공통 모드 전류와 공통 모드 쵸크 (ARRL 2024년 03월)

공통 모드 전류의 개요와 아마추어 무선기사들이 이를 해결하기 위해
할 수 있는 일

<본문에서 CM 전류라고 표현하는 것은 "공통 모드 전류"를 말합니다>

<이 포스트는 ARRL 2024년 03월 기고문을 번역한 것입니다>

<원문은 여기에서 확인하세요>

래리 라마노, WAØQZY

HF 안테나의 경우, 피드라인의 유형과 관계없이 한쪽 다이폴의 팔이 지면, 나무, 건물 등에 더 가깝게 위치할 수 있습니다(첫 번째 이미지 참조). 동축 피드 HF 안테나는 안테나의 한쪽이 동축 편조나 실드에 연결되고 다른 쪽은 동축 중심에 연결되기 때문에 본질적으로 불균형합니다. 이러한 요인들로 인해 안테나의 팔과 피드라인을 흐르는 전류의 균형이 깨집니다. 이 글에서는 이 개념을 설명하기 위해 동축 피드 안테나를 예로 들겠습니다.

동축 케이블의 차폐층과 중심 도체에 흐르는 전류가 불균형할 때, 그 차이를 공통 모드 (CM) 전류라고 합니다. 균형 잡힌 전류에서 발생하는 복사는 동축 케이블 외부에서 상쇄되지만, 안테나와 송신기 사이에서 흐르는 불균형한 CM 전류는 복사를 발생시킵니다. 동축 케이블은 사실상 안테나 역할을 하게 되어 주변 전자 기기에 간섭을 일으킬 수 있으며, 심한 경우 RF 화상을 유발할 수도 있습니다. 동축 케이블이 섀크(shack)로 들어오는 지점에 접지 스트랩을 추가하는 것은 도움이 되지 않을 수 있습니다. 이는 원치 않는 안테나의 또 다른 부분이 되기 때문입니다.

CM 전류는 안테나의 방사 패턴을 변화시킵니다. 또한 안테나의 주파수 조정을 흐트러뜨리고, 정재파 비율을 변화시키며, 노이즈를 유발할 수도 있습니다.

전류를 최소화하려면 전류 경로의 임피던스를 높여야 합니다. 아마추어 무선 안테나에서는 CM 전류 경로에 CM 전류 초크나 밸런을 설치하여 전류를 줄입니다. 이렇게 하면 안테나의 양쪽 절반에 동일한 전류가 흐르게 됩니다. 이 전류들이 같다면 동축 케이블의 차폐층에는 원치 않는 전류가 흐르지 않게 됩니다. 최적의 효율을 위해 초크는 안테나의 피드 포인트에 설치합니다.

그림 1 - CM 전류계. 클램프형 페라이트 코어에는 10바퀴의 가는 권선(L1)이 감겨 있습니다.
이 장치를 동축 케이블에 클램프로 고정하면 고변압비 전류 변압기가 됩니다. 
CM전류는 D1을 통해 정류된 후 계기에 표시됩니다. R2는 계기의 감도를 조절합니다. 

CM 전류를 감쇠시키기 위해 필요한 CM 임피던스의 크기에 대해서는 논란이 있습니다. 어떤 이들은 500 Ω이면 충분하다고 말하지만, 실제 값은 애초에 존재하는 CM 전류의 양에 따라 달라집니다. 타워에 설치된 야기 안테나는 지면 근처의 오프센터 피드 안테나보다 전류량이 훨씬 적을 수 있습니다. 구현 가능한 범위 내에서 가능한 한 높은 임피던스를 갖는 것이 가장 좋습니다. 다음 예시에서는 초크의 사용 가능한 대역폭을 정의하기 위해 2000Ω을 사용할 것입니다.

CM 전류 측정하기

필요한 초크의 종류를 결정하는 첫 번째 단계는 선택한 주파수에서 CM 전류를 측정하는 것입니다. 그림 1은 CM 전류계를 쉽고 저렴하게 제작하는 방법을 보여주고 있으며, 추가적인 초크 설계 참고 자료와 함께 더 자세한 내용은 www.arrl.org/qst-in-depth에서 확인할 수 있습니다. 분할 페라이트를 동축 피드라인에 단단히 고정하십시오.

