트랩을 사용하여 쌍극 안테나로 다대역 작동 지원

업계 기념비적인 긴 전선 쌍극 안테나는, 기가헤르츠(GHz) 단위의 스펙트럼에서 작동하는 오늘날의 콤팩트한 고도의 모바일 무선 장치에서는 시대착오적으로 보일 수도 있지만, 그렇지 않습니다. 다양한 장점으로 인해 이 안테나는 군사, 응급 서비스, 동보 통신, 장거리 아마추어 무선 통신 애호가(ham), 전 세계 지점 간 링크, 광역 동보 통신 등에서 여전히 널리 사용되고 있습니다.

이러한 장점에는 유연성, 간편한 설정, 가변 방사 패턴, 우수한 은폐성, 작은 포장/운반 크기 등이 있습니다. 오랜 동안 3MHz ~ 30MHz 범위의 고주파(HF) 대역으로 지정된 30MHz(10m 파장) 미만 주파수에서 주로 사용되며 저주파수/긴 파장에서도 사용됩니다. 뿐만 아니라 쌍극의 두 팔에 트랩이라는 간단한 공진 LC 회로를 추가하면 단일 쌍극 안테나로 여러 대역을 동시에 처리할 수 있습니다.

이 블로그에서는 긴 전선 (쌍극) 안테나의 원리를 간략하게 검토하고, 일부 이론을 실제 고려 사항과 비교하여 살펴보고, 트랩을 통해 유용성을 확장하여 다대역 안테나로 작동할 수 있는 방법을 설명합니다. (일부 고려 사항은 잘 알려진 접이식 쌍극과 같은 다른 쌍극 구성에 적용되지만, 중요한 차이점도 있습니다.)

긴 전선 쌍극 안테나를 사용하는 이유

오늘날의 많은 안테나가 짧거나(대부분의 경우 1m 이하) 스마트폰에 내장된 칩 공진기 또는 PIFA(Planar Inverted-F Antenna)와 같이 눈에 잘 띄지 않는 것을 감안하면, 긴 전선 쌍극 안테나는 골동품이나 진기한 물건으로 보일 수도 있습니다. 하지만 Maxwell의 방정식과 파장 이론에 따르면 효과적인 쌍극 방열기/수신기의 1차 크기는 관련 파장의 1/2이어야 합니다. 이 클래식 쌍극 안테나는 접지되지 않으며 송신기 전력 증폭기와 수신기 프런트 엔드 증폭기에 균형된 대칭 부하를 제공합니다(그림 1). 이상적인 쌍극의 공칭 임피던스는 73Ω이며 75Ω이라고 인용되는 경우도 있지만, 그 차이는 무시해도 될 정도입니다. 안테나가 일반 50Ω 피드 라인에 연결되는 경우 피드 라인과 안테나 사이에 적절한 임피던스 정합 배열이 필요합니다.

그림 1: 기본 클래식 쌍극 안테나에는 1/4 파장 암이 2개 있으며 공진 작동 주파수에서 73Ω 균형된 저항 부하로 표시됩니다. (이미지 출처: MicrowaveTools)

가는 전선이 쌍극에 사용되는 경우 대역폭은 일반적으로 중심 주파수의 약 5%이고, 두꺼운 전선이 사용되는 경우 대역폭이 약 20% 증가하지만 다른 성능 특성에 영향을 미칩니다. 접지된 회로를 통해 송신기 또는 수신기에 연결되고 동축 케이블을 피드 라인으로 사용하는 경우 발룬 변압기가 필요할 수 있습니다. 하지만 임피던스 정합이 적절한 경우 동축 케이블을 대부분 직접 사용할 수도 있습니다.

간단한 설계를 감안하면 긴 전선 쌍극 안테나의 매력을 쉽게 알 수 있습니다. 길이가 같은 두 전선만 있으면 나무, 건물, 표지판 등에 쉽게 연결할 수 있습니다. 안테나는 일반적으로 지지대에 직접 연결되지 않습니다. 대신 동일한 길이의 전선 및 절연체가 부착 '스탠드오프'로 사용되는 것이 일반적입니다(그림 2).

