안테나 Q factor에 대하여

안테나의 Q(Quality factor)는 공진주파수가 어느만큼의 대역폭에서 존재하는지에 대한 값입니다.

(공진주파수를 공진주파수점에서 3dB 대역폭을 나눈 값)

Q가 높다는 것은 공진주파수가 좁은 대역폭 사이에 존재한다는 뜻이고, (선택도가 좋다)

반대로 Q가 낮다는 것은 공진주파수가 넓은 대역폭 사이에 존재한다는 뜻입니다. (선택도가 나쁘다)

 

https://www.hamradioschool.com/post/antenna-q-factor

Antenna Q Factor

 

위 링크의 Q값에 대한 비유를 소개하겠습니다.

 

 

무게추를 매달아 진자운동(진동)을 시킨다고 가정해봅니다.

하나는 공기 중에, 다른 하나는 물속에서 진동을 시킵니다.

 

공기 중에 있는 무게추는 진동이 느리게 감소하며 손실이 적다고 표현할 수 있습니다. 즉, 공기 중에 있는 무게추의 진동이 소멸될 시간이 길므로 댐핑이 낮다고 할 수 있겠습니다.

반면에 물 속에 있는 무게추는 진동이 빠르게 감소합니다. 손실이 크고 댐핑이 크다고 할 수 있습니다.

 

 

무게추가 고유 공진 주파수로 진동하도록 유지하기 위해서 가하는 에너지는 물 속보다 공기 중에서가 더 적은데, 이것은 공기 중의 저항으로 손실되는 에너지와 동일하다고 볼 수 있습니다. 사이클 당 손실되는 에너지는 저장된 에너지보다 상당히 적기에, 공기 중에서의 무게추의 Q는 높습니다.

 

즉, Q값은 공진회로의 손실을 나타내는 척도입니다.

손실이 적으면 Q값이 높아지고, 손실이 크면 Q값이 작아집니다.

따라서 공기 중에 있는 무게추는 Q값이 높고, 물 속에 있는 무게추는 Q값이 낮습니다.

 

 

 

이제 다시 안테나로 돌아가보면,

안테나의 Q는 다음과 같은 식으로 정의할 수 있습니다.

 

 

위 식에서 fc는 공진주파수(중심주파수)를, f2와 f1은 중심주파수를 사이에 둔 주파수 값을 의미합니다(3dB 대역폭 혹은 SWR이 2:1로 증가하는 주파수).

 

출처: https://www.hamradioschool.com/post/antenna-q-factor

 

좁은 대역폭에서 동작하는 안테나는 Q값이 높고, 넓은 대역폭에서 동작하는 안테나는 Q값이 낮습니다.

 

이것을 위의 무게추 비유와 연결해보면,

Q값이 높은 공기 중의 무게추는 공진 주파수 근처에서 공진 주파수를 유지하기 위한 필요 에너지가 적습니다. 효율적으로 보일 수 있겠지만 공진 주파수에서 약간만 벗어나면 SWR이 급격히 증가합니다. 비유하자면, 공기 중의 무게추의 진동에 대한 관성이 크기 때문이라고 할 수 있겠습니다. (공기 중의 무게추가 자유롭게 움직이는 것을 물 속보다 멈추기 어렵다는 뜻)

따라서 Q값이 큰 안테나는 좁은 대역폭에서만 잘 작동합니다.

 

반면, Q값이 작은 안테나는 훨씬 더 넓은 대역폭에서 작동합니다.

물 속의 무게추는 움직이면 에너지를 빨리 잃기 때문에 공기 중의 무게추보다 상대적으로 다시 움직이게 하는 것이 쉽습니다. 그래서 공기 중보다 공진 주파수에서 앞뒤로 움직일 수 있어서 더 넓은 대역폭에서 작동 가능합니다

 

 

+

안테나 Q값은 안테나의 굵기(직경)에 따라서 달라지기도 합니다.

 

출처: The ARRL Antenna Book

 

위 그래프를 보면 매우 가는(0.001인치) 선으로 안테나를 만들면 주파수에 따라 저항에 대한 리액턴스의 변화 기울기가 큰 것을 알 수가 있습니다. 반면 아주 두꺼운(1.0인치) 선은 기울기가 작습니다.

 

공진주파수에 대해서 직경이 작은 안테나가 리액턴스의 변화량이 큰 반면 직경이 큰 안테나는 리액턴스의 변화량이 작습니다.

따라서 가는 안테나가 Q가 더 높고, 두꺼운 안테나가 Q가 낮음을 이야기합니다.