안테나 제작

아마추어 무선의 묘미 중 하나는 안테나를 스스로 만들어 볼 수 있다는 점입니다. 성능이 보장된 기성 안테나를 구입하여 사용하는 것도 좋지만, 실험을 통해 자신만의 안테나를 만들어 보는 것도 제법 재미있습니다.

안테나를 제작하기 위해서는 먼저 자신이 사용하고자 하는 통신 주파수(HF, VHF, UHF)를 결정하고, 단일밴드 안테나 또는 멀티밴드 안테나로 할지 결정하고, 운용장소 및 주변환경을 고려하여 가장 알맞는 안테나가 무엇인지 결정하는 것이 필요합니다. 이동운용에 사용할 안테나의 경우에는 휴대가 간편한지, 설치 및 철수가 용이한가 등도 고려해야 합니다.

예를 들어 SOTA의 경우, VHF/UHF통신의 경우 Yagi안테나나 GP안테나를 많이 사용하고, HF의 경우 Dipole 안테나, End fed 안테나, Random Wire 안테나를 많이 사용합니다.

안테나를 제작할 때는 설계시 이론적으로 정확한 값을 뽑아내더라도 실제 필드에서는 다양한 변수가 있으므로, 테스트 하는 과정을 반복함으로써 최적의 임피던스 매칭을 이루는 조건을 찾아낼 필요가 있습니다.

다이폴 안테나(Dipole Antenna) 제작

다이폴 안테나는 구조가 간단하면서도 이득이 높은 안테나입니다. 엘리먼트 역할을 하는 와이어, 발룬, 애자로 구성됩니다. 대부분 단파(HF) 대역 통신에 사용됩니다.

🔹엘리먼트: 안테나에서 실제로 전파를 송신하거나 수신하는 부분을 엘리먼트라고 합니다. 안테나의 실질적인 부분이며 전기가 잘 통하는 도체로 이루어져 있습니다. 직경 2mm 정도의 전선(여유가 있으면 테프론 전선을 쓰면 좋음)이 쓰입니다.
🔹애자: 재질은 절연체(사기, 프라스틱)로 전선의 종단에 위치하며 끈으로 주변 지장물에 연결합니다.
🔹발룬: 엘리먼트와 동축케이블간 차이가 나는 임피던스의 매칭을 위해 사용합니다. 보통 1:1발룬을 사용합니다.

엘리먼트엘리먼트(element) 길이의 결정

안테나(엘리먼트)의 길이는 어떻게 결정되는지 알아보겠습니다. 아래 그림처럼 1파장에 해당하는 길이에서는 아래 위로 두 번 공진이 이루어지므로 1/2 지점의 길이만 확보하면 됩니다. 다이폴 안테나의 경우 그림 같이 원하는 주파수의 1/2에 해당하는 전체길이를 가지며, 한쪽이 절반인 1/4파장에 해당하는 길이를 가집니다.

하지만 현실에서는 전자파가 공간이자유공간이 아닌 엘리먼트를 진행할 때 속도가 달라지므로 1파장에 해당하는 길이가 그보다 좀 짧은 길이를 가지게 되는데 이때 줄어드는 비율을 단축율이라고단축율(Velocity Factor, 보통 0.95~0.97)이라고 합니다.

참고로 경험치에 의한 밴드별 단축율 표는 아래와 같습니다.

그럼 실제 주파수에 따른 엘리먼트 길이를 구해보겠습니다. 7MHz 밴드를 사용하는 다이폴 안테나의 엘리먼트 길이를 구하는 예입니다.

다이폴 안테나 엘리먼트 길이 계산해주는 사이트

아래 사이트에 가면 다이폴 안테나의 엘리먼트 길이를 구할 수 있습니다. 원하는 형태를 선택하고, 목표 주파수를 적고, 단위를 미터로 바꾼 뒤 계산하면 아래 그림처럼 한쪽 엘리먼트 길이와 다이폴 전체 길이를 구해줍니다.

Half-wave Dipole Antenna Calculator

아래는 또 다른 다이폴 계산기입니다.

Dipole Calculator

엘리먼트 길이의 조절

실제로 안테나를 설치해보면 위에서 구한 엘리먼트 길이가 주변 여건으로 인해 해당 주파수에 맞아 떨어지지 않는 경우가 발생합니다. 이때에는 SWR값을 측정하여 원하는 목표주파수에 송수신 효율이 가장 좋은 지점(SWR 값이 최소인 지점)이 위치하도록 엘리먼트 길이를 줄이거나 늘려줍니다. SWR 값이 최소가 되는 지점의 주파수가 목표한 주파수보다 낮을 경우 엘리먼트를 짧게 조절하면 되고, 반대의 경우에는 추가로 전선을 연결하여 엘리먼트 길이를 늘려주면 됩니다. 한꺼번에 줄이거나 늘이기 보다는 상태를 보면서 조금씩 조절해나가는게 좋습니다.

이때 SWR값을 시각적으로 확인하기 위해 NanoVNA같은 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer)를 사용하면 좋습니다.

발룬 사용에 대해

다이폴 안테나에 발룬을 설치하는 목적은 엘리먼트와 동축케이블 사이의 임피던스가 서로 다르므로 이를 평형하게 맞추는 역할을 합니다. 원래대로라면 엘리먼트의 임피던스가 75Ω이고 동축케이블의 임피던스가 50Ω이므로 75Ω:50Ω 비율을 가지는 발룬을 써야하지만, 실제 안테나를 설치하는 높이가 2λ이하인 경우 엘리먼트에 걸리는 임피던스는 75Ω보다 낮은 값을 가지며 50Ω에 가깝게 됩니다. 그래서 1:1발룬(50Ω:50Ω)을 사용하게 되며, 이론상 당초 SWR=70Ω÷50Ω=1.5여야 하지만 실제 SWR은 그보다 낮아지게 됩니다.

