50Ωと300Ωのマッチング:実用バラン設計ガイド

ほとんどのエンジニアが認識している以上にバランが重要な理由

同軸給電線をダイポールアンテナに接続するたびに問題が発生します。同軸はアンバランスです。シールドと中心導体には等しく反対の電流が流れません。ダイポールはバランスが取れているため、両方の半分の位相が180°ずれた同じ電流が流れるはずです。それらを直接接続すると、同軸シールドの外側にコモンモード電流が流れ、放射されてパターンが歪み、受信時にノイズが吸収されます。

そこで、バランの出番です。その名前は文字通り「バランス・トゥ・アンバランス」で、この根本的なミスマッチを解決します。しかし、ここで問題なのは、ほとんどのバランはインピーダンスを変換するので、その比率を間違えると電力が消費され、トランスミッタが損傷する可能性があるということです。

インピーダンス変換の問題

自由空間にある単純な半波ダイポールのフィードポイントインピーダンスは約73Ωです。実際には、地面からの高さ、近くの物体、およびワイヤの直径によって、この値は 50 Ω から 100 Ω 以上に変化します。折れた双極子？これは公称値では300Ωです。オープンワイヤ・ラダー・ラインは、間隔にもよりますが、300～600Ωで動作します。

一方、無線では 50 Ω を想定しています。お使いのテレビは 75 Ω を想定しています。このミスマッチによって反射が生じ、反射によって電力が放射されずに送信機に向かって跳ね返ります。

巻数比とインピーダンス比の関係は単純明快です。

ここで、$N$は巻数比 (二次対一次) です。つまり、2:1 の巻数比では 4:1 のインピーダンス変換が得られます。4:1 のバランは、おそらく最も一般的なタイプですが、2:1 の巻線比を使用して、200 Ω を下げて 50 Ω に、300 Ω を下げて 75 Ω にマッチングさせます。

使用例:フォールド・ダイポールを 50 Ω 同軸ケーブルにマッチングさせた場合

146 MHz用に2メートルの折り畳みダイポールを構築するとします。アンテナの給電点での出力は約 300 Ω です。ご使用の同軸ケーブルは 50 Ω の標準 RG-58 です。

まず、必要なインピーダンス比を求めます。

次に、巻数比を計算してみましょう。

これは厄介です。2.45ターンは巻き上げられない。選択肢は 2:1 の比率 (4:1 のインピーダンス、つまり200Ω) か 3:1 の比率 (9:1 のインピーダンス、つまり450Ω) です。どちらも完璧ではありません。

実際には、ほとんどのエンジニアはここで 4:1 のバランを使用しており、このミスマッチを受け入れています。300 Ω を 4:1 のバランに入れると、同軸側では 75 Ω になります。これは 50 Ω に対して 1. 5:1 の VSWR です。理想的ではありませんが、実用的です。リターンロスは約 14 dB で、電力の約 4% が反射して戻ってきます。100 W のトランスミッタの場合、4 W は放射されません。煩わしいが壊滅的ではない。

あるいは、75 Ω 同軸ケーブル (RG-6 や RG-11 など) を使用すれば、マッチングはほぼ完璧になります。テレビアンテナのように75Ωの給電線が標準となっている受信専用アプリケーションには、この方が実際には優れたソリューションです。

バランおよび RF トランスカリキュレータを開いて、50 Ω ソース、300 Ω 負荷、146 MHz、および 10 MHz 帯域幅を接続します。計算ツールが 2. 45:1 の比率を推奨し、実際の VSWR が実用的な整数比でどうなるかがわかるはずです。

帯域幅に関する考慮事項

バランはブロードバンドではありません。伝送ラインバラン (従来の 1:1 チョークバランなど) は、おそらく 3:1 の周波数範囲で動作します。運が良ければ、従来のトランスバランは 10:1 に対応できますが、端ではパフォーマンスが低下します。

コアの材質は非常に重要です。フェライトコアは数百kHzからVHFまで問題なく動作しますが、ミックスが異なれば周波数範囲も異なります。HF (1～30 MHz) にはタイプ 43 のフェライトが一般的です。タイプ 61 は VHF にまで拡張されています。間違った組み合わせを使用すると、「バラン」が動作周波数で損失の多い抵抗になります。

狭帯域のアプリケーション (たとえば、アマチュア帯域が 1 つの場合) では、設計を厳密に最適化できます。複数の帯域でブロードバンドを使用する場合、妥協が予想されます。計算機の帯域幅入力は、設計がどこで崩壊し始めるかを理解するのに役立ちます。

挿入損失:隠れた税金

すべてのバランはある程度の電力を消費します。同軸またはツイストペアを使用する送電線バランは、一般に損失が 0.2 dB 未満で、非常に効率的です。フェライト・コアを使用した従来の巻線トランスの動作は HF で 0.3 ～ 0.5 dB ですが、選択を間違えた場合は VHF で 1 dB 以上に上昇します。

