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안테나대해 (HL1TCN 이정도著)
안녕하십니까?
햄의 세계에 오신것을 진심으로 환영합니다.
본란중 혹시 틀린 점이나 추가할 것이 있으면 서슴없이 말씀 주시기 부탁드립니다.
우리가 보통 생각하기엔 안테나가 별것 아니라고 생각할 수 있겠습니다만 햄에서 가장 중요한 것은 안테나 입니다. 실례로 안테나에 투자하시는 것이 리그의 성능이나 출력에 투자하는것 보다 훨씬 낫습니다.
만약 5W 로 가능한 통달거리를 두배로 늘리고 싶다면 약 150W 의 출력으로 송신하면 5W 일 때보다 두배 향상시킬수 있습니다. 하지만 안테나에 투자할 경우 12dB 정도 이득을 높여주면 가능합니다. 그러니까, 14ele 야기를 하나 사용했을때 보다 두배 거리를 늘리고 싶다면 4개를 어레이로 (단파에서는 스택이라고 합니다만 보통 초단파 에서도 스택이라고 합니다.) 수평연결시켜 주면 됩니다. 가장 중요한 점은 출력으로 거리를 늘렸을 경우 본국의 수신감도는 전혀 이득이 없습니다. 하지만 안테나로써 거리를 늘렸을 경우는 수신가능지역도 두배 향상됩니다.
이렇듯 안테나의 중요성은 말로 할 수가 없습니다.
아무리 값비싸고 출력이 좋은 리그라도 안테나가 빈약하면 모두 헛된 일입니다.
햄에서는 출력이 중요한게 아닙니다. 무엇보다도 안테나가 중요함을 강조합니다.
이제 슬슬 여러가지 안테나에 관해서 알아보도록 하겠습니다.
대체적인 안테나의 종류는 아래와 같습니다.
수평계 - DI-POLE , Butterfly , YAGI , CUBICAL QUAD
수직계 - Vertical , GP (Ground Plane) , Herical
수평계 , 수직계란 안테나를 지면에 대해 수평으로 세우는지 수직으로 세우는지를 기준한 것입니다.
각각 안테나의 특징을 알아보겠습니다.
1. 다이폴 안테나
사용하려는 주파수를 파장으로 환산해 그 파장의 절반길이 에 단축율을 곱한 값을 안테나의 길이로 하는 안테나로 현재 우리나라 햄들이 가장 많이 사용하고 있습니다.
재료는 동선으로 만들고, 모양은 꼭 빨래줄 모양이고, 그 반파장 길이의 중앙부분에 Rig에서 나온 급전선이 연결되 있습니다. 임피던스는 73 옴입니다. 73옴의 동축케이블로 연결해서 연결하는 수가 있으나 대부분의 리그는 50 옴 이므로 바룬을 넣어서 50 옴으로 낮추어서 50 옴 케이블로 급전합니다.
안테나
| \
| 바룬
급전케이블 -> |
|
이 안테나는 이득은 0dB 이고, 8자의 지향성을 갖고 있습니다. 그러니까 안테나를 칠때 동쪽과 서쪽을 연결해 설치하면 안테나의 방향은 북쪽과 남쪽을 가리키게 됩니다.
전파의 파장을 구하는 방법 =
3 * 10 ^ 8
--------------------
전파의 주파수 (Hz)
ex) 29Mhz 의 주파수의 파장을 구하면
3 * 10 ^ 8
------------- = 약 10.34 m 가량 됩니다.
29 * 10 ^ 6
따라서 이 주파수대의 반파장 다이폴 안테나를 만들려면
10.34 * 1/2 * ( 0.95 : 단축율 ) = 4.9115 m
전체길이가 약 4.9115 m 한쪽 길이가 약 2.45575 m 인 다이폴 안테나를
만들면 됩니다.
* 다이폴 안테나는 모든 안테나의 기본입니다. GP 는 이걸 세운것과 같고 야기는 여려게 연결한 것과 같습니다. (이론적으로) 따라서 다이폴 안테나에 관하여 충분히 학습할 필요성이 있습니다.
