Come funziona un balun

Molto spesso viene chiesto quale sia lo scopo di un balun, e quale sia il suo funzionamento. Per rispondere a questa domanda, dobbiamo cominciare col prendere in considerazione la distribuzione delle tensioni e delle correnti in un'antenna filare; per semplicità, prenderemo in esame il caso più facile e più comune, cioè quello di un semplice dipolo a mezz'onda, alimentato al centro (figura 1). La tensione al centro del dipolo è molto bassa (nella terminologia corrente, questo viene chiamato un nodo), mentre la corrente è massima (ventre).  

Possiamo subito osservare che mentre la tensione cambia di segno, la corrente nei due reofori del punto di alimentazione è uguale. Perciò, se vogliamo che l'antenna emetta secondo la forma prevista del lobo di radiazione, è necessario alimentare l'antenna in modo che venga rispettata l'uguaglianza di queste due correnti. Però, in una qualsiasi linea di alimentazione, le correnti che percorrono i due fili sono necessariamente uguali ed opposte; cosa accade allora se noi colleghiamo direttamente la linea di alimentazione al dipolo?
Ciò che accade è che le correnti nei due rami del dipolo non possono essere uguali, e quindi il lobo di radiazione non ha la forma prevista. Senza scendere nei dettagli matematici, piuttosto complessi, possiamo infatti dire che la somma costruttiva del campo magnetico (generato come noto dalla corrente) non avviene più nelle stesse posizioni in cui ci si sarebbe atteso che avvenisse. Poiché il funzionamento dell'antenna, e con esso tutti i suoi parametri elettrici, dipendono essenzialmente dal campo prodotto, la deformazione di quest'ultimo causa un funzionamento generale che è diverso da quello atteso.

Questo è vero fintanto che si utilizzano linee di alimentazione bifilari; ma se utilizziamo un cavo coassiale, nel quale il campo trasmesso è (almeno in teoria) tutto contenuto all'interno del dielettrico, e di conseguenza la corrente che scorre sulla parete esterna dello schermo è teoricamente nulla, è come se avessimo a disposizione un terzo conduttore che, guarda caso, è, o dovrebbe essere, connesso al potenziale di terra. In questo terzo filo virtuale, possono quindi scorrere delle correnti che sono tali da riportare all'equilibrio la situazione al punto di alimentazione del dipolo. I guai cominciano proprio qui: queste correnti, che sono comunemente dette 'di schermo' ovvero 'di calza', scorrendo sulla parete esterna del cavo coassiale, lo trasformano a sua volta in un'antenna, e non solo causano una significativa dissipazione di potenza, ma, quel che è peggio, producono una considerevole irradiazione da parte della discesa, in posizione del tutto indesiderata.  
Fortunatamente, il rimedio a questo problema è relativamente semplice: prima di tutto, se si riesce a far scendere il cavo verticalmente lungo la mezzeria del dipolo per una lunghezza sufficiente (almeno qualche mezza lunghezza d'onda), il fenomeno ha tempo di esaurirsi, ed il risultato è un campo complessivo prodotto sostanzialmente simmetrico. Ma per le frequenze HF di solito non si ha a disposizione lo spazio perché questa condizione sia rispettata, e quindi è necessario cercare altre soluzioni, che possano garantire la simmetria del campo indipendentemente dalla disposizione della linea di alimentazione dell'antenna e dalla sua natura. I dispositivi che realizzano questa condizione vengono chiamati 'balun', abbreviazione di 'balanced to unbalanced adapter', ossia di 'adattatore da [linea] bilanciata a sbilanciata' La più semplice delle soluzioni è rappresentata dal semplice dispositivo a trasformatore (rappresentato in figura 2), il cui scopo è appunto quello di simmetrizzare le correnti di alimentazione. Il funzionamento è molto semplice: la corrente di alimentazione dell'antenna, proveniente dalla linea, viene fatta circolare nel primario di un trasformatore (di solito realizzato su di un nucleo toroidale, per ottenere un migliore accoppiamento), i cui secondari alimentano i due bracci del dipolo in modo che le correnti siano identiche tra di loro.  

Entrambe le correnti di ritorno dei due rami del trasformatore fluiscono verso terra ed è perciò molto importante che il balun sia connesso ad una terra di ottima qualità, pena il decadere dei vantaggi introdotti dal dispositivo.
Osserviamo che, dato che abbiamo a che fare con un trasformatore, il dispositivo risulta a larga banda, in quanto è in grado di funzionare correttamente in tutta l'estensione di banda nella quale il trasformatore si comporta 'bene'. Per contro, nel caso venga utilizzato un nucleo, sarà necessario limitare la potenza a livelli tali da non causare effetti di surriscaldamento o di saturazione del nucleo. Infatti i primi tendono a degradarne rapidamente le proprietà magnetiche, mentre i secondi causano distorsione del segnale trasmesso e quindi la comparsa di emissioni spurie ed indesiderate in quantità inaccettabile. Nel caso invece in cui non si utilizzi un nucleo ferromagnetico, non si avranno problemi di saturazione, ma la dispersione di una parte del flusso causerà delle perdite non trascurabili nel dispositivo, a causa della potenza immessa nel campo disperso.
Un vantaggio aggiuntivo dell'utilizzo di un trasformatore è dato dal fatto che l'impedenza vista al secondario viene trasformata al primario secondo il quadrato del rapporto di trasformazione, per cui con questo tipo di balun si riesce ad ottenere, contemporaneamente alla simmetrizzazione, anche l'adattamento di impedenza; questo fatto torna molto utile ogni volta che l'antenna da utilizzare abbia impedenza diversa da quella della linea di discesa, come accade abbastanza spesso nel caso delle antenne radioamatoriali. Una seconda soluzione, semplice ed economica, consiste nell'impiego di un trasformatore a l/2: si tratta semplicemente di un tratto di linea di trasmissione, di solito lo stesso cavo coassiale impiegato per la discesa d'antenna, di lunghezza elettrica pari esattamente a mezza onda, e che ha quindi la proprietà di invertire la fase della tensione e della corrente in uscita rispetto a quelle presenti al suo ingresso.
Questo tratto di cavo, collegato tra lo schermo della discesa d'antenna ed il braccio del dipolo, fa quindi sì che la corrente, che sulla calza è uguale e contraria a quella presente sul centrale del cavo, arrivi sul braccio del dipolo invertita, e quindi uguale in modulo e fase a quella dell'altro braccio, come dovrebbe essere. L'inconveniente principale di questo tipo di balun consiste nel fatto che la banda è necessariamente stretta, perché il funzionamento dipende dal fatto che il tratto di trasformatore sia della lunghezza elettrica giusta.  

In pratica, la banda utilizzabile si aggira intorno all'1-2% della frequenza centrale, il che lo rende poco adatto alle bande HF, anche se si presta bene nelle bande VHF e superiori.
Restando sempre a disposizione per eventuali ulteriori chiarimenti, auguro a tutti buon lavoro e buon divertimento.
73  de i3HEV, op. Mario