저번 시간에는 1/4 파장 안테나를 알기 위하여
기초적인 내용을 알아보았습니다.
(전자기파 기본 개념, 공진 등)
1/4 파장 안테나에 대한 쉬운 개념 이해 -1
아마추어 무선의 안테나를 검색하면1/2파장 안테나, 1/4파장 안테나, 5/8파장 안테나 등여러 길이의 안테나들을 만나게 됩니다. 이 글에서는 먼저 기본 개념을 살핀 후,1/4파장 안테나에 대해 쉽
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이번에는 본격적으로 1/4 파장 안테나인 모노폴 안테나에 대해서 알아보겠습니다.
모노폴 안테나와 지면의 역할
모노폴 안테나는 다이폴 안테나와 달리
한쪽 단말으로만 구성된 안테나입니다. (mono_모노는 하나라는 뜻)
일반적으로 도체 평면(ground plane) 위에 수직으로 세운 도선 형태입니다.
1/4 파장 모노폴 안테나는 도선 한쪽 끝을 지면에 연결합니다.
반대쪽 끝은 공중에 자유롭게 둡니다.
이때 지면이 전기적 거울 역할을 합니다.
마치 땅 아래에 도선의 반대편 절반이 존재하는 것처럼 동작하는 것입니다.
쉽게 말해서,
1/4 파장 길이의 모노폴이라도
거울상으로 형성된 지면 아래의 이미지 안테나를 포함해서
전기적으로는 1/2파장 길이의 안테나와 등가가 됩니다.
1/4파장 모노폴이 1/2파장 다이폴처럼 동작하는 이유는
지면의 높은 전도성 때문에 전자기파가 반사되기 때문입니다.
이 반사로 모노폴 안테나 아래에 "이미지 안테나"가 생기는 효과가 발생합니다.
전도성의 개념에 따라 비슷한 예로, 바닷물이 있습니다.
자세한 내용은 아래 링크 참조.
왜 바닷물 위에서는 HAM 교신이 잘 될까?
무전기로 바다에서 교신하면신호가 육지보다 뚜렷하고 멀리까지 잘 전달됩니다.육지에서는 어렵게 들리던 신호도바다 위에선 깔끔하게 잡히는 경우가 많습니다. 단순히 바다가 탁 트인 환경
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모노폴 안테나를 제대로 작동시키려면
접지가 반드시 필요합니다.
접지는 여러 형태가 가능합니다.
- 실제 땅
- 금속판
- 여러 개의 라디얼(radial) 도선을 펼친 인공 접지
접지면이 넓고 전도율이 높을수록 안테나의 성능이 좋아집니다.
1/4파장 수직 안테나와 접지면의 조합은
1/2파장 다이폴과 원리적으로 유사합니다.
안테나 성능을 최대화하려면
좋은 접지가 필수적입니다.
1/4 파장 안테나의 전압/전류 분포와 방사 특성
1/4 파장 모노폴 안테나의 전압/전류 분포를 본다면
안테나 윗부분(개방단)
- 전류가 0에 가깝다.
- 전압은 최대치.
- 고 임피던스 지점 형성
안테나 아랫부분(급전점)
- 전류는 최대치.
- 전압은 0에 가깝다.
- 저 임피던스 지점 형성.
전류는 급전점에서 최대이고 끝으로 갈수록 줄어듭니다.
전압은 반대로 끝단에서 가장 높습니다.
이 분포는 사인파의 1/4 주기와 비슷한 형태를 보입니다.
입력 임피던스
이상적인 1/4파장 모노폴 안테나의 복사 저항은 약 36.5옴입니다.
이는 1/2파장 다이폴 안테나 임피던스(약 73옴)의 절반에 해당합니다.
50옴 동축 케이블과 큰 차이가 없어 별도의 복잡한 매칭회로 없이도 쉽게 연결할 수 있습니다.
방사 효율과 특성
1/4 파장 공진 길이에서는
무효 성분(리액턴스)이 거의 없고, 순저항 성분만 남습니다.
그래서 안테나가 전력을 효율적으로 방사합니다.
모노폴 안테나는 지면 위 한쪽 반구로만 복사하기 때문에
이상적인 조건에서는 동일한 1/2파장 다이폴보다
약 3dB 정도 이득이 높습니다
(실제로는 지면에서 손실이 있겠죠)
복사 패턴
수직 모노폴 안테나는
수평면 방향으로 고르게 퍼지는 방사 패턴을 가지며(무지향성),
위쪽 아래쪽으로는 거의 방사되지 않습니다.
이러한 특성은 지상 통신에 매우 유리합니다.
