안테나를 만들어봅시다(HL2SCJ)

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안테나를 만들어봅시다(HL2SCJ)

운산 최의상 2016. 1. 8. 18:58

안테나 를 만들어봅시다

글쓴이 : HL2SCJ 날짜 : 2015-08-20 (목) 19:25 조회 : 1708 

 

 제목.hwp (16.5K), Down : 31, 2015-08-20 19:27:56

 제목 안테나를 만들어봅시다..pdf (41.9K), Down : 29, 2015-08-20 19:25:58

 단축안테나의 제작.pdf (45.7K), Down : 31, 2015-08-21 00:05:49

제목: 안테나를 만들어 봅시다.

(1)...통신을 취미로 하는 아마추어무선 업무상,
자작안테나는 선택이 되기도 하고 필수가 되기도 합니다.
한 두어 번쯤은 어느 밴드에서 사용했던 자작해 보신 경험이 있겠지요.
이때 안테나를 제작하는 참고용 도서를 살펴보셨으리라 생각됩니다.

안테나 공학, 또는 안테나핸드북, 무선통신일반, 기타 관련된 도서를
또한, 요즘은 인터넷을 이용해서도 많은 자료를 입수할 수 있습니다.
이렇게 많은 자료 속에서, 왜 또 안테나를 이야기 하냐고요?

저 역시 오랜 기간 안테나를 자작운용하고 있지만 뭔가 부족하다고
느낄 때 가 자주 있었습니다.

1, 안테나를 측정할 때, 출력의 차이가 있으면 왜 Vswr 이 달라질까?
2. 단축안테나를 만들다 보면, 단축용 코일에서 왜 발열 소모가 생길까?
3. 역시 급전부용 매칭코일 에서는 왜 발열 소모가 생길까?
4. 심지어 안테나 소자에서는 왜 발열이 일어날까?

이 외에도 많은 의문을 갖고 있습니다.
위 의문점을 한가지 씩 문제를 풀어보기로 하지요.

*우선 다이폴 안테나를 예로 들겠습니다.

[*다이폴 안테나*]

(2)...다이폴 은 균형을 주 무기로 동작하는 안테나입니다.

사용파장 절반으로 선정한 그야말로 [반 파장] 안테나입니다.
정밀하게 계산하면 길이를 약간 줄여야 리액턴스 밸런스가 자연스럽게
맞는다고, 그래서 몇% 단축을 해야 된답니다.

그뿐만이 아닙니다. 안테나 도선을 공간에 설치하는데 역시 또 밸런스가
발목을 잡습니다. 좌측도선과 우측도선의 완벽한 균형이 어디 쉽습니까?

결국은 일단 설치한 후, 멀리 떨어져서 자세히 바라다봅니다.
양쪽 도선에 영향을 줄 수 있는 시설물 또는 가로수 지상높이 등을 비교
하여 영향을 많이 받는 쪽의 도선 길이를 조절 하는 방법입니다.

(조절방법)

다이폴안테나의 조절은 절단이 최고야!
물론 완벽하게 계산된 후에는 절단해야겠지요.

하지만 안테나용 도선을 준비할 때 이미 반 파장 계산이 끝났잖아요.
무작정 절단을 시작하면, 이쪽한번 저쪽한번 반복하다보면 소재는 토막
으로 변하고, 다시 연결 하던가 아니면 새 소재로 대치하게 됩니다.

이때에는 안테나로 동작되는 직선부분의 길이를 가감하고 나머지는
직선부분에다 겹쳐 감으시기 바랍니다.
이렇게 반복해서 조절하며 원하는 주파수에서 충분한 swr과 대역폭을
확보하시기 바랍니다.

반 파장으로 계산해서 준비한 도선을 절단만으로 swr을 맞춰가면
원하는 대역폭을 잃기가 쉽습니다.

외국의 경우를 보면 7MHz대의 300kHz 대역폭을 도선 1개로 설치,
훌륭하게 운용하는 것을 살펴볼 수도 있습니다.

(3)...길이를 조절해서 swr과 대역폭을 확인 했습니다.

이 과정에서 다음과 같은 의문이 드십니까?

1. 안테나를 측정할 때, 출력의 차이가 있으면 왜 Vswr 이 달라질까?

안테나 조정 시에 사용되는 여러 계측기 중에서 소 출력 측정치와
대 출력 측정치가 다른 것을 경험하게 되는데, 과연 측정기 특성일까?
물론 여기에도 이유는 있습니다. 출력에 따른 직선성이 달라진다나요.

