CMC (Common Mode Current) 는 공통 모드 전류라고 한다.
일반적으로 접지(Ground)에 대해 띄워진(Floating) 신호를 평형(Balance) 또는 차동(Differential) 신호라고 한다.
다이폴 안테나는 대표적인 밸런스(평형) 신호를 가진 안테나이다.
이러한 평형 부하에 불평형 신호(대표적으로 동축케이블)를 공급하면 CMC 가 발생하고 여러가지 부작용이 발생한다. (가장 큰 문제는 급전선 방사로 안해 안테나로 파워가 100% 전달되지 않는다. 그 외에 리그 측으로의 RF 유입으로 인한 변조이상, 가전제품의 I 의 발생, 급전선으로의 노이즈 유입 등)
평형 부하에 불평형 신호를 올바르게 공급하는 방법은 모두가 알고 있다시피 바룬을 사용하는 것이다.
간혹 바룬을 사용하지 않고 케이블 길이를 조정하는 경우도 있는데, 이것도 결과적으로 바룬을 사용한 것과 같다.
문제는 케이블 길이 조정이 만병통치약이 아니라는 것이다.
아래부터 왜 그런지 설명한다.
바룬을 사용하지 않고 바룬의 효과(CMC 감소)를 내는 방법은 W8JI 오엠이 잘 정리해 두었다.
https://www.w8ji.com/common_mode_current.htm
Common mode current
perfectly balanced lines have equal and opposite electric fields fringing out to space around the line or coupling to "ground". These fields, for all practical purposes, vanish several conductor spacing's from the transmission line
www.w8ji.com
글쓴이는 아마도 위와 비슷한 자료 덕분에 이상한 미신이 생기게 되었다고 추정한다.
예컨데 "다이폴에 접지를 해야 한다", "케이블 길이를 특정 길이로 써야 한다", "바룬을 사용하면 안좋다" 등등.
상기 W8JI 의 시뮬레이션은 "모노 밴드 안테나" 와 "완벽한 접지" 를 상정한다.
이것은 이상적인 경우이며 아래 경우가 고려되지 않았다.
(※ 아래는 대부분의 국내 운용 여건에서 고려사항이 된다.)
1. 멀티 밴드 안테나의 사용
2. 접지의 존재 여부
이러한 조건에서 어떻게 달라지는지 아래 4NEC2 시뮬레이션에 보인다.
(시뮬레이션에 사용되는 안테나는 80m, 40m 듀얼 밴드 안테나이고 엘레먼트는 90도로 배치된 모델이다, 정식명칭 Inverted V 40m, 80m)
먼저 3.5 메가에서 1/4 파 위치에 접지를 하고 100W 구동시의 공통모드 전류 분포를 보인다.
CMC 는 거의 흐르지 않고 매우 좋아 보인다.
이 상태 그대로 7 메가로 운용하면 어떻게 될까? 아래 보인다.
거대한 공통모드 전류. 3.5 밴드에서의 최상 위치에 접지를 하면 7 메가에서 최악의 위치가 된다.
1/4 파 접지를 이용한 CMC 억압은 원리상 1/4 파 홀수배 에서만 작동하고 1/4 파 짝수배 에서는 작동하지 않는다.
따라서 접지하고 배수인 밴드를 사용하려면 최상의 위치가 아닌 어정쩡한 위치에서 적당히 타협을 해야 한다.
다소 엉뚱한 생각이지만, 상기 7 메가 시뮬레이션을 볼 때 안테나 엘레먼트 뿐만 아니라 급전선으로도 방사가 되므로 성능이 좋아지는거 아닌가 ? 하는 생각이 들 수도 있다.
상기 시뮬레이션, 급전선이 방사하는 경우 최대이득 55도에서 6.93dB
급전선이 방사하지 않는 경우 최대이득 55도에서 7.36 dB
(이 시뮬레이션은 바로 아래 있다)
오히려 손해인 것을 알 수 있다. 안테나에 무슨 짓을 하던 공급되는 전력보다 더 많이 방사될 수 없으므로 급전되는 전력은 가장 방사효율이 좋은 엘레먼트로 보내는게 상식이다.
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상기처럼 접지하고 7 메가를 사용하니 문제가 생겼다.
그렇다면..
현재 상황에서 접지를 끊어내면.. 어떻게 될까?
반대로 CMC 가 거의 흐르지 않고 문제가 사라진 것을 알 수 있다.
1/2 파 무접지 이므로 임피던스가 무한대(개방)로 보이기 때문에 CMC 가 거의 흐르지 않는다.
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7 메가가 괜찮으니 이제 다시 3.5 메가를 구동하면 어떻게 될까?
또 다시 거대한 CMC 가 흐른다.
따라서 급전선 길이 조정으로 CMC 를 억압하는 조합은 사용 조건에 따라 달라진다는 것을 알 수 있다.
※ 상기 시뮬레이션, 3.5 메가에서 1/4 파 급전선 방사로 인한 이득이 있는지 한번 살펴보면
급전선 방사, 최대이득 20 도에서 6.68
그리고 엘레먼트 와의 간섭으로 패턴에 지향성이 추가 된다.
급전선 방사없음, 최대이득 0 도에서 7.02
국내 교신에 적합한 NVIS 패턴
결국 최대 이득을 저하시킨다.
중요한 것은 여기저기서 RF 가 방사된다고 최종 이득이 좋아지는 것이 아니라는 점이다.
이 성능도 좋고, 저 성능도 좋은 만능 안테나는 존재하지 않는다.
정리하면 아래와 같다.
1. 급전선을 3.5메가(80m) 의 1/2 파장으로 하고 "완전 무접지" 하면 3.5 의 배수에서 작동할 것이다
(그러나 완전 무접지 라는 것은 배터리 운용으로만 가능하므로 최상의 결과를 얻기는 어렵다.)
2. 급전선을 3.5메가(80m) 의 1/4 파장으로 하고 "완전 접지" 하면 3.5 의 홀수배에서 작동할 것이다
(그게 아니라면 약간의 CMC 를 허용하고 타협된 위치를 찾을 수 있다)
급전선에 접지를 하는 경우 1/4 파 그리고 홀수배(주파수) 위치에서 CMC 를 억압 할 수 있다.
급전선에 접지를 하지 않는 경우 1/2 파 그리고 배수(주파수) 위치에서 CMC 를 억압 할 수 있다.
※ 접지를 할 경우 양호한 접지저항(최소)을 얻을 수 없으면 예상대로 작동하지 않는다.
※ 홀수배 또는 배수를 사용할 경우 급전선 및 주변 영향도가 증가하므로 예상대로 작동하지 않는다.
그래서..
- 다이폴에 반드시 접지를 해야 한다 ? X
- 케이블 길이를 XXm 로 맞춰야 한다 ? X
- 바룬을 쓰지 않는 것이 좋다 ? X
위에서 봤다시피 상기 방법은 "특정 주파수" 에서만 작동하고, 운좋게 맞춰 놓아도 접지, 또는 무접지 조건에 변화가 오면 상태가 최악으로 변할 수 있다. 또한 해당 주파수(홀수배 또는 배수)이외의 주파수(노이즈)는 여전히 CMC 를 발생시키고 수신부로 들어온다.(무전기 내부에서 불필요 신호를 억압하기 위해 얼마나 많은 노력을 하는지 찾아본다.) 대부분 1:1 바룬은 광대역이므로 이런 현상이 최소화되며, 제대로 만들어진 바룬은 삽입 손실 또한 최소이다. 안 써도 되는 조건은 있지만 쓰지 말아야 할 이유는 사실상 없다.