발룬을 사용하지 않으면 동축케이블에도 전파가 흐르는 현상이 일어나서 SWR 값이 변하고, 텔레비전이나 라디오에 영향을 주는 장해전파인 TVI, BCI가 발생하기도 합니다. 심한 경우 무전기에까지 전류가 흐르게 되서 감전의 위험이 생깁니다.

발룬과 언운에 대한 이해

Balun과 UnUn이라는 장치를 사용하면 안테나와 무전기 간의 임피던스 불일치를 해결하여 안테나의 효율성을 향상시키고 잡음 및 간섭을 줄일 수 있습니다. Balun과 UnUn은 "고주파 신호 전송에 최적화된 트랜스포머"로 주로 안테나 설치 및 구성을 위해 사용됩니다.  

Balun과 UnUn은 안테나와 송신기/수신기 간의 인퍼페이스에서인터페이스에서 발생하는 전기적 문제를 해결하기 위해 사용되는 전자기기입니다.전자기기인데, 페라이트 코어에 권선을 감아서 만듭니다.

같은 페라이트 코어라도 권선을 감는 형태에 따라 Balun과 UnUn이 나뉘게 됩니다. 다이폴 안테나에서는 1:1 Balun을 쓰는데, 다른 종류의 안테나에서는 9:1 UnUn, 49:1 UnUn 등의 UnUn이라는 것을 사용합니다. 

• RF(무선 주파수) 통신 및 안테나 시스템에서 사용하는 Balun(바룬)과 Unun(언언)은 모두 임피던스 비율을 바꾸지 않고 신호를 전달하는 장치이지만, 연결하려는 소스(무전기)와 부하(안테나)의 평형(Balance) 상태에 따라 용도가 완전히 달라집니다.
• 단순한 구분으로는 안테나의 구조가 대칭형일 경우 Balanced(평형)으로 보고, 비대칭형일 경우 Unbalanced(불평형)으로 보면 됩니다.
• Balanced 안테나든지, Unbalanced 안테나든지 모든 안테나는 무전기와 연결해야 하는데, 대부분의 무전기는 Unbalanced 형태의 출력을 가집니다. 그러면 무전기와 안테나를 연결할 때 Balanced 안테나 - Unbalanced 무전기를 연결해야 할 경우와, UnBalanced 안테나 - Unbalanced 무전기를 연결하는 경우가 생깁니다. 이때 전자의 경우를 서로 연결하는데 필요한게 Balun(Balanced to Unbalanced)이고, 후자의 경우를 서로 연결하는게 UnUn(Unbalanced to Unbalanced)입니다. 

Balun과 UnUn의 종류별 형태는 아래 그림과 같습니다.

<그림> 발룬과 언운의 구조, 출처: The ARRL Handbook for Radio Communications 2022, Chapter 20.의 그림 20.22

Balun은 balanced to unbalanced의 약자로, 안테나의 balanced 신호를 unbalanced 신호로 변환하는 장치입니다. 일반적으로 안테나에서 사용되는 balanced 신호는 평행선 케이블, 트랩 안테나 또는 다른다이폴 안테나와 같은 balanced 안테나에서 생성됩니다. 그러나 대부분의 송수신기는 unbalanced 출력을 가지므로 안테나와 연결하기 위해서는 balanced 신호를 unbalanced 신호로 변환해야 합니다. 이때 Balun을 사용하면 안테나의 신호를 적절하게 변환하여 송수신기와 연결할 수 있습니다.

🔹1:1 Balun (Balanced to Unbalanced)
Balun은 '평형(Balanced)'과 '불평형(Unbalanced)'의 합성어입니다. 1:1 바룬은 임피던스는 그대로 유지하면서 신호의 형태만 변환해 줍니다.
- 주요 기능: 불평형 신호(예: 동축 케이블)를 평형 신호(예: 다이폴 안테나)로 변환합니다.
- 핵심 역할: 동축 케이블의 외부 도체(Shield)로 흐르는 동상 전류(Common Mode Current)를 차단하여, 케이블 자체가 안테나처럼 작동해 발생하는 전파 방해(RFI)나 수신 노이즈를 억제합니다.

🔹1:1 Balun을 사용하는 경우
- 다이폴(Dipole) 안테나 연결: 안테나 양팔의 길이가 같은 평형 구조에 불평형인 동축 케이블을 직접 연결할 때 사용합니다.
- 야기(Yagi) 안테나: 평형 급전부(Driven Element)에 동축 케이블을 연결할 때 필수적입니다.
- TV/라디오 수신: 평형인 리본선(300Ω)을 불평형인 동축 케이블(75Ω)로 바꿀 때도 쓰이지만, 이때는 보통 4:1 바룬을 더 많이 씁니다. (1:1은 임피던스가 이미 맞을 때 사용)

UnUn은 unbalanced to unbalanced의 약자로, 안테나에서 생성된 unbalanced 신호를 다른 unbalanced 신호로 변환하는 장치입니다. 안테나에서 생성된 unbalanced 신호는 대부분 단일 광섬유 케이블, 도선 안테나 또는 마그네틱 루프 안테나에서 생성됩니다. 이러한 신호는 일반적으로 송수신기와 동일한 unbalanced 출력을 가지므로 UnUn을 사용하여 안테나에서 생성된 신호를 다른 unbalanced 신호로 변환하여 송수신기와 연결할 수 있습니다.

