월요일, 5월 21, 2018
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MONOPOLE 안테나 만들기 #1, 기초학습

글쓴이 : SOONDORI

UHF(424/447MHz) 안테나를 만들기 위해서 지난 몇 년 동안 짬짬이 학습했던 내용들을 기억해내고 몇 가지 자료를 추가해서 순차적으로 정리. 이 내용들은 FM 안테나에 그대로 적용될 수 있다.

가. 안테나 길이

전파는 빛의 속도로 날아간다. 빛의 속도는 30만km/초라고 약칭되어 있지만 실은 299,792,458m라고 하네. 여기에 진공이 아닌 도체를 통과할 때는 전파이동속도가 늦어져서 5%정도 감소가 일어난다고 한다. (대단하셔. 누가 그런 것까지 측정을 했담?)

그러면 파장(λ, 람다)는…
파장 = (299,792,458 ÷ 목표주파수) × 0.95(Velocity Factor)이고 예를 들어,

1) 424Mhz의 경우는 299792458/424000000*0.95 = 0.671704m ≒ 67.17cm
2) 427Mhz의 경우는 299792458/427000000*0.95 = 0.666985m ≒ 66.70cm
3) 참고로 98Mhz(국내방송의 딱 절반)은 299792458/98000000*0.95 = 2.9062m
    어휴~ 3m에 근접한 안테나를 거실에서? 불가능하므로… 절반 파장의 1.4531m를 주로.

대략 66~67cm짜리 봉이 하나 있으면 UHF 전파장 안테나가 되겠다. 그런데 안테나가 땅에 연결되어 있다고 하면 Ground Effect라는 것이 생기고 그것 때문에 길이를 한 단계 더 낮추어도 된다고 한다. 예를 들어, 67.17을 30여cm로, 1.453m를 약 70센티 수준으로. 이것은 반드시가 아니라 지면, 가상의 안테나, 반사전파 등의 역학작용이 보상하니까 사정이 된다면 더 짧게 해도 된다는 의미로 이해하는 것이 맞다.

[ 관련문서 ]
안테나와 Ground Effect.pdf
http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/AN853.pdf

 안테나 길이의 측정기준은? 회로 GND와 단자가 선으로 연결되었다고 하면 그 단자의 끝부분에서 안테나 봉의 끝부분까지가 유효한 안테나 길이이다. 왜냐하면 GND에서 출발하여 같은 전위로 Shield된 부분들은 전파를 방사할 수도, 수신할 수도 없기 때문이다. 아래 매그넘 FM 안테나의 사례를 참조.

(Magnum DynaLAB FM 안테나. 길이가 58인치이다. 147.32센티미터=1.47m
그러니까 이 안테나는 1/2파장 Mono-Pole 안테나)

나. SWR(Standing Wave Ratio) 또는 VWSR(Voltage Standing Wave Ratio)

흔히 ‘정제파(Standing Wave)비율’이라고 한다. 전파가 날아와서 수신장치 Front-End 안에 모두 쏙~! 들어가지않고 일부는 되돌아간다. 송신할 때도 마찬가지. 즉, 100%가 오고 100%가 날아가는 것이 아니라 안테나 도체 내에서 전파반사가 생긴다. 그리고는 어떤 순간에 날아오는 놈과 돌아가는 놈 사이의 파동겹침(Standing Wave)도 만들어지는데 이러면 전파 송/수신에 관련된 방어막이 쳐지는 셈이라 제대로 송/수신을 할 수가 없다. 만일 모든 전파를 100% 받아들인다면 1) 되돌림도 없고 2) 그래서 정제파도 없다. 그때의 SWR을 1.0:1로 정의.

[ 참조문서 ]
SWR에 대한 친절한 설명 – q1106037.pdf

When you key the transmitter, it develops a radio frequency (RF) voltage on the transmission line input. The voltage travels down the feed line to the antenna at the other end and is called the forward wave. In some cases, part of the voltage is reflected at the antenna and propagates back down the line in the reverse direction toward the transmitter, much like a voice echoing off a distant cliff. SWR is a measure of what is happening to the forward and reverse voltage waveforms and how they compare in size. 


