야기 안테나
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1. 개요
야기 안테나는 1926년 일본의 우다 신타로가 야기 히데츠구의 지도를 받아 발명한 안테나이다. 제2차 세계 대전 중 레이더에 처음으로 널리 사용되었으며, 전후에는 텔레비전 방송의 VHF 및 UHF 수신용 안테나로 개발되었다. 야기-우다 안테나는 구동 소자, 반사기, 지향기로 구성되며, 소자 간의 간섭 현상을 이용하여 특정 방향으로 전파를 집중시키는 지향성을 갖는다. 한국에서는 텔레비전 방송 수신, 아마추어 무선 등 다양한 분야에서 활용되며, 5G 이동통신 등 새로운 기술에도 활용 가능성이 논의되고 있다.
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| 야기 안테나 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 방향성 안테나 |
| 발명가 | 야기 히데쓰구 우다 신타로 |
| 발명 년도 | 1926년 |
| 기술 정보 | |
| 주파수 범위 | VHF, UHF |
| 이득 | 일반적으로 3-20 dBi |
| 임피던스 | 50 옴 (일반적) |
| 편파 | 선형 |
| 구성 요소 | |
| 다이폴 | 일반적으로 접힌 다이폴 또는 루프 |
| 반사기 | 1개 |
| 도파기 | 여러 개 |
| 특징 | |
| 지향성 | 높음 |
| 대역폭 | 좁음 |
| 적용 분야 | 텔레비전 수신 무선 통신 레이더 |
2. 역사
야기 안테나는 1926년 일본 도호쿠 대학의 우다 신타로가 발명했으며, 야기 히데쓰구는 부차적인 역할을 했다.[5][6][7] 야기가 우다의 사전 발표를 바탕으로 흡수 현상의 원리를 개발했기 때문에 '야기'라는 이름이 더 널리 알려지게 되었다.[8] 야기는 우다의 이름을 제외하고 새로운 아이디어에 대한 특허를 일본에 출원한 후, 이 특허를 마르코니 회사에 양도했다.[9] 미국에서는 이 특허가 RCA로 이전되었다.[24]
제2차 세계 대전 동안 야기 안테나는 일본, 독일, 영국, 미국에서 레이더 시스템에 처음으로 널리 사용되었다.[7] 전쟁 후에는 가정용 텔레비전 안테나로 광범위하게 개발되었다.
제2차 세계 대전 이후, 텔레비전 방송의 출현으로 야기-우다 안테나는 VHF 대역(및 나중에 UHF 텔레비전)에서 지붕 텔레비전 수신에 광범위하게 사용되었으며, FM 방송 안테나로도 주변 지역에서 사용되었다.[24] 야기 안테나는 1995년에 IEEE 마일스톤으로 지정되었다.[24]
2. 1. 발명과 초기 발전
야기 안테나는 1926년 일본 도호쿠 대학의 우다 신타로가 발명했으며, 야기 히데쓰구는 부차적인 역할을 했다.[5][6][7] 야기 히데쓰구의 이름이 더 널리 알려지게 된 이유는, 그가 우다의 사전 발표를 바탕으로[5] 흡수 현상의 원리를 개발했기 때문으로 보인다.[8] 야기는 우다의 이름을 제외하고 새로운 아이디어에 대한 특허를 일본에 출원한 후, 이 특허를 마르코니 회사에 양도했다.[9]발명의 발단은 당시 야기와 우다가 소속된 도호쿠 제국 대학 공학부 전기공학과에서 진행되던 실험이었다. 1924년, 야기의 지도 하에 졸업 연구 중이던 학생 니시무라 유지는 전자기파 속에 여러 종류의 코일을 놓고 그 근방의 전자기파 강도를 측정하는 실험을 했다. 그러던 중 조건에 따라 전류계 바늘이 이상하게 흔들리는 것을 발견했다. 니시무라가 졸업한 후, 야기와 조수가 이 원인을 탐구하는 과정에서 코일을 금속 막대로 바꾸고 전자기파가 오는 방향에 놓아보았다. 그러자 이상한 흔들림은 그 금속 막대의 길이와 관계가 있다는 것을 밝혀냈다.