하지만 커다란 이유는 다른 곳에 있었습니다.

작은 전류를 흘려서 측정할 때와, 커다란 전류를 흘려서 측정할 때에
도선에서 나타나는 현상이 차이가 있기 때문입니다.

이 현상이 [표피효과] 로 나타나는 결과입니다.

예: 직경 2mm 나동선 을사용 했을 때, 단면적은 3.14mm^2

직류에서, 단선으로 22.2A. 꼬임선 에서 11.1A [3.53A/mm^2]

이렇게 많은 전류를 통과 시키지만, 고주파는 [2.80A/mm^2] 적용

1.8MHz= [0.056]mm[0.355mm^2*2.8]=[0.99A]
3.5      [0.040] [0.251] [0.70A]
7.0      [0.028] [0.175] [0.49A]
10.      [0.024] [0.150] [0.42A]
14.      [0.020] [0.125] [0.35A]
21.      [0.016] [0.100] [0.28A]
28.      [0.014] [0.087] [0.24A]
50.      [0.010] [0.062] [0.17A]
144.    [0.006] [0.037] [0.10A]
430.    [0.003] [0.018] [0.05A]
1200 . [0.002] [0.012] [0.03A]

고주파전류가 통과 시에는, 아래와 같은 단면적 이용 결과가 됩니다.

1.8MHz=11% 전류대비=[0.99/11.1=8.9%]
3.5    [7]    [6.3%]
7.0    [5]    [4.4%]
10.    [4]    [3.7%]
21.    [3.1] [2.5%]
28.    [2.7] [2.1%]
50.    [1.9] [1.5%]

(4)...결국 작은 전류를 통과시킬 수 있는 도선에다, 강제로 대 전류를

공급하니 거짓말 할 줄 모르는 측정기를 원망하는 결과가 되겠지요.

전류의 자승과 부하임피던스는 출력을 결정하게 된다고요.

50옴 안테나, 7MHz에서 0.49^2*50= [12W] 유효전력

직경 2.0 동선 을 사용해서 안테나를 구성 했을 때는

유효전력 12W 이상은 저항체 발열로 보게 될 것 입니다.

이 12W는 전신으로는 12W 이지만,

ssb 로는 약70W 출력으로 환산할 수 있습니다.

보다 많은 출력을 필요로 하는 무선국은 전선의 표면적을 넓힐 수 있는
효과적인 소재를 사용하는 것이 좋을 것 입니다.

(5)... 단축안테나의 제작

다이폴 안테나를 설치하면서 설치장소의 부족으로 애쓰는 동호인들을
자주 대하게 됩니다. 차선책으로 결국 단축안테나를 선택하게 됩니다.

하지만 단축안테나를 설치하고 나면, 비 단축안테나에 비해서 월등한
차이를 실감할 수밖에 없습니다.

무엇이 이런 큰 결과를 만들어 낼까요.
공간에서 차지하는 영역이 줄어드는 것을 감안하더라도 너무 큰 차이가
이해되지 않는 것이 이상할까요.

이 원인을 살펴보기로 합니다.

안테나를 단축하는 비율에 의해서 임피던스가 낮아집니다.

그렇다면 공급전류는 증가되어야겠지요.

50% 단축안테나는 √2배의 전류가 필요합니다.

50W 출력 에는 1A 의 전류를 공급할 준비가 필요했지만,

이제 설비를 √2A 로 증가시킬 수단이 필요합니다.

전류증가는 전압을 조정하는 트랜스로 해결합니다.

이 트랜스가 급전 부 매칭트랜스가 됩니다.

직경2mm의 동선 으로 매칭트랜스를 만들면 0.49A, 많이 부족합니다.

유효전류√2A를 공급하려면, 0.06*100가닥 의 [리츠선] 이나

단선이라면 직경 9mm가 넘고,

동 파이프를 이용한다면, 표면적 0.5mm^2, 약 직경 5mm 이상 필요.

단축안테나의 신호가 왜 약하게 느껴지는지 알 것 같지 않습니까.

밸런 이나 임피던스 매칭트랜스, 또한 단축코일에도 증강된 고주파전류를

통과 시킬 수 있는 수단이 필요합니다.


(6)...  차량용 안테나의 제작

전편 (5)에서 50% 단축한 다이폴안테나의 공급전류는 √2배로 증가되어

설비를 증강하는 이유를 살펴봤습니다.