Balun과🔹1:1 UnUn은Unun 안테나와(Unbalanced 송수신기to 간의Unbalanced)
Unun은 '불평형(Unbalanced)'과 '불평형(Unbalanced)'의 합성어입니다. 양쪽이 모두 불평형인 상태에서 중간에 위치합니다.
- 주요 기능: 불평형 소스와 불평형 부하를 연결합니다.
- 핵심 역할: 주로 라인 아이솔레이터(Line Isolator) 또는 공통 모드 초크(Common Mode Choke) 역할을 합니다. 안테나에서 타고 내려오는 노이즈가 동축 케이블 외피를 타고 무전기나 수신기로 들어오는 것을 물리적으로 방해합니다.

🔹1:1 Unun을 사용하는 경우
- 수직(Vertical) 안테나: 안테나 자체가 불평형 구조일 때, 급전점에서 노이즈를 차단하기 위해 사용합니다.
- 엔드 페드(End-fed) 안테나: 불평형인 긴 와이어 안테나를 동축 케이블에 연결할 때 임피던스 불일치를매칭 해결하여장치 안테나의뒤에 효율성을추가하여 향상시키고동상 잡음전류를 잡습니다.
- 접지 루프 방지: 샤시 접지나 대지 접지 사이의 전위차로 발생하는 노이즈를 억제하고 싶을 때 동축 케이블 중간에 삽입합니다.

예를 들어 1:1 Balun과 1:1 UnUn의 차이점은 아래와 같습니다.

🔹어떤 때 1:1 Balun을 쓰고 어떤 때 1:1 UnUn을 쓰는지 판단하려면
<그림>- 발룬과다이폴처럼 언운의양쪽이 구조,대칭인 출처:안테나를 The설치한다면? ARRL1:1 HandbookBalun을 for선택하세요.
- Radio수직 Communications안테나나 2022,한쪽 Chapter끝에서 20.의급전하는 그림안테나를 20.22쓰는데, 케이블을 타고 노이즈가 들어온다면? 1:1 Unun (혹은 라인 아이솔레이터)을 선택하세요.

다이폴 안테나용 1:1 발룬 제작

다이폴 안테나에 사용할 1:1 발룬은 패라이트 코어에 에나멜선을을 감아서 1:1 발룬을 만들면 됩니다. 출력 용량에 따라 사용하는 페라이트 코어가 달라지는데, Amidon FT240-43 core에 직경 1.2mm 에나멜선을 사용하면 1kW이내의 출력은 감당할 수 있습니다.

애자 연결

다이폴 안테나의 경우에는 엘리먼트 끝에 전압이 최대로 되는 전압점이 있기 때문에 이 부분을 직접 주변 지장물에 연결하면 위험합니다. 따라서 절연체인 애자를 엘리먼트 끝에 달고 애자의 반대쪽에 줄을 달아 지장물에 연결하게 됩니다.

다이폴 안테나의 설치

안테나의 높이는 지면에서 6~8m 이상, 건물과는 최저 3m의 간격을 두고 위치하는 것이 좋습니다. 지상에서 멀리 떨어질 수록 SWR값이 1.5이하로 내려가기 쉽습니다. 다이폴 안테나를 설치할 때 중앙의 분기점을 높이 설치하고 좌우의 애자쪽을 낮게 설치하게 되면 "V"글자를 거꾸로 한 모양으로 안테나가 설치됩니다. 이를 역V 다이폴 안테나라고 하는데 이렇게 하는 이유는 역V자를 이루는 내각의 각도에 따라 SWR값이 더 좋게 변할 수 있기 때문입니다. 

안테나의 길이를 줄이고 싶을 때

다이폴 안테나 처럼 길이가 긴 안테나를 설치하고 싶어도 주변 환경상 안테나 길이가 확보되지 않을 때 고려해볼 수 있는 것이 로딩코일을 이용한 안테나 길이 단축입니다. 로딩코일을 쓰면 낮은 주파수의 안테나의 경우(파장이 긴 경우) 전체적인 엘리먼트 길이가 줄어들므로 쉽게 설치할 수 있게 됩니다. 반면 단점도 존재하는데, SWR 특성이 좋은 주파수 범위가 좁아지며 로딩코일을 많이 감을 수록 송신 출력을 견디는 힘이 낮아져 코일이 고온에 녹아버릴 수도 있습니다. 이를 막기 위해 저항이 적은 굵은 선으로 만들기도 하나 로딩코일로 인해 엘리먼트 무게가 무겁게 되는 불편함이 있습니다. 참고로 로딩코일 대신 콘덴서를 넣으면 전체적으로 엘리먼트 길이를 길게 하는 대신 SWR 특성이 좋은 주파수 범위가 늘어납니다.

멀티밴드 다이폴 안테나

다이폴 안테나에서는 ①여러개의 지선을 뽑아서 방사상 또는 병렬로 배치하여 멀티밴드 안테나를 만들거나 ②중간에 트랩코일을 달아서 멀티벤드를 만드는 방법이 있습니다.

병렬로 배치한 다이폴 안테나	트랩코일을 단 다이폴 안테나

End Fed 안테나(End-Fed Antenna / EFHW)

End Fed 안테나는 코일과 콘덴서로 구성된 LC공진회로를 급전선과 엘리먼트 사이에 두어 임피던스를 매칭시키는 구조의 안테나입니다. End Fed 안테나는 효율이 높고, 특정 밴드에 공진이 잘 되었을 때 튜너 없이 사용 가능합니다.

49:1 UnUn은 사용하고자 하는 주파수의 반파장(½λ) 또는 그 정수배 길이일 때 사용하기에 End Fed 안테나(End-Fed Antenna / EFHW)에 적합합니다.