그림 2: 지지대 사이의 거리에 상관없이 쌍극 암 길이를 유지할 수 있도록 쌍극은 일반적으로 절연체(흰색) 및 전선 길이를 통해 지지대에 연결됩니다. (이미지 출처: Physics Forums)

실제로 최적의 성능을 얻으려면 전선 두께가 유한하다는 사실과 기타 이론과의 편차를 수용하여 실제 안테나 길이를 조정해야 하지만, 일반적으로 5% 미만으로 조정합니다. 조정하지 않더라도 성능은 일반적으로 매우 우수하고, 전압 정재파비(VSWR)는 일반적으로 허용되는 1.5:1 미만입니다.

안테나 임피던스 변화 또는 불일치가 큰 경우 VSWR이 허용되지 않는 수준으로 상승하고 성능 문제가 발생합니다. 그런 경우 가변 안테나 튜너를 피드 라인에 사용하여 전이를 보완 및 구현합니다.

쌍극의 이론적인 이득은 약 2dBi(dB relative to isotropic)입니다. 방사 패턴은 간단하며 주로 원환체 또는 도넛으로 구분됩니다(그림 3).

그림 3: 세로면을 따라 위에서 본 쌍극의 방사 패턴(A) 및 가로면을 따라 옆에서 본 쌍극의 방사 패턴(원환체 또는 도넛 모양)(B). (이미지 출처: Science Direct)

사용자는 주로 수천 마일 떨어진 무선 통신 트랜시버에 최대 송신기 에너지/수신기 민감도를 전달하도록 안테나 방향을 조정할 수 있습니다. 적절한 대기 전파 조건에서 1W 미만의 송신 전력으로 20m 및 40m 쌍극을 사용하여 이러한 거리에서 우수한 방사 패턴으로 성공적으로 통신한 많은 사례가 기록되어 있습니다.

다양성을 확장하는 다대역 작동

많은 실제 HF 통신 상황에서는 태양의 흑점, 대기 잡음, 주간 및 야간 작동, 지속적으로 변화하는 전파 조건 등 다양한 변수가 연결에 적용되므로 여러 대역에서 접점을 동시에 설정해야 합니다. 따라서 단대역 쌍극 안테나로는 부족할 수 있습니다.

확실한 해결책은 관련 대역/파장별로 하나씩 여러 쌍극 안테나를 설치하는 것입니다. 하지만 그럴 경우 여러 피드 라인 간 연결, 얽힘, 관리, 전환에 실질적인 어려움이 있습니다. 경우에 따라 RF 스플리터/결합기를 사용하여 단일 피드 라인을 두 안테나에 연결할 수 있지만, 그러면 손실 및 새로운 임피던스 정합 문제가 발생합니다.

다행히 쌍극과 마찬가지로 무선 초창기 이래로 사용 중인 효과적인 해결책이 있습니다. 바로 '트랩'입니다. 이 용어가 언제 누구에 의해 처음 사용되었는지는 명확하지 않지만, 이 기술을 설명하는 1941 미국 특허 2,229,865에서는 이 단어가 사용되고 있지 않습니다. 트랩은 간단한 병렬 연결 인덕터-커뮤니케이션(LC) 결합으로 두 관련 대역 사이의 자체 공진입니다.

쌍극의 각 암에 트랩을 하나씩 삽입하여 안테나의 물리적 길이 하나에 전기적 길이 두 개를 갖게 됩니다. 트랩의 리액턴스는 공진 주파수보다 작은 주파수에서는 유도이고, 공진 주파수보다 큰 주파수에서는 정전 용량입니다. 트랩은 스위치처럼 작동하여, 트랩의 설계 주파수에서 나머지 안테나를 전기적으로 차단하고 안테나의 공진 주파수 이하에서 로딩 코일 역할을 합니다.

간소화된 트랩 전기 모델은 물리적 인덕터 및 커패시터와 낮은 기생 저항(R_P)을 보여줍니다(그림 4).

