Yagi 안테나: 단순하고 유연하며 DIY 또는 기성 제품 구매에 적합한 안테나

안테나와 그 구성에는 엄청나게 다양한 기본 유형과 기본 유형의 변형이 존재하여 다양한 애플리케이션의 요구 사항을 충족합니다. 긴 전선 안테나와 같이 단순한 안테나부터 복잡한 다대역 어레이나 MIMO(여러 입력/여러 출력) 배열까지 다양합니다.

이렇게 다양한 안테나 중에서, DIY 애호가뿐 아니라 전문 설계자들에게 오랫동안 많은 사랑을 받아온 안테나가 있습니다. 바로 Yagi 안테나(정확한 명칭은 Yagi-Uda 안테나)(그림 1)입니다.

그림 1: 기본적인 Yagi 안테나는 상업, 주거, 군사 응용 분야에서 널리 사용되는 3소자 안테나이며 루프톱이나 마스트에서 쉽게 찾아볼 수 있습니다. (이미지 출처: EuroCaster/덴마크)

Yagi 안테나가 많은 사랑을 받는 이유

Yagi 안테나가 많은 사랑을 받는 데에는 여러 가지 이유가 있습니다.

1. 기본 전자기 분석은 복잡하지만 필요한 안테나 크기를 계산하기가 용이합니다.
2. 소자 두께, 엔드 프린지 효과와 같은 실질적인 문제를 해결하기 위한 크기 조정은 잘 알려져 있으며 크기 조정 분석에 적용할 수 있습니다.
3. 설치하기 쉽고 DIY 프로젝트에 적합합니다.
4. 가정용품 매장에서 판매하는 표준 파이프 및 피팅을 사용하여 실외용 러기드 버전을 쉽게 만들 수 있습니다.
5. 제공하는 성능에 비해 크지 않습니다.
6. 임피던스의 저항이 높은 단순한 단일 피드 지점이 있어 필요한 경우 전송 라인에 맞도록 쉽게 조정할 수 있습니다.
7. 다양한 조정 범위를 제공하고 이득, 방향성, 대역폭, 측면 로브, 기타 요인에 따라 제조 시 또는 사용 시 합리적인 한도 내에서 쉽게 조정할 수 있습니다.
8. 기본 설계는 충분한 이득(일반적으로 8dB ~ 10dB)을 통해 등방성(dBi), 높은 전후 비(일반적으로 10dB ~ 20dB), 충분한 대역폭(중앙에서 10% ~ 20%)을 제공하며, 여러 방식으로 이러한 수치를 개선할 수 있습니다.
9. 폭넓은 주파수에 걸쳐 설계 및 설치할 수 있으며, 다양한 상용 제품이 30Mhz ~ 3GHz 범위로 판매되고 있습니다.
10. 수백 와트 이상의 높은 전력을 처리할 수 있는 버전을 제공하기 위해 설치 시 쉽게 조정할 수 있습니다.

Yagi 안테나 소개

Yagi 안테나는 1926년 일본에서 우다 신타로 교수가 일본 저널에 이 안테나에 대한 이론을 소개함에 따라 개발되었습니다. 그후 얼마되지 않아 야기 히데츠구 교수가 Proceedings of the Imperial Academy(Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves)에 영문 번역본을 게재하면서 폭넓은 관심을 받게 되었습니다. 그래서 Yagi라는 이름이 붙게 된 것입니다.

케이블 TV와 인터넷 스트리밍이 등장하기 전에는 TV 신호를 수신하려면 물리적 안테나를 사용하는 OTA(Over-The-Air) RF 신호가 필요했습니다. TV 송신기에서 약 10 ~ 20마일 이상 떨어져 있는 경우에는 송신기 성능과 위치의 특성에 따라 단순한 접이식 쌍극 안테나보다 이득이 높은 안테나가 필요했으며, Yagi는 이러한 경우 가장 널리 사용되는 방식이었습니다.

이러한 동보 통신 TV Yagi 안테나는 거의 모든 전자 제품, 어플라이언스 또는 하드웨어 매장에서 표준 품목이었으며, 지금도 어느 정도 그 명맥을 유지하고 있습니다. OTA TV 시청자가 집에서 각기 다른 방향에 위치한 송신기의 신호를 수신하려면 Yagi를 해당 송신기 방향으로 회전시키는 수동 또는 모터로 작동되는 메커니즘을 추가하기도 했습니다.

오래된 지역에 위치한 집들 중에는 Yagi 안테나를 더 이상 사용하지 않더라도 굴뚝이나 별도의 마스트에 Yagi 안테나가 설치되어 있는 경우가 많습니다. 재미 있는 현상은, 코드를 없애는 트렌드에 따라 OTA TV가 다시 등장하고 있으며 Yagi를 포함한 모든 유형의 안테나 판매량이 증가하고 있습니다.