원리: 와이어의 길이가 사용 주파수의 반파장이 되면, 끝부분의 임피던스는 매우 높아져서 보통 2,500~3,500Ω에 달합니다.

계산: 이때 49:1 UnUn을 사용하면 2,450Ω÷49 = 50Ω으로 변환되어 완벽하게 매칭됩니다.

특징
- 특정 주파수(및 그 배수 주파수)에서 튜너 없이도 낮은 SWR을 얻을 수 있습니다(공진이 잘 되었을 때 튜너 없이 사용 가능)
- 효율이 매우 좋지만, 와이어 길이를 주파수에 맞춰 정밀하게 잘라야 합니다.

7MHz대역의 통신을 하기 위해 9:1 UnUn 1개와 49:1 UnUn 2개를 제작하고, 20m 길이의 엘리먼트를 연결해 안테나를 만들어 보았습니다. 49:1 방식 중 하나는 KN5L OM이 고안한 49:1 UnUn방식으로 만들었고, 다른 하나는 일반적인 방식으로 만들어보았습니다. 각각 어떠한 결과가 나오는지 비교해 보기 바랍니다.

이번에는 3D 프린터로 케이스를 만들어보았습니다. TinkerCAD로 설계하고 Cura 프로그램을 이용해 3D 프린터에서 사용할 파일을 만들었습니다.

출력한 케이스로 조립을 하고 색칠을 한 결과물입니다.

End Fed 안테나 테스트 

실내에서 VNA로 측정을 하고, 야외에 나가 안테나를 설치한 뒤 테스트를 진행했습니다.

형태

실내테스트에서는 가장 좋은 값을 보여줍니다.

SWR이 지수곡선으로 솟아오르는 것을 콘덴서를 붙여 아래로 눌러놓은 상태입니다.

SWR값의 상승을 콘덴서로 일부 억제한 상태입니다.

엘리먼트: 15.5m,
카운터 포이즈:  10m 정도

엘리먼트 길이 20m

150pF 6KV 콘덴서 사용

엘리먼트 길이: 20m

150pF 6KV 콘덴서 사용

야외 측정결과
Test #1

-

-

SWR 최저값을 가지는 주파수가 목표주파수보다 왼쪽에 위치하고 있습니다. 엘리먼트 길이를 좀 줄이면 목표로 하는 주파수로 SWR 최저값이 이동할 겁니다.

전체적으로 매칭이 잘 되었습니다.

7MHz의 배수인 14MHz, 21MHz, 28MHz에 공진점이 형성됨을 알 수 있습니다.

야외 측정결과

Test #2

원하는 목표주파수를 맞추기 위해 엘리먼트 길이를 줄였습니다. 7MHz대역은 좋았지만 나머지 대역의 SWR값이 높았습니다.

7MHz 단일밴드 안테나로 사용 가능합니다.

전체적으로 매칭이 안된 상태입니다. 원인을 찾지 못했습니다.

결과가 가장 좋았습니다.

7MHz의 배수가 되는 주파수 대역에서 사용할 수 있는멀티밴드 안테나가 만들어졌습니다.

결론

원래 9:1 UnUn은 End Fed 안테나에 사용하는게 아니라 Random Wire 안테나에 사용하는게 맞습니다.

야외측정 Test #1

야외에 나가서 안테나를 설치하고 측정을 했습니다. 5m 70cm의 낚시대에 엘리먼트를 매달아서 구릉을 따라 끈 다음 나무줄기에 고정하였습니다.

야외측정 Test #2

야외에 나가서 안테나를 설치하고 측정을 다시 해보았습니다. 안테나를 높게 치지 못하고 선이 늘어져서 SWR 값이 잘 나오지 않았습니다.

랜덤 와이어 안테나(Random wire antenna) 제작

아마추어 무선을 하다보면 단일밴드 뿐 아니라 여러 밴드에서 통신을 하고 싶어집니다. 하나의 엘리먼트를 가지고 여러 주파수를 커버하는 멀티밴드 안테나로 많이 사용하는 것이 랜덤 와이어 안테나입니다. 

랜덤 와이어 안테나는 일반적으로 길이 10m 이상의 전선을 사용하여 만들어지는 안테나입니다. 이 안테나는 임의의 길이를 가진 한 개의 엘리먼트로 여러 주파수 밴드를 사용하게 만들 수 있습니다. 주로 소출력 무선통신(QRP)에서 사용됩니다.

랜덤 와이어 안테나는 위의비교적 그림처럼설치가 안테나자유롭고 튜너에멀티밴드에 직접 연결할 수 있으나, 와이어와 지면 간의 거리, 와이어의 길이 및 높이 등과 같은 여러 요인에 따라 임피던스가 크게 변할 수 있으므로 안테나 매칭을 위해 추가로 UnUn을 사용하기도 합니다.

랜덤 와이어 안테나는유리하며 저비용, 단순성, 이동성 등의 장점이 있습니다. 이는 특히 비상 상황에서 긴급히 무선 통신이 필요한 경우에 유용합니다. 또한, 특정 주파수 대역에서 효율적인 안테나 설치가 가능하기 때문에, 실험적인 목적으로 많이 사용됩니다.

랜덤 와이어 안테나는 위의 그림처럼 안테나 튜너에 직접 연결할 수 있으나, 기본적으로 불평형(Unblanced; 비대칭) 안테나이고, 와이어와 지면 간의 거리, 와이어의 길이 및 높이 등과 같은 여러 요인에 따라 임피던스가 크게 변할 수 있으므로 안테나 매칭을 위해 추가로 UnUn을 사용하는게 좋습니다. 이때 주로 사용하는 UnUn은 주로 9:1 UnUn을 사용합니다. 다만 안테나 엘리먼트 길이를 충분히 확보하기 어려운 상황에서는 4:1 UnUn이나 5:1 UnUn을 사용하기도 합니다.

