Un choke de corriente “common-mode”

Para las bandas bajas, entre 30 y 80m, utilizo una antena de compromiso compuesta por un hilo de 25m, alimentado en un extremo que se eleva 4 metros en el mástil de una antena Hexbeam y se sujeta al final en una chimenea a 1,6m de altura del tejado de un edificio de nueve pisos. Como contra antena, dispone de media docena de hilos, entre los cuatro y los seis metros, dispersos por el tejado. Esta antena no tiene una definición conocida, yo la he bautizado como “aperiódica alimentada en un extremo” (AEF) y apodada como el “somier”. La antena se ajusta con un acoplador automático remoto Stokcorner.

El “somier” se comporta decentemente en 30 y 40m, aunque recoge mucho ruido. En 80m funciona sin más. En 160m, el acoplador la puede ajustar, pero el ruido la hace inútil y únicamente permite escuchar algunas estaciones próximas. Es lógico que una antena de estas características produzca interferencias debido a la corriente de retorno “common mode”. De hecho, a partir de los 200W activa los relés del conmutador de antenas y RX/TX de los equipos.

Hace tiempo, coloqué a la entrada del cuarto de la radio un “BALUN de corriente” que se ha mostrado ineficaz. También tuve un choke, compuesto por cuatro espiras de coaxial sobre tres ferritas (1), insertado en la entrada del acoplador de antena que tuve que retirar por oxidación de los conectores.

Así, que me he propuesto eliminar la MFI por medio de un choke que sea eficaz. Para valorar la respuesta del choke que voy a construir he adquirido un Analizador Vectorial de Redes (nanoVNA).

Un Analizador de Redes es un instrumento capaz de analizar las propiedades de las redes eléctricas, especialmente aquellas propiedades asociadas con la reflexión y la transmisión de señales eléctricas, conocidas como parámetros de dispersión (Parámetros-S). (2)

Hay dos tipos principales de analizadores de redes:

  • SNA (Scalar Network Analyzer) – Analizador de redes escalar, mide propiedades de amplitud solamente
  • VNA (Vector Network Analyzer) – Analizador de redes vectoriales, mide propiedades de amplitud y fase

Para analizar el comportamiento de un choke de corriente “common mode” es necesario utilizar una VNA con dos puertos.

NanoVNA es un instrumento sorprendentemente económico (35€) con las prestaciones de equipos 10 veces más costosos. No se trata de un instrumento de laboratorio, pero los resultados satisfacen las necesidades de radioaficionado medio y son suficientes para medir la impedancia de un choke.

Antes de entrar en materia, es conveniente un repaso “groso modo” de algunos principios que no siempre están claros. Choke, BALUN, UNUN, etc son, a veces, diferentes formas de llamar a lo mismo o, lo que es peor, de confundir aplicaciones.

Simplificando:

La línea de transmisión transporta energía del transmisor a la antena o de la antena al receptor. La corriente fluye por un conductor y regresa por el otro. El voltaje entre los dos conductores es la señal.

En las líneas balanceadas la corriente fluye por igual a lo largo de la línea en ambos conductores. No hay cancelación de una corriente por otra y la línea se comporta como una antena de hilo largo.

Los campos en torno a un coaxial son diferentes a los de una línea balanceada. Si la antena o la línea no están balanceadas, la tensión y la corriente a tierra son diferentes entre los conductores. La diferencia es la corriente “common mode” y se irradia desde el exterior de la línea. La potencia diferencial está confinada dentro del cable coaxial mientras que la corriente “common mode” está en el exterior. De esta forma, un núcleo de ferrita que rodea el cable coaxial “ve” sólo la potencia “common mode”. (3)

Por ejemplo: en un dipolo (balanceado) alimentado por un cable coaxial (desbalanceado), en el punto de alimentación, la corriente que fluye por la superficie del interior de la malla se dividirá. Unas veces fluirá por la rama del dipolo conectado a la malla y otras por la parte exterior de la malla dependiendo de las impedancias relativas de las dos vías. (4)

Hay muchas formas de construir un choke “common mode”. G3TXQ (SK), analiza la respuesta de diferentes materiales y formas. Las tablas con el segmento de banda en el que un determinado choke es eficaz, ayudan a seleccionar el tipo de material y devanado más adecuados. (4)

Material Rendimiento óptimo
#75 150KHz – 10MHz
#73 100KHz – 10MHz
#77 100KHz – 10MHz
#31 1 – 10MHz
#43 30 – 300MHz
#52 200MHz – 1GHz
#61 200MHz – 2GHz

Tabla de respuesta del material # 31. (4)

He seleccionado un toroide FT240-31 como el más adecuado para eliminar el retorno de RF (corriente “common mode”) en el cable coaxial de mi antena AEF. Según la tabla, con 17 espiras de coaxial RG58, el choke presentará una impedancia de más de 4Kohm entre 1,4 y 10,4MHz y más de 8Kohm entre 2,2 y 5,4MHz donde entre 3,1 y 7,4MHz Rs > Xs.

La forma del devanado, a efectos mecánicos, está basada en el modelo W1JR con dos segmentos y una vuelta cruzad. (5)

La respuesta del choke ha sido medido con la nanoVNA y el software que la acompaña. He confeccionado una pequeña pantalla con un trozo de placa de circuito impreso, uniendo las mallas de los dos canales. La medición se realiza en la malla del choke (Device Under Test – DUT) y se conecta con dos cables unidos a los vivos de los dos canales. Según explica de forma muy gráfica Máximo, EA1DDO en su página, (6) incluyendo un vídeo muy interesante.

Después de calibrar adecuadamente la VNA, los datos registrado se exportan a un fichero S2p y se recuperan con una hoja Excel Zplots_Xtra, dedicada al proceso de datos S21 que he descargado de esta dirección de internet.

Esta hoja ejecuta el gráfico de diferentes parámetros. Los más interesantes son

  • Zmag, magnitud de impedancia,
  • Rs, series de resistencia
  • Xs, series de reactancia

Las gráficas obtenidas para el choke compuesto por 17 espiras de cable coaxial RG223, sobre un toroide FT240-31:

Los gráficos de las mediciones no son tan bonitos como los que aparecen en algunos trabajos, pero dejan ver el comportamiento del choke en el instrumento:

Aparece una imagen no prevista en 18MHz que afecta a la imagen de Zmag.

La curva de Zmag que indica la impedancia compleja del choke presenta un pico sobre 18MHz que no afecta a las bandas que cubre la antena.

El grafico de la serie de resistencia Rs, en el rango de 50KHz a 50MHz, muestra una curva muy definida con un pico de 5500 ohmios en 7MHz

Al margen de las mediciones que nos ayudan a entender cómo trabaja un choke de corriente “common mode”, la práctica indica que los trastornos que producía el retorno de RF en los relés del conmutador de antena y de RX/TX de los equipos, han desaparecido con los 600W de potencia máxima que saco al Acom 1010.

La conclusión es que es relativamente sencillo construir un choke de corriente “common mode” y que los resultados que se describen en la amplia bibliografía sobre medición y construcción de chokes es reproducible.

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