이번에는 단축비가 더 커진 차량용 안테나를 살펴보기로 하겠습니다.

차량용 안테나의 길이는 일반적으로 3m 미만입니다.

심하게 단축된 것은 1m 미만인 것도 보입니다.
 
기준을 7MHz, 길이는 2.5m 로 하고, 단축 비는 [0.125] 약 1/8입니다.

이제 임피던스는 73/8=9.1옴 넉넉하게 봐줘도 10옴 쯤.

이 안테나에 흘려야할 전류는 √5(2.236)배로 증가 시켜야 되겠지요.

50% 단축안테나에서 전류증가분에 해당하는 설비를 보강하기 위해서

우리는 파이프, 리츠선, 또는 직경이 커진 도선을 생각했습니다.

이 안테나에 사용되는 전류를 통과시킬 도선은 더욱더 주의가 필요.

*지난번 게시했던 [단파용 안테나 전선의 규격표]를 참고합니다.*

(리츠선 0.05*300가닥 전류용량 2.52A 전력용량 317W)

(리츠선 0.08*120가닥 전류용량 2.42A 전력용량 292W)

(리츠선 0.10*100가닥 전류용량 2.50A 전력용량 312W)

(파이프 직경9.0 mm  전류용량 2.8A 전력용량 392W)

50W를 송신하려면 거의 300W 설비를 준비해야 되는군요.

이 안테나의 모든 전선은 상상을 초월하는 활동을 보이는군요.

제대로 동작하는 안테나를 만들기에는 많은 준비가 필요합니다.

지금까지 차량용 단축안테나를 구성하는 내용을 알아봤습니다.
 
만약 100W 송신출력을 준비한다면, 사용되는 도선의 전류용량은

*√10 (3.36)A*

(리츠선 0.06*360가닥).(리츠선 0.08*250가닥).(파이프 직경 10mm)

(7)... 도선의 가공

새로운 느낌이 들 수도 있겠지만, 리츠선 은 제 역할을 하고 있었지요.
표준방송 수신안테나 에 사용 하는 바 안테나 코일입니다.
몇 가닥 되지도 않지만 땜질하려면 잘 안되던 기억이 대부분일겁니다.

이 리츠선 의 가공방법 을 소개합니다.

1.리츠선 의 선단을 칼로 긁는다.
2.샌드페이퍼로 선단 가공한다.
3.약품처리를 한다. 여기까지는 납땜 전처리 과정 입니다.
4.고온 압접을 한다. [동이 녹는 온도까지 가열하면서 압접]

이제 아마추어 방식 입니다.

5.선단 처리가 완료된 재료를 구매한다. [기성품으로 납이 입혀져 있음]
6.전처리 과정 없이 직접 납땜을 한다.

*이 과정을 소개합니다.*

리츠선 은 단선절연코팅 된 수십 가닥이상의 꼬임전선입니다.

1가닥 전선을 펼쳐보면 내압규격에 맞도록 우수한 코팅이 되어있습니다.

메가로 절연측정 해봐도 아무 이상이 없는데, 여기다 납땜 한다고 가공,

이 방법은 도선을 손상시키는 결과로 나타나게 됩니다.

그럼 어떻게 하면 손상 없이 또 전처리 없이 가공할 수 있는가.

제가 가공했던 0.08*1000 가닥 전선은 외경이 약6mm 쯤 됩니다.

주변에서 흔히 볼 수 있는 포장용 철사가 있습니다. 아주 부드럽지요.

외피를 벗기고 철사를 꺼내서 리츠선 중간을 몇 바퀴 묶어줍니다.

이렇게 하면 리츠선을 절단하기도 쉽고 절단면이 한눈에 보입니다.

절단면을 위로 향하게 고정하고 인두로 가열하면서 납을 녹여주십시오.

선단에서 5~6mm정도 깊이까지 납이 흘러들어가는 것을 확인.

적절히 식힌 후 철사를 풀고, 단자에 밀어 넣은 후 납땜. 이상!


(8)...  안테나의 도선은 어떤 것을 선택해야할까

몇 번에 걸쳐 안테나 소재에 대한 이야기를 펼쳤습니다.

이제 결론을 내릴 때 가 되었다는 생각이 듭니다.

출력에 따라, 임피던스에 맞는, 전류를 충분하게 공급할 수 있는 능력이

확보된 소재를 사용하면 됩니다.

