HAM을 시작하고 안테나를 공부하면
안테나의 길이 = 파장의 1/2 또는 1/4라고 합니다.
근데 왜 1/2, 1/4 ?? 꼭 굳이? 그냥 룰인가.. 생각했습니다.
왜 그러한지 그 이유를 쉽게 설명해 보겠습니다.
공진이란 무엇이며 왜 중요한가
기타 줄이 특정 음에서 크게 울리듯이,
안테나도 어느 주파수에서는 잘 울리는 길이가 있습니다.
무선 안테나에서 공진(resonance)이란
주어진 주파수에 맞춰 안테나 길이를 "딱" 맞췄을 때,
전기 에너지가 가장 잘 들어가고, 반사 없이 자연스럽게 흘러나가는 상태라고
생각하면 됩니다.
공진 상태의 안테나는 입력 에너지를 대부분 전파로 변환합니다.
이때 송신 효율이 높고, 특정 주파수의 전파도 잘 수신합니다.
반대로 공진에서 벗어나면 에너지 전달 효율이 떨어집니다.
이는 송신 거리를 감소시키고,
되돌아온 에너지가 무전기에 손상을 줄 수가 있습니다.
공진은 HAM 무선 통신에서 정말 중요한 개념입니다.
HAM 통신에서는 안테나가, 안테나는 공진이 중요하죠. ㅎㅎ
안테나 길이와 파장의 관계: 왜 특정 길이에 민감한가
안테나의 공진 주파수는
안테나의 물리적 길이와 밀접한 관계가 있습니다.
안테나는 자신의 길이에 대응하는 파장의 전자파에
공진을 하는 경향이 있는데요,
일반적으로 안테나의 길이가
전파의 1/2파장일 때 가장 효율적으로 공진합니다.
예를 들면,
반파장 다이폴 안테나는 양쪽 도선의 길이가
각각 1/4파장(전체 길이 1/2파장) 일 때 기본공진을 이룹니다.
이 길이에서는 안테나에 공급된 전류와 전압이 안테나 구조와 조화를 이룹니다.
그 결과 안테나 내부에 정재파(standing wave)가 형성됩니다.
정재파란
마치 양 끝을 고정한 줄넘기를 흔들 때 나타나는 고정된 파형처럼,
일정한 진동 패턴이 형성되는 상태입니다.
반파장 다이폴 안테나에서
중앙 급전부는 전류가 최대, 전압이 0이고
양 끝단이 전류는 0, 전압이 최대가 되는 특성을 보입니다.
이런 분포 덕분에
안테나는 공진기(resonator)처럼 작동하여,
공급된 에너지를 가장 효율적으로 전파로 바꿔 송신할 수 있는 것입니다.
안테나 길이가 반파장의 정수배(전파장, 3/2파장) 일 때도 공진이 일어날 수 있습니다.
그러나 이런 고조파 공진에서는 급전부 임피던스가 달라져서
효율이 떨어지거나 임피던스 매칭이 어렵습니다.
따라서 반파장 공진이 보통 기본적이고, 실용적입니다.
1/4 파장 vs 1/2 파장 안테나: 개념과 계산 예시
두 가지 기본 안테나
안테나의 가장 기본 유형은
반파장(1/2) 다이폴 아니면
쿼터파장(1/4) 모노폴입니다.
반파장 다이폴(1/2λ dipole)
- 도선이 두 개로 구성됨.
- 각 도선은 1/4 파장 길이이다.
- 가운데에서 급전됨.
쿼터파장 모노폴(1/4λ monopole)
- 하나의 도선으로 구성됨.
- 대지나 접지판이 반사면 역할을 한다.
- 그라운드를 포함하면 효과적으로 1/2 파장 구조가 된다.
워키토키의 러버덕 안테나, 자동차 V밴드용 휩 안테나가 대표적이죠.
1/4 파장 안테나에 대한 쉬운 개념 이해 -2
저번 시간에는 1/4 파장 안테나를 알기 위하여기초적인 내용을 알아보았습니다.(전자기파 기본 개념, 공진 등) https://ds3qej.tistory.com/67 1/4 파장 안테나에 대한 쉬운 개념 이해 -1아마추어 무선의
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안테나 길이 계산법
안테나 길이와 주파수는 역관계입니다.
주파수가 크면 안테나 길이는 짧아지죠.
다음과 같이 쉽게 계산합니다:
λ (미터) ≈ 300 / f (MHz)
만약 예를 들어 V밴드로 쓰이는 145 MHz의 파장을 계산한다면
λ = 300 / 145 = 약 2.07m입니다.
