바룬의 성능 측정 방법, 발룬, Balun, 밸런

국내에서 바룬의 성능 측정은 대부분 SWR 에 의존하고 있는 듯하다.

 

이 방법은 안테나측에 더미로드(1:1 의 경우 50옴,  1:4 의 경우 200옴 저항 등)를 배치하고 입력에 아나라이저를 물려서 측정한다.

 

이 측정은  바룬의 "임피던스 변환" 에 대한 정보는 알려주지만, 정작 바룬의 가장 중요한 기능인 평형 불평형 변환(Balance to Unbalance) 성능은 알려주지 않으므로 성능 평가에 별 도움이 되지 않는다.

 

아래부터 측정방법과 시뮬레이션 결과에 대해 설명한다.

측정에 대한 방법은 W8JI 오엠이 잘 정리해 두었다.

 

https://www.w8ji.com/balun_test.htm

Test, measure balun, and compare antenna baluns or balums

 

이상적인 바룬은 Test1, Test2, Test3  의 어느 위치를 접지 하더라도 SWR 변화가 없어야 한다.

R1, R2 는 측정할 바룬의 부하 임피던스의 절반이다(1:1 바룬이면 25옴,   1:4 바룬이면 100옴) 

GND 리드는 가능한 짧게 하고 저항은 당연히 무유도 저항이다. 

 

이 테스트는 바룬을 사용하는 목적인 "평형-불평형 변환 성능" 을 가장 빠르게 판단 할 수 있는 방법이다. 

완벽한 밸런스 부하는 Test3 지점에만 GND 를 향한 저항이 존재하겠지만 실제 설치 환경에서는 Test1, 또는 Test2 가 GND 에 더 가깝게 된다. (지면, 급전선, 주변 구조물 등의 영향)  이렇게 되면 밸런스가 무너지게 되므로 이 현상을 막고 안테나의 밸런스를 유지하려는 것이 발룬의 사용 목적이다.   

 

먼저 국내에서 가장 많이 사용하는 일명 "전압 바룬" 의 시뮬레이션을 아래 보인다. 

구조는 아래와 같다.

https://vk6ysf.com/balun_1-1.htm

Balun 1:1

 

시뮬레이션. 조건은 아래와 같다.

권선간 이상적인 결합(1.0),   0.1 옴의 GND 저항,  주파수 10MHz

시뮬레이션에서 SWR 을 계산하려면 복잡하므로 R1 저항의 전류와 전압으로 부하 임피던스를 역산한다. 

(즉, Z=전압/전류 공식을 쓴다. 브리지 측정을 이용하는 대부분의 측정기-MFJ269 등-에서 사용하는 방법과 동일)

 

아래는 시뮬레이션 회로

 

이상적인 부하인 Test 3번 위치(중앙) 의 시뮬레이션

50 옴 으로 잘 유지되는 것이 보인다.  그렇다면 1 번 위치는 어떨까. 아래 보인다.

0 옴이다.  즉 SWR 무한대 (시뮬레이션이 잘못된 것이 아님) 

그렇다면 Test2 위치는 어떨까. 

 

역시 0 옴.  실제로는 사용하는 코어의 손실 등에 의해 0 옴(SWR 무한대) 이 되지 않을 것이다. 

 

이 방식의 와인딩을 가진 속칭 "전압 바룬" 은 제대로 작동하지 않는다. 

해외 오엠들은 이 사실을 알게 된 이후로 더 이상 전압 바룬을 "바룬" 용도로 사용하지 않는다. 

 

시뮬레이션이 잘못된거 아닌가? 라고 반문한다면 아래 1:1 전류 바룬의 테스트를 보인다.

아래는 일반적인 1:1 전류 바룬의 권선이다.

 

https://vk6ysf.com/balun_guanella_current_1-1.htm

Balun Guanella Current1:1

 

Test3 위치를 접지하면 아래와 같다.

여기까지는 전압 바룬이나 별 차이가 없어 보인다.

 

그러나 Test1 번 위치를 접지하면 ?

여전히 50 옴 으로 잘 작동하는 것을 볼 수 있다.

약간의 튐 현상은 Spice 의 계산방식 특성이며 실제로는 연속값이다. 

 

Test2 번 위치를 접지 하면 ? 

전류 바룬은 모든 조건에서 50 옴으로 잘 작동하는 것을 알 수 있다. 

이 바룬은 1:1 구아넬라 바룬이라고도 불리며 초크 바룬 역시 전류 바룬과 동일한 원리로 작동한다. 

 

마지막으로 1:4 전압 바룬은 어떨까? 

http://vk6ysf.com/balun_4-1.htm

Balun 4:1

 

Test3 포인트 에서의  조건 에서는 200 옴이 50 옴으로 잘 변환되어 보인다. 

 

Test1 번 위치가 그라운드로 되면.. 짐작하다시피 0 옴 이다. 

Test2 번 위치는 어떨까 ?

역시 0 옴.  바룬의 역할을 제대로 수행하지 못한다.

 

이런 이유로 속칭 "하이브리드 바룬" 이 나왔는데, 아래는 1:1 전류 + 1:4 전압 바룬의 시뮬레이션이다.

 

먼저 Test1 위치.

50 옴으로 잘 유지 된다. 

 

그리고 Test2 위치는 아래처럼 역시 잘 유지 된다.

 

여기까지 정리 

 

1. 전압 바룬은 실제 "발룬" 역할을 제대로 수행하지 못한다. 

따라서 전압 바룬을 사용하는 경우 CMC 로 인한 방해(급전선 길이에 따른 SWR 변화 및 I 발생 등)를 받을 확률이 높다.

이미 해외에서는 전압바룬을 안테나 바룬 용도로 사용하지 않는다.

 

2. 전압 바룬의 한계로 속칭 "하이브리드 바룬" 이 나오게 되었다.

1:4 바룬은 구조상 전압 바룬으로의 구현이 용이하지만 실제 "평형-불평형 변환" 역할을 제대로 수행하지 못하므로 여기에 전류 바룬(또는 초크바룬)을 결합한 일명 하이브리드 바룬이 나오게 되었다.  (1:4 전압 바룬은 "바룬" 이라고 부르는 것조차 문제) 

 

3. 여기서는 다루지 않지만 1:4 바룬으로 정상 작동하는 것은 아래와 같은 "두개의 코어를 사용하는 구아넬라 1:4 바룬" 이다.  이 바룬은 평형 불평형 변환을 유지하면서 1:4 임피던스 변환을 제공한다. 

 

http://vk6ysf.com/balun_guanella_current_1-4.htm

Balun Guanella Current 1:4

 

구아넬라 바룬은 사실상 TLT(전송선 변압기)로 작동하며 TLT 에 대한 글은 아래를 참고한다. 

https://ds1orj.tistory.com/217

발룬과 TLT (Transmission Line Transformer, 전송선 변압기)