만약 사용 중인 소재가 부족 하다면, 교체가 아닌 증가하시면 됩니다.

이번에는 안테나 실물을 예로 들겠습니다.

[1] 휩 안테나 중 오토튜너와 함께 운용되는 AH2b입니다

이 소재는 스텐레스 재질로 위로 갈수록 가늘어지는 2.5m 휩구조.

[2] 다음은 군용안테나로 비슷한 길이와 비율로 2.5m 파이프 휩 구조

이 두 소재의 구조를 계산하면 결론이 나지 않겠습니까.

밑둥치 비교:
a:직경 6mm.
b:직경 20mm. 내경 16mm. 두께 2mm [강화프라스틱]추정

저항 비교:
a: 스텐레스...동의 40배
b: 동파이프...1.69 *10^-8........[저항*m]

표면적 비교:
a:  [ 6*3.14*0.02]=[0.37㎟]
b:  [16*3.14*0.02*2]=[2㎟]...... 파이프 (외경+내경)


위 표면적 비교 결과, [0.37:2] = 5.4

통과전류비:
a:  [0.37*2.8A]=1.0A
b:  [2*2.8A]=5.6A

전력비:
a:  [10W]
B:  [313W].........*기준[2.236A=50W]*

위 전력비교 결과, [10:300] =[30]

스텐레스, 동, 차이 40배를 계산치 않은 상태에서도 위의 결과입니다.



 * 동파이프 기준*              *리츠선*                                * 파이프 표면적계산*

직경25mm 파이프 [약8.8A]  리츠선 0.05mm1000가닥[8.4A]  [25*3.14*0.02*2.8*2]
직경20mm 파이프 [약7.0A]  리츠선 0.06mm 500가닥[7.5A]----외경[2mm] 
직경15mm 파이프 [약5.2A]  리츠선 0.08mm 250가닥[5A]------외경[1.7mm]
직경12mm 파이프 [약4.2A]  리츠선 0.08mm 200가닥[4A]
직경10mm 파이프 [약3.5A]  리츠선 0.08mm 180가닥[3.6A]
직경08mm 파이프 [약2.8A]  리츠선 0.08mm 140가닥[2.8A]
직경06mm 파이프 [약2.1A]  리츠선 0.08mm 100가닥[2.0A]
직경05mm 파이프 [약1.7A]  리츠선 0.08mm  90 가닥[1.8A]
직경03mm 파이프 [약1.0A]  리츠선 0.08mm  50 가닥[1.0A]


(9)... 멀티밴드 안테나

모두가 꿈에 그리는 한줄 멀티밴드 안테나에 대한 생각입니다.

물론 오토튜너가 달린 롱 와이어 안테나, 또는 멀티밴드 다이폴도 한줄 안테나지만
밴드마다 트랩을 달아야하는 복잡함과 더불어 단축효과에 의한 손해를 감수합니다.


최신 안테나 설계에서 볼 수 있는 엘레멘트 길이를 조정하는 방법은 자작안테나 설계
방법으로 오래전 구상했었던 계획인데 먼 나라에서 실현되었습니다.
새롭게 소개 하는 것 도 따지고 보면, 오래전부터 구상 한 것입니다.


얼마 전쯤 고주파 전류에 의한 표피효과를 소개하면서 리츠 선 을 소개했습니다.
같은 굵기의 단선보다 표면적이 넓어서 효과를 기대할 수 있다고 했지요.


같은 맥락에서 발전시켜보면, 다음의 구상이 실현될 수 있지 않을까요.
같은 굵기의 리츠선 은 주파수에 따라서 최대전류가 각각 다를 수 있습니다.


출력에 따라 설계하는 방법과, 만들어 놓은 규격에 맞춰 사용할 수가 있지요.
기본설계에서 사용하는 소재는 0.08mm 리츠 선입니다.


1) 출력: 200W. 주파수: 3.5MHz~28MHz. 안테나 형식: 다이폴


(주파수) (표피효과) (전류) (가닥수) (단선표면적) (표면적)
3.5MHz  0.0426      2.8A    100        0.01            1.00
7.0MHz  0.0287      2.0A    100        0.007          0.72
10.MHz  0.0240      2.0A    120        0.006          0.72
14.MHz  0.0203      2.1A    150        0.005          0.75
21.MHz  0.0166      2.0A    180        0.004          0.72
28.MHz  0.0144      2.0A    200        0.0036          0.72


위 계산표에서 850 가닥을 얻었습니다.
넉넉히 1000가닥으로 설계하며,


28=[200], 21=[200], 14=[150], 10=[150], 7=[150], 3.5=[150]


질긴 낚시 줄을 이용하여 모두 한꺼번에 매달고 외피를 씌운다면
한줄 멀티밴드 와이어 안테나가 태어나지 않겠습니까?