랜덤 와이어 안테나는 그 자체로 이상적인 SWR값을 가지기 어러우므로 안테나 튜너(ATU)가 필수적입니다. 예를 들어 9:1 UNUN은 임피던스를 리시버가 감당할 수 있는 범위(약 450Ω → 50Ω)로 낮춰주는 역할만 합니다. 완벽한 매칭을 위해서는 무전기 내장 튜너나 외장 ATU를 함께 사용해야 합니다.

그리고 9:1 UnUn과 안테나 튜너 사이에 1:1 UnUn를 사용하기도 하는데, 이는 동축 케이블의 외부 도체(Shield)로 흐르는 동상 전류(Common Mode Current)를 차단하여,케이블 자체가 안테나처럼 작동해 발생하는 전파 방해(RFI)나 수신 노이즈를 억제하려는 목적입니다. 

랜덤 와이어 안테나의 길이 결정

랜덤 와이어 안테나의 길이는 각 주파수별 공진점에 해당하는 길이를 피해서 설치해야 좋은 성능을 발휘합니다.
예를 들어 1/2파장, 1/4파장에 해당하는 길이를 가지게 되면 안테나의 임피던스가 너무 높게 걸립니다.

길이가 특정 주파수의 반파장에 해당하면 임피던스가 수천 옴(Ω) 이상으로 치솟아 9:1 UNUN으로도 정합이 어려워지기 때문입니다.

9:1 UNUN(Unbalanced-to-Unbalanced) 트랜스포머를 이용한 랜덤 와이어 안테나 제작 시 가장 중요한 점은, 사용하고자 하는 모든 밴드에서 '반파장(½λ)의 정수배'가 되지 않는 길이를 선택하는 것입니다.

아래 그림에서 빨간색으로 보이는 부분이 공진점에 해당하는 길이입니다. 이 빨간색에 해당하는 길이를 제외한 길이(흰색에 해당하는 길이)로 설치하시면 됩니다.

#!/usr/bin/env python

'''
This is a simple program that uses 468/f at all band edges of interest.  Red
boxes are drawn from edge to edge indicating spans of resonance for
particular frequencies.  At resonant frequnecy highest voltage is at the end
of an end fed and difficult to match.  If you have a modest antenna tuner,
avoid these areas.  If you have a capable tuner, -use- these areas since
signal is strongest.

Bands must be in: 160,80,60,40,30,20,17,15,12,10,6 m

Usage example up to half wavelength:
  endfed.py 40 20 15 10

Usage example up to full wavelength:
  endfed.py -f 40 20 15 10

or to generate the same in meters:
  endfed.py -m 40 20 15 10

and a graph pops up.  Red areas indicate highest voltage at end of wire.
Mouse cursor can be moved on image to read values.  Image can also be saved
as a png.

Mike Markowski, ab3ap
mike.ab3ap@gmail.com
March 2024
'''

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import os
import sys

# USA band edges.  You might want to adjust to CW-only edges.
hamBands_MHz={
    160:np.array([1.8,     2]),
     80:np.array([3.5,     4]),
     60:np.array([5.335,   5.405]),
     40:np.array([7,       7.3]),
     30:np.array([10.1,   10.15]),
     20:np.array([14,     14.35]),
     17:np.array([18.068, 18.168]),
     15:np.array([21,     21.45]),
     12:np.array([24.89,  24.99]),
     10:np.array([28,     29.7]),
      6:np.array([50,     54])
}

def cli(argv):
    '''Pull band values from command line.  Values are sorted in reverse
    order and for each band its low and high frequency edges are returned.

    Input:
      string[]: command line arguments.
    Output:
      [float[]]: list of 2-elt numpy arrays of band edge min, max in MHz.
    '''
    prog = os.path.basename(argv[0])
    argv = argv[1:]
    fullwave = metric = False
    bands = []
    i = 0
    while i < len(argv):
        if argv[i] == '-f':
            fullwave = True
        elif argv[i] == '-m':
            metric = True
        else:
            try:
                b = int(argv[i])
            except ValueError:
                usage(prog)
            bands.append(b)
        i += 1
    bands.sort(reverse=True)
    if len(bands) == 0:
        usage(prog)
    return prog, bands, metric, fullwave

def edges_MHz(prog, bands_MHz):
    e_MHz = []
    for b in bands_MHz:
        if b in [160,80,60,40,30,20,17,15,12,10,6]:
            e_MHz.append(hamBands_MHz[b])
        else:
            usage(prog)
    return e_MHz

def graph(title, edges_ft, metric, lenQtr_ft):
    '''Plot a red box for each span of resonant frequencies.
    '''
    plt.figure(figsize=(8, 1.25), dpi=120)
    plt.title(title, fontsize=10)
    plt.xlabel('Wire Length (%s)' % ('m' if metric else 'ft'))
    plt.yticks([]) # Don't label y axis.
    plt.ylim(0,1)  # Arbitrary values.
    plt.grid(True)

    if metric:
        lenQtr_ft *= 12/39.37 # Feet to meters.

