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バランおよび RF トランスカリキュレータ

バラン/アンバランス給電線マッチングのバランとRFトランスの巻数比、インピーダンス変換比、挿入損失を計算します。

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公式

N=ZLZSN = \sqrt{\frac{Z_L}{Z_S}}
N— 巻数比 (二次:一次)
Z_L— 負荷インピーダンス (Ω)
Z_S— 電源インピーダンス (Ω)

仕組み

バラントランスカリキュレータは、平衡回路（差動）回路とアンバランス回路（シングルエンド）間の変換における巻数比とフェライトコアの選択を決定します。RFエンジニア、アンテナ設計者、およびEMCの専門家はこれを使用して、ダイポールを同軸ケーブルに接続し、プッシュプルアンプをマッチングさせ、コモンモード干渉を抑制します。巻数比N = sqrt（Z_Balanced/Z_Unbalance）によってインピーダンス変換が決まります。Sevickの「伝送線路変圧器」（第4版）とPozarの「マイクロ波エンジニアリング」（第4版）によると、4:1 のバランはN = 2の巻数比を使用して200オームの折り畳まれたダイポールを50オームの同軸に一致させます。第7章リターンロスやバランスなどのバラン性能パラメータは、IEEE 規格 287-2007 (最大周波数110 GHz の高精度同軸コネクタに関する IEEE 規格) の校正方法に従って測定されています。

伝送線路バラン (Guanella、Ruthroff) は、伝送線路の特性インピーダンスによって帯域幅が決まるコイル状の同軸巻線またはバイファイラ巻線を使用します。1:1 の電流バランは 3:1 の周波数範囲で 20 dB を超えるバランスを実現します。磁束結合バランは、周波数に応じて透磁率が選択されたフェライトコアを使用します。1～30 MHzの場合はタイプ43（mu = 850）、30〜200 MHzの場合はタイプ61（mu = 125）、200 MHz〜1 GHzの場合はタイプ67（mu = 40）です。

コモンモード除去比（CMRR）は、不要な電流を抑制する際のバランの有効性を測定します。高品質のバランは、30 dBを超えるCMRRを達成します。プッシュプル・アンプや測定システムでは、振幅バランス (< 0.5 dB) と位相バランス (< 3 度) が重要です。挿入損失は、設計と周波数にもよりますが、0.1 dB (伝送線路) から 1 dB (磁束結合) までの範囲です。

計算例

問題:14 MHz (20 メートルのアマチュアバンド) で 200 オームの折り畳みダイポールと 50 オームの同軸ケーブルが一致する 4:1 バランを設計します。

Sevick の方法論に基づく解決策: 1.ターンの比率:N = sqrt (200/50) = 2:1 (2 ターンのセカンダリ:1 ターンのプライマリに相当) 2.トポロジーを選択:Guanella 4:1 の電流バランを 2 本の 1:1 伝送ラインセクションを使用する -各セクションは 50 オームの同軸ケーブルをフェライトに巻いたものです。 -アンバランス側がパラレル、バランス側が直列：50 || 50 = 25 オームの入力は 50 + 50 = 100 オームに変換されます... -待ってください。再構成が必要です。50オームのセクションを直並列に接続すると、4:1 の変換結果が得られます。

3.代替案:ラスロフ 4:1 電圧バラン -フェライト・トロイドにバイファイラ巻線による単巻変圧器を採用 -FT-140-43トロイドのバイファイラー（16ゲージワイヤ）を風で8回転させます -巻線の特性インピーダンス:A0 = 平方メートル (Z1*Z2) = 平方メートル (50*200) = 100 オーム

4.インピーダンス変換の検証: -200 オームの抵抗をバランスポートに接続 -アンテナアナライザでアンバランスポートで50 +/-5オームを測定 -適切に設計されていれば、SWR は 10-20 MHz の範囲で 1.5:1 未満でなければなりません。

5.14 メガヘルツのコアセレクション: -FT-140-43 (タイプ 43 フェライト、mu = 850): 14 MHz で 500 オームを超えるチョークインピーダンスを実現 -あるいは、FT-114-43 を 2 台積み重ねてより高いパワーハンドリングを実現してください (500 W 対 200 W)

6.テスト結果のベンチマーク:適切に設計された 4:1 バランは以下を実現します。 -挿入損失:14 MHz で 0.3 dB 未満 -挿入損失:20デシベル (SWR < 1. 22:1) -バランス:振幅0.5dB未満、位相5度未満

実践的なヒント

  • ✓受信専用アプリケーション（SDR、スキャナー）には、市販の 1:1 電流バランを使用してください。20ドルで十分なバランスが得られます。自分で巻線すると、電力処理が重要な送信バランでのみコストを節約できます。
  • ✓バランスが取れている各端子に50Ωの抵抗を接続して、バランバランスをテストします。電流は等しく、逆になっている必要があります（各抵抗の電圧降下を測定）。バランスが取れていない場合は、巻線の非対称性またはコア飽和を示します
  • ✓広帯域アプリケーションには、伝送ラインバラン（フェライトに同軸を巻いたもの）を使用してください。固有のインピーダンスマッチングにより、10:1 の周波数範囲で磁束結合設計よりも応答が平坦になります。