그림 4: 트랩은 계열(a) 또는 병렬 RLC 회로(b)로 모델링될 수 있는 바람직하지 않지만 불가피한 일부 저항을 포함하는 간단한 공진 LC 회로입니다. (이미지 출처: AntenTop)

트랩은 손실이 있다는 평판이 있으며 이는 송신 모드와 수신 모드 모두에서 문제가 됩니다. 하지만 적절하게 설계되고 튜닝된 트랩은 약 1dB 정도의 손실이 발생하며, 이는 일반적으로 편의상 허용되는 수준입니다.

트랩 부품 값 선택

수학적으로 원하는 공진 주파수를 얻을 수 있는 LC 페어링 수는 무한합니다. 하지만 대부분의 경우 매우 작은(또는 큰) 인덕터와 매우 큰(또는 작은) 커패시터를 각각 결합해야 합니다. 이러한 페어링은 기생 및 물리적 크기 문제에 큰 영향을 받고, 관련 대역에 비해 너무 좁거나 넓은 Q 계수(품질 계수)를 갖습니다.

다행히 이론, 구현 및 현장 실습 경험에 기반하여 트랩 크기를 조정할 수 있는 많은 문헌이 존재합니다. 예를 들어 100pF 커패시터와 페어링된 5.55µH 인덕터를 사용하는 트랩은 80/40m 쌍극에 유용한 시작점이 됩니다(그림 5).

그림 5: 표시된 부품 값과 쌍극 선형 치수(피트)는 80/40m 다대역 쌍극에 유용한 시작점이 됩니다. (이미지 출처: QSL Net)

트랩 부품을 선택하는 것은 단순히 적절한 L 및 C 값을 결정하는 것에 국한되지 않고 전력 처리 및 견고성이라는 매우 실질적인 몇 가지 문제가 있습니다. 수신 전용 안테나의 경우 거의 모든 인덕터 또는 커패시터가 밀리와트 이하의 매우 작은 수신된 전력을 처리할 수 있습니다. 하지만 송신기는 수십 와트, 수백 와트 또는 그 이상의 전력을 제공하므로 트랩 부품의 정격이 해당 전력 레벨에 적합해야 합니다.

또한 트랩은 날씨에 노출됩니다. 일부 쌍극 안테나는 다락이나 목재 외양간과 같은 온화한 환경에 배치되지만, 대부분은 외부에 배치되므로 비, 바람의 응력, 극한 온도, 응결 등에 견뎌야 합니다. 따라서 트랩과 해당 연결을 완벽하게 밀봉하거나, 배수 및 통풍 배열을 갖추거나, 내후성 소재로 구성해야 합니다. 연결이 그대로 유지되더라도 수분 유입이나 부식이 부품 값에 영향을 주어 공진 주파수가 변경될 수 있습니다.

트랩을 구성하려면 일반적으로 플라스틱 케이스에 부품을 밀봉하거나, 컨포멀 코팅을 사용하거나, 내후성 노출 구조를 사용하여 부품에 피막을 형성해야 합니다(그림 6). 저비용 PVC 파이프를 권선 인덕터의 코어로 사용하는 경우도 있고, 기밀 엔드캡이 있는 PVC 파이프를 방수 액세스 홀이 있는 인클로저로 사용하는 경우도 있습니다.

그림 6: 이 수제 80/40m 트랩은 PVC 파이프 주위에서 수동 권선 인덕터를 코어 지지대로 사용합니다. (이미지 출처: www.vk4adc.com)

트랩 부품 튜닝 및 트리밍이라는 다른 실질적인 문제를 고려해야 합니다. 가장 먼저 부품 값을 계산해야 하지만 기생, 전선 지름, 인덕터 권선 결함 등과 같은 실제 요인으로 인해 이상적인 값에 가깝지 않을 수 있습니다.

이러한 이유로 인해 대부분의 수제 트랩과 많은 상용 트랩에서는 현장에서 L 값과 C 값을 일부 조정하여 원하는 성능을 얻을 수 있도록 허용합니다. 일반적으로 조정 작업에는 VSWR 계측기가 사용됩니다. 특히 DIY 구현에서는 이러한 미세 조정이 번거롭고 반복적인 과정일 수 있습니다. 또한 많은 웹 사이트에서 이 과정을 간소화하는 실질적인 방법을 제안합니다.