송신하면서 전류계를 주시하며, 전류계를 케이블의 반파장 길이를 따라 이동시켜 보십시오. 해당 구간에서 전류는 피크와 제로 지점을 보일 것입니다. 전류계에 아무것도 표시되지 않는다면 CM 초크가 필요하지 않을 가능성이 높지만, 약 50mA 이상을 나타내는 반 스케일 수치가 나온다면 조치를 취해야 합니다. 초크를 설치한 후 재측정하여 전류가 허용 가능한 값으로 감소했는지 확인하십시오.

효과적인 CM 초크 제작

CM 초크를 만드는 방법은 여러 가지가 있습니다. 가장 일반적인 초크 유형은 안테나의 피드 지점에 동축 케이블을 간단히 감아 만든 것입니다. 이는 코일의 유도 리액턴스를 이용하여 CM 전류에 임피던스를 제공하는 반응성 초크입니다. 감겨진 동축 케이블은 인덕터 역할을 하며, 그 유도 리액턴스는 동축 케이블 내부의 원하는 전류에는 영향을 주지 않으면서 CM 전류를 차단합니다.

종종 160m 대역에서 충분한 차폐 임피던스를 갖도록 코일을 감으면, 유도 리액턴스가 증가하므로 더 높은 주파수에서도 더 잘 작동할 것이라는 잘못된 주장이 있습니다. 그러나 실제로는 그림 2에 표시된 임피던스 특성을 가진 병렬 공진 회로가 형성됩니다. 코일의 권선 사이에는 커패시턴스가 존재하며, 이는 코일의 인덕턴스와 병렬 공진 회로를 형성합니다. 모든 인덕터에는 고유 공진 주파수(SRF)가 있습니다.

그림 2 — 10 μH의 순수 인덕터는 파란색 선으로 표시된 임피던스를 가집니다.
그러나 실제 인덕터는 주황색 곡선이 보여주는 것처럼 10 pF의 자체 용량을 가질 수 있습니다.
이 두 요소는 병렬로 연결되어 있으며, 코일 내의 손실은 병렬로 연결된 5K 저항으로 나타납니다.
보라색 곡선은 주파수 대비 코일의 실제 임피던스를 나타냅니다.
임피던스는 공진점에서 높지만, 그 양쪽에서는 떨어집니다.

해당 주파수에서는 인덕턴스와 커패시턴스를 통과하는 전류가 상쇄되어 저항 손실만 남게 됩니다. SRF 이상에서는 그림 2에서 볼 수 있듯이 코일의 자체 커패시턴스를 통해 더 많은 전류가 흐르게 되어 전체 임피던스가 낮아집니다. 즉, 160m 대역에서 권선 수가 많고 자체 커패시턴스가 높은 우수한 초크는 일반적으로 10m 대역에서는 성능이 떨어지는 초크가 된다는 의미입니다. 

반응성 초크는 공진 주파수 근처에서 탁월한 성능을 보일 수 있습니다. 공진시 병렬 LC 회로의 임피던스가 높기 때문이지만, 임피던스가 높은 범위는 공진 주파수 주변의 비교적 좁은 대역에 국한됩니다. 코일의 SRF는 사용되는 동축 케이블의 종류와 권선 방식에 따라 수 MHz 정도 차이가 날 수 있습니다. 단순히 “직경 4인치로 5바퀴를 감으라”고 지시하는 것만으로는 특정 주파수에서 초크의 성능을 보장할 수 없습니다. 에어 코어 초크는 일반적으로 스크램블 권선 방식이나 솔레노이드 권선 방식으로 제작됩니다. 스크램블 권선 방식으로는 일관된 결과를 얻기 어렵고, 솔레노이드 권선 방식의 초크는 비교적 일관된 결과를 보여주지만, 권선을 감을 수 있는 틀이 필요합니다.

그림 3 — 공기 권선(녹색 곡선) 및 페라이트 토로이드 권선(파란색 곡선) 밸런의 총 임피던스.
2000 Ω 지점의 검은색 선은 효과적인 CM 전류 차단을 위한 목표 임피던스를 나타냅니다.
수직 회색 막대는 아마추어 대역의 범위를 나타냅니다.

