INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇO
CAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHO
PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD
NOTAS DE AULA - BALUN
CAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHO
PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD
NOTAS DE AULA - BALUN
ÍNDICE ANTENAS - ÍNDICE ANTENAS PÁGINA PRINCIPAL ANTENAS - DIAGRAMAS ANTENA LOOP ANTENA LOOP FIO FINO ANTENA QUADRO DE DOIS ELEMENTOS BALUN-PÁGINA PRINCIPAL ACOPLAMENTOS RADIOCIÊNCIA BALUN BIBLIOGRAFIA ANTENAS TX, LT, ACOPLAMENTO E PROPAGAÇÃO ELETROMAGNETISMO
Um balun - "balanceado para desbalanceado", originalmente derivado de " unidade de balanceamento ") [1] é um dispositivo que permite que linhas balanceadas e desbalanceadas sejam interligadas sem perturbar o arranjo de impedância de qualquer linha. [2] Um balun pode assumir muitas formas e pode incluir dispositivos que também transformam impedâncias , mas não precisam fazer isso. Às vezes, no caso de baluns de transformador, eles usam acoplamento magnético, mas não precisam fazer isso. Chokes de modo comum também são usados como baluns e funcionam eliminando, em vez de rejeitar, sinais de modo comum. Para que ocorra a melhor eficiência na transmissão e recepção de sinais a partir de um sistema irradiante compreendido entre transmissor/receptor, linha de transmissão e antena, são necessárias que certas condições de casamento entre os subsistemas sejam próximo ao ideal. Como a impedância de entrada de uma antena assume valores diferentes em relação à impedância de saída do sistema em que está conectada, é prático dimensionar o sistema de transmissão/recepção variandoa geometria construcional. O comprimento e a distância entre elementos de antenas lineares influenciam o valor de suas impedâncias. Para se obter características de irradiação e impedância de entrada próximas entre os subsistemas, existem técnicas de acoplamentos:
A 'circulação' de correntes de um cabo coaxial ligado à uma antena dipolo, e embaixo a linha paralela
Embaixo demonstrado facilmente o 'casamento' tipo 'T'.
O DIPOLO DOBRADO
Este exemplo para a antena de quadro é bastante aproximado.
Observa-se facilmente que a impedância no caso do dipolo dobrado quadruplica, desde que as medidas (Diâmetro) dos condutores seja a mesma, ou:
Zin = 4 Za
O ACOPLAMENTO OU 'CASAMENTO' GAMA
O arranjo ou casamento T de dipolos dobrados aos transceptores é por linhas de transmissão balanceadas. Se a conexão é por linhas desbalanceadas, a exemplo de cabos coaxiais:
Onde
Conclui-se assim:
BALUNS E TRANSFORMADORES PARA ANTENAS QUADRA-CÚBICAS
O balun, do inglês 'BALance to UNbalance', tem como objetivo acoplar uma linha balanceada a uma linha desbalanceada.
BALUN BAZOOKA OU BAZUCA
"Veste-se" a Linha de Transmissão, e o comprimento da 'camisa' é igual a um quarto do comprimento de onda de ressonância, a impedância Z3 'vista' nos terminais do 'tubo' é grande e a corrente I3 de retorno pode ser considerada nula.
BALUN TROMBONE
Balanceia as LT e oferece uma transformação de impedância de 4:1. Por exemplo, uma linha paralela de 300Ω pode ser ligada a um cabo coaxial de
75Ω sem problemas de casamento de impedância.
