klein mogelijke doorgangsverliezen.

In nevenstaande figuur is een bijzondere ‘stroom’-balun weergegeven. Door de bouwwijze heeft het een hoge weerstand tegen mantelstromen waarbij de resulterende flux in de kern “nul” is.