Yagi는 OTA TV 응용 분야를 넘어 방향 찾기, 아마추어 무선 통신, 군사용 시스템, 높은 방향성, 순방향 이득, 높은 순방향/역방향 비율, 작은 측면 로브가 중요한 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

Yagi 안테나의 기본적인 작동 원리

가장 단순한 형태의 Yagi 안테나는 보통 금속 소재로 된 지지대를 따라 설치된 3가지 소자로 구성됩니다(그림 2). 중앙 소자만이 연기적으로 연결되어 있으며('구동' 소자로 지정), 단순한 중앙 피드형 반파장 쌍극 안테나 또는 접이식 쌍극 안테나입니다. 구동 소자 뒤에는 절연 처리가 되어 있고 그보다 좀더 긴 반사 소자가 있으며,앞에는 그보다 짧으며 절연 처리가 되어 있는 '디렉터' 소자가 있습니다.

그림 2: 기본적인 Yagi 안테나에는 구동(능동) 쌍극 소자, 그 뒤에 수동 반사 소자, 그 앞에 수동 디렉터 소자가 하나의 붐에 장착되어 있습니다. (이미지 출처: RFWireless-World)

반사 소자와 디렉터 소자는 능동 구동 소자와 반대로 '기생' 소자라고 불립니다. 하지만 회로에서 부품의 성능에 악영향을 주는 불필요하고 유해한 기생 소자와는 달리, 이러한 기생 소자는 안테나 기능에 핵심적인 역할을 합니다. 반사 및 디렉터 소자가 구동 소자의 EM(Electromagnetic)장을 의도적으로 왜곡할 수 있도록 '조정'함에 따라 안테나가 작동됩니다.

반사 소자는 해당 대역폭에서 유도력이 있는 것으로 보이도록 크기가 조정됩니다. 그런 다음 구동 소자의 유도된 EM 전류가 반사 소자와 다른 위상으로 전환되어 전력이 기생 소자에서 반사되도록 합니다. 이에 따라 안테나가 기생 소자의 반대 방향으로 더 많은 RF 전력을 방출합니다.

반사 소자에 이산 코일을 추가하여 유도 용량을 확보할 수 있지만 실제로는 주로 반사 소자를 구동 소자보다 길게 만드는 보다 간단하고 비용이 적게 드는 방식이 사용됩니다. 기본적인 규칙은 구동 소자보다 5% 길게 만드는 것입니다.

이와 반대로, 기생 소자에 정전 용량을 확보하면 유도된 전류의 위상이 전환되어 안테나 전체에서 방출되는 전력이 기생 소자를 향하게 됩니다. 이러한 작업 역시 이산 소자 커패시터를 통해 수행할 수 있지만, 보통 구동 소자보다 5% 짧게 만드는 방식이 사용됩니다.

구동 소자와 수동 소자 간의 간격도 중요합니다. 우선, 구동 소자와 반사 소자 간 간격은 0.23λ ~ 0.35λ이며, 구동 소자와 디렉터 간 간격은 0.125λ ~ 0.15λ입니다. 따라서 방사 패턴의 방향성과 전후 비가 높고 측면 로브를 작게 유지할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 단순한 Yagi의 일반적인 방사 패턴은 높은 방향성 및 전후 비, 그리고 작은 측면 로브를 보여줍니다. (이미지 출처: Electronics-Club)

기본적인 Yagi는 균형 잡힌 전송 라인으로 나타나며, 저항 임피던스는 10Ω과 40Ω으로, 임피던스 일치 회로가 필요합니다. Yagi 안테나는 불균형 동축 전송 라인을 균형 잡힌 전송 라인으로 변환하는 임피던스 일치 발룬으로도 구동할 수 있습니다.

Yagi의 유연성

기본적인 구성에서 확인할 수 있듯이 Yagi 안테나는 다양한 범위의 조정 옵션을 제공합니다. 구동 및 기생 소자의 길이과 지름뿐 아니라 간격을 변경함으로써 설계자는 안테나의 방향성, 이득, 전후 비, 대역폭, 측면 로브 등의 파라미터를 조정하고 트레이드 오프할 수 있습니다.

Yagi는 3개의 소자로만 국한되지 않으므로 그 유연성은 이러한 변경에서 그치지 않습니다. 구동 소자 앞에 점점 더 짧은 디렉터 소자를 추가함으로써 안테나의 방향성을 증가시키고 측면 로브를 감소시킬 수 있습니다(그림 4).