よくある間違い

  • ✗周波数に間違ったフェライト材料を使用する — タイプ 43 は 30 MHz 以上で飽和すると損失と発熱の原因となります。タイプ 61 は 10 MHz 未満では透磁率が不十分でバランスが悪くなります。常に動作周波数に合わせて材料を調整してください。
  • ✗コモンモードチョーク機能の無視 — バランはコモンモード電流に対して高いインピーダンスを示す必要があります。チョークが不十分（200 Ω未満）と、給電線放射が発生し、アンテナパターンが歪み、RF干渉の原因となります
  • ✗誤った巻線技術 — バイファイラ巻線は緊密に結合する必要がある（ワイヤが接触している）。間隔が緩いと、結合係数が減少し、帯域幅が2～3倍低下する
  • ✗高出力時のコア飽和を無視 — フェライトコアは、コア面積と透磁率によって決まる磁束レベルで飽和します。3.5 MHzで100 Wを処理するタイプ43トロイドは、同じ電力で30 MHzで過熱する可能性があります

よくある質問

バラン (平衡-不平衡) は、平衡回路と不平衡回路を変換します。例:ダイポール (平衡) から同軸 (アンバランス)、差動アンプからシングルエンド負荷。アンナン（アンバランス-アンバランス）は、2つの不平衡回路間のインピーダンス変換を行います。たとえば、エンドフィードアンテナの場合は50オーム～12.5オーム、オフセンター給電ダイポールの場合は50オーム～450オームです。どちらも同様のトランス技術を使用していますが、違いはバランス変換が必要かどうかです。1:1 バランは純粋にバランス用 (インピーダンスの変化なし) で、4:1 のバランは純粋にインピーダンス用 (バランス変化なし) です。
フェライトの透磁率をメーカーのガイドラインに従って動作周波数に合わせる:タイプ 43 (mu = 850): 1-30 MHz — HF アマチュア、短波。HF バランの主な選択肢。タイプ 61 (マイクロ波 = 125): 30～200 メガヘルツ — 超高周波帯域、低超高周波周波周波数。周波数が高くなると損失が小さくなります。タイプ 67 (ミュー = 40): 200 メガヘルツ-1 GHz — 超高周波帯、マイクロ波損失が最小で、透過性が最も低い。粉末鉄 (タイプ 2、6): 1 ～ 50 MHz、飽和磁束が高い — 高出力 RF に適していますが、透磁率が低いと必要な巻数が多くなります。必要なチョークインピーダンス (標準は 500 Ω以上) を計算し、コアが動作周波数でそれを供給できることを確認します。
回転比 N = 平方メートル (Z_高/Z_低)一般的な比率:1:1 (N=1): 50～50オーム — バランス変換のみ、インピーダンス変化なし。4:1 (N=2): 200～50オーム — 2素子八木駆動素子に代表される折り畳みダイポールから同軸へ。9:1 (N=3): 450～50オーム — オープンワイヤ給電線から同軸、オフセンター給電ダイポール。16:1 (N=1) =4): 800 から 50 オーム — 高インピーダンスアンテナ。非標準比の場合、カスケードバランは 6:1 = 4:1 で、その後に1.5：1が続きます（タップ式単巻変圧器で可能）。
コモンモード除去比（CMRR）は、両方の導体に均等に流れる電流（コモンモード）と差動的に流れる電流（差動モード）をバランがどれだけ抑えるかを測定します。バランがないと、外側のシールドにリターン電流が流れるため、同軸給電線が放射されます。これにより、アンテナパターンが歪み、RF がシャックに結合します。30 dB CMRR のバランは、コモンモード電流を 30 (電圧) 分の 1 に減らします。これは通常、フィードラインの放射を除去するのに十分です。CMRR は、平衡ポートを差動駆動してコモンモード出力を測定します。25 dB 以上なら許容範囲ですが、35 dB 以上であれば問題ありません。
はい、性能は低下します。設計周波数より低い：チョークインピーダンスが不十分、同相ノイズ除去が不十分、高電力でコアが飽和する可能性があります。CMRR（フィードライン放射の可能性）が 10 ～ 20 dB 低下することが予想されます。設計周波数を超えると、フェライトの損失タンジェントによる損失の増加、巻線容量による共振、帯域幅の縮小などが発生します。50 MHz で 1 ～ 30 MHz のバランを使用すると、挿入損失が 3 dB 増加し、バランスが 15 dB 悪化する可能性があります。帯域外で使用する場合は、実際の性能を測定してください。2 対 1 の周波数拡張に耐えられるバランもあれば、壊滅的に故障するバランもあります。

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