INTRODUÇÃO

O balun é um componente que torna o sistema de antenas muito mais eficiente, garantindo o casamento correto de impedâncias e a integridade do sinal transmitido ou recebido, sendo indispensável em projetos e instalações modernas de antenas de RF. É a abreviatura de "balanceado para desequilibrado, ou desbalanceado" (balanceado para desbalanceado), é um componente fundamental em sistemas de antenas para garantir o casamento de impedância entre a antena e a linha de transmissão, além de preservar a simetria elétrica necessária ao funcionamento correto do sistema. É um dispositivo passivo utilizado para converter sinais de linhas balanceadas em linhas desequilibradas e vice-versa. Linhas balanceadas apresentam correntes iguais em sentidos opostos em seus condutores, enquanto linhas desequilibradas (como cabos coaxiais) possuem condutores não simétricos em relação à terra. Essa conversão é essencial para que o sistema funcione de forma eficiente, evitando interferências e distorções do padrão de radiação da antena.

Na prática, uma antena normalmente possui uma impedância de entrada diferente da impedância da linha de transmissão (comum ser 50 ou 75 ohms). O desajuste de impedâncias causa reflexões, perdas de potência e reduz a eficiência do sistema. O balun atua também como transformador de impedância, adaptando a impedância da antena à linha para garantir máxima transferência de potência e eficiência.

• Baluns de Transformador: Utilizam enrolamentos de fio em um núcleo magnético para realizar a transformação de impedância. A relação de impedância é proporcional ao quadrado da relação de voltas nos enrolamentos. Por exemplo, um balun 9:1 transforma uma impedância 9 vezes maior em uma impedância menor para casar com a entrada do equipamento.

• Baluns de Cabo Coaxial: Utilizam segmentos de cabo coaxial de comprimentos específicos (geralmente uma fração do comprimento de onda) para realizar o casamento de impedância e balanceamento, muito usados ​​em frequências de VHF e UHF.

• Baluns LC: Circuitos com indutores e capacitores usados ​​para casamento em faixa estreita de frequência.

Um exemplo clássico é o uso do balun 9:1 em antenas long wire, onde a antena apresenta impedância entre 400 e 500 ohms, e o balun reduz essa impedância para os valores típicos da linha (50-75 ohms), permitindo conexão segura e eficiente ao receptor. Também evita correntes de modo comum no cabo coaxial, que podem distorcer o padrão da antena e causar interferências. Baluns são amplamente utilizados em diversas aplicações de telecomunicações, como rádios amadores, específicos de TV, sistemas de VHF/UHF e redes sem fio, onde a correta adaptação de impedância e o balanceamento do sinal são essenciais para a qualidade do funcionamento:

• Otimiza a transferência de potência entre antena e rádio;

• Minimiza perdas por reflexões de sinal provocadas por impedâncias distintas;

• Evita correntes indesejadas no cabo coaxial, preservando o padrão da antena;

• Possibilidade de uso de antenas balanceadas com linhas de transmissão desequilibradas;

Para escolher entre um balun 1:1, 4:1 e 9:1 para uma antena dipolo, por exemplo, deve-se considerar a impedância da antena em relação à impedância da linha de transmissão (geralmente 50 ohms) e a necessidade de balancear o sistema.

• Balun 1:1 : Utilizado quando a impedância da antena está próxima da impedância da linha, como em dipolos de meia onda que normalmente apresentam cerca de 70 ohms. Ele funciona apenas como um transformador de isolamento, convertendo sinais balanceados para desequilibrados sem alterar a impedância, e ajuda a evitar correntes indesejadas no cabo coaxial.

• Balun 4:1 : Usado quando a antena apresenta uma impedância aproximadamente quatro vezes maior que a linha (por exemplo, dipolos com impedância próxima de 200 ohms). Ele transforma a impedância para casar a antena com a linha de transmissão, permitindo maior eficiência. É comum em dipolos que não estejam configurados para 50 ohms ou em antenas multibanda.

• Balun 9:1 : Geralmente utilizado para antenas com impedância ainda maior, como antenas long wire, com impedâncias da ordem de 450 ohms. Este balun reduz a impedância vantajoso para casar com a linha de 50 ohms. Para dipolos típicos, raramente é necessário, que não seja que a impedância seja significativamente alta.

