Inductancia de cable coaxial y ruido de modo común de RF
¿Es realmente cierto que una bobina de choque de cable coaxial enrollado en el punto de alimentación de la antena reduciría sustancialmente el ruido de radiofrecuencia? ¿Será suficiente la reducción percibida para que el funcionamiento, especialmente en las bandas HF de baja frecuencia, sea buena? Estas son algunas de las preguntas que me vienen a la cabeza. Bueno, hay multitud de opiniones.
Examinemos de manera realista los efectos de estas bobinas de choque de cable coaxial que a menudo se usan cerca del punto de alimentación de la antena y averigüemos con lógica científica racional si son realmente tan efectivos como se podría hacerse creer… En este punto, algunos de vosotros podéis sentiros impacientes y decir, deja de andarte por las ramas, danos la conclusión… ¡Está bien, la conclusión es NO! no funcionan lo suficientemente bien como para sentirse eufóricos. Especialmente en las bandas bajas de HF como 80m o 40m. Incluso en otras bandas HF de frecuencias más altas, no funcionan tan bien como cabría esperar. Si la antena es una configuración multibanda que funciona de de 80-10 m, entonces una bobina de choque coaxial en espiral es casi operativa en la mayoría de las bandas. Veamos ¿por qué?
¿Cuál es el objetivo básico de una bobina de choque de cable coaxial en la base de la antena?
Muchas de las configuraciones de antena se realizan ignorando el hecho de que una línea de transmisión de cable coaxial típica cuando se conecta a una antena, debido a su naturaleza desequilibrada, puede producir una corriente de modo común no deseada que fluye en la capa exterior del trenzado del cable coaxial. Esto es cierto con más frecuencia de lo que pensamos. La magnitud de esta corriente de modo común puede variar según el tipo de antena y su configuración general.
En algunos casos, esta magnitud puede ser lo suficientemente alta como para permitir que radiaciones no deseadas durante la transmisión causen EMI/RFI en nuestro entorno más cercano. Mientras que, durante la recepción, puede resultar una situación que prácticamente podría aumentar la recepción de ruido no deseado hasta tal punto que podría resultar un ambiente irremediablemente ruidoso.
Cada día nos topamos con más colegas radioaficionados que se quejan de los horrendos niveles de ruido en las bandas de HF. Muy a menudo culpamos a la antena, otras veces al ruido del entorno urbano. Si bien es absolutamente cierto que el nivel de ruido predominante en las bandas de frecuencias de HF en una zona urbana es bastante alto, el hecho es que se puede gestionar lo suficientemente bien como para mitigar los efectos perjudiciales mediante el uso de técnicas adecuadas. ¿Es la bobina de choque de cable coaxial una de las técnicas efectivas? Desafortunadamente, la respuesta es no. Existen otros métodos mucho más eficaces y sólidos para abordar el problema del ruido de radio debido a las corrientes de modo común.
¿Qué absurdo? La bobina de cable coaxial mantiene a raya la ROE
En este punto, algunos podríais decir, encontré muy útil este tipo de choque. Tenía una ROE inmanejable en mi transceptor, sin embargo, después de darle algunas vueltas al coaxial en forma de bobina cerca del punto de alimentación de mi antena, todo se mejoró. Mi ROE se volvió estable… ¡Evidentemente lo hizo!. Esto se debe a que, en primer lugar, tu ROE nunca fue un problema. Resulta que era una magnifica idea incluso antes de que hicieras esa bobina de choque.
Se debe entender que la ROE en un cable coaxial no está determinada por la corriente de RF de modo común que fluye en la superficie exterior del trenzado de la malla del cable coaxial, sino por la corriente de modo diferencial que fluye dentro de los límites de la superficie interior del trenzado de la malla del cable coaxial y el conductor central interno. La corriente de modo diferencial confinada interna es lo que queremos, mientras que la corriente de modo común de la capa externa es el “villano destructivo”. La magia radica en el hecho de que, aunque la malla trenzada es físicamente una sola entidad, las dos corrientes de RF que fluyen a lo largo de la malla están totalmente aisladas e independientes entre sí.
