엔드피드 제프 안테나 CMC 영향 억압 4NEC2

엔드피드 (속칭 제프) 안테나에서는 CMC (Common Mode Current : 공통모드전류) 로 인한 문제가 필연적으로 발생한다. 

즉, 동축 케이블(급전선)이 카운터포이즈(또는 레디얼)로 작동하는 것이다.

 

https://ds1orj.tistory.com/133

CMC 의 이해(1)

 

다이폴의 경우에는 급전점이 전류최대점이므로 이 지점에서 시작되는 CMC 의 임피던스는 낮다.(급전점과 같다고 가정하면 50옴)  따라서 성능이 떨어지는 초크바룬(예를 들어 임피던스 500옴,  CMC 1/10 감소)이 연결된다고 해도 꽤 많은 효과를 본다. (다이폴 또는 OCF - 오프센터피드 다이폴- 의 CMC 에 대한 것은 아래 글을 참고한다.)

 

https://ds1orj.tistory.com/203

OCF OCFD 멀티밴드 다이폴 CMC 4NEC2

 

엔드피드의 경우에는 급전점이 하이 임피던스이므로(이론상 3200 옴) 위의 다이폴에서 사용하는 500 옴 초크바룬을 급전점에 결합시켜도 별반 효과를 보지 못한다.  10 배 이상의 CM 임피던스를 제공하려면 32000 옴 이라는 매우 높은 값이 되는데 일반적인 바룬으로는 달성하기 어렵다.(트랩으로 만들어야 한다, 공진초크) 

 

따라서 엔드피드의 CMC 문제는 다이폴처럼 간단히 해결되기가 어렵고 많은 사람들이 어려움을 겪는다.

더 큰 문제는 이 현상으로 인해  "안테나와 급전선" 이 구분이 안된다는 것이다.

그래서 이 안테나의 성능 평가는 사용 환경에 의해 엇갈린다. (좋다고 할 수도 있고 나쁘다고 할 수도 있다) 

 

아래는 최악의 경우를 상정한 것인데 사용 주파수의 1/2 파 길이의 급전선을 "무접지" 상태로 운용하면 안테나와 급전선을 구분 할 수 없게 된다.  - 더블 제프 안테나와 비슷하게 작동한다.

 

이 글에서는 4NEC2 시뮬레이션을 통해 엔드피드의 CMC 를 시각화하고 급전선 길이, 레디얼, 초크바룬을 어떻게 사용해야 CMC 를 효과적으로 차단 할 수 있는지 알아본다.

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1. 급전선 길이에 의한 영향 

 

아래와 같이 리그측을 1/2 파장 위치에서 접지하면 CMC 가 감소한다. (안테나의 임피던스도 변한다)  

 

 

다행히도 이 위치는 7 메가에서도 배수 길이가 되므로 배수 주파수에서도 약간의 효과를 본다.

 

물론 7 메가에서도 접지가 되지 않으면 아래와 같이 또다시 안테나로 작동한다.

 

※ 재밌는 사실은,  특정 상황(예컨대 안테나로부터 공중으로 급전선을 많이 끌어올 수 있는 경우) 오히려 이것이 득이 될 수도 있다는 것이다. 물론 개인적으로는 급전선을 그렇게 좋은 위치로 끌어올 수 있으면 일반 롱와이어 안테나를 쓰는게 낫다고 생각한다.

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상기 시뮬레이션은 1/2 파의 배수였고 1/4 파 홀수배 급전선 에서는 반대가 될 것이므로 급전선을 약 30m (1/4 파장의 홀수배, 3배) 로 하고 시뮬레이션 해보면 아래와 같다.

 

예상대로 반대가 된다,  상기 상황에서는 급전선이 방사를 할 뿐만 아니라 리그가 전류최대점에 위치하므로 극심한 RFI 가 예상된다. 또한 안테나 엘레먼트 보다도 급전선이 더 많이 방사하는 기현상이 일어난다. 

 

아래와 같이 무접지로 만들면 비교적 양호한 상황이 된다.

 

여기까지 일단 정리해보면 1/2 파 배수 길이에서 접지 하거나 1/4 파 홀수배 길이에서 무접지 하는게 CMC 억압 측면에서 양호한 결과를 얻는다.

 

1/2 파 배수 접지의 경우에는 배수 주파수에서도 효과를 본다. (다만, 이 상황에서도 CMC 는 약간 흐른다)

1/4 파 홀수배 무접지의 경우에는 배수 주파수에서는 짝수배가 되므로 효과를 볼 수 없다.

 

다만, 접지 또는 무접지 라는 것은 이론상으로만 가능한 것으로 실제로는 급전선이 지상 혹은 건물에 등에 걸쳐서 들어오므로 완벽한 접지 또는 무접지 상황을 달성하기는 불가능하다.

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2. 레디얼 추가에 의한 영향 

 

다른 방법인 레디얼(가상 접지)을 추가하면 어떻게 되는지 시뮬레이션 해본다.

아래와 같이 접지 상황에서 최악의 전류 분포가 있는 경우 1/4 파 레디얼을 추가하면 거의 사라진다.

 

또한 레디얼과 급전부가  떨어져 있더라도 효과가 있는 것으로 보인다.

 

하지만 레디얼의 길이를 20 미터로 늘리면 제대로 작동하지 않는다.

즉, 1/4 파장 레디얼 길이를 제공해야만 작동한다는 것이고 이 의미는 멀티밴드의 경우  레디얼이 추가로 필요함을 의미한다. 

※ 단, 아래서 보는 바와 같이 아예 없는 것 보다는 나으므로, 어쨌든 급전부를 주변 도체에 연결하면 CMC 억압에 "어느정도" 효과를 볼 수  있음을 알 수 있다.

