balun의 역할과 종류에 대해서 ...

[HL2TJN]

BALUN(BALanced-to-UNbalanced)

BALUN 의 역활

BALUN은 BALanced-to-UNBalanced에서 유래된 합성어로  평형안테나에 불평형 급전선(동축케이블)으로 급전할 때 사용하는 matching transformer를 의미한다. 

안테나의 종류는 급전점을 기준으로 해서 그 구조에 따라 평형안테나와 불평형안테나로 구분할 수 있는데 아마추어 무선에서 가장 많이 사용되는 다이폴 과 야기안테나 등은 급전부를 기준으로 해서 대칭으로 되어 있는 평형 안테나이다.

반면 송신기의 고주파 전력을 안테나에 공급하는 급전선(FEED LINE)은 심선(hot)을 외부도체(cold)로 둘러싼 형태의 불평형 FEED LINE인 동축케이블이 주로 사용되는데

이때 성격이 각각 다른 심선(Hot-line)과 차폐선(Cold-line)을 평형안테나의 급전점에 직접 연결하면 안테나의 양쪽 도선의 전류 분포가 불평형을 이루게 되고 이로 인해 전류의 일부가 외부도체(차폐선)를 따라 되돌아 오게 되는데 이를 누설 전류라 한다. 

 이 누설전류는 여러가지 부정적인 영향을 미치게 되는데 이를 방지하기 위하여 바룬을 사용한다. 따라서 바룬은 기본적으로 안테나 임피던스를 메칭 시키기 위한 것이 아님을 이해 하여야 한다. 

그리고 전류분포의 불평형 정도는 안테나 도선의 길이와 동축케이블의 직경의 비에 의해서 결정된다.

 따라서 HF대의 LOW BAND 에서는 안테나 도선의 길이가 길고 그에 비하여 동축케이블의 직경은 작으므로 불평형은 그다지 크지 않으므로 누설 전류는 크지 않아 그로 인한 부작용도 문제가 되지 않을 수 있지만 대출력을 송출 한다든지 전파의 영향을 받기 쉬운 기기들이 주변에 있다면 문제가 될 수 있다. VHF와 UHV에서는 HF대와는 달리 불평형의 정도가 커 그 영향이 크다.

BALUN의 종류

바룬에는 그 구조와 용도에 따라 여러 가지의 종류가 있는데 Blancing을 하는 방법에 따라 전압(VOLTAGE)바룬과 전류(CURRENT)또는 초크(CHOKE)바룬이 있다. 그리고 임피던스 比에 따라서 1:1, 2:1, 4:1, 6:1, 등 여러가지 바룬이 있으며 각각의 특징과 용도는 다음과 같다.

BLANCING 하는 방법에 의한 바룬의 종류

1. 전압바룬: BALUN의 OUPUT 단자(안테나 연결측)에 반대 극성을 가진 같은 크기의 전압이 나타나도록 하여 결과적으로 전류를 Balncing 을 하도록 설계된 것이며 이는 안테나의 양측 도선의 길이가 완전하게 대칭임을 전제로 한 것임으로 안테나 양측 도선이 불평형 일 때(실제 길이뿐만 아니라 그 형태도 포함하여) 그렇지 않을 경우는 누설 전류가 흐르게 되는 등 안테나 양측 도선의 불평형에 민감하다.

 따라서 안테나의 한쪽 도선을 길거나 짧게 하여 SWR을 조정하게 되면(정재파비가 잘 안 맞을때 간혹 그렇게 하는 경우도 있다.) 안테나 양측도선의 길이의 편차에 의해 전류 분포가 UNBLANCE가 되어 누설 전류가 흐르게 된다.

아래 그림은 대표적인 전압바룬의 회로도 이다. 아래그림에서 가운데 코일의 임피던스가 너무 낮게 되면 낮은 주파수 끝 쪽에서 SWR이 높게 되는 경향이 있다.

그리고 아래 회로도에서 알 수 있듯이 양쪽 단자를 회로 시험기로 시험을 했을 때 회로가 단락 된 것으로 나타나는 것이 정상이다.

2. 전류바룬: 초크 또는 전류바룬은 전압바룬과는 다르게 안테나 도선상의 전류를 blancing 시키는 것이 아니고 누설전류가 동축케이블의 외부도체로 흐르는 것을 직접 차단 한다.

따라서 안테나가 완전한 평형이 아니라도 영향이 적으며 효과적 누설전류를 차단한다. 

위에서 본 바와 같이 전압바룬에 비하여 전류바룬이 장점도 있으나 각각의 회로도에서 보는것과 같이 전압바룬은 DC 그라운드가 되어있는 반면 전류바룬은 DC 그라운드가 되어 있지 않다.

따라서 전류바룬의 경우 낙뢰에 의한 써지 전류에 트랜시버가 손상되기 쉽다.