¿En realidad? Si la ROE era realmente buena, ¿por qué el medidor de ROE fallaba? ¿Por qué no puedo desconectar la alimentación TX? ¿Por qué se redujo la potencia de salida de mi transceptor? La respuesta es simple… La excesiva corriente de RF de modo común que fluía de regreso a través de tu cable coaxial estaba mitigando su función de medición de ROE y, en consecuencia, la protección ALC y el circuito de repliegue del transmisor. La señalización incorrecta de ROE debido al flujo de retorno de RF en modo común estaba engañando o mintiendo a tu equipo al hacerle creer que la ROE era mala. Con un poco de ayuda del efecto de la bobina de choque coaxial, la corriente del cable de modo común caerá por debajo del umbral de mal funcionamiento. Por lo tanto, el puente SWR y los circuitos de control electrónicos asociados se estabilizaron.
Sin embargo, en lo que respecta a la reducción de ruido, el choque de cable coaxial en espiral quizás hizo muy poco… Sí, redujo el ruido un poco, pero ciertamente no lo suficiente como para tener consecuencias reales. Ciertamente no redujo el ruido al nivel potencialmente posible.
¡Me parece bien! Entonces, ¿por qué la bobina de cable coaxial no hace lo suficiente?
Para responder a la pregunta anterior, examinemos rápidamente por qué colocamos la bobina en primer lugar. ¿Cuál era el objetivo?
El objetivo era reducir (atenuar) la corriente de modo común no deseada en el cable. Aunque existen varios medios para evitar que se genere corriente de RF de modo común en una configuración de antena típica, lo omitiremos y hablaré de ello en otro artículo. Por el momento, intentaré centrarme en el problema que nos ocupa.
En cualquier circuito eléctrico, una forma sencilla de atenuar la corriente, es colocar algún impedimento como una resistencia (impedancia) en serie con la trayectoria de la corriente. En un escenario de RF (circuito de CA) como nuestro cable coaxial, tenemos que hacer lo mismo. Se espera que enrollar una parte del cable coaxial en varias vueltas consiga precisamente eso. Dado que la corriente de RF de modo común fluye en la superficie exterior de la malla, la bobina del cable coaxial en el camino, actuará como un inductor que produce una reactancia inductiva que obstruye parcialmente el flujo de corriente y reduce su magnitud. Recuerda, dado que la corriente de RF deseada (modo diferencial) fluye dentro de los límites del cable, no se ve afectada por el enrollado del cable. La inductancia producida por el bobinado sólo actúa sobre la corriente de modo común. Por lo tanto, esto se denomina bobina de choque de corriente de modo común.
Así que, la bobina, en realidad reduce la corriente de modo común hasta cierto punto. Eso es bueno, ¿no? Sí, lo es… Pero no es lo suficientemente bueno. Descubriremos por qué en un periquete.
Ilustración 1 Diferentes bobinas de choque
En la ilustración 1, hay un con un conjunto de diferentes bobinas de choque que muestran los típicos choques de cable coaxial en espiral que se utilizan a menudo junto con todo tipo de antenas. Por lo general, son de 5 a 10 vueltas (a veces incluso 20) de cable coaxial dispuestos en una sola capa con un núcleo de aire y con diámetros que generalmente oscilan entre 10 y 30 cm aproximadamente.
Ahora definamos y establezcamos nuestros objetivos para que una bobina de choque de corriente de modo común sea lo suficientemente eficaz para su uso práctico. Si deseamos atenuar la recepción de ruido de modo común no deseado por el cable para lograr una mejora sustancial, entonces tenemos que atenuar esta corriente en al menos 25-30 dB o más. Un valor inferior a 25 dB no es bueno, aunque personalmente me gustaría asegurarme siempre de que sea superior a 30 dB, preferiblemente alrededor de 40 dB. El problema es que es una tarea muy difícil para nuestra bobina típica de cable coaxial. La capacidad de atenuación de estas bobinas es demasiado corta.
El ruido de RF de modo común recibido por el cable coaxial en un entorno urbano normalmente puede ser de 4 a 5 unidades S (medidor intensidad de señal) adicionales, especialmente en las bandas de frecuencia más bajas. Este ruido se vuelve más evidente cuando se utiliza una antena polarizada horizontalmente. La mayoría de las antenas de HF, como el dipolo, OCFD, de cable largo alimentadas por el extremo, Yagi, etc., suelen estar polarizadas horizontalmente. Por otro lado, la mayor parte del QRM está polarizado en gran medida verticalmente. Por lo tanto, las antenas polarizadas horizontalmente tienen la propiedad nativa de rechazar una gran parte del QRM en virtud del desajuste de polarización.