1925년 9월, 야기는 이러한 결과와 그 원리를 니시무라의 논문에 덧붙이는 형식으로 발표했다. 여기서 이 안테나의 기본 원리가 발견되었고,[29][30][31] 이후 야기의 원리적 해명 및 발전 지도 하에 니시무라의 동급생으로 대학원에서 연구를 계속하던 우다의 주도적인 실험을 통해 자세한 해명이 진행되었다.[32]
이러한 원리를 발전시켜 정리한 것을 같은 해 12월 야기가 특허로 출원했다. 이와는 별도로 우다도 결과를 발표했으며, 이듬해 1월 두 사람의 공동 명의로 학사원 기사에 영문으로 논문을 발표했다. 1926년 3월, 『전기 학회』지에 제1보고부터 제11보고에 걸쳐 정리된 결과가 발표되었다. 또한, 야기 단독 명의로 영국에서 특허를 취득한 후, 그 권리를 마르코니 회사에 양도했다.[33]
우다는 야기-우다 안테나의 기본 원리 발명 후, 그 실용화를 목표로 국내 근처 각지에 직접 찾아가 의욕적인 실험을 계속했다.[34] 1929년에는 야기-우다 안테나를 사용한 UHF 송수신기로 센다이-오타카모리(마츠시마) 간(약 20km)의 통신에 성공했다. 다음 해에는 벨기에의 리에주에서 개최된 산업과학 만국 박람회에 출품되었다.[35][36][37] 1932년 5월, 우다는 초단파장 전파 연구를 인정받아 제국학사원으로부터 "오사카 마이니치 신문·도쿄 니치니치 신문 기부 도구 미성혼 기념상"을 수상했다.[38] 같은 해 7월에는 사카타·도비시마(약 40km의 낙도) 간의 초단파 통신에 성공했고, 1933년에는 체신성이 일본 최초의 초단파 공중 전화 회선을 사카타·도비시마 간에 개설했다.
이 업적에 대해, 도비시마 관계자의 추천으로 우다는 제1회 가호쿠 문화상을 수상했다.[39][40]
지향성 단파 안테나의 구성과 동작 원리가 새롭게 고안된 것은[59] 야기에 의한 특허로, 이는 야기의 출원에 의해 1926년에 특허권을 얻었다[60]고 알려져 있다. 그러나 이 야기 특허의 명칭은 "전파 지향 방식"[61]이었으며, 위에 언급된 기본 원리라고 할 수 없는 내용의 특허였다. 1924년에 강사로 취임하여 야기 교수의 연구반에서 연구 보조원이 된 우다 신타로가 다수의 도체봉을 배열하여 구성한 단파장 안테나의 방사 지향성 측정을 통해 "단파장 빔"을 발생시키는 배열 방법을 실험적으로 확인했고,[62] 야기 교수와 우다 강사는 투사기의 전후에 도파기와 반사기를 배치했을 때의 효과를 밝혀냈다.[63] 이러한 연구 성과를 야기 교수가 영문으로 정리하여,[64][65] 1926년에 야기·우다 공동 명의의 논문으로 발표했다.[66] 이 내용이 야기 특허[67] "전파 지향 방식"이 된 것이다. 게다가 1925년에 출원된 이 특허는 야기 단독 명의로, 발명자 명단에서 우다를 제외하고 우다가 모르는 사이에 이루어졌다는 사실이 기록에 남아 있다.[68][69]
야기·우다 공동 명의의 영문 논문 전후에 일본어로 발표된 "단파장 빔에 대하여"[70][71] 일련의 논문(예고를 포함하여 총 12편)은 야기가 전기 학회에 원고를 제출하는 것을 중단하고, 젊은이들에게 발표 기회를 주었기 때문에 모두 우다 단독 명의였다. 이러한 상황에도 불구하고 국내외 특허 출원이 야기 단독 명의로 출원되었기 때문에,[72] 일본 국외의 사람들에게는 "Yagi antenna"(야기 안테나)로 알려지게 되었다.