NanoVNA와 같은 계측기를 사용하면 주파수별 코일의 초크 임피던스를 측정할 수 있습니다. 이를 통해 초크의 공진 주파수와 대역폭을 파악할 수 있습니다. 그림 3에 표시된 측정에는 펌웨어 v1.0.5가 설치된 NanoVNA-F v3.1과 무료 소프트웨어인 NanoVNA Saver v0.4.0을 사용했습니다. 두 포트 사이에 연결된 회로의 임피던스를 측정하려면 NanoVNA를 S21 Through 모드로 설정하십시오. NanoVNA Saver에서는 디스플레이를 S21 |Z| SERIES로 설정하십시오. 초크 양단의 차폐선을 NanoVNA 포트에 연결하여 초크를 두 포트 사이에 배치하십시오. 각 포트에는 악어 클립이 부착된 짧은 전선을 사용하십시오. NanoVNA 포트의 접지 측을 연결할 필요는 없습니다.

그림 3의 녹색 곡선은 스크램블 권선 방식의 공기 코어 초크의 측정된 초크 임피던스를 나타내며, 수평선은 목표 임피던스인 2000 Ω을 나타냅니다. 이 반응성 초크는 직경 약 6인치의 LMR-240 동축 케이블을 6회 권선하여 구성되었습니다. 초크 임피던스는 공진 주파수 양쪽에서 급격히 감소합니다.

권선 간 거리가 가까울수록 권선 간 정전용량이 증가하므로 고주파 성능이 저하됩니다. 이는 단순한 인덕터가 아니라 대역폭이 좁은 병렬 공진 회로임이 분명합니다. 2000 Ω의 임피던스를 가진 이 초크는 20m 및 17m 밴드에서만 적절하게 작동할 것입니다. 반응성 초크는 단일 대역용이나 때로는 인접 대역용 초크로 잘 작동할 수 있지만, 공진 주파수 아래에서는 유도성 특성을, 공진 주파수 위에서는 용량성 특성을 보입니다. 따라서 특정 주파수에서 동축 케이블을 따라 내려다보았을 때 나타나는 임피던스와 반대 극성을 띠게 되면 CM 전류를 증가시킬 수 있습니다. 이 개념에 대한 자세한 내용은 www.arrl.org/qst-in-depth에서 확인할 수 있습니다. 광대역 초크를 원한다면, 저항은 주파수와 무관하므로 저항이 필요합니다. 실제로 이는 공심 코어 대신 손실이 있는 페라이트 코어를 통해 동축 케이블을 통과시키는 것을 의미합니다.

HF 대역에서 가장 흔히 사용되는 페라이트 소재는 31형과 43형입니다. 이들의 저항 특성 덕분에 초크가 훨씬 더 넓은 주파수 범위를 가질 수 있습니다. 그림 3의 파란색 곡선은 이전 측정에서 사용된 것과 동일한 동축 케이블을 Fair-Rite 2631626202 코어를 통과시키고, 권선 간 용량을 낮추기 위해 권선 간격을 넓힌 경우를 보여줍니다. 피크 임피던스는 반응성 초크보다 낮지만, 임피던스가 2000 Ω 이상인 대역(160m~12m)이 훨씬 넓습니다. 10m 대역에서도 임피던스가 허용 가능한 수준일 수 있습니다.

IEEE 시니어 라이프 멤버인 래리 라마노(Larry Lamano, WAØQZY)는 1966년에 처음으로 아마추어 무선사 자격을 취득했습니다. 그는 1973년과 1975년에 각각 미주리 대학교 롤라 캠퍼스에서 통신 시스템, 전송선로, 안테나 이론을 전공하여 전기공학 학사 및 석사 학위를 취득했습니다. 래리의 첫 직장은 콜린스 라디오(Collins Radio)였으며, 마지막 직장은 애플(Apple)이었습니다. 2001년 애플을 떠난 이후로는 아날로그 및 디지털 분야 컨설팅을 해오고 있습니다. 래리는 근본적인 이론을 이해하기 위해 무언가를 설계하고 제작하는 일을 항상 즐겨왔습니다. 연락은 wa0qzy@gmail.com으로 하시면 됩니다.

위 내용을 읽고 ChatGPT와 함께 공통 모드 전류계의 회로도를 만들었습니다. 

다만 이 전류계는 전류의 "절대값"을 측정하는 것이 아니라 "상대값"만을 보여줍니다.

회로도에서 COM은 페라이트 코어에 권선된 에나멜 동선의 반대쪽에 연결하시면 됩니다.
이 회로도는 초기 버전입니다.

위 회로도에서 터미널 블록이라는 것을 추가한 것.
측정계를 만들때 편의를 위해서 수정했습니다.

간단한 제작 형태