Como critério de escolha se deve levar em conta a impedância da antena, medir ou estimar a impedância da antena no ponto de alimentação. Se o objetivo é somente balancear (sem mudança de impedância), se usa o balun 1:1. Para transformação de impedância, ou casamento de impedâncias diferentes, é interessante o balun com a relação que aproxima a impedância da antena da linha (ex: 4:1 para impedância 4 vezes maior). Também, levando em conta a frequência de operação e largura de banda, deve ser verificado se o balun é adequado para a faixa de frequência da antena.

Para uma antena dipolo típica de meia onda, o balun 1:1 é o mais indicado porque a impedância é próxima da linha (cabo coaxial 50 ohms). Se o dipolo apresentar uma impedância mais alta (ex: dipolo em V invertido ou em configurações específicas), um balun 4:1 pode ser mais adequado para casar impedâncias e maximizar a eficiência do sistema. O balun 9:1 é mais utilizado para antenas com impedância muito alta, não comum em dipolos padrão.

Para comparar a performance prática de baluns 1:1 versus 4:1 em dipolos multibanda, alguns pontos importantes devem ser avaliados experimentalmente e teoricamente:

• Casamento de Impedância: O balun 4:1 é um transformador de impedância que converte a impedância da antena (geralmente em torno de 200 ohms para dipolos desajustados ou em V invertidos) para a impedância típica de 50 ohms da linha coaxial. Isso tende a melhorar o casamento em dipolos multibanda que não estão perfeitamente ajustados, resultando em menores perdas e maior transferência de potência. O balun 1:1 não altera a impedância, principalmente para balancear a antena e evitar correntes de modo comum, sendo mais adequado para dipolos próximos a 50-75 ohms. Também é rficaz para eliminar correntes de modo comum no cabo coaxial, evitando interferências e melhorando a qualidade do sinal.

• Baluns 4:1 também ajudam nesse aspecto, mas seu uso principal é o casamento de impedância.

Para faixa de Frequência e Banda Larga, em dipolos multibanda, o balun 4:1 tende a manter um desempenho melhor ao longo da faixa de frequências variadas para compensar variações de impedância que ocorrem em diferentes bandas, em contrapartida os baluns 1:1 são simples e funcionam bem quando a impedância da antena varia um pouco, mas não podem ser ideais para variações maiores em multibandas.

É aconselhável o uso de analisador de antena ou refletômetro para medir ROE (relação de ondas estacionárias), medição do ganho eficaz da antena com cada tipo de balun, avaliação de ruído captado e interferências com cada balun, testes de transmissão e recepção para qualidade e alcance do sinal.

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, deixei as equações para fazer a 'conta'.

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

A escolha entre balun 1:1 e 4:1 para dipolos multibanda, por exemplo, depende do ajuste da antena e da impedância predominantemente nas bandas de interesse. Testes com analisador de antena são recomendados para avaliar qual balun proporciona melhor casamento, menor ROE e melhoria no desempenho prático da antena. Para comparar na prática a performance de baluns 1:1 e 4:1 em dipolos multibanda, deve-se considerar. O balun 4:1 atua como transformador de impedância, adaptando antenas com impedâncias em torno de 200 ohms (como alguns dipolos multibanda ou em "V invertido") para os 50 ohms típicos do cabo coaxial, melhorando o casamento em múltiplas bandas e potencialmente aumentando a eficiência e a largura de banda operacional. O balun 1:1 não altera a impedância, ocorrendo apenas no balanceamento do sistema para evitar correntes indesejadas no cabo coaxial, sendo ideal para dipolos cuja impedância já esteja próxima da linha (50-75 ohms), garantindo baixa interferência e manutenção da integridade do sinal. Para avaliação prática, recomenda-se medir a relação de ondas estacionárias (ROE) em várias frequências, observar o ganho efetivo, avaliar ruídos e interferências, e testar a qualidade do sinal tanto na transmissão quanto na recepção. Em geral, o balun 4:1 tende a sair melhor em dipolos multibanda que apresentam variações maiores de impedância, enquanto o balun 1:1 é suficiente quando a impedância está naturalmente próxima da linha de alimentação.

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