    xMax = 0
    for e in edges_ft:
        if metric:
            e *= 12/39.37 # Feet to meters.
        plt.fill([e[0],e[0],e[1],e[1]], [0,1,1,0], 'r')
        xMax = max(xMax, e[1])
    plt.xlim(lenQtr_ft,xMax)
    plt.tight_layout()
    plt.show()

def high_V(band_MHz, lenMax_ft):
    '''Resonant frequencies have highest voltages at ends of antennas.
    Input:
      band_kHz (float[]): kHz, np.array of min and max frequencies.
      lenMax_ft (float): ft, length for largest wavelength considered.
    Output:
      [float[]]: list of 2-elt numpy arrays of band edge min, max in MHz.
    '''

    len1_ft, len0_ft = 468/band_MHz # It's all based on this!
    multiples = int(lenMax_ft/len0_ft) # 1/2 wavelengths per lenMax_ft.
    res_ft = np.zeros((multiples, 2)) # Resonant lengths at band edge freqs.
    res_ft[:,0] = (1 + np.arange(multiples))*len0_ft
    res_ft[:,1] = (1 + np.arange(multiples))*len1_ft
    return res_ft

def usage(prog):
    print('Usage: %s [-f] [-m] band...' % prog)
    print('       -f, graph fullwave (halfwave default).')
    print('       -m, metric lengths.')
    print('       band, integer in 160,80,60,40,30,20,17,15,12,10,6 m')
    print('       E.g., %s 40 20 15 10' % prog)
    sys.exit(1)

def main(argv):
    prog, bands_m, metric, fullwave = cli(argv)
    bands_MHz = edges_MHz(prog, bands_m)

    lenQtr_ft = 234/bands_MHz[0][0] # Min length, 1/4 wavelength, required.
    if fullwave:
        lenMax_ft = 2*468/bands_MHz[0][0] # Full wavelength.
    else:
        lenMax_ft = 468/bands_MHz[0][0] # Half wavelength.

    all_ft = [np.array([0, lenQtr_ft])]
    all_ft = []
    for band_MHz in bands_MHz:
        res_ft = high_V(band_MHz, lenMax_ft)
        all_ft.extend(res_ft)
    s = str(bands_m)
    graph('High Voltage Lengths for %s m' % s[1:-1], all_ft, metric, lenQtr_ft)

if __name__ == '__main__':
    main(sys.argv)

다음은 길이를 달리한 랜덤 와이어 안테나가 각 밴드별로 가질 수 있는 SWR 값을 나타낸 것입니다. 엘리먼트 길이가 16.15m인 경우와 37.95m인 경우 거의 모든 밴드에서 SWR값이 좋음을 알 수 있습니다.

이 외에도 많이 사용하는 랜덤 와이어 안테나의 길이는 아래와 같습니다. 

참고로 랜덤 와이어 안테나 길이에 따른 UnUn 조합은 아래와 같습니다.

랜덤 와이어 안테나는 급전부에서 '나머지 반쪽' 역할을 할 접지 또는 카운터포이즈가 필요합니다. 약 5~10m 정도의 와이어를 UNUN의 접지 단자에 연결해 바닥에 늘어뜨리거나, 동축케이블 외피를 통해 고주파가 흐르지 않도록 초크 발룬(Choke Balun)을 추가하는 것이 좋습니다. 카운터포이즈의 권장 길이는 아래와 같습니다

• 9:1 UnUn + 17.7m 와이어 + 카운터포이즈(10m 내외) 가 가장 대중적인 조합
• UnUn만으로 완벽 매칭은 어려우므로 내장 ATU 또는 외부 튜너 병용 권장
• 카운터포이즈(접지선)는 5~10m 1~2가닥을 UnUn 접지단자에 연결하면 효과적

9:1 UnUn을 이용한 랜덤 와이어 안테나 제작

9:1 UnUn은 주로 비공진(Non-resonant) 길이의 와이어를 사용할 때 씁니다.

원리: 특정 주파수에 딱 맞춘 길이(반파장 등)가 아닌 '적당한' 길이의 와이어는 끝단 임피던스가 보통 300Ω~600Ω 정도에서 형성됩니다.

계산: 이때 9:1 UnUn을 사용하면 450Ω÷9 = 50Ω이 되어 무전기와 매칭이 됩니다.

9:1 UnUn 제작

아래 그림 처럼 3개의 권선을 9번 감고, 각 선을 연결해주시면 9:1 UnUn이 만들어집니다. 실제 제작에는 FT140-43 페라이트 코어를 사용했고, 권선은 1.0mm의 에나멜 선을 사용하였습니다.  

케이스는 ICE Brakers 용기를 사용했습니다. 안테나 엘리먼트 길이는 21.6m입니다. 카운터포이즈는 3가닥선을 만들었고, 각각 5m, 6m, 10m 길이를 가집니다. 카운터 포이즈는 안테나 엘리먼트 반대뱡향으로 늘어뜨렸습니다.

1:1 UnUn(Common mode Choke) 제작

1:1 UnUn은 아래 그림처럼 동일한 수만큼 양쪽으로 나눠서 감아주면 됩니다.

9:1 UnUn 랜덤와이어 안테나 테스트

예전에 FT114-43으로 만든 9:1 UnUn을 이번 테스트에 물려보았는데, 결과가 좋지 않았습니다. 분해하고 새로 만들어야겠습니다.

이번에 만든 FT140-43 9:1 UnUn에만 연결 후, 1:1 UnUn은 연결 안한 상태에서, 카운터 포이즈 달고 선을 늘어뜨렸을 때

9:1 UnUn과 1:1 UnUn 연결하고, 카운터포이즈 달고, 카운터 포이즈 선을 늘어뜨렸을때

- 그래프 중간 중간에 튀어올랐던 부분이 부드럽게 떨어진 것을 볼 수 있습니다. 

9:1 UnUn과 1:1 UnUn 연결하고, 카운터포이즈 달고, 카운터 포이즈 선을 말았을 때

- 앞의 결과와 큰 차이는 없었습니다. 