그럼에도 불구하고 다른 장점 때문에 전류 바룬이 점점 많이 사용되어지고 있는 추세다.

 그리고 전류형바룬의 구별 법은 아래 그림에서 알 수 있듯이 회로시험기로 시험하면 양쪽 단자가 열려있다.

주요 전류형바룬의 제조 판매처는 The RADIO WORKS 이며 INTERNET에서 ONLINE으로 쉽게 구입 가능하다.

• 전류형바룬의 하나인 Air Core Balun(초크발운)은 가장 간단한 형태로서 동축케이블을 안테나 접속지점에서 적당하게 감아주면 된다. 감는 회수와 직경은 다음 표를 참고 바람.

Single Band
주파수(MHz)	RG 213, RG 8	RG 58
3.5	22ft, 8회	20ft, 6-8회
7	22ft, 10회	15ft, 6회
10	12ft, 10회	10ft, 7회
14	10ft, 4회	8ft, 8회
21	8ft, 6-8회	6ft, 8회
28	6ft, 6-8회	4ft, 6-8회

Multiple Band
주파수(MHz)	RG-8, 58, 59, 8X, 213
3.5-30	10ft, 7회
3.5-10	18ft, 9-10회
14-30	8ft, 6-7회

감는 방법: 3.5-30Mhz용 안테나의 경우 10ft의 동축케이블을 7회 감아주면( 흔히 남는 전선을 사리듯이 하여 감으면 됨) 직경은 저절로 적당히 나오며 감은 후 테이프 등으로 적당히 감아 형태가 흐트러지지 않도록 한다.

Ferrite를 사용하는 바룬은 SWR이 높거나 고출력으로 운용하면 쉽게 포화가 되어 고조파 에너지를 발생 시킬 수 있으므로 주의하여야 하는데 Air Core Balun은 이런 현상이 발생되지 않는다.

그 외의 전류형 바룬 에는 Ferrite-Core Balun 과 W2DU 바룬등이 있으며 그다지 만들기가 어렵지는 않으나 제품화된 것을 구입 사용하는 편이 더 편리한 것 같다. 굳이 자작을 해보겠다면 Amidon사나 Fair-Rite Products Corp에서 여러가지  TORAIDAL CORE를 직접 구입하여 자기용도에 맞는 바룬을 설계 제작할 수 도있고 KIT화 된 것도 구할 수 있다.

<참고>Transmitting Baluns by W8JI
<참고>Balun and Transformer Core Selection by W8JI

임피던스 比에 따른 바룬의 종류

바룬은 이미 설명한 바와 같이 평형 안테나와 불평형 급전선(동축케이블)을 연결 시켜주는 것이 본래의 역할이고 임피던스를 메칭 시키기 위한 것이 아니다.

그러나 특정 임피던스 比를 가진 바룬은 임피던스 정합 역할도 동시에 하는데 임피던스 비에 따른 종류와 용도는 각기 다음과 같다.

1:1 바룬-50ohms balanced to 50 ohms unbalanced
일반적으로 가장 많이 쓰이는 바룬으로 반파장 다이폴안테나에 사용되며 임피던스 메칭 기능은 없다. 다이폴안테나의 급전 임피던스는 지상고가 충분할 경우 약 73오옴 정도이므로 1:1 바룬을 사용하면 SWR이 1:5정도가 되지만 실용상 전혀 지장이 없다. 

다이폴 안테나는 지상고에 따라 급전 임피던스가 변함<참고: 안테나의 지상고와 임피던스> 

1.5:1 바룬-75ohms balanced to 50ohms unbalanced
반파장 다이폴 안테나의 임피던스가 약 75 ohm 이므로 이때 1.5:1 바룬을 쓰면 정합이 완벽하다. 그러나 1:1 바룬이나 바룬없이 직결하여도 SWR은 1.5 정도로 그다지 높지 않으므로 실용상 큰 지장은 없다.

2:1 바룬 - 100 ohms balanced to 50 ohms unbalanced
지상고가 0.33 파장인 반파장 다이폴 과 사각 Loop 안테나의 안테나는 급전부 임피던스가 100 ohm정도로 2:1 바룬이 필요하다.

4:1 바룬 - 200 ohms balanced to 50 ohms unbalanced
Log Periodic Beam Antenna, 지상고 0.17 파장의 Folded Dipole, Off Center Fed Antenna( 안테나의 급전점이 안테나 도선의 중앙에 있지 않고 편심된 안테나를 말하는데 급전점이 중앙을 벗어나면 임피던스가 올라감)등 급전점의 임피던스가 비교적 높은 안테나에 쓰인다.

4:1 Step Down balun-12.5 ohms balanced to 50 ohms unbalanced
위의 4:1 바룬과는 달리 급전점의 임피던스가 낮은 안테나에 사용되는 Step down형 바룬이다.