NÚCLEOS DE FERRITE E TRANSFORMADORES
Os baluns com núcleos de ferrite podem ser utilizados para balanceamento e/ou para casamento de impedância
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL Em transformadores clássicos, há dois enrolamentos eletricamente separados de bobinas de fio ao redor do núcleo do transformador. A vantagem do tipo transformador sobre outros tipos de balun é que os enrolamentos eletricamente separados para entrada e saída permitem que esses baluns conectem circuitos cujas tensões de nível de terra estão sujeitas a loops de terra ou são eletricamente incompatíveis; por essa razão, eles são frequentemente chamados de transformadores de isolamento . Este tipo é algumas vezes chamado de 'balun de voltagem'. O enrolamento primário recebe o sinal de entrada, e o enrolamento secundário emite o sinal convertido. O núcleo em que eles são enrolados pode ser vazio (núcleo de ar) ou, equivalentemente, um material magneticamente neutro como um suporte de porcelana, ou pode ser um material que seja bom condutor magnético como ferrite em baluns modernos de alta frequência (HF), ou ferro macio como nos primeiros dias da telegrafia. O sinal elétrico na bobina primária é convertido em um campo magnético no núcleo do transformador. Quando a corrente elétrica através do primário se inverte, isso faz com que o campo magnético estabelecido entre em colapso. O campo magnético em colapso então induz um campo elétrico no enrolamento secundário. A proporção de loops em cada enrolamento e a eficiência do acoplamento magnético das bobinas determinam a proporção do potencial elétrico ( voltagem ) para a corrente elétrica e a potência total da saída. Para transformadores idealizados, embora a proporção de voltagem para corrente mude na proporção exata ao quadrado da proporção do enrolamento, a potência (medida em watts ) permanece idêntica. Em transformadores reais, alguma energia é perdida internamente para o aquecimento do núcleo metálico do transformador, para as resistências CA e CC dos condutores do enrolamento, e perdida externamente para o ambiente circundante devido ao acoplamento magnético imperfeito entre as duas bobinas. Um balun ideal consiste em dois fios (primário e secundário) e um núcleo: a corrente no fio primário gera um campo magnético no núcleo, que por sua vez induz um campo elétrico no fio secundário. Um balun autotransformador tem apenas uma bobina , ou é feito de duas ou mais bobinas que têm uma conexão elétrica, enroladas em torno de um núcleo. Também é possível fazer um autotransformador a partir de um transformador comum, cruzando os enrolamentos primário e secundário. Baluns feitos com enrolamentos de autotransformador também são chamados de baluns de tensão , pois produzem tensão de saída balanceada, mas não necessariamente corrente balanceada. Em todos os autotransformadores, o enrolamento único deve ter pelo menos uma conexão elétrica extra – chamada de tap ou ponto de tap – entre as duas extremidades do enrolamento. A corrente enviada para o balun por meio de um par de conexões age como se fosse uma bobina primária e magnetiza todo o núcleo. Quando a corrente elétrica no segmento de entrada da bobina muda, o campo magnético induzido entra em colapso e o colapso do campo magnético no núcleo induz uma corrente elétrica em toda a bobina. As conexões elétricas para partes da bobina diferentes das conexões de entrada têm tensões maiores ou menores, dependendo do comprimento da bobina da qual a saída é derivada.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL Ao contrário dos baluns do tipo transformador, um balun autotransformador fornece um caminho para a corrente DC para o aterramento de cada terminal. Como as antenas externas são propensas ao acúmulo de carga elétrica estática, o caminho para a estática drenar para o aterramento por meio de um balun autotransformador pode ser uma vantagem distinta. Baluns de linha de transmissão ou choke podem ser considerados formas simples de transformadores de linha de transmissão . Este tipo é algumas vezes chamado de balun de corrente , uma vez que garante corrente igual em ambos os lados de sua saída, mas não necessariamente voltagem igual. Estes são normalmente chamados ununs, porque eles vão de desbalanceado para desbalanceado ou un-un. Baluns são balanceados para desbalanceados ou bal-un.