(2.0:1이면 33%가 반사되어 돌아간다는 것.
2.0 대 1의 경우는 케이블 임피던스 50오움일 때 안테나 임피던스가 100오움이라는 뜻.
이 임피던스는 C, R 등 갖가지 변수에 의해 실측되어야 하는데 직관적으로는 안테나 봉의 전도도에 따라 크게 달라진다.)

(안테나 삽입손실 -3dB에 SWR이 2인 경우, SWR에 의한 저감특성은 – 0.37정도. 그러므로 토탈 -3.37dB?
10mW RF 공칭출력을 기준으로, 56.16% 이상 에너지가 사라져버리니 유효출력은 5.617mW.
기성품을 사려면 Insertion Loss와 SWR 스펙을 잘 살펴봐야한다.)

(Smith Chart, 저항, 코일, 콘덴서 등 성분을 가지고 임피던스, SWR 등을 쉽게 확인할 수 있는 도구
별도 공개 프로그램이 있어서 몇 가지 변수를 넣어주면 간단히 끝난다.)

SWR의 현실적인 수치 해석은? 어떤 전문가의 간명한 품질등급 분류를 참고. (출처 : http://www.rightchannelradios.com/blogs/installation-guides/18542155-interpreting-swr-meter-readings)

SWR RANGE EXPLANATIONS

SWR 1.0-1.5: The ideal range! If your SWR is under 1.5, you’re in great shape. If you’re at 1.5 and really, really want to drop down to closer to 1 it’s likely possible to do with addition tuning, different equipment or a different mounting location. But the drop from 1.5 to 1.0 won’t make a substantial increase in performance. It’s not nearly as noticeable as, say, going from 2.0 down to 1.5.

SWR 1.5 – 1.9: There’s room for improvement, but SWR in this range should still provide adequate performance. Occasionally, due to installations or vehicle variables, it’s impossible to get SWR lower than than this. You should try to get it lower, but performance should still be acceptable in this range.

If you’ve tuned the antenna, SWR in this range is likely an issue of a less-than-ideal mounting location for your vehicle and/or an antenna that isn’t ideal for the mounting location. To troubleshoot, see this article on problematic CB antenna mounting locations.

SWR 2.0 – 2.4: While not good, this likely won’t damage your radio with casual use. However, you should definitely try to improve it if you can. SWR in this range is usually caused by a poor antenna mounting location and/or a poor choice of equipment for your specific vehicle. To troubleshoot, you’ll likely need to move the mounting location and/or use a more suitable antenna.

Again, it’s by no means a good tuning job, but will function if you’ve exhausted all other troubleshooting possibilities.

SWR 2.5 – 2.9: Performance in this range will be noticeably decreased, and you might even damage your radio if you transmit frequently and for extended periods. We advise you not to operate your radio in this range.

SWR in this range is usually caused by a poor mounting location and/or a poor choice of equipment for your specific vehicle. To troubleshoot, you’ll likely need to move the mounting location and/or use a more suitable antenna.

SWR 3.0+: Performance will be severely affected, and you’re likely to damage your radio with extended transmission use. You SHOULD NOT transmit with your CB at SWR levels above 3.0.  If your SWR needle swings all the way to the right (off the charts) when getting your 3.0+ readings, you almost certainly have a major installation problem.

This is almost always the result of a poor ground or incorrectly assembled stud, but on rare occasions can indicate a faulty coax, antenna, or incorrectly attached SWR meter. To troubleshoot, please see our guide to Troubleshooting High SWR Readings.