(수평으로 뻗으니깐요)
1/4 파장 안테나의 장점
1/4 파장 안테나는 HAM 무선통신에서 널리 사용되는 안테나입니다.
(아마 설치하기 쉬워서 가장 많지 않을까 싶네요)
1/4 파장 안테나의 장점은 다음과 같습니다.
구조가 간단하고 제작이 쉽다
1/4 파장 안테나는 단 한 가닥 도선과 기본 접지면만 있으면 만들 수 있습니다.
반파장 다이폴처럼 두 개의 대칭요소를 맞출 필요가 없죠. 한쪽 요소만 있으면 됩니다.
간단한 금속 막대나 선으로 제작할 수 있습니다.
예전에 제가 아파트에서 초간단 GP 안테나를 만든 적이 있습니다.
(진짜 초간단)
초간단 2M용 GP 안테나 만들기 (HAM)
안테나 자작을 처음 접하면 매우 난감합니다. 저 또한 그랬고요. 아무리 자료를 들여다보아도 직접 만들지 않으면 감이 생기지 않습니다. 제목을 '초간단 GP 안테나 만들기'라 한 것은 직접 만들
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1/4 파장 안테나는 제작이 쉽고 비용이 저렴해서
초보자들에게 많이 추천합니다. (ARRL 왈)
길이가 짧아서 설치가 편하다
같은 주파수에서 1/2 파장 안테나보다 절반 이하의 길이만 필요하니..
공간이 제한된 환경에서도 설치하기 쉽습니다.
주파수가 낮을 때 큰 장점입니다.
낮은 주파수에서는 파장이 길어서 반파장 안테나가 수십 미터일 테니깐요.
예를 들면 7MHz(40m밴드)에서 반파장 다이폴은 약 20m 길이가 필요하지만
1/4파장 수직 안테나는 10m로도 충분하죠.
역사적으로 마르코니가 1/4파장 수직 안테나를 개발해
안테나 길이를 절반으로 줄였습니다.
마르코니 안테나라고 해서, 선박과 차량 통신에 혁신을 가져왔습니다.
(작아도 된다!)
튜닝과 임피던스 매칭이 간편하다
1/4파장 안테나는 이상적인 경우 약 30~40옴의 입력 임피던스를 가집니다.
50옴 송수신기에 큰 무리 없이 연결할 수 있습니다.
필요에 따라 길이를 조금 조절해서 공진 주파수를 미세하게 조정 가능합니다.
(Nano VNA 등 이용)
접지 라디얼의 길이나 각도를 변경해서 임피던스를 쉽게 조절할 수도 있습니다.
예를 들면 1/4 파장 GP 안테나에서
라디얼을 약 40도 아래로 기울이면 임피던스가 50옴에 가까워집니다.
이런 간단한 조정만으로도
별도 매칭 회로 없이 좋은 SWR을 얻을 수 있습니다.
4개의 라디얼을 45도 기울여 배치하면 50옴에 가까운 임피던스 매칭이 이루어집니다.
1/4 파장 안테나의 주파수 대역별 사례
1/4 파장 안테나는 다양한 주파수 대역에서 사용됩니다.
HF 대역(3~30 MHz)
마르코니 안테나
대지를 반사면으로 활용하여 장거리 통신에 유리.
AM 라디오(중파 방송) 송신탑
1/4 파장에 해당되는 탑을 송신 안테나로 활용.
선박 통신 안테나
바닷물이 훌륭한 접지면이 되어 줌.
배 위의 1/4 파장 수직 안테나는 해상 통신용으로 이상적이다.
VHF 대역(30~300 MHz)
차량용 휩 안테나
VHF 무전기의 차량용 안테나(2M 아마추어 밴드 144 MHz)
휴대용 FM 라디오용 휩 안테나
FM 방송(88~108 MHz)을 듣기 위한 라디오의 로드 안테나
UHF 대역(300~3000 MHz)
러버덕(rubber duck) 안테나
핸디형 무전기에 쓰임. 1/4파장 구조 기반 물리적으로 짧아지기 위해 코일을 삽입.
Wi-Fi 안테나
2.4 GHz Wi-Fi 공유기의 기본 안테나(약 3cm 길이)도 1/4 파장 모노폴이나 변형 구조다.
1/4 파장 안테나는 제작과 설치가 쉽고, 방사효율도 괜찮아서
아마추어 무선에서 널리 사용되고 있습니다.
- 전자기파 기본 개념
- 공진의 원리
- 안테나의 전류/전압 분포
- 이미지 안테나 효과
위의 개념이 1/4파장 안테나를 이해하는데 도움이 될 것입니다.