Um tipo mais sutil resulta quando o tipo de transformador (acoplamento magnético) é combinado com o tipo de linha de transmissão (acoplamento eletromagnético). Mais tipicamente, o mesmo tipo de fios de linha de transmissão é usado para os enrolamentos que transportam o sinal do rádio para a antena, embora esses baluns possam ser feitos usando qualquer tipo de fio. Os dispositivos resultantes têm operação de banda muito larga. [3] Transformadores de linha de transmissão comumente usam pequenos núcleos de ferrite em anéis toroidais ou formas binoculares de dois furos. O transformador de linha de transmissão Guanella ( Guanella 1944 ) é frequentemente combinado com um balun para atuar como um transformador de casamento de impedância . Deixando o balanceamento de lado, um transformador desse tipo consiste em uma linha de transmissão de 75 Ω dividida em paralelo em dois cabos de 150 Ω, que são então combinados em série para 300 Ω. Ele é implementado como uma fiação específica ao redor do núcleo de ferrite do balun. Embora os baluns sejam projetados como dispositivos magnéticos – cada enrolamento em um balun é um indutor – todos os transformadores feitos de materiais reais também têm uma pequena capacitância entre os enrolamentos primário e secundário, bem como entre os loops individuais em qualquer enrolamento, formando uma autocapacitância indesejada. A conexão elétrica de capacitância e indutância leva a uma frequência onde a reatância elétrica da autoindutância e autocapacitância no balun são iguais em magnitude, mas opostas em sinal: isto é, à ressonância . Um balun de qualquer projeto opera mal em ou acima de sua frequência auto-ressonante, e algumas das considerações de projeto para baluns são para o propósito de tornar a frequência ressonante o mais acima possível da frequência operacional. Um indutor de RF pode ser usado no lugar de um balun. Se uma bobina for feita usando um cabo coaxial próximo ao ponto de alimentação de uma antena balanceada, então a corrente de RF que flui na superfície externa do cabo coaxial pode ser atenuada. Uma maneira de fazer isso seria passar o cabo por um toroide de ferrite. O resultado final é exatamente o mesmo que um balun de corrente 1:1 (ou balun do tipo Guanella). ( Straw 2005 , 25-26) A função de um balun é geralmente obter compatibilidade entre sistemas e, como tal, encontra ampla aplicação em comunicações modernas, particularmente na realização de misturadores de conversão de frequência para tornar possíveis redes de telefonia celular e transmissão de dados. Eles também são usados para enviar um sinal de portadora E1 do cabo coaxial ( conector BNC , conector 1.0/2.3, conector 1.6/5.6, conectores Tipo 43) para o cabo UTP CAT-5 ou conector IDC.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL Na televisão , rádio amador e outras instalações e conexões de antenas , os baluns convertem entre impedâncias e simetria de linhas de alimentação e antenas. [4]Por exemplo, transformação de linha de 300 Ω de dois fios ou linha de 450 Ω (balanceada) em cabo coaxial de 75 Ω (desbalanceado), ou para conectar diretamente uma antena balanceada a um cabo coaxial desbalanceado. Para evitar radiação na linha de alimentação, baluns são normalmente usados como uma forma de indutor de modo comum conectado ao ponto de alimentação da antena para evitar que o cabo coaxial atue como uma antena e irradie energia. Isso normalmente é necessário quando uma antena balanceada (por exemplo, um dipolo ) é alimentada com cabo coaxial; sem um balun, a blindagem do cabo coaxial poderia se acoplar a um lado do dipolo, induzindo corrente de modo comum e se tornando parte da antena e irradiando energia involuntariamente. [5] Ao medir a impedância ou o padrão de radiação de uma antena balanceada usando um cabo coaxial, é importante colocar um balun entre o cabo e a alimentação da antena. Correntes desbalanceadas que podem fluir no cabo tornarão a impedância da antena medida sensível à configuração do cabo de alimentação, e o padrão de radiação de antenas pequenas pode ser distorcido pela radiação do cabo. Baluns estão presentes em radares , transmissores, satélites, em todas as redes telefônicas e provavelmente na maioria dos modems/roteadores de rede sem fio usados em residências. Eles podem ser combinados com amplificadores de transimpedância para compor amplificadores de alta voltagem a partir de componentes de baixa voltagem. No caso de uso em vídeo de banda base usa frequências de até vários megahertz . Um balun pode