2. 2. 제2차 세계 대전과 군사적 이용
야기 안테나는 단순함과 지향성 덕분에 제2차 세계 대전 동안 공중 레이더에 처음으로 널리 사용되었다.[17][18] 일본에서 발명되었음에도 불구하고, 많은 일본 레이더 기술자들은 전쟁 말기까지 이 설계를 알지 못했는데, 이는 육군과 해군 간의 경쟁 때문이었다. 일본 군 당국은 싱가포르 전투 이후 "야기 안테나"를 언급한 영국 레이더 기술자의 메모를 입수한 후에야 이 기술을 처음 알게 되었는데, 정보 장교들은 "야기"가 일본 이름이라는 것조차 인식하지 못했다.[19][20][21]
수평 편파 배열은 해상 순찰이나 야간 전투에 참여하는 여러 종류의 제2차 세계 대전 항공기에서 볼 수 있었다. 예를 들어 그루먼 TBF 어벤저 함재 미 해군 항공기, 컨솔리데이티드 PBY 카탈리나 장거리 순찰 수상기, P-61 측면과 많은 제2차 세계 대전 항공기의 노즈 콘 등에서 찾아볼 수 있다. 특히 독일 융커스 Ju 88R-1 전투 폭격기의 리히텐슈타인 레이더 장착 예시와 영국 브리스톨 보파이터 야간 전투기 및 숏 선더랜드 비행정에서 두드러졌다. 숏 선더랜드는 코와 꼬리, 선체 상단에 많은 안테나 소자가 배치되어 독일 공군 조종사들에게 "나는 고슴도치"라는 별명을 얻기도 했다.[22]
1942년 일본군이 싱가포르 전투에서 영국의 식민지였던 싱가포르를 점령했을 때, 일본군 기술 장교가 노획한 영국군 레이더 기술 문서에서 "YAGI"라는 단어를 해독하지 못했다는 일화가 있다. "뉴먼 문서"라고 불리는 이 기술서에는 "YAGI"라는 단어가 자주 등장했지만, 그 의미는 물론이고 읽는 방법조차 알 수 없었다. 결국 포로로 잡힌 영국군 병사에게 질문한 결과, "YAGI"가 이 안테나를 발명한 일본인의 이름이라는 것을 알고 놀랐다고 한다.[45][46][47]
일본군의 야기-우다 안테나 도입 지연은 반사기 설계 기술 부족이 가장 큰 문제였다. 일본군은 싱가포르 전투 후 즉시 야기 안테나 연구 개발에 착수했지만, 안테나 후방으로 강력한 전파가 발사되는 현상인 백 로브 문제가 해결되지 않았다. 이를 해결하기 위해 야기-우다 안테나 후방에 금속망을 설치하여 반사기 대신 사용했지만, 충분한 성능을 얻을 수 없었다.[49][50]
제2차 세계 대전 후기에 연합국 측, 특히 영국에서는 야기-우다 안테나가 항공기에 탑재될 경우 공기 저항을 증가시켜 기체 성능 저하를 초래한다는 점을 인지했다. 이에 따라 영국은 더 소형의 파라볼라 안테나 개발에 주력했고, 레돔 기술 개발에도 성공하여 중폭격기의 야간 전략 폭격에 큰 성과를 거두었다. 반면, 마그네트론에 의한 마이크로파 레이더 기술이 부족했던 추축국 측의 야간 전투기는 야기-우다 안테나를 기수에 탑재하여 운동 성능이 저하된 채로 연합국기와 불리한 전투를 치르게 되었다.