반파장(λ/2)은 약 1.03m
쿼터파장(λ/4)은 약 0.52m 이죠. 나누기를 하면 됩니다.
그래서 2m 밴드 포터블 무전기 안테나 길이가 약 50cm 인 것입니다.
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HAM에 대해서 거의 모를 때'2M 밴드에서 교신한다'라는 말이 무슨 뜻인지 몰랐습니다;;매우 기초적이고 기본적인 내용인데; 한 번 정리를 해보고자 합니다. 이 부분을 알기 위해서는 먼저 파동에
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실제 안테나 설치 시 조정법
실제 안테나를 만들 때에는
계산 값 그대로 만들기는 어렵습니다.
도선의 두께나 주변 환경에 따라 공진이 되는 길이가 달라질 수 있거든요.
실용적으로 안테나를 설치하려면,
- 대략적으로 이론값보다 조금 더 길게 안테나를 제작한 후
- SWR 측정기로 공진 주파수를 확인합니다.
- 조금씩 길이를 조정하면서 원하는 주파수에서 SWR이 최소가 되도록 조정합니다.
이렇게 안테나를 정확한 공진 상태로 튜닝을 하면
제일의 성능을 얻을 수 있을 것입니다.
1/4 파장과 1/2 파장 안테나는 형태와 급전 방식이 다르지만
공진 원리는 똑같습니다.
두 안테나 모두 적절한 길이일 때 정재파가 형성되어서
신호가 효과적으로 방사되는 것입니다.
주파수에 따라서 안테나 길이를 설정하는 것은
안테나 설치시 매우 기본적인 역량이니 참고하셔요 ^^
공진하지 않을 때 나타나는 현상: 반사파와 SWR
안테나가 공진 주파수에서 벗어나면
입력 신호를 제대로 방사하지 못합니다.
방사되지 못한 입력 신호 에너지는 반사파가 되어
송신기 쪽으로 되돌아옵니다.
이 반사파의 정도를 수치화한 것이 바로
정재파비(SWR, Standing Wave Ratio)입니다.
공진에서 멀어질수록 반사되는 에너지 비율이 높아져서
SWR 수치가 올라가게 됩니다.
SWR은 송신기에서 안테나로 보낸 전력 대비
반사되어 돌아오는 전력의 비율을 의미합니다.
SWR이 1.0 이다! -> 이상적인 상태. 에너지 100% 방사. 반사 0%
SWR이 2.0 이다;; -> 에너지의 90% 방사. 약 10% 반사.
즉, SWR이 높을수록 안테나 성능이 떨어집니다.
*
SWR은,
안테나 길이를 조절할 때 제일 많이 보는 지표입니다.
Nano VNA를 보고 원하는 주파수에서 1.0에 가깝게 만들면 돼요. 쉽죠? ^^
참고: Nano VNA 사용법
Nano VNA 사용법 (1)
1.VNA 1.1 VNA란? 1.2 Nano VNA 2. Nano VNA 스크린 3. 디스플레이 변경 4. 주파수 범위 설정 5. SOLT 캘리브레이션 6. 실측정 예시 7. 마치며 1. VNA 1.1 VNA란? HAM을 하면서 안테나를 자작하는 경우가 있습니다. 근
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공진 상태의 안테나는 입력 임피던스가 송신기의 출력 임피던스(50옴)와 비슷합니다.
이때 SWR이 1에 가깝고, 전력 전달 효율이 높습니다.
그러나
공진에서 벗어나면 안테나의 임피던스가 주파수에 따라
유도성/용량성 리액턴스 성분을 갖게 되고
결국 임피던스 매칭이 어긋나 일부 에너지가 반사됩니다.
이러한 반사파는 송신기 출력단으로 돌아와서
회로가 과열되어 손상될 위험이 있습니다.
HAM 운용에서는 SWR을 1.5 이하로 유지하면 됩니다.
SWR이 2.0 이상이면 안테나 상태를 점검하거나 튜닝을 재검토해야 합니다.
공진은 결국 에너지가 가장 자연스럽게 흐르게 되는 상태를 찾는 과정입니다.
이때 안테나 길이가 딱 맞으면 전파가 잘 통하는 것입니다 ㅎㅎ
안테나를 설치할 때
파장과 안테나 길이의 관계를 이해하고
SWR 지표를 이용하여
안테나를 정확히 튜닝하면 됩니다. (길이조절, 튜너 등)
HAM 통신에서는 '좋은 안테나'가 곧 '좋은 통신 품질'을 의미하고,
좋은 안테나는 결국 '공진'에 달려 있답니다 :)