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.
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CMC 의 이해(1)
이 글에서는 CMC(Common Mode Current : 공통모드전류) 에 대한 개념에 대해 설명합니다. 이해를 돕기 위해 자유공간에 배치된 파장의 1/2 길이의 다이폴 안테나 환경을 가정합니다. 편의상 존칭은 생략
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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
글쓴이는 OCF 다이폴(7 메가 OCF, 14, 21, 28 운용가능)을 운용했을 때 심각한 CMC 상황에 직면한 경험이 있다. 급전부의 바룬(1:4 + 초크바룬)으로는 해결 할 수 없었고 샤크룸 인입전의 초크바룬 추가
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.