2. 3. 전후 발전과 현대적 응용
제2차 세계 대전 이후, 텔레비전 방송의 출현으로 야기-우다 안테나는 VHF 대역(및 나중에 UHF 텔레비전)에서 지붕 텔레비전 수신에 광범위하게 사용되었으며, FM 방송 안테나로도 주변 지역에서 사용되었다.[24] 주요 단점은 야기 안테나의 본질적으로 좁은 대역폭이었는데, 이는 광대역 대수 주기 다이폴 배열 (LPDA)의 채택으로 해결되었다. 그러나 야기 안테나의 LPDA에 비해 높은 이득은 가장자리 수신에 가장 적합하며, 광범위한 텔레비전 채널 주파수에서 작동하도록 복잡한 야기 설계와 다른 안테나 기술과의 조합이 개발되었다.
일반적으로 방송 구역 내의 초단파 (UHF TV) 방송 수신에는 중거리 수신용 (14 - 20 소자 정도가 많으며, 전계 강도가 매우 강한 경우에는 그보다 적은 소자 수의 것을 사용) 안테나를 사용하여 아날로그 방송은 지상 3 - 10m 정도의 높이, 디지털 방송은 지상 10m 정도의 높이에서 수신하며, 방송 구역 외의 경우에는 장거리 수신용 (20 - 30 소자 정도, 경우에 따라 파라스타 안테나) 안테나로 수신한다.
소자를 늘릴수록 소자 1개를 추가할 때마다 이득의 증가폭은 작아지며, 안테나 형태가 매우 커져 설치가 어려워진다. 이러한 이유로, 일반적으로 시판되는 텔레비전 방송 수신용의 경우 VHF에서는 15 소자, UHF에서는 30 소자를 초과하는 안테나는 일반적이지 않다. 그러나 지향성이 날카로워지기 때문에 혼신 방지 등의 목적으로 이러한 수를 초과하는 소자의 안테나가 사용되는 경우도 있다.
주로 방송 수신용으로 이용되는 각 주파수대용 안테나의 종류는 다음과 같다.
| 종류 | 주파수 대역 | 채널 | 비고 |
|---|---|---|---|
| FM 방송용 | 76 - 90MHz | ||
| VHF 로우 채널용 | 1 - 3ch | ||
| VHF 하이 채널용 | 4 - 12ch | ||
| VHF 멀티 채널용 | VHF 전체 1 - 12ch | ||
| UHF 로우 채널용 | 주로 13 - 28ch | ||
| UHF 하이 채널용 | 주로 25 - 62ch | ||
| UHF 멀티 채널용 | UHF 전체 13 - 62ch (현재는 주로 13 - 52ch) | ||
| VHF·UHF 공용 안테나 | 주로 간사이 지방이나 홋카이도오시마 지방 등 VHF와 UHF의 송신소가 같은 방향인 지역에서 이용 |
야기-우다 안테나는 여러 개의 소자를 배열하여 작동하며, 각 소자는 전파의 방사 및 수신에 특정 역할을 한다. 구동 소자(driven element)와 기생 소자(parasitic element)로 구성된다.
VHF용 안테나와 VHF·UHF 공용 안테나는 지상파 디지털 방송 (UHF만 사용)으로의 전환에 따라 2010년 8월 말까지 국내 제조사 전체가 생산을 종료했다. 다만, VHF 대역 FM 라디오 수신용[26] 야기·우다 안테나의 생산은 계속되고 있다.
송신 안테나에서 가깝고 충분한 전계 강도가 있는 지역에서도 소자 수가 많은 안테나를 사용하는 것이 좋은 경우가 있다. 빌딩 숲이나 지형 등으로 멀티패스가 발생하는 경우인데, 소자 수가 많은 안테나는 지향성이 날카로우므로 멀티패스의 영향을 받기 어렵기 때문이다.
