안테나에 대한 이해

안테나 개요

안테나(antenna)는 특정 영역대의 전자기파를 송신 혹은 수신하기 위한 변환장치입니다. 안테나는 무선 주파수대의 전기 신호를 전자기파로 바꾸어 발신하거나 그 반대로 전자기파를 전기 신호로 바꾸는 역할을 합니다.

안테나는 무선 교신에 있어 통신상태를 좌우할 수 있는 중요한 요소입니다. 좋은 안테나는 무선 신호를 더 잘 잡아내고(이득이 높다고 표현합니다), 더 효율적으로 전송할 수 있습니다.

좋은 안테나의 조건은 다음과 같습니다.

안테나는 이득이 높을 것(수신이 잘 될 것)
정합은 신호의 반사손실이 최소화 되도록 할 것(SWR이 낮고, 무전기와 안테나간 임피던스가 잘 매칭이 되어야 합니다).
지향성은 복사되는 전력이 목표하는 방향을 벗어나지 않도록 안정적일 것[지향성은 가능한 좁아야(sharp해야) 좋음;이득이 높게 되면 될수록 지향성은 뾰족한 모양을 띄게 됩니다].

이득(Gain)에 대해

기준이 되는 안테나와 비교해서 전파가 어느정도 강도로 목적하는 방향으로 복사될지를 표시할 때 사용하는 단위가 dB(deci-Bell;데시벨)입니다.

LdB/dB=10log₁₀P/P₀

쉽게 말해서 1 dB는 기준치의 10^1/10배, 즉 약 1.259배를 나타냅니다. 데시벨 수치가 10씩 올라갈 때 기준치의 10배씩 증가하는 셈입니다. 예를 들어 기준 안테나가 0dB에 1배라고 했을 때 3dB의 안테나면 2배, 20dB의 안테나라면 100배의 강한 출력으로 전파를 보내게 됩니다. 수신의 경우도 같은 생각을 할 수 있습니다.

dB	배수	dB	배수
0 dB	1배	3 dB	2배
10 dB	10배	13 dB	20배
20 dB	100배	23 dB	200배
30 dB	1,000배	33 dB	2,000배
40 dB	10,000배	43 dB	20,000배

SWR(Static Wave Ratio;정재파비)값에 대해

무선 신호를 송출하는 경우에 안테나에는 일정량의 전력이 가해집니다. 이때 전력 에너지는 안테나를 거쳐 대기중에 전파형태로 방사됩니다. 만약 방사가 제대로 이루어지지 않으면 다시 거꾸로 무전기를 향하게 되는데 이는 무전기에 안 좋은 영향을 끼치고 심하면 무전기가 고장나게 됩니다.

좋은 무전기를 판단하는 근거로 SWR값을 사용합니다. 이는 무전기에서 나온 전파가 안테나로부터 어느 정도 효율로 발사되는가를 가리킨 값입니다. SWR값은 안테나를 통해 내보내는 출력과 되돌아오는 출력의 비이며, 이를 통해 얼마나 효율적으로 전파가 발사되는지를 가늠할 수 있습니다. SWR 미터라는 장비가 사용되는데, SWR값이라는 수치를 통해 발사하는 출력 대비 반사되는 출력 정도를 알 수 있습니다. 가장 이상적인 SWR값은 1.0입니다. 즉, 내보내는 투과파 출력이 100이고 되돌아오는 반사파 출력이 0인 경우입니다. 수치가 1.0에 가까울수록 성능이 좋은 안테나입니다. 일반적으로 RF 안테나에서는 SWR값이 1.5아래가 되게 하는 게 좋으며 최대 2.0을 넘지 않도록 조정합니다.

SWR 값	효율 (%)
1.0	100%
1.5	약 96%
2.0	약 90%
3.0	약 75%
6.0	약 50%

VSWR 이라는 말을 쓰기도 하는데 이는 특히 피더 또는 전송 라인에 설정된 전압 정재파에 적용됩니다. 전압 정상파를 감지하는 것이 더 쉽고, 많은 경우 전압이 장치 고장의 관점에서 더 중요하기 때문에 VSWR이라는 용어는 특히 RF(무선 주파수) 설계 영역에서 자주 사용됩니다.