Sin embargo, el cable coaxial con suficiente desequilibrio de corriente para producir corriente superficial de modo común suele estar orientado verticalmente en una gran sección de su longitud. Por lo tanto, dicho cable actúa como una sección de antena no deseada que tiene una polarización perfecta que coincide con el QRM polarizado verticalmente. Por tanto, el cable, debido al desequilibrio en modo común, capta la mayor parte del ruido y lo suma a la señal procedente de la antena. El cable coaxial se convierte en el auténtico aguafiestas.
Por lo tanto, el concepto de colocar una inductancia de cable coaxial (choque) en línea con la línea de transmisión para (atenuar) la corriente de modo común es una idea perfecta. Sin embargo, es lamentable que estos cables enrollados sean invariablemente incapaces de proporcionar la magnitud deseada de atenuación que podría haberlos hecho efectivos. La impedancia reactiva debido a su inductancia no alcanza lo que necesitamos. Por eso, estas bobinas de cable coaxial no son lo suficientemente buenas.
¿Por qué la inductancia del cable no puede lograr la atenuación de modo común deseada de 30 dB?
Una de las razones principales es que, para lograr una alta atenuación en modo común, la impedancia de obstrucción de la bobina coaxial tendrá que ser mucho mayor que la que estas bobinas pueden lograr. Por ejemplo, para lograr una atenuación de corriente de 30 dB, es necesario atenuarla en un factor de 31,6. De manera similar, para una choque de 40 dB, la corriente debe atenuarse en un factor de 100. En otras palabras, si la impedancia de carga (como en el caso de una entrada RX típica) es de 50 Ω, entonces para un choque de 30 dB (reducción de 31,6 veces), la impedancia de atenuación (reactancia) de la bobina de choque debe ser 50×31,6 = 1581Ω. De manera similar, para una atenuación de 40 dB (reducción de 100 veces), la impedancia del mismo debe ser 50 × 100 = 5000 Ω.
Para resumir lo que discutimos en el párrafo anterior…
CM att =20Log(Z c /Z o )
Donde…
CM att es la atenuación en modo común en dB.
Z c es la impedancia de asfixia del cable coaxial enrollado.
Z o es la impedancia de entrada del receptor (normalmente la impedancia del cable).
Los siguientes resultados se obtienen aplicando la ecuación anterior. Se puede encontrar fácilmente una cifra aproximada de la atenuación del choque esperado (en dB) debido a una inserción en línea de impedancia en la configuración del cable coaxial. Aquí hay dos ejemplos…
- Choque de corriente de 30 dB para una entrada RX de 50 Ω necesitaríamos una impedancia de 1581 Ω.
- Choque de corriente de 40 dB para una entrada RX de 50 Ω necesitaríamos una impedancia de 5000 Ω.
¿Puede un cable coaxial enrollado con núcleo de aire típico lograr lo anterior? ¡Improbable!
La impedancia producida por la bobina de cable coaxial con núcleo de aire, en virtud de su reactancia inductiva a cualquier frecuencia dada, sube con el aumento del diámetro de la bobina y el número de vueltas. También aumenta en proporción a la frecuencia de la señal. En otras palabras, una bobina coaxial de gran diámetro con más vueltas producirá una mayor impedancia de choque. Además, este choque será mayor a frecuencias más altas.
Dicho esto, una bobina práctica de cable coaxial para usar con antenas HF tiene alrededor de 5 a 8 vueltas para bobinas de gran diámetro entre 20 y 30 cms. Se pueden construir bobinas con diámetros más pequeños, de entre 10 a 13 cms, sobre tubos de PVC con alrededor de 10 a 20 vueltas como máximo. Estos son los tamaños óptimos, pero no cubren nuestras necesidades.
Uno podría preguntarse, ¿por qué no puedo tener más vueltas con un diámetro mayor para aumentar la inductancia y, por lo tanto, producir una impedancia de choque mayor? Lamentablemente, esto no es viable en la práctica. La razón principal es que estas bobinas coaxiales, además de crear inductancia, también producen capacitancia (La capacitancia es una medida de la capacidad de un componente eléctrico para almacenar carga eléctrica. Se mide en faradios (F)). Debido a la proximidad de espiras consecutivas entre sí, se produce lo que se conoce como capacitancia distribuida a lo largo de la bobina. La capacitancia distribuida aparece en paralelo a la inductancia de la bobina y produce resonancia eléctrica.
La frecuencia de auto-resonancia (SRF) de una bobina de cable coaxial típica para uso con una antena HF estaría en el rango de 8-12 MHz. Por encima de esta frecuencia de resonancia, la bobina de choque ya no se comporta como un inductor. La reactancia se vuelve capacitiva y la impedancia general efectiva de la bobina comienza a caer más allá de la frecuencia de resonancia.