야기·우다 안테나는 1995년에 IEEE 마일스톤으로 지정되었다.[24] 명판의 복제 중 하나는 도호쿠 대학 가타히라 캠퍼스 내에 전시되어 있다.[53][54][55]
2016년 9월 13일에는 국립 과학 박물관의 중요 과학 기술사 자료(통칭: 미래 기술 유산) 제00210호로, 세계 최초의 초단파 안테나임을 평가받아 등록되었다.[56][57][58]
3. 작동 원리
이 소자들은 서로 상호작용하며 전파를 재방사하여 방사 패턴을 변화시킨다. 구동 소자에 의해 방사된 전파는 기생 소자들에 도달하고, 각 소자의 길이와 간격에 따라 위상차가 발생한다. 이 재방사된 전파들은 서로 간섭을 일으켜 전방(지향기 방향)으로는 보강 간섭을, 후방(반사기 방향)으로는 상쇄 간섭을 일으킨다. 결과적으로 안테나는 전방으로 강한 단일 방향 빔을 방사하게 된다.
소자 간의 상호 작용을 분석하기 위해 상호 임피던스 개념이 사용된다.[14] 상호 임피던스는 소자 간의 간격, 길이 등에 따라 달라지며, 수치적 계산이 필요하다. 이를 통해 각 소자의 전류와 전압을 계산하고, 안테나의 방사 패턴을 결정할 수 있다.[15]
3. 1. 구조 및 구성 요소
야기-우다 안테나는 여러 개의 평행하고 얇은 막대 소자로 구성되는데, 각 소자는 대략 반 파장 길이를 갖는다. 드물게는 막대 대신 원반 형태를 띠기도 한다. 이 소자들은 중심부를 따라 수직 가로대(붐)에 의해 지지된다.[2] 안테나는 단일 다이폴 구동 소자와 여러 기생 소자로 구성된다. 구동 소자는 전송선 한쪽에 연결된 두 개의 동축 막대로 구성되며, 기생 소자로는 ''반사기''와 ''지향기''가 있다.[2][3][4]
기생 소자는 전송선에 전기적으로 연결되지 않고, 수동 반사기처럼 전파를 재방사하여 방사 패턴을 바꾼다.[2] 소자 간 간격은 설계에 따라 약 1/10에서 1/4 파장까지 다양하다. 지향기는 구동 소자보다 약간 짧고, 반사기는 약간 더 길다.[4] 방사 패턴은 단일 방향이며, 소자 평면에서 소자에 수직인 축을 따라 지향기 쪽 끝에서 나타난다.[3]
다이폴 기생 소자는 중심에 노드(영 RF 전압)가 있어 절연 없이 전기적 작동을 방해하지 않고 전도성 금속 지지대에 부착할 수 있다.[4] 보통 중앙 지지 붐에 볼트나 용접으로 고정된다.[4] 구동 소자는 중심에서 공급되므로, 두 반쪽은 붐이 지지하는 곳에서 절연되어야 한다.
안테나 구조는 맨 뒤에 '''반사기'''(리플렉터), 그 앞에 '''복사기'''(급전 부품, 라디에이터, 투사기), 그 앞에 '''도파기'''(디렉터) 순서로 배열된다.
안테나 가로 폭이 실용적 크기를 넘어야 하므로, 낮은 킬로헤르츠 대역 수신에는 거의 쓰이지 않는다. FM 라디오나 텔레비전 등 메가헤르츠 대역 전파에 실용적이지만, VHF와 UHF 대역에서도 최적 안테나 폭과 간격이 다르고, 지향성 강도와 수신 감도가 높은 주파수 대역도 좁다.
도파기는 막대 모양이며 복사기보다 짧고, 반사기는 같은 모양이며 복사기보다 길다. 안테나는 지향성을 가지며, 방향은 반사기에서 도파기 쪽이다.
오늘날 초단파(VHF) 대역 이상에서는 반사기 1개, 복수 도파기를 사용하여 지향성을 날카롭게 하고 이득을 높인다. 복사기로는 반파장 다이폴 안테나 또는 접힌 다이폴 안테나가 쓰인다. 수직 편파의 경우 슬리브 안테나나 브라운 안테나가 사용되기도 한다.