ser usado para acoplar sinais de vídeo a cabos de par trançado em vez de usar um cabo coaxial. Muitas câmeras de segurança agora têm uma saída de par trançado não blindado balanceado (UTP) e uma coaxial desbalanceada por meio de um balun interno. Um balun também é usado na extremidade do gravador de vídeo para converter de volta de 100 Ω balanceado para 75 Ω desbalanceado. Um balun desse tipo tem um conector BNC com dois terminais de parafuso . Os baluns VGA/DVI são baluns com circuitos eletrônicos usados para conectar fontes VGA/DVI (laptop, DVD, etc.) a dispositivos de exibição VGA/DVI em longos trechos de cabo CAT-5/CAT-6. Extensões acima de 130 m (400 pés) podem perder qualidade devido à atenuação e variações no tempo de chegada de cada sinal. Um controle de inclinação e um cabo especial de baixa inclinação ou sem inclinação são usados para percursos acima de 130 m.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL Em aplicações de áudio , os baluns atendem a múltiplos propósitos: eles podem converter entre linhas desbalanceadas de alta impedância e balanceadas de baixa impedância . Outra aplicação é o desacoplamento de dispositivos (evitando loops de aterramento). Uma terceira aplicação de baluns em sistemas de áudio é no fornecimento de energia elétrica balanceada para o equipamento. A rejeição de modo comum de interferência característica da energia elétrica balanceada elimina uma ampla gama de ruídos vindos do plugue de parede, por exemplo, interferência transmitida pela rede elétrica de motores de ar condicionado/forno/refrigerador, ruído de comutação produzido por iluminação fluorescente e interruptores dimmer, ruído digital de computadores pessoais e sinais de radiofrequência captados pelas linhas/cabos de energia que atuam como antenas. Esse ruído infiltra-se no sistema de áudio/vídeo através das fontes de alimentação e aumenta o nível de ruído de todo o sistema. [6] Exceto pelas conexões, os três dispositivos na imagem são eletricamente idênticos, mas apenas os dois mais à esquerda podem ser usados como baluns. O dispositivo à esquerda normalmente seria usado para conectar uma fonte de alta impedância, como uma guitarra, em uma entrada de microfone balanceada, servindo como uma unidade DI passiva . O do centro é para conectar uma fonte balanceada de baixa impedância, como um microfone , em um amplificador de guitarra . O da direita não é um balun, pois fornece apenas correspondência de impedância.
REFERÊNCIAS
Guanella, G. "Novo método de casamento de impedância em circuitos de radiofrequência". Brown Boveri Review , setembro de 1944: 329–329.
Sevick, Jerry (W2FMI). Transformador de linha de transmissão , The American Radio Relay League , 1990, ISBN 0-87259-296-0 .
Sevick, Jerry (W2FMI). Construindo e Usando Baluns e Ununs: Projetos Práticos para o Experimentador . 1994.
Manual de comunicação de rádio , 5ª ed. ( Radio Society of Great Britain , 1976) 12.41, 13.5.
Straw, R. Dean. ARRL Antenna Book . 20ª edição. (Newington, CT: American Radio Relay League , 2005) ISBN 0-87259-904-3 .
LINKS
> Impedancia antenas antena fina py5aal.pdf 1119k
> A Impedância Correspondente em Sistemas Irradiantes
> Antenas Múltiplas.pdf 834k
> Métodos de Desenho de Antenas Múltiplas .pdf 909k
> Impedancia antenas antena fina py5aal
> A Impedância Correspondente em Sistemas Irradiantes
> As Antenas Lineares e as Antenas Loop
> Métodos de Desenho de Antenas Múltiplas
> Heathkit B-1 Balun Coil (manual)
> Hybrid Log Spiral With Loop Antenna
PERMISSÕES E DIREITOS AUTORAIS
©1976 Angelo Antonio Leithold
Antena quadra cubica 2 elementos by Angelo Antonio Leithold, Leithold, A. A. ; py5aal is licensed under a Creative Commons Atribuição-Uso Não-Comercial-Vedada a Criação de Obras Derivadas 3.0 Brasil License. O trabalho ACOPLAMENTOS - BALUN de PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD está licenciado com uma Licença Creative Commons - Atribuição-NãoComercial-SemDerivações 4.0 Internacional. Baseado no trabalho disponível em https://sites.google.com/site/radioamadorpy5aal/home/antena-quadra-cubica-dois-elementos/acoplamentos---balun. Podem estar disponíveis autorizações adicionais às concedidas no âmbito desta licença em https://sites.google.com/site/radioamadorpy5aal/home/antena-quadra-cubica-dois-elementos/acoplamentos---balun. Antena quadra cubica 2 elementos by Angelo Antonio Leithold, Leithold, A. A. ; py5aal is licensed under a Creative Commons Atribuição-Uso Não-Comercial-Vedada a Criação de Obras Derivadas 3.0 Brasil License.