El dilema a causa del efecto mencionado anteriormente es que si tenemos más vueltas o mayor diámetro, entonces, aunque la impedancia de la bobina será mayor en frecuencias bajas, la frecuencia de resonancia también se reducirá aún más, haciendo que el choque sea menos efectivo en frecuencias más altas. Por otro lado, si reducimos el número de vueltas o reducimos el diámetro, entonces la frecuencia de resonancia subirá, aumentando así el umbral de alta frecuencia sin duda, pero la impedancia de choque será menor.
Veamos cuánta impedancia de choque podemos obtener de las típicas inductancias de cable coaxial enrollado en las bandas de HF. En las bandas de HF por debajo de 20m, son las más afectadas debido al elevado componente tanto del QRN natural como del QRM. Las bandas de 80m y 40m son las más afectadas. A continuación, muestro algunos ejemplos simplificados que no tienen en cuenta la capacitancia distribuida de las bobinas que reducen su frecuencia de auto-resonancia (SRF) y hacen que las bobinas sean menos efectivas más allá del SRF…
20cm de diámetro, 5 vueltas de RG213 tendrán una inductancia de 9,4 μH.
La impedancia de choque de la banda de 80 m es de 207 Ω, lo que da como resultado un choque de 12 dB.
La impedancia de choque de la banda de 40 m es de 413 Ω, lo que da como resultado un choque de 18 dB.
La impedancia de choque de banda de 20 m es de 826 Ω, lo que da como resultado un choque de 24 dB.
15cm de diámetro, 6 vueltas de RG213 tendrán una inductancia de 9,2 μH.
La impedancia de choque de la banda de 80 m es de 202 Ω, lo que da como resultado un choque de 12 dB.
La impedancia de choque de la banda de 40 m es de 405 Ω, lo que da como resultado un choque de 18 dB.
La impedancia de choque de la banda de 20 m es de 809 Ω, lo que da como resultado un choque de 24 dB.
12cm de diámetro y 10 vueltas de RG213 tendrán una inductancia de 19,8 μH.
La impedancia de choque de la banda de 80 m es de 435 Ω, lo que da como resultado un choque de 19 dB.
La impedancia de choque de la banda de 40 m es de 871 Ω, lo que da como resultado un choque de 25 dB.
La impedancia de choque de banda de 20 m es de 1741 Ω, lo que da como resultado un choque de 31 dB.
10cm de diámetro, 20 vueltas de RG213 tendrán una inductancia de 57,8 μH.
La impedancia de choque de la banda de 80 m es de 1271 Ω, lo que da como resultado un choque de 28 dB.
La impedancia de choque de la banda de 40 m es de 2542 Ω, lo que da como resultado un choque de 34 dB.
La impedancia de choque de la banda de 20 m es de 5084 Ω, lo que da como resultado un choque de 40 dB.
Los cálculos anteriores que se muestran en ROJO representan escenarios que no son físicamente realizables debido a que la frecuencia de auto-resonancia (SRF) cae por debajo de la frecuencia operativa. La bobina ya no se comportaría como un inductor sino más bien como un condensador por encima del SRF.
Las inductancias de cable coaxial en espiral típicas de los tipos que hemos analizado hasta ahora y los tipos que se pueden fabricar utilizando cables coaxiales tienen las limitaciones anteriores. Como consecuencia, normalmente la impedancia de choque producida por dichas bobinas cae dentro del rango de 200-600 Ω, o quizás hasta 800 Ω en el mejor de los casos. Esto daría como resultado una atenuación de ruido y corriente de modo común no deseada del orden de 12 a 20 dB típicos, o 25 dB en el mejor de los casos. Nos habríamos sentido más cómodos si la atenuación hubiera sido de 30-40 dB.
El valor máximo de atenuación del estrangulador citado anteriormente solo es aplicable en no más de una banda de HF para la cual la bobina podría optimizarse. En las otras bandas, la atenuación será mucho menor.
Por lo tanto, el rendimiento de una bobina de bobina de cable coaxial está generalmente muy por debajo de los requisitos. Tiene un rendimiento bastante bajo. Aunque se puede encontrar mucha literatura sobre este tipo de choques, se debe intentar utilizar mejores soluciones alternativas que produzcan resultados prometedores. considera usar Balun o Unun adecuado según sea necesario para la transformación de impedancia más una bobina de choque de modo común usando toroides o cuentas de ferrita de calidad adecuada.
73, Guillermo EA1AOC