2. GP 안테나
Ground Plane 안테나라고 하고, Vertical 안테나에다 Radial을 붙인 안테나입니다. 이것은 우리 동네근처에서 쉽게 볼 수 있는데, 가스집 혹은 전기공사가게 꼭대기에 붙어 있는 막대기 형태의 안테나가 바로 이 GP안테나입니다. 그 안테나 에서 맨 밑쪽에 조그마한 철선 같은 것이 붙어 있으면 GP이고, 안붙어있으면 Vertical 안테나입니다.
보통 Vertical안테나는 구조상 접지를 해야 하기 때문에 땅에 세우도록 구조가 되있는데, GP는 Radial로 가상접지 (카운터포이즈) 를 실현하고 있기 때문에 옥외에 세워도 되는 것입니다.
이 안테나는 이득은 다이폴과 같은 0dB이고, 무지향성이나, 다이폴보다는 전파의 복사각도, 즉 타상각이 낮기 때문에 HF(단파)의 경우 다이폴보다 DX(원거리) 교신에 좀더 유리합니다.
3. Yagi 안테나
일본의 야기씨와 우다씨가 공동으로 발명한 안테나로 현재 가장 많이 사용하고 있는 지향성 빔 안테나입니다. 여기서 빔이란 TV 만화영화에서 나오는 광자력빔 처럼 한쪽 방향으로 쭉 나간다는 것을 말하지요. 그러니까 효과와 성능도 뛰어납니다.
이 안테나의 구조는 다이폴 안테나를 앞뒤로 일정한 거리만큼 배열해 놓은 형태입니다. 보통 재료는 알루미늄을 사용합니다.
괜히 어려워 보이는 안테나인데, 바로 이 안테나가 우리들에게 가장 흔한 안테나입니다. 바로 TV안테나가 야기안테나입니다.
우리에게 가장 친근하고 낯익은 이 안테나가 바로 아마추어 무선에서 가장 좋은 안테나중의 하나로 자리를 차지하고 있습니다. 제작하기도 다른 어느 빔안테나보다도 쉬워서 우리나라 빔 안테나의 대부분을 점령하고 있습니다.
야기 안테나의 구성
아래 그림과 같이 야기안테나는 반사기 , 복사기 , 도파기로 구성됩니다. 2Element 안테나는 반사기 와 복사기로 이루어져 있으며 3Element 이상의 안테나 부터는 도파기가 증설된 것 입니다.
그럼 1Element 안테나는 없냐고요? 그게 바로 다이폴 안테나 이지요 참고로 다이폴 안테나는 야기안테나 에서 복사기만 있는것 입니다. 그렇다고 야기안테나에서 다 떼어버리고 복사기만 남겨서 다이폴로 쓰면 안되겠죠. 도파기가 증가하면 임피던스가 낮아지게 되며 빔의 각도가 날카로와 집니다.
+--------+---------+---------+---------+- Element
| | | | |
| 복사기
| | <- 도파기
| | | <- | |
| | | | |
+--------+---------+---------+---------+
| | | | | |
| |-| <+ | | |
| | |
| 감마로드
|
| 쇼트바
반사기
이 안테나의 이득은 Element 수에 따라 변하는데 보통 3 Element가 6-8dB이고 엘레멘트가 추가 될수록 이득이 증가되는데, 산술적으로 느는것은 아니고 보통 14Element까지는 증가합니다. 엘레멘트가 늘어 갈수록 빔의 지향성은 매우 날카로와 지므로 이 안테나의 방향을 돌려줄 수 있는 장치인 로테이터가 필요하기도 합니다.
HF(단파)의 이 안테나는 각 Element(소자)의 길이가 TV안테나와는 상대가 되지 않을 정도로 켜져서 엄청 나게 큰 안테나로 둔갑합니다. 이유는 단파대의 주파수는 파장이 길기 때문입니다.
야기안테나의 설치
야기안테나의 설치법은 두가지가 있습니다. Element 의 방향에 따라 지면에 수평으로 세우는 방법과 수직으로 세우는 방법이 있습니다. 단파대 이상에서는 수평으로 세우고 초단파대 이상부터는 수직으로 세웁니다. 이때 감마로드쪽이 땅으로 와야 합니다.
Narrow Space Type 과 Wide Space Type (이하 NST , WST 로 칭함)
NST 란 가능한 Element 간격을 좁게 하여 안테나를 소형으로 만든 것이다.