 야기안테나는 다이폴안테나의 앞뒤에 소자를 늘려놓은 것인데 소자수를 늘려감에 따라 급전점의 입피던스가 다이폴 안테나의 기본 임피던스인  75오옴 에서 점점 낮아져10 - 20 정도로 낮아진다.

 따라서 Step Down 4:1 바룬을 사용하면 특별한 메칭 기구 없이 야기안테나를 급전 할 수 있다. 야기 안테나에도 급전점의 임피던스를 높이는 메칭방식을 사용하면 1:1 바룬을 쓸 수 있다.

그 외에도 여러 가지 임피던스 비를 가진 바룬을 특수한 용도에 따라 제작 할수 있는데 자세한 것은 아래의 책을 참고 하기 바란다.

Building and using Balun and Ununs by Jerry Sevick, W2FMI - CQ communications, Inc
Transmission Line Transformers by Jerry Sevick, W2FMI - Noble Publishing Atlanta

UNUN(Unbalanced to unbalanced transformers)

바룬이 불평형 급전선과 평형안테나를 위한 matching transformer인 반면 언언(UNUN)은 불평형 급전선간 또는 안테나를 위한 matching transformer이다. 임피던스 비에 따라 50:75, 50:25, 50:100, 50:12.5, 등이 있다. 50:75 UNUN을 사용하면 케이블 TV용 75오옴 동축케이블을 50오옴 동축케이블에 연결하여 사용 할 수 있다.

　

누설전류가 고주파 계통에 미치는 영향

1. Interference를 발생 시킨다.

동축케이블의 외부 도체에 흐르는 누설전류는 COMMON MODE 형태의 전류로서 케이블에서 쉽게 방사가 된다. 따라서 동축케이블이 전화선, 전원선 등에 접촉 또는 가까이 접근하면 누설전류가 유도되어 여러가지 INTERFERENCE를 발생 시킬 수 있다.

이 경우에는 Low pass filter로는 Interference를 방지할 수 없고 common mode 초크를 설치하거나 접지를 완전하게 시킴으로써 인터페어런스를 어느 정도 방지 할 수 있 다.

 하지만 원천적으로 누설전류가 발생하지 않도록 하는 것이 최선책이다.

2. 안테나의 방사 패턴이 일그러 진다.

전류의 불평형과 누설 전류의 영향으로 안테나의 방사 패턴이 일그러져 지향성이 변한다.

그러나 다이폴 안테나에의 경우에는 수평지향성 패턴은 그리 주요한 요소가 아니므로 이 경우 큰 문제가 되지 않으나 yagi, quad등과 같이 Beam 안테나의 경우에는 영향이 크다.

3. SWR이 변한다.

위에서 설명 한 바와 같이 누설전류는 동축케이블에서 방사가 되는데, 이는 곧 동축케이블이 안테나의 한 부분으로서 동작함을 의미한다. 따라서 동축케이블의 길이를 변화 시키거나 움직이면(길게 늘여놓거나 감아 놓는 등 변화 시키면) SWR이 변한다.

나에게 바룬이 필요한가?

이와 같은 질문은 바룬에 관한 가장 보편적인 질문인 것 같다. 바룬이 없다고 해서,

그리고 동축케블의 외부도체로 누설전류가 흐른다고 해서 이것이 반드시 심각한 문제를 야기 시키는 것은 아니다.

그러나 만약 전파로부터 영향을 받는 전기, 전자기기(TV, TV 안테나 또는 TV안테나 케이블, 전화 또는 전화선, 컴퓨터, 전기배선등등 모든 전기전자 관련 설비)가 급전선(동축케이블)에 가까이 접근하여 있다면, 급전선의 누설전류로부터 수신되는 방사전파가 안테나에서 방사되어 전기전자 기구에 들어오는 전파보다  강할 수 있다.

따라서 이런 경우에 모든 전기전자기기를 급전선으로부터 가능한 한 멀리 이격 시키는 것도 중요하지만  바룬을 사용하여 급전선의 누설 전류를 방지하여 급전선에서 전파방사를 최소화 함으로서 상당부분의 INTERFERENCE를 방지할 수 있다.

바룬을 사용함에도 불구하고 누설 전류가 발생되는 경우

1. FEED LINE(동축케이블)을 안테나 도선에 대해 수직으로 내리지 않고 어느 한쪽으로 기울어지게 한 경우.

2. 다이폴안테나의 양쪽 도선 중 어느 한쪽이 길거나 짧은 경우.

유명 바룬 제조업체

ANTENNA PRODUCTS CORPORATION (상업용 고출력 바룬)
Amidon(High power 바룬 및 자작 Kit)
The Radio Works 
Baluns from ARRAY SOLUTIONS 

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[HL2TJN]

많은 참조 바랍니다 ^^*