9:1 UnUn과 1:1 UnUn 연결하고,  카운터포이즈 뺐을 때

- 확실히 카운터포이즈가 없으니 SWR 값이 솟아오릅니다. 

9:1 UnUn과 1:1 UnUn 연결하고, 카운터포이즈 달고, 카운터 포이즈 선을 엘리먼트 반대방향으로 늘어뜨렸을 때

- 모든 구성요소를 연결히고 카운터포이즈를 엘리먼트 반대방향으로 늘어뜨렸을 때 가장 좋은 값을 얻을 수 있었습니다. 

5:1 UnUn을 이용한 랜덤 와이어 안테나 제작

다음은 랜덤와이어 안테나에 달아 줄 5:1 UnUn을 제작하는 과정입니다. 참고로 엘리먼트 설치 길이를 충분히 확보하지 못하는 장소에서 사용했고, 엘리먼트 길이는 대략 12.5m정도였습니다. 안테나 길이가 짧기 때문에 5:1 UnUn을 써서 전송효율을 어느정도 확보하였습니다.

선을 연결하기 전 가조립을 해봅니다.

그림에 나온데로 결선을 한 뒤 납땜을 합니다. 이런식으로 납땜면적이 넓은 경우에는 구리관 전체가 달아올라야 납땜이 잘 붙기 때문에 넓은 인두로 가열을 한 뒤 납을 입힙니다.

5:1 UnUn이므로 케이블 연결부가 50옴이면 엘리먼트 접점의 임피던스가 250옴이 될겁니다. 250옴 저항이 없으므로 남아도는 10K옴 가변저항으로 250옴을 맞춥니다.

선 한쪽을 엘리먼트에 다른 한쪽을 그라운드에 연결한 뒤 SWR Analyzer로 측정을 해봅니다.

SWR은 1.3~1.7 사이를 오가는 것을 볼 수 있고 임피던스는 50Ω 전후로 움직이는 것을 볼 수 있습니다.

5:1 UnUn에 안테나 엘리먼트를 연결하여 멀리 나무에 붙잡아 맵니다. 공간 확보가 어려워 이 경우 랜덤 와이어 안테나의 길이는 약 12m 정도가 되었습니다.

Vector Network Analyzer로 계측해본 결과는 아래 사진과 같습니다. 각 주파수 대역별로 1.2~1.8정도의 SWR값을 가지는 것을 볼 수 있습니다.

그 다음으로 그라운드선을 늘어뜨려 접지를 해줍니다. 접지를 하고 나니 SWR수치가 많이 낮아진 것을 알 수 있습니다.

End Fed 안테나 제작

End Fed 안테나는 코일과 콘덴서로 구성된 LC공진회로를 급전선과 엘리먼트 사이에 두어 임피던스를 매칭시키는 구조의 안테나입니다.

7MHz대역의 통신을 하기 위해 9:1 UnUn 1개와 49:1 UnUn 2개를 제작하고, 20m 길이의 엘리먼트를 연결해 안테나를 만들어 보았습니다. 49:1 방식 중 하나는 KN5L OM이 고안한 49:1 UnUn방식으로 만들었고, 다른 하나는 일반적인 방식으로 만들어보았습니다. 각각 어떠한 결과가 나오는지 비교해 보기 바랍니다.

이번에는 3D 프린터로 케이스를 만들어보았습니다. TinkerCAD로 설계하고 Cura 프로그램을 이용해 3D 프린터에서 사용할 파일을 만들었습니다.

출력한 케이스로 조립을 하고 색칠을 한 결과물입니다.

실내에서 VNA로 측정을 하고, 야외에 나가 안테나를 설치한 뒤 테스트를 진행했습니다.

형태

실내테스트에서는 가장 좋은 값을 보여줍니다.

SWR이 지수곡선으로 솟아오르는 것을 콘덴서를 붙여 아래로 눌러놓은 상태입니다.

SWR값의 상승을 콘덴서로 일부 억제한 상태입니다.

엘리먼트: 15.5m,
카운터 포이즈:  10m 정도

엘리먼트 길이 20m

150pF 6KV 콘덴서 사용

엘리먼트 길이: 20m

150pF 6KV 콘덴서 사용

야외 측정결과
Test #1

-

-

SWR 최저값을 가지는 주파수가 목표주파수보다 왼쪽에 위치하고 있습니다. 엘리먼트 길이를 좀 줄이면 목표로 하는 주파수로 SWR 최저값이 이동할 겁니다.

전체적으로 매칭이 잘 되었습니다.

7MHz의 배수인 14MHz, 21MHz, 28MHz에 공진점이 형성됨을 알 수 있습니다.

야외 측정결과

Test #2

원하는 목표주파수를 맞추기 위해 엘리먼트 길이를 줄였습니다. 7MHz대역은 좋았지만 나머지 대역의 SWR값이 높았습니다.

7MHz 단일밴드 안테나로 사용 가능합니다.

전체적으로 매칭이 안된 상태입니다. 원인을 찾지 못했습니다.

결과가 가장 좋았습니다.

7MHz의 배수가 되는 주파수 대역에서 사용할 수 있는멀티밴드 안테나가 만들어졌습니다.

야외측정 Test #1

야외에 나가서 안테나를 설치하고 측정을 했습니다. 5m 70cm의 낚시대에 엘리먼트를 매달아서 구릉을 따라 끈 다음 나무줄기에 고정하였습니다.

야외측정 Test #2

야외에 나가서 안테나를 설치하고 측정을 다시 해보았습니다. 안테나를 높게 치지 못하고 선이 늘어져서 SWR 값이 잘 나오지 않았습니다.

