월요일, 7월 23, 2018
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MONOPOLE 안테나 만들기 #3, 조립과 재단

글쓴이 : SOONDORI

엘리먼트 재료인 알루미늄 봉(창호자재를 파는 곳에서 입수할 수있다) 몇 미터를 확보했고 접속재(RF 콘넥터를 파는 상점 또는 인터넷 쇼핑몰 이용)까지 구입했다면 이제 두 개를 연결하고 재단해야 한다.

준비물을 다시 살펴보자면 다음과 같다.
1) 안테나 봉 1.2~1.5m.
2) 2액형 에폭시. 플라스틱 재질의 섞는 판이 필요함. 섞고 바르는 도구가 필요함. 섞는 판은 포장껍데기, 도구는 립-타이를 씀.
3) BNC 콘넥터 어셈블리(암/수)
4) 드릴날 2mm 1개
5) 작은 볼트 1개. 드릴 날 직경고려하여 약간 크되 안테나 봉의 직경보다는 작은 것으로 준비.
6) Shrinkable Tube 약간. 빨간색 튜브를 좀 길게 잘 잘라서 멋을 내는 용도로 쓰는 것이 좋다.
7) 연선 몇 가닥. 나사와의 접촉을 고려할 때 단심선보다는 연심선(작은 선이 여러가닥있는 것)이 좋다.
8) 납땜도구와 핀셋, 전동드릴

1.  조립

드릴날을 이용해서 안테나봉의 한쪽 끝에 0.5cm쯤 깊이의 구멍을 뚫어준다. 미리 작은 구멍을 가공하는 것은 인두로 알루미늄을 땜질 할 수 없기 때문인데 이 나사를 삽입하고 와이어를 그 나사에 연결하기 위함이다. 땜질이 가능하도록 나사면을 사포로 문질러준다. 알루미늄의 열 전도율이 높기 때문에 충분히 달군 후 땜질해야 한다. 작업이 끝나면 다른 끝을 접속재 중심의 PIN에 연결하고 살짝 땜질한다.

이와 같이 배선을 하고 나면 접속재를 결합하고 접속재와 안테나봉이 물리적으로 접촉하지않도록 2액형 에폭시를 틈새에 주입하는데 주입하기 전 테스터로 안테나봉과 접속재 외피의 저항값이 무한대인지를 반드시 확인해야 한다. 절대 단락(0오움)이 되면 안된다.

(안테나 봉 → 나사  → 배선용 와이어 → PIN이 결합되고 접속재가 결합된 상태에서 에폭시 주입까지 완료된 장면)

2. 재단

에폭시가 다 굳으면 다음의 기준과 절차에 따라  안테나 봉을 절단한다. 봉의 끝은 직각방향으로 깨끗하게 절단, 마감되는 것이 좋다.

1. 목표주파수(Center Frequency, 93.1Mhz. 95.1Mhz 등 선호하는 방송)를 정한다.
2. 다음 계산식을 활용하여 안테나봉의 재단길이를 정한다.

가. 1/2 파장 RULE을 적용하는 경우
길이 = 299,792,458 ÷ 목표주파수(Hz) × 재단상수 0.9435, 이때의 계산값은 전파장(Full wavelength)이다. 이것에  1/2 파장이면 1/2을, 1/4파장이면 1/4를 곱한다.
나. 5/8 파장 RULE을 적용하는 경우
길이 = 299,792,458 ÷ 목표주파수(Hz) × 1/2 × 1/4파장의 재단상수 0.564.  이 상수는 전적으로 1/4파장을 기준으로 만들어졌다. 그러므로 이 기준에서 1/8 파장 짜리 짧은 안테나를 만들려면 1/2를 곱하고 더 작은 1/16 파장을 원하면 1/4를 곱하는 식으로 계산한다.

3. 쇠톱으로 안테나봉을 잘라내고 끝부분을 마무리한다.
4. 봉의 끝부분에 수축튜브를 씌운다. 안전을 위해 눈에 잘 띄게 만드는 것.

3. 재단상수

전파가 안테나 봉 즉, 도체에 도달하면 이후는 금속 내부에서 전자가 이동하는 상태가 되는데 자유공간(Free Space)인 공기 중 전파에 비해 약 0.5% 정도 속도가 늦어진다. 이 현상을 고려하여 /2파장 RULE 재단상수로서 공학적으로 계산된 0.9435라는 수치가 사용되었다.