0.5 dB はそれほど大きくないように思えますが、電力の 11% が熱に変換されます。1500 W では、165 W がバランを暖めていることになります。そのため、高出力バランには慎重な熱設計が必要であり、フェライトの代わりに空芯構造や粉末鉄構造を使用することが多いのです。

よくある間違いと落とし穴

わかりにくい電圧バランと電流バランス

4:1 の電圧バランと 4:1 の電流バランはどちらもインピーダンスを 4:1 に変換しますが、負荷が不均衡になると動作が異なります。使用するアンテナが完全に対称でなく、実際のアンテナではほとんど対称にならない場合、電圧バランを使用するとコモンモード電流が流れます。電流バランは、負荷の不均衡に関係なく、等しい電流と反対の電流を強制します。

ほとんどのアンテナアプリケーションでは、電流バランが適切な選択肢です。電圧バランは組み立てが簡単ですが、近所のテレビで RFI のトラブルシューティングを行うまでは気付かないような問題が発生します。

周波数係数は無視してください

フェライトの透磁率は周波数によって一定ではありません。7 MHz 用に設計されたバランは、28 MHz ではまったく異なる特性を持つ場合があります。インダクタンスが変化し、損失タンジェントが変化し、注意深く計算した巻線比では期待したインピーダンス変換が得られなくなります。

必ず、目的の周波数範囲でコアの仕様を確認してください。ほとんどのメーカーが複雑な透磁率曲線を公開していますので、そちらを利用してください。

コア飽和度の過小評価

フェライトコアは飽和します。電力レベルによっては、コアがそれ以上の磁束に対応できなくなり、バランが非線形になります。これにより高調波が発生し、コアが加熱され、壊滅的な故障を引き起こす可能性があります。

一般的なフェライトの飽和磁束密度は約0.3～0.5Tです。特定のコアサイズと巻数に対して、安全に処理できる最大出力があります。コアが大きいほどより多くの電力を処理できます。回転数が多いほど磁束密度は下がりますが、損失は増えます。これは常にトレードオフです。

バランでのSWRのことを忘れる

アンテナチューナーがラジオで完璧な 1:1 SWR を伝えているかもしれませんが、だからといってバランが満足しているわけではありません。バランがチューナーとアンテナの間にある場合は、アンテナの実際のインピーダンスを受けていることになります。無線側のチューナーは、問題をトランスミッターから隠すだけで、バランがミスマッチを処理する必要があります。

マルチバンドの設置では、チューナーをバランの前にアンテナの給電点に置く方が理にかなっている場合が多いのはこのためです。

実務上の注意事項

単純な 1:1 チョークバランの場合は、フェライトトロイドに同軸ケーブルを10～12回転巻きます。周波数に適した透磁率のコア、つまり高周波動作用の FT-240-43 のようなコアを使用してください。同軸自体がインピーダンスを提供しますが、フェライトはコモン・モード電流にチョーク・インピーダンスを加えるだけです。

4:1 の電流バランには、バイファイラー巻線、つまり 2 本のワイヤを一緒に巻いて伝送線路として使用する必要があります。このツイストペアの特性インピーダンスは、電源と負荷インピーダンスの幾何平均でなければなりません。

ツイスト・マグネット・ワイヤから正確に100Ωを得るには、ワイヤ・ゲージとツイスト・レートを試してみる必要があります。ほとんどのビルダーは「十分に近い」ことを目指しており、軽微なSWRバンプも許容しています。

いつバランを完全にスキップすべきか

必要ない場合もあります。ラジアル型の1/4波垂直ケーブルは、本質的にバランスが取れていません。同軸ケーブルは問題なく直接接続できます。ネットワークが適切にマッチングされたエンドフィードアンテナも、設計上バランスが取れていません。

また、パターンの歪みが問題にならず、伝導ノイズの心配もない受信専用アプリケーションでは、不平衡接続からのコモンモード電流でも問題ない場合があります。本格的なステーションにはお勧めしませんが、クイックフィールドアンテナには有効な近道です。

試してみてください

計算は難しくありませんが、巻線比、コアの選択、帯域幅、損失など、すべての要素を正しく理解するには細心の注意が必要です。バランとRFトランスカリキュレータを開いて、実際の電源インピーダンスと負荷インピーダンスを試してください。このツールを使うと、理想的な巻数比を表示したり、整数巻線にマッピングできない難しい比率について警告したり、一般的な構造の挿入損失を推定したりできます。

何かを巻く前に数値を入力してください。トロイドを開封するよりも、電卓の入力を変更する方がずっと簡単です。