3ele 안테나의 붐에 4ele 안테를 부착하는데 이럴 경우 NST 라 한다. 각 Element 의 간격은 0.1~0.13 파장 이며 가장 좋은 간격은 Element 의 1/2 길이이다. 약 1~2 dB 정도 이득이 줄어들고 주파수 범위가 작아진다.
WST 란 NST 와 반대로 Element 의 간격을 넓게 취하는 안테나 이다.
Element 의 간격이 넓게되면 입력저항이 높아지므로 임피던스의 매칭이 쉬워 지고 안테나의 효율 증가와 주파수 범위가 좋아진다. 각 Element 의 간격은 0.23~0.25 파장을 취한다.
* WST 가 NST 보다 같은 수의 Element 에서 이득이 높은 이유는 단순히 붐이 길어서 뿐이 아니라 입력저항이 높으므로 잃게되는 고주파 전력이 적으므로 케이블에서의 손실이 줄어들고 매칭이 쉽게 되기 때문이다.
HB9CV 타입 안테나
야기 안테나의 특이한 형태로 콜싸인 HB9CV 가 고안한 안테나 이다.
2ele 야기의 일종으로 각각 복사기와 반사기 구실을 하며 감마매칭을 하고 반사기에도 감마로드를 쇼트바로 연결한다. 두 감마로드 사이를 피더선으로 연결하는데 두 엘레멘트의 중간 지점에서 180 도로 비튼다. 이득은 약 4~5dB 이며 2ele 야기에 비해 매우 높은 이득을 취할 수 있다.
F9FT 형 안테나
콜사인이 F9FT 인 사람이 고안한 안테나로 복사기가 폴디드 다이폴 타입이다. Wide Space Type 로 이득이 높고 주파수 범위가 넓다. 같은 Element일때 일반 야기 안테나보다 이득이 높으며 구성이 간단하다.
야기 안테나는 스택 (stack:병렬연결) 시킴으로써 이득을 향상시킬 수 있습니다. 보통 두개를 스택시켰을 경우 약 3dB 의 이득이 향상됩니다. 단파대 안테나는 매우 크기때문에 스택을 시키지 않습니다. 스택을 할 경우 이득은 높아지고 빔의 각도는 더욱 날카로와 집니다.
4. QUAD안테나 : 야기 안테나와 더불어 현대 아마추어 무선안테나의 쌍벽을 이루고 있는 안테나입니다. 정식 이름은 Cubical Quad인데 보통QUAD로 약해서 부릅니다.
이것의 모양은 그 주파수를 파장으로 환산한 길이를 동선으로 완전 정방형꼴로 만들어, 이 정방형꼴을 야기 안테나처럼 앞뒤로 배열한 안테나입니다.
HF(단파)의 이 안테나를 만들려면 그 큰 야기보다 크기가 몇배 더 큰 안테나입니다. 무시무시하고 엄청난 안테나인데, 그 크기많큼 성능을 톡톡히 발휘해줍니다.
장점으로, 야기 보다 넓은 대역폭과, 낮은 SWR값, 그리고 지상고가 낮아도 특성의 영향을 받지 않습니다.
단점으로, 매우 큰 크기와, 바람을 받는 면적인 수풍면적이 커서 불리하다는것, 그리고 제작이 좀 까다롭다는 등의 문제가 있으나 그만큼 제 몫을 해주므로 세계의 DX'er들이 애용하고 있습니다.
이 안테나의 이득은 동종 엘레멘트수의 야기 안테나보다 조금 높습니다. 보통 3Element QUAD는 4Element Yagi의 성능과 비슷합니다.
이 안테나의 변형으로, Swiss Quad가 있고, 정방형꼴의 다른 변종들이 많이 있습니다.
* Yagi, Quad, GP안테나를 비교하라고 하면 많은 의견들이 분분하지만 결론은 이렇습니다. 야기와 쿼드의 우열을 가린다는 것은 계란과 닭의 문제와 같은 것으로 종합적인 성능은 비슷하다고 할 수 있습니다. 그리고, GP는 성능이 약간 뒤떨어지는데, 그렇다고 GP 안테나가 나쁜 안테나라는 말은 아닙니다. 왜냐하면 각각의 위치환경에 따라서 그 평가 요소가 달라 질수도 있습니다. 일예로 야기 안테나가 GP안테나보다 성능이 떨어질수도 있습니다. 이상하지요? 이것에 대한 이유는 햄을 하시면서 서서히 터득할 것입니다.