(가장 대표적인 다이아몬드사의 SWR미터, 해외에서 약 100달러)

(내부 작동원리 : TX~ANT 사이에 코일로 구성된 커플러를 놔두고
다이오드의 방향성에 의해 좌측으로 가는(되돌림), 우측으로 가는(방사)
Γ=V_rev / V_fwd
VSWR = (1+Γ) / (1-Γ)

다. Power Gain(게인)

흔히 “안테나 게인은 얼마예요?”라고 한다. 공간 중심에 안테나가 있고 수직면에서 볼 때 원형 파동모양으로 전파가 날라간다고 할 때의 Power Gain은 0dB. 즉, “없다”. 있는 그대로 Ideal하게 에너지가 전달되어야 하는데 여러가지 사유로 방향성이 생기고 특정 방향으로 조금 더 강하게 날아가며 그것을 측정한 후 원형방사(Isotopic)에 대비되는 상대적 이득을 계산한다. 예를 들어 게인이 두 배면 한쪽으로 두 배 더 길어진 것. 단, 총 에너지량은 동일함. 단위는 dB에 Isotopic의 약어를 결합하여 dBi로 한다. 시중 제품의 Gain은 2.0dBi정도.

(출처 : http://www.sharetechnote.com/image/Antenna_Gain_Concept.PNG)

왜 편향성, 방향성이 생기는가? 사용하는 안테나가 완벽한 구체형 안테나가 아니고 막대기를 자르고 무엇을 붙이고 그렇게 만들어진 것이니까 그렇다. 이상과 현실이 다르므로 가상의 안테나와는 다른 어떤 특성이 생기는 것이다. 예를 들어 다음과 같다.

(출처 : http://www.vonwentzel.net/ABS/Antenna/Omni/ABSCoverage.gif)

이쯤에서 1/4파장 UHF 상용품 안테나(6천 원)를 살펴보면…

(전파장 67.17cm를 반으로 나누면 33.6cm, 다시 반으로 나누면 16.8cm, 그것을 또다시 반으로… 8.4cm
그러니까 이 녀석의 본질은 1/8파장이다? 그렇지 안다.

이것은 Di-pole 안테나로서 안에 안테나가 두 조각 들어있다. 즉, 1/4파장.
또한 Helical Coil이 들어가 있어서 L과 C를 보정하면서 이론치보다 짧아진 길이를 보상하고 있을 것)

(Gain 0.5는 그냥 그렇다쳐도 VSWR이 1.9로 별로 좋지않다.
SMA 콘넥터를 포함하는 선로 내 삽입손실은 표기되어 있지않다.)

라. 알아두면 좋은 변수들

프레넬-존(Fresnel Zone, 일종의 납작 구형체 모양의 전파전달영역, 물리학자인 Augustin-Jean Fresnel의 이론)이라는 것이 있다. 이 준칙에 따르면 안테나들은 우리 눈에 보이는 것보다 휠씬 더 많은 공간을 필요로 한다. 요지는 안테나는 적정한 높이 이상의 공간에 설치되어야 한다는 것. 현실은 절대 그렇지 못하므로 항상 위치와 높이에 제약이 있고 그리하여 무조건 나빠지는 안테나 감도와 타협을 해야 한다.

(출처 및 관련 사이트 : http://www.cdt21.com/resources/siryo8.asp)

(출처  : http://www.murata.com/en-eu/products/emc/emifil/knowhow/basic/chapter04-p2)

통신선로가 제대로 신호(에너지)를 전달하는 지를 제시하는 항목인 산란계수(Scattering Parameter)는 안테나에 있어 다음과 같은 파형을 갖는다. 밑으로 떨어지는 부분이 방사에너지가 자유공간으로 나간 후의 결과. 이 DIP이 아래쪽으로 클 수록 좋다. 참고로 이 산란계수는 안테나에만 국한되는 용어가 아니며 신호경로분석에 자주 사용된다. 흔히 S11이라고 표기. 여기서 앞쪽 1은 입력, 뒤쪽 1은 출력을 의미하는데 안테나는 입력 1개(장치에 연결된 동축케이블 경로)에 출력 1개(안테나 봉)짜리 신호경로다. 측정은 어찌하는가? Network Analayzer라는 고가장비가 있어야 한다.

(최고의 통신전문회사 rohde & schwarz사의 제품)

(다음 편에서 계속)

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