야기(Yagi) 안테나 제작

Yagi 안테나는 직선적인 안테나보다 더욱 긴 거리까지 신호를 전송할 수 있는 안테나 중 하나입니다.

아래 그림에서 왼편부터 차례로 반사기(reflector), 복사기(radiator), 도파기(director)입니다.

반사기(reflector)는 한쪽 방향으로 전파를 방사할 수 있도록 복사기 보다 조금 긴 소자를 사용합니다. 이때 반사기는 파장 λ/2의 길이보다 길게 유도성 임피던스를 갖으므로 복사기에서 발사된 전파를 반사합니다. 반사기는 복사기로부터 보통 λ/4정도 떨어져 위치합니다.

복사기는 방사기, 투사기, 드리븐 엘리먼트라고 부르며 보통 λ/2 길이를 가집니다. 전파는 복사기에서 도파기 쪽으로 지향성을 가지며 방사됩니다.

도파기는 복사기의 앞쪽에 위치하며 도파기의 수가 늘어남에 따라 한 방향으로 더욱 강한 지향성을 보여줍니다.

Yagi 안테나는 다이폴 안테나의 변형으로, 야기 안테나의 급전이 이루어지는 복사기를 보면 다이폴 안테나와 비슷하다는 것을 알 수 있습니다. Yagi 안테나는 안테나 설치와 구성이 간단하며, 비교적 낮은 비용으로 제작할 수 있습니다. 이득을 높이기 위해 여러 개의 Yagi 안테나를 그룹으로 만들어 사용하기도 합니다.

Yagi 안테나를 만드는 방법은 다음과 같습니다.

1. 요소의

엘리먼트(element)의 길이 계산:계산

Yagi 안테나의 길이는 수신하려는 주파수에 따라 달라집니다. 이를 위해 안테나 설계 프로그램이나 Yagi 안테나 계산기를 사용하여 요소의엘리먼트의 길이를 계산합니다.

Yagi 안테나 설계 프로그램 Yagi Calculator

Yagi 안테나 설계 프로그램 YagiCAD

3소자 Yagi 안테나 계산기

야기 안테나 중에는 아래처럼 고유의 방식으로 만든 것도 존재합니다.

DL6WU의 Yagi 안테나계산기

엘리먼트(element) 제작

2. 요소 제작: 안테나 요소는엘리먼트는 대개 금속 막대 또는 굵은 와이어로 제작됩니다. 제작 전에 요소의엘리먼트의 길이와 구성을 정확히 계산해야 합니다.

SOTA에 사용할 용도로 휴대가 간편하도록 금속제 줄자를 써서 만들기도 합니다. 줄자로 Yagi 안테나를 만드는 이유 중 하나는 휴대가 용이하다는 점이 있겠습니다.

금속제 줄자로 만드는 Yagi 안테나: WB2HOL 제작, NT1K 제작

참고: ARDF 대회용 야기 만들기

3.

안테나 구성:구성

각 요소를엘리먼트를 연결하는 붐(Boom)대를 만들고 각 요소를엘리먼트를 결합합니다. 각 요소의엘리먼트의 갯수를 기준으로 3소자(반사기, 복사기, 도파기 각 1개), 5소자(반사기 1개, 복사기 1개, 도파기 3개) 등으로 부르는데 3소자의 경우에 복사기는 붐(Boom)대의 중심에 위치해야 하며, 반사기 요소는엘리먼트는 붐(Boom)대의 한쪽 끝에 위치하고 도파기는 복사기 다음에 추가됩니다. 급전선은 복사기에만 연결합니다. 일반적으로 Yagi 안테나에는 발룬을 사용할 필요가 없지만, 소자수가 늘어나면 급전점의 임피던스가 기본 임피던스인 75Ω보다 아래로 떨어질 경우가 생깁니다. 이를 매칭시키기 위해 4:1 Step Down balun을 사용하기도 합니다.

3소자 Yagi 안테나 예시	5소자 Yagi 안테나 예시

4.

급전선 연결 및 안테나 테스트:테스트

안테나를 만든 뒤 실제로 작동하는지 확인해야 합니다. SWR Analyzer를 이용하여 성능을 측정해 봅니다.

화분 안테나 제작

VHF와 UHF를 동시에 사용할 수 있는, GP안테나의 일종인 플러워 팟 안테나는 쉬운 제작방법과 뛰어난 성능으로 많은 아마추어 무선사들이 자체 제작하는 안테나입니다. 특별히 VK2ZOI가 만드는 듀얼밴드 반파 화분 안테나(Dual Band Half-Wave Flower Pot Antenna)가 유명합니다. 안테나 제작 방법은 아래 링크를 확인하면 됩니다.

<그림>듀얼밴드 반파 화분 안테나 구조도, 출처: VK2ZOI 홈페이지

듀얼밴드 반파 화분 안테나: VK2ZOI 제작

J폴 안테나와 Slim Jim 안테나 제작

VHF 또는 UHF용 안테나로 J-pole안테나와 Slim Jim안테나가 있는데, 만들기 쉬운 형태입니다. J-pole은 수직편파를 발생시키는 안테나인데, 일반 GP안테나보다 복사효율이 50%정도 더 낫다고 합니다. Slim Jim안테나는 일종의 역 J-pole안테나로, J-pole 안테나와 달리 수평으로 전파를 방사합니다. 극장애물이 많은 환경에서도 높은 성능을 발휘합니다. 임피던스는 50Ω이므로 바로 Balanced Feed Point에 바로 전송선을 납땜해서 사용하면 됩니다. 알루미늄이나 구리, 또는 일반 전선으로 만들어도 됩니다.

J폴 안테나 계산기