예를 들어 라운드교신 (2사람 이상과 교신하는 것을 말합니다.) 을 할 경우 야기안테나나 쿼드 안테나 같은 빔 안테나는 한쪽 방향 으로만 전파를 송신하므로 불편할 뿐 아니라 교신이 불가능 할 수도 있습니다.
하지만 GP 는 무 지향성 이므로 그러한 걱정은 없지만 DX 를 할 때에는 달라집니다. 먼거리의 국과 교신을 해야하기 때문에 이득이 떨어지는 GP로는 무리가 있습니다.
이처럼 안테나의 선택은 주파수대에 따라 , 위치에 따라, 환경에 따라 달라집니다. 각각 특징이 있으므로 상황을 고려하여 선택할 문제입니다.
참고로, 우리나라에서는 빔 안테나로 아무래도 제작상의 문제점으로 Quad보다는 야기안테나가 더 많이 사용되고 있습니다.
매칭에 관하여!
매칭이란 안테나의 임피던스와 급전케이블간 의 임피던스가 다르므로 이를 같게 (정합) 하는 일을 말합니다.
매칭을 하지 않을 경우 동축케이블과 안테나 사이의 임피던스의 미스매칭에 의하여 효율이 저하되고 TVI 가 발생되기도 하며 가장 중요한 것은 SWR (정재파비) 가 높아져서 리그에 무리가 오고 심하면 리그가 파손되기도 합니다.
안테나에 있어서 매칭은 필수적이며 매우 중요한 것 입니다.
하지만 너무 매칭을 중시하다가 안테나를 만드는 이유인 성능을 무시하는 경향이 생기는데 , 이도 고려해야 할 문제 입니다.
일반적으로 안테나의 SWR 값은 1.2 정도면 충분히 좋은값이라 할 수 있습니다.
매칭의 종류 : T매칭 , 감마매칭 , 오메가 매칭 , 헤어핀 매칭 ,케퍼시 턴스 매칭 , 바룬을 사용한 매칭
T 매칭 : 폴디드 다이폴 (TV 안테나의 복사기 부분) 을 변형한 것으로 감마 매칭을 양쪽에 쓴 것과 같은 모양이다.
감마매칭 : 가장 많이 사용되는 매칭 법이다. 복사기에 감마로드를 쇼트바로 평행으로 연결 한 후에 바리콘을 케이블의 심선과 감마로드 사이에 삽입하고 심선을 붐대에 접속한다. 바리콘을 조절함으로써 SWR 값을 조절 할 수 있다.
오메가 매칭 : 감마매칭 에 감마로드와 붐대 사이에 바리콘을 연결하여 실드선과 같이 접속한 방법이다. 이 바리콘 조정하면 쇼트바를 조정한것 처럼 된다.
헤어핀 매칭 : 복사기가 중간에 절단되어서 2개로 되어 있고 각각 바룬의 출력이 접속 되어 있고 바룬의 입력 부분에는 리그의 케이블이 연결되어 있다. 바룬의 출력과 복사기의 연결부분에는 헤어핀 모양의 도체가 접속되어 있다. 인덕턴스 매치라고도 불린다.
캐퍼시턴스 매칭 : 안테나의 외부에 콘덴서를 부가함으로써 병렬 공진회 로를 구성한 매칭법입니다.
바룬을 사용한 매칭 : 바룬이란 Balancing Unit 의 머릿 글자를 딴 말입 니다. 바룬은 케이블의 임피던스 특성을 이용해 만들기도 하며 사서 쓰기도 합니다.
안테나의 매칭은 매우 복잡하고 어려운 분야 입니다. 대충 어떤것이라는 것 밖에 알려드릴 수 없음 을 양해바랍니다. 자세히 이해하실려면 한번 실제로 보십시오. 그리고 공진회로 등을 이해하셔야 합니다.
안테나에 관한 참고서적으로 명지출판사에서 나온 '안테나 핸드북'이 있으니 꼭 필독하기 바랍니다.
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