그림 4: 연장된 붐에 수동 디렉터 소자를 추가하면 Yagi의 방향성과 전후 비가 증가하고 측면 로브가 감소합니다. (이미지 출처: Electronics-Notes)

추가 디렉터 소자 간 간격도 분수형 파장으로, 응용 분야에 적합하도록 Yagi 성능을 보다 세부적으로 조정하기 위한 또 하나의 파라미터가 됩니다. 일부 Yagi 안테나는 6개 이상의 디렉터 소자를 갖추고 있습니다(그림 5). 이러한 소자를 추가하면 주 지지대의 전체적인 길이가 연장되지만 복잡성에는 거의 영향을 주지 않습니다.

그림 5: 7개의 디렉터 소자가 설치된 Yagi 안테나에서 확인할 수 있듯이, 디렉터 소자를 추가하면 붐 길이가 연장되지만 설치 복잡성에는 거의 영향을 주지 않습니다. (이미지 출처: TreLink Communication Co., Ltd.)

제공되는 Yagi 안테나

표준 Yagi 안테나는 기존의 아날로그 대역 또는 새로운 디지털 대역의 OTA TV를 위해 설계된 제품뿐 아니라 매우 다양한 분야에 사용할 수 있습니다. 예를 들어 Antenna Technologies Limited Company의 220-6H-MK는 6소자(구동 소자 1개, 반사 소자 1개, 디렉터 소자 4개) Yagi 안테나로, 3dB 대역폭은 220MHz를 중심으로 215MHz~225 MHz입니다(그림 6).

그림 6: 220-6H-MK Yagi 안테나의 3dB 대역폭은 215MHz~225MHz이며 구동 소자 1개, 반사 소자 1개, 디렉터 소자 4개로 구성됩니다. (이미지 출처: Antenna Technologies Limited Company)

이 고강도 안테나의 무게는 1.9kg(4.25파운드)에 불과하며 이득은 9dBi, 전후 비는 15dB, 붐 길이는 1.5m(5피트)입니다. 바람 표면적은 006m²(0.67ft²)에 불과하여 최대 시속 200km(시속 125마일)의 바람을 견딜 수 있습니다.

주파수가 더 높은 경우에는 Siretta Ltd.의 쿼드 밴드 Oscar 3A가 GSM/GPRS 응용 분야를 위해 850MHz, 900MHz, 1800MHz, 1900MHz의 중앙 주파수를 제공합니다(그림 7). 수직으로 극성을 띠는 이 안테나는 최대 200W를 처리할 수 있으며 이득은 11dBi, 해당 범위에 걸쳐 전압 정재파비(VSWR)는 1.6 미만입니다. 크기는 길이 570mm × 너비 180mm × 높이 36mm이며 FME 수 커넥터와 표준 안테나 폴에 사용할 수 있는 범용 클램프가 제공됩니다(그림 7).

그림 7: Oscar 3A는 850MHz, 900MHz, 1800MHz, 1900MHz의 중앙 주파수의 커버리지를 제공하고 최대 200W를 처리할 수 있으며 이득은 11dBi, VSWR는 1.6미만으로, 마스트에 설치하기 위한 기본적인 마운팅 하드웨어가 제공됩니다. (이미지 출처: Siretta Ltd.)

결론

거의 100년에 이르는 역사를 가진 Yagi-Uda 안테나는 아직도 가장 유연하고 다양한 기능을 갖추었으며 조정하기 쉬운 안테나 중 하나로 널리 사용되고 있습니다. 높은 이득, 높은 방향성, 높은 전후 비, 낮은 측면 로브가 필요한 응용 분야에 적합합니다. 단순한 디자인의 안테나로, Antenna Technologies Company, Siretta와 같이 여러 회사의 다양한 주파수 대역을 위한 표준 품목으로 제공됩니다. DIY 애호가들도 쉽게 설치하고 필요에 따라 조정할 수 있습니다. Yagi 안테나는 널리 사용되고 오랜 역사를 가지고 있으므로 매우 이론적인 EM 분석부터 실질적인 설치/평가 문서까지 다양한 연구 자료가 있습니다.

참고 자료

1: 전선 그 이상: 까다로운 무선 요구 사항을 충족하기 위한 안테나의 발전 및 적응

https://www.digikey.com/ko/blog/beyond-wires-antennas-evolve-and-adapt

2: 안테나: 설계, 응용 분야, 성능

https://www.digikey.com/en/articles/antennas-design-application-and-performance

3: 안테나 선택에 영향을 미치는 여러 인자

https://www.digikey.com/en/articles/antenna-selection-depends-on-many-factors

4: 안테나 사양 및 작동의 이해, 1부

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

5: 안테나 사양 및 작동의 이해, 2부

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2