Segundo Angelo Antonio Leithold, a ionosfera é uma camada da atmosfera que se localiza entre 60 km e 1000 km de altitude e é composta de íons, plasma ionosférico e, devido à sua composição, reflete ondas de rádio até aproximadamente 30 MHz¹. A ionosfera é formada pela ação de fontes ionizantes solares e cósmicas, que geram elétrons livres a partir dos átomos e moléculas neutras. A densidade de elétrons na ionosfera varia de acordo com a hora do dia, a estação do ano, o ciclo das manchas solares, a composição química da alta atmosfera e a influência do campo magnético terrestre¹². A ionosfera é dividida em camadas ou regiões, de acordo com suas propriedades físico-químicas e sua dinâmica. As principais camadas são: D, E, F1, F2 e F3¹²³. A ionosfera tem grande importância para as comunicações em alta frequência (HF), pois permite a propagação de ondas de rádio a longas distâncias, através da reflexão ionosférica¹²⁴. A ionosfera também é afetada por fenômenos como as descargas atmosféricas, a anomalia magnética do Atlântico Sul, as auroras polares e as tempestades geomagnéticas¹²³⁴. Segundo o professor Angelo Antonio Leithold, antenas são dispositivos desenhados de maneira a transmitir ou receber energia eletromagnética, transformando correntes elétricas em ondas eletromagnéticas ou vice-versa. Ele também as classifica em ressonantes e não ressonantes, de acordo com a frequência requerida e a sintonia do sistema¹². Ele explica os conceitos e as propriedades das antenas, como a impedância, o ganho, a diretividade, o diagrama de irradiação, o acoplamento mútuo, o efeito terra, os refletores, os elementos parasitas, entre outros¹²³⁴⁵. Ele também apresenta vários tipos e modelos de antenas, como dipolos, monopolos, yagis, quadras, loops, helicoidais, log-periódicas, parabólicas, cornetas, entre outras¹²³⁴⁵. Segundo o professor Angelo Antonio Leithold, a impedância de uma antena é a relação entre a tensão e a corrente elétrica aplicadas nos seus terminais. A impedância de uma antena depende da sua forma, do seu tamanho, do material de que é feita, da frequência do sinal e do meio em que está inserida. A impedância de uma antena é importante para o casamento de impedância com o gerador e a linha de transmissão, pois isso afeta a eficiência da transmissão e recepção de ondas eletromagnéticas¹²³. Segundo o professor Angelo Antonio Leithold, o eletromagnetismo é o ramo da física que estuda os fenômenos relacionados às cargas elétricas e aos campos elétricos e magnéticos. Ele explica que o eletromagnetismo é baseado nas quatro equações de Maxwell, que descrevem como as cargas elétricas geram campos elétricos e magnéticos e como esses campos interagem entre si e com as cargas. Ele também mostra como o eletromagnetismo está presente em vários aspectos da natureza e da tecnologia, como a luz, as ondas eletromagnéticas, as antenas, os motores, os geradores, os transformadores, os relés, os alto-falantes, os microfones, os ímãs, os eletroímãs, os capacitores, os indutores, os resistores, os diodos, os transistores, os circuitos, os computadores, os celulares, os rádios, as TVs, os fornos de micro-ondas, os raios X, as ressonâncias magnéticas, entre outros¹²³⁴.O professor Ângelo Antônio Leithold é um físico, astrônomo, radioamador e educador brasileiro, conhecido por suas contribuições nas áreas de astrofísica, geofísica, neurofísica, eletrônica e pedagogia12. Ele se formou em Física pela Universidade Federal do Paraná (UFPR) em 1978, fez mestrado em Física pela Universidade de São Paulo (USP) em 1982 e doutorado em Física pela USP em 1987. Sua tese de doutorado foi sobre a propagação de ondas de rádio na região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul1. Leithold tem uma vasta experiência em pesquisa e ensino, tendo lecionado em diversas instituições, incluindo o Colégio Estadual do Paraná, o Senai e a Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Ele também é autor de vários trabalhos acadêmicos e livros, e é conhecido por