트랩 사용은 두 대역에 대한 긴 전선 쌍극 사용에 국한되지 않습니다. 일련의 트랩을 사용하여 3대역 및 4대역 쌍극 안테나를 구축할 수도 있습니다. 하지만 이 경우 추가 조정이 필요하고 안테나 방사 패턴, 이득, 대역폭 및 기타 파라미터에서 일부 성능 저하 및 트레이드 오프가 발생합니다.

단순 쌍극에 국한되지 않음

트랩은 일반적으로 기본적인 긴 전선 쌍극에 연결되지만 해당 안테나 설계에 국한되지 않습니다. 예를 들어 다대역, 방향성, 고이득 Yagi-Udi 안테나('Yagi')는 능동 쌍극 소자 및 수동 쌍극 소자 어레이를 사용하여 구성됩니다. 이러한 형태의 Yagi는 여러 대역에서 작동할 수 있도록 디렉터, 능동 구동, 반사 소자에서 트랩을 사용합니다(그림 7).

그림 7: 기본 쌍극과 더 복잡한 다대역 안테나(예: 20m/15m/10m Yagi 설계)에서 3대역 작동을 위해 트랩을 사용할 수 있습니다. 그림에서는 왼쪽부터 안테나 디렉터, 구동 및 반사 소자를 나타내며, 각 암에 두 개의 트랩이 있습니다. (이미지 출처: OnAllBands)

많은 일회성 사용자가 하는 것처럼 자체 쌍극을 구축할 수 있습니다. 하지만 PulseLarsen Antennas의 KGI825와 같은 표준 상용 장치도 제공됩니다. 이득이 2dB인 이 기본 1/4파장 쌍극은 851MHz 중심 주파수에서 806MHz ~ 896MHz 범위 내에서 작동하도록 설계되었습니다(그림 8).

그림 8: KGI825는 이득이 2dB이고 중심 주파수가 851MHz인 1/4파장 쌍극 안테나입니다. (이미지 출처: PulseLarsen Antennas)

KGI825는 최대 60W의 송신 전력을 처리할 수 있으며, 3.5mm ~ 4mm(0.138인치 ~ 0.158인치) 두께 창 내부에 편리한 자기 실장을 제공합니다. 사용자가 원하는 커넥터를 추가할 수 있도록 이 안테나에는 4.25m(14피트) RG-58/U 동축 케이블이 제공됩니다.

결론

평범하고 적절한 로우 테크 긴 전선 쌍극 안테나가 무선 환경에서 100년 이상 사용되고 있습니다. 단순성, 적응성, 휴대성, 효율 등으로 인해 이 안테나는 계속해서 사용됩니다. 수동 소자 트랩을 사용하여 전자기 스펙트럼의 고주파 부분에서 두 개 이상의 대역으로 기능을 확장할 수 있습니다.

관련 내용

'안테나 사양 및 작동의 이해, 1부'

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

'안테나 사양 및 작동의 이해, 2부' https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2

'안테나: 설계, 응용, 성능'

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

'측정을 위한 발룬 사용'

https://www.digikey.com/en/articles/the-use-of-baluns-for-measurements

'RF 발룬과 전환 기능의 이해'

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-the-rf-balun-and-its-transformative-function

'PIFA를 사용하여 소형 제품 소형 안테나 문제 해결'

https://www.digikey.com/en/blog/use-pifas-to-solve-the-small-product-smaller-antenna-dilemma

외부 참고 자료

• H.K. Morgan, U.S. Patent 2,229,865, 'Radio Antenna System'
• MicrowaveTools, 'Dipole Antenna'
• Science Direct, 'Antenna Fundamentals: Radiation Pattern'
• On All Bands, 'Antenna Traps—A Way to Cope With Limited Space '
• QSL Net, 'Tuned Circuits and Traps'
• AntenTop, 'Modeling Trap Antennas'
• AntenTop, 'Multirange Trap Antennas'
• VK4ADC의 웹, 'Low Cost Antenna Traps'
• SOTABeams, 'Using Antenna Traps'