2) 도선길이: 각주파수 반 파장 길이. (합계: 102.39m). (단축적용: 97.27m)


(주파수) (길이) (단축 적용) (가닥수)
3.5MHz  42.8m [40.66]      150 [300/3.5/2]*0.95= 40.66
7.0MHz  21.4m [20.33]      150
10.MHz  15.0m [14.25]      150
14.MHz  10.7m [10.16]      150
21.MHz  7.14m [06.78]      200
28.MHz  5.35m [05.08]      200


제작:3.5~10MHz=150가닥, 14~28MHz=200가닥.


150가닥 80m
200가닥 22m

3) 급전 부 *매칭트랜스 설계*  [0.08mm 리츠선]  [2A=200가닥]  [28MHz 기준]

1:1    입력전류 2A.  출력전류  2.A---------------------200가닥
1:1.5  입력전류 2A.  출력전류  √1.5*2=-2.45A ----------250
1:2    입력전류 2A.  출력전류 √2*2=---2.82A-----------300
1:3    입력전류 2A.  출력전류 √3*2=---3.46A-----------350
1:4    입력전류 2A.  출력전류 √4*2=---4.0A------------400

임피던스비는 방사저항, [50] [37.5] [25] [16.6] [12.5]옴 적용.

3)  *매칭트랜스 설계 전류*  [0.08mm 리츠선] [2A=200가닥]  [28MHz 기준]

1:1    입력전류 2A.  출력전류  2.A-----------200 [50옴]방사저항
1:1.5  입력전류 2A.  출력전류  √1.5*2=-2.45A 250 [37.5]
1:2    입력전류 2A.  출력전류 √2*2=---2.82A-300 [25.0]
1:3    입력전류 2A.  출력전류 √3*2=---3.46A-350 [16.6]
1:4    입력전류 2A.  출력전류 √4*2=---4.0A--400 [12.5]

4)  *매칭트랜스 설계 전압* 

1:1  입력전압 100V.  출력전압  100V
1:1.5 입력전압100V.  출력전압  91.8V
1:2  입력전압  100V.  출력전압  70.5V
1:3  입력전압  100V.  출력전압  57.4V
1:4  입력전압  100V.  출력전압  50V

1:1.5  75옴  1.63A.--122V
1:2  100.옴  1.41A.--141V
1:3  150.옴  1.15A.--173V
1:4  200.옴  1.00A.--200V

*200W 입력*

비율  임피던스Ω 입력전류 A 입력전압 V 출력전류 A  출력전압 V
1:5---10-------- 2--------- 100------- 4.47-------- 44.7
1:4-- 12.5------ 2--------- 100------- 4----------- 50
1:3-- 16.6------ 2--------- 100------- 3.46-------- 57.4
1:2-- 25-------- 2--------- 100------- 2.82-------- 70.5
1:1.5-37.5------ 2--------- 100------- 2.45-------- 91.8
1:1-- 50-------- 2--------- 100------- 2----------- 100
1:1.5-75-------- 2--------- 100------- 1.63-------- 122
1:2-- 100------- 2--------- 100------- 1.41-------- 141
1:3-- 150------- 2--------- 100------- 1.15-------- 173
1:4-- 200------- 2--------- 100 -------1----------- 200
1:5-- 250------- 2--------- 100--------0.89---------224

            *입력전류 2A = 0.08 200가닥*
비율, 임피던스, 출력전류,출력전압, 가닥수 
 1:5  10------  4.47---  44.7----  450
 1:4  12.5----  4------  50------  400
 1:3  16.6---  3.46 --- 57.4----  350
 1:2  25------  2.82---  70.5----  300
 1:5  37.5----  2.45---  91.8 ---- 250
 1:1  50------  2 ------ 100-----  200
 1:1.5  75----  1.63---  122 ----- 180
 1:2  100-----  1.41---  141-----  150
 1:3  150-----  1.15---  173-----  120
 1:4  200-----  1------  200-----  100
 1:5  250-----  0.89---  224 ----- 90
 1:6  300-----  0.82---  246------ 85
 1:9  450-----  0.66---  297------ 70

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