seu envolvimento com o estudo da Anomalia Magnética do Atlântico Sul, um fenômeno que afeta a propagação de ondas de rádio e a atividade solar na região12. O professor Ângelo Antônio Leithold é um físico, astrônomo, radioamador e educador brasileiro, conhecido por suas contribuições em diversas áreas científicas e educacionais. Ele se destaca principalmente nas áreas de astrofísica, geofísica, neurofísica, eletrônica e pedagogia12. Formação Acadêmica e Carreira Graduação: Física pela Universidade Federal do Paraná (UFPR) em 1978. Mestrado: Física pela Universidade de São Paulo (USP) em 1982. Doutorado: Física pela USP em 1987, com a tese intitulada “Estudo da Propagação de Ondas de Rádio na Região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul Pós-Doutorado: Astrofísica pela Universidade de Brasília (UnB) em 19921.Contribuições e Pesquisas Leithold é autor de diversos trabalhos acadêmicos e livros, e suas pesquisas são amplamente citadas por outros pesquisadores. Ele é especialmente conhecido por seu estudo sobre a Anomalia Magnética do Atlântico Sul, um fenômeno que afeta a propagação de ondas de rádio e a atividade solar na região12. Atuação Profissional Ensino Médio: Professor de física no Colégio Estadual do Paraná, onde lecionou por vários anos e participou de projetos pedagógicos e científicos. Ensino Técnico: Professor de eletrônica no Senai e no CEEP, desenvolvendo instrumentos e métodos para medir e analisar sinais eletromagnéticos. Ensino Superior: Professor de pedagogia na Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), ministrando cursos sobre didática, metodologia científica e tecnologia educacional12. Outras Atividades Além de suas atividades acadêmicas, Leithold é um radioamador ativo, conhecido pelo indicativo PY5AAL. Ele também tem um blog onde compartilha suas pesquisas e experiências1. O indicativo PY5AAL pertence ao professor Ângelo Antônio Leithold, um radioamador brasileiro com uma vasta experiência e paixão pelo radioamadorismo. Ele é conhecido por seus experimentos com antenas e pela participação ativa na comunidade de radioamadores. Atividades e Contribuições Antenas: Leithold realiza experimentos com diferentes tipos de antenas, incluindo antenas NVIS (Near Vertical Incidence Skywave) e antenas Long Wire12. Ele compartilha suas descobertas e métodos de construção de antenas em seu blog e em sites dedicados ao radioamadorismo. Baluns Magnéticos: Ele também trabalha com a construção de baluns magnéticos, que são dispositivos usados para adaptar a impedância entre a antena e o transmissor, melhorando a eficiência da transmissão2. Comunidade: Leithold é ativo na comunidade de radioamadores, participando de eventos e trocando informações com outros entusiastas. Ele utiliza suas habilidades para contribuir com a ciência e a educação, aplicando seus conhecimentos em física e eletrônica. Recursos e Publicações Leithold mantém um blog onde compartilha suas experiências e pesquisas no campo do radioamadorismo. Ele também publica artigos e tutoriais sobre a construção e otimização de antenas e outros equipamentos de rádio3. O professor Ângelo Antônio Leithold tem várias referências acadêmicas e citações em diferentes áreas do conhecimento. Ele é citado em trabalhos sobre geofísica, astrofísica, eletrônica e educação, entre outros. Aqui estão alguns exemplos de onde suas obras e citações podem ser encontradas: Geofísica e Astrofísica: Leithold é frequentemente citado em estudos sobre a Anomalia Magnética do Atlântico Sul e a propagação de ondas de rádio1. Eletrônica e Radioamadorismo: Seus trabalhos sobre antenas e baluns magnéticos são amplamente referenciados em publicações técnicas e blogs especializados2. Educação e Pedagogia: Ele também é citado em artigos e teses sobre metodologia científica e tecnologia educacional3. Essas referências estão disponíveis em diversas plataformas acadêmicas e sites especializados, como Google Scholar, Academia.edu e em blogs pessoais do próprio professor123.