VSWR = 1 + √ (Pr / Pf) / 1 – √ (Pr / Pf)
여기서 Pr = 반사 전력, Pf = 순방향 전력

SWR 값에 따른 반사계수, 반사손실, 투과손실, 송신출력 중 방사하는 비율을 환산하면 아래 표와 같습니다.
아래 표에서 SWR값이 1.5이면 4%정도의 손실이 일어나고 96%정도가 실제 송출된다는 것을 알 수 있습니다.

정재파비 SWR	반사 계수 \|&\|	반사 손실 LR(dB)	투과 손실 LT(%)	전체 송신출력 중 방사하는 비율(%)
1	0	&	0	100
1.05	0.02	32.26	0.06	99.94
1.1	0.05	26.44	0.23	99.77
1.15	0.07	23.13	0.49	99.51
1.2	0.09	20.83	0.83	99.17
1.25	0.11	19.09	1.23	98.77
1.3	0.13	17.69	1.7	98.3
1.35	0.15	16.54	2.22	97.78
1.4	0.17	15.56	2.78	97.22
1.45	0.18	14.72	3.37	96.63
1.5	0.2	13.98	4	96
1.6	0.23	12.74	5.33	94.67
1.7	0.26	11.73	6.72	93.28
1.8	0.29	10.88	8.16	91.84
1.9	0.31	10.16	9.63	90.37
2	0.33	9.54	11.11	88.89
2.1	0.35	9	12.6	87.4
2.2	0.38	8.52	14.06	85.94
2.3	0.39	8.09	15.52	84.48
2.4	0.41	7.71	16.96	83.04
2.5	0.43	7.36	18.36	81.64
3	0.5	6.02	25	75
3.5	0.56	5.11	30.86	69.14
4	0.6	4.44	36	64
4.5	0.64	3.93	40.5	59.5
5	0.67	3.52	44.45	55.55
6	0.71	2.92	51.01	48.99
7	0.75	2.5	56.25	43.75
8	0.78	2.18	60.5	39.5
9	0.8	1.94	64	36
10	0.81	1.74	66.39	33.61
&	1	0	100	0

임피던스 매칭

임피던스는 저항(R)과 비슷하지만 주파수까지 고려한 값으로 "교류회로에서 (전압÷전류)"이며, 단위는 옴(Ω)으로 표시합니다. 아마추어무선에서는 많은 부품들(트랜시버, 동축케이블, 안테나, 동축절환기, 듀플렉서, 커넥터 등)이 모두 50Ω으로 제작되어, 같은 임피던스를 가진 부품끼리 접속시켜 공간에 전파를 효율적으로 발사할 수 있게 합니다.

무전기의 임피던스(Z_s), 동축케이블의 임피던스(Z₀), 안테나의 임피던스(Z_L)이 같도록 맞추는 것이 임피던스 매칭인데, 안테나를 만들때에는 이 세 값을 적절히 맞춰서 반사되는 전력이 없도록 하는 것이 좋습니다. 만약 무전기와 안테나의 임피던스가 다르면 손실이 많아지고 SWR 값이 증가합니다.

지향성에 대해

안테나로 전파를 발사할 때, 특정 방향으로 전파를 더 강하게 송신(또는 수신)하는 특성을 안테나의 지향성이라고 말합니다. 안테나가 지향성을 갖게 하면 원하는 방향으로 더 멀리, 더 강하게 전파를 보낼 수 있게 됩니다. 어떤 안테나든지 지향성을 가지고 있습니다. 예를 들어 다이폴(Dipole) 안테나는 안테나선의 앞 뒤 양방향으로 지향성을 가지며, 야기 안테나는 Director가 있는 방향으로 지향성을 가집니다(아래 안테나의 종류 그림 참조). 전파를 어떤 특정한 방향으로 강하게 송출/수신하고 싶으면 지향성이 높은 안테나를 사용하면 됩니다. 지향성을 만드는 방법으로는 ①Yagi 안테나처럼 많은 엘리먼트를 사용하여 지향성을 만들거나 ②Whip 안테나의 중간에 코일을 넣어(안테나의 길이를 길게 해서) 지향성을 만드는 것 외에도 여러가지 방법이 있습니다.