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3. 초크바룬의 사용 

 

마지막으로 급전선 중간에 초크바룬을 사용하는 것을 고려해 볼 수 있다.

일반적인 초크 바룬으로 1000옴(보통 1~3K 사이를 제공한다) 의 리액턴스를 제공하는 것으로 가정한다.

 

전술한대로 초크바룬이 제공하는 임피던스가 낮으므로 효과를 보려면 전류 최대점에 삽입해야 제대로 작동한다.

(즉, 사용주파수 1/4 파 홀수배 지점)

 

아래 처럼 급전부와 근접(1m) 거리에서는 효과가 없다. 

(이 세팅을 사용하는 경우를 종종 보는데 레디얼이나 접지와 병행하지 않으면 효과가 거의 없으므로 시도하지 않는게 좋다.)

 

 

전술한대로 급전부와 10 미터 거리(1/4 파장)에서는 제대로 작동한다.

 

다시 급전부와 20 미터 거리(1/2 파장)에서는 초킹 임피던스의 효과가 거의 사라진다.

 

멀티밴드에서 CMC 가 문제 되는 경우 초크 바룬의 삽입 위치가 사용 주파수에 의해 변동되므로 경우에 따라 전후방으로 더 추가해야 할 수 있다.

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4.  급전부(바룬) 의 그라운드 접지 여부

 

상기 시뮬레이션은 급전부(속칭 64:1 바룬)가 접지가 안된 상태를 가정한 것이고 아래 시뮬레이션에서는 접지가 된 상황

(여기서는 지상 1미터에서 접지) 을 만든 시뮬레이션이다.

 

첫번째 3개는 1/2 파장 급전선(7메가 20미터) 길이를 사용하고 각각  무접지, 바룬접지, 모두접지(리그측) 상황이다.

두번째 3개는 1/4 파장 홀수배(7메가 30미터) 급전선 길이를 사용하고 각각 무접지, 바룬접지, 모두접지(리그측) 상황이다. 

 

첫번째 1/2 파장 배수 급전선 모두 무접지, 꽤 많은 CMC 가 발생한다.

 

1/2 파장 급전선에서 바룬측만 접지했을 경우 확실히 줄어든다.

 

1/2 파장 급전선에서 모두 접지했을 경우에도 별 문제 없다.

 

이제 1/4 파장 홀수배에서는 어떻게 되는지 본다. 

먼저 모두 무접지한 상태 CMC 가 발생하지만 심각한 수준은 아닌 것으로 보인다.

 

바룬측만 접지했을 때에는 오히려 CMC 가 증가한다.

 

모두 접지된 경우에는 양호한 상태가 된다. 

 

※ 접지의 측면에서 보면 급전선 길이에 상관없이 바룬과 리그 모두 접지하는 것이 CMC 억압에 유리하다.

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여기까지 정리하자면.. 

바룬 무접지 상황에서 엔드피드 안테나의 CMC 의 억제는 아래와 같은 선택이 있다.

(물론 바룬과 리그 모두 양호한 접지를 하면 CMC 문제는 상당히 개선된다.)

 

1. 급전부(또는 급전선 외피)에 사용 주파수의 1/4 파장 레디얼을 배치한다.

2. 사용 주파수의 1/4 파장 급전선 위치에 초크바룬을 삽입한다.

3. 급전선을 1/2 파 배수 길이로 하고 끝에서(리그측) 접지 한다. (배수 주파수에서도 작동)

4. 급전선을 1/4 파 홀수배로 하고 무접지로 한다.(야외 배터리 운용이 아닌 이상 불가능) 

 

※ 핵심은 바룬의 그라운드측에 낮은 임피던스를 제공하는 것이다.

접지되지 않은 1/4 홀수배 와이어 ,  접지된 1/2 배수 와이어,  급전부의 접지 등은 모두 낮은 임피던스를 만드는 방법이다.

또한 CMC 는 급전선 표면을 따라 흐르므로 이 길이 계산에 단축율이 적용되지 않는다. 

 

※ 상기에 "접지" 라는 것은 리그나 바룬이 곧바로 땅에 접지 되는 것을 의미하는 것으로 어스선을 수 미터 이상 끌어왔다면 여기서 설명하는 접지와는 다른 것이다. 또한 이상적인 접지(접지저항 최소)를 가정한다. 급전선 길이 조정은 상황에 따라 원하는대로 작동하지 않을 수 있으므로 초크바룬 또는 레디얼의 사용이 더 합리적일 것으로 생각한다.

 

※ 엔드피드를 사용하는 많은 사람들이 급전선을 안테나로 사용하고 있으므로 상기 방법 중 한가지 만이라도 적용한다면 안테나의 현재 값(길이 조정 등으로 튜닝된)이 변경되므로 재조정이 필요할 것으로 예상 할 수 있다. 경우에 따라 이 방법을 적용하면 SWR 이 너무 변경되어 사용 불가능하게 될 수도 있다. 

- 원인 : 이 작업에 의해 안테나 시스템의 일부가 잘려나가는 셈이 되므로..

 

※ 엔드피드 바룬 이라는 용어를 많이 사용하지만 이것은 바룬으로 작동하지 않으므로 바룬이라고 할 수 없다.

원래 64:1 트랜스포머 라고 부르지만 이 경우 표기가 권선비와 헷갈리므로 가장 정확한 명칭은 64:1 임피던스 트랜스포머 이다.

 

엔드피드 안테나는 사용이 편리해 보이지만 실제로는 매우 다루기 힘들며 제 성능을 이끌어내기 어렵다. 야외 사용시에는 적당하지만 주력 안테나로 사용시에는 CMC 로 인한 부작용을 이해하고 사용하는게 좋다.