(1/2 Rule이 적용된 1/4 파장 안테나와 5/8 Rule의 안테나의 방사패턴 비교)

한편, 위 송신 안테나의 방사패턴을 보면 5/8파장 Rule이 적용된  ‘송신용’ 안테나는 1/2파장 Rule에 의한 ‘송신’ 안테나보다 a) 위쪽 방향으로의 방사도는 떨어지지만 b) 옆 방향으로의 방사도는 더 크다. 이것은 통달거리 확보에 있어서 유리한 측면이 있다는 뜻이다.

안테나는 쌍대성(송신성능은 곧 수신성능. 즉, 입/출을 가리지않는다)이 있으므로 5/8파장 Rule ‘수신용’ 안테나가 1/2 Rule에 의한 ‘수신용’ 안테나보다 더 좋을 수  있고 개인실험에 의해 0.564을 5/8 RULE에 있어서 1/4파장 재단상수로 정해 놓았다. 이 0.564는 테스트한 안테나의 재질, 두께, 형상 등 모든 특성이 종합적으로 반영된 것이므로 다른 재질 또는 봉의 직경(현재 5mm)이 조금이라도 달라진다면 약간은 변화를 주어야 한다. 논리상 그렇다.

(Ground Image Effect.
엘리먼트가 하나 뿐인 Monopole도 이 효과 때문에 엘리먼트가 두 개인 Dipole과 유사하게 작동한다는 이야기.
물론 Dipole이 전파공학 원론에는 더 적합하다.)

요점만 이야기하자면 전 파장(Full Length) 안테나는 실용적으로, 현실적으로도 의미가 없다. 우선 길이가 너무 길고 길이를 짧게 가져갈 논리인 Ground  Image Effect가 있기 때문이다. 그러므로 앞으로는 1/2 파장 또는 그 이하의 길이만 생각하면 된다.

주요 FM방송에 최적화된 안테나 길이를 계산해보면 다음과 같다.

[ 5/8파장 Rule의 1/4 파장 ]
1) 89.1Mhz : 299,792,458 / 89,100,000 = 3.3646740m × 1/2 = 1.682337 × 1/4파장 기준 재단상수(0.564) = 0.94886 =94.9cm
2) 93.1Mhz : 같은 방법으로, 0.90809 = 90.8cm(가장 많이 듣는 방송)
3) 94.5Mhz : 0.89464 = 89.5cm
4) 98.1Mhz : 0.86181 = 86.2cm
5) 107.7Mhz : 0.78939 = 78.9cm

[ 1/2파장 Rule의 1/4파장 ]
일단 센터주파수의 파장을 계산하고  재단상수 0.9435를 적절히 곱하면 된다. 예를 들어 93.1Mhz는 299,792,458 / 93,100,000 = 3.220112m × 1/2 = 1.610056(1/2파장) × 재단상수(0.9435) = 1.51908이고 이것의 절반 즉 1/4파장은 0.7595, 75.95cm이다.

그리하여93.1 클래식 FM방송을 기준으로 할 때 a) 5/8파장 Rule을 적용한 1/4파장 Monopole은 90.8cm로, b) 1/2파장 Rule을 적용한 1/4파장 Monopole은 75.6cm로 절단하면 된다. 90.8cm과  75.6cm의 차이 15.2cm는 Rule 적용이 달라 생긴 차이일뿐이다. 참고로 5/8은 0.625인데 5mm 직경의 테스트 안테나에서는 다양한 조건들이 반영된 결과로 그 상수값이 0.564로 약간 낮게 나온 것이다.

마지막으로, 이 길이의 시작과 끝은 어떻게 판단하면 될까?

안테나의 유효길이는 접속재가 안테나봉을 감싸는 영역이 끝나는 곳에서 부터 안테나 봉의 반대편 끝까지의 거리를 말한다. 접속재가 안테나를 감싸고 있는 구간은 회로 상 그라운드에 연결되는 부분으로서 전파를 수신할 수 없으므로 유효길이에서 제외되어야 한다. 예를 전체 길이가 1m이고 접속재 길이가 10cm라면 안테나 유효길이는 접속재 길이를 제외한 90cm이다.

 

(다음 편에서 계속)

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