3. 2. 지향성 형성 원리
야기 안테나의 지향성은 전파의 위상차와 간섭 현상을 이용하여 형성된다. 안테나를 구성하는 여러 소자들은 서로 상호작용하며 전파를 재방사하여 방사 패턴을 변화시킨다.[2]
1. 구동 소자에 의해 방사된 전파는 기생 소자들에 도달한다.
2. 기생 소자들은 수신된 전파를 재방사하는데, 이때 각 소자의 길이와 간격에 따라 위상차가 발생한다.[13]
3. 재방사된 전파들은 서로 간섭을 일으킨다.
4. 결과적으로 안테나는 전방으로 강한 단일 방향 빔을 방사하게 된다.3. 3. 상호 임피던스와 성능 분석
구동 다이폴에 4분의 1 파장 거리 미만으로 가깝게 배치된 수동 방사체는 근거리 전계와 상호 작용한다. 이 경우 위상과 거리의 관계는 원거리 전계에서처럼 전파 지연에 의해 제어되지 않는다.[14] 따라서 구동 소자와 수동 소자 간의 진폭 및 위상 관계는 주 방사 소자로부터 완전히 분리된 파를 연속적으로 수집하고 재방사하는 모델로 이해할 수 없다. 대신, 두 안테나 소자는 결합된 시스템을 형성하며, 예를 들어 구동 소자의 자체 임피던스(또는 복사 저항)는 수동 소자의 영향을 크게 받는다.
이러한 시스템에 대한 전체 분석에는 소자 간의 ''상호 임피던스'' 계산이 필요하며, 이는 소자 간의 유한한 간격 및 근거리 결합 효과로 인한 전파 지연을 암묵적으로 고려한다. 소자 번호 ''j''가 중앙에 전압 ''V''j 및 전류 ''I''j가 흐르는 공급 지점을 갖는다고 모델링한다. 이러한 두 소자만 고려하면 상호 임피던스 ''Z''ij를 사용하여 각 공급 지점의 전압을 전류로 표현할 수 있다.
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''Z''11과 ''Z''22는 다이폴의 일반적인 구동점 임피던스, 즉 반파 소자의 경우 73 + j43 Ω이다. (구동 소자에 대해 일반적으로 원하는 것처럼 약간 짧은 경우 순수 저항) 소자 길이의 차이로 인해 ''Z''11과 ''Z''22는 실질적으로 다른 리액턴스 성분을 갖는다. 상호성을 고려하면 ''Z''21 = ''Z''12임을 알 수 있다. 상호 임피던스 ''Z''21을 결정하는 것은 수치적 해를 필요로 하는 어려운 계산이다. 첨부된 그래프는 다양한 간격으로 두 개의 정확한 반파 다이폴 소자에 대해 계산된 결과를 보여준다.
''V''1과 ''I''1이 송신기에 의해 공급되는 전압과 전류가 되도록 구동 소자를 1로 지정하고, 기생 소자는 2로 지정한다. 기생 소자의 "공급 지점"은 단락되므로 ''V''2 = 0으로 둔다. 위의 관계를 사용하면, ''I''2를 ''I''1으로 표현할 수 있다.
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이는 구동 소자 내의 전류 ''I''1으로 인해 기생 소자에 유도된 전류이다. 이전 방정식을 사용하여 구동 소자의 공급 지점에서 전압 ''V''1을 계산할 수도 있다.
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여기서 ''Z''12 = ''Z''21을 대입했다. 이 지점에서 전압 대 전류의 비율은 2 소자 야기의 ''구동점 임피던스 Zdp''이다.
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구동 소자만 존재할 경우 구동점 임피던스는 단순히 ''Z''11이었겠지만, 이제 기생 소자의 존재에 의해 수정되었다. ''I''1과 관련된 ''I''2의 위상(및 진폭)을 알면, 이 두 소자에 흐르는 전류로 인한 방사 패턴(방향에 따른 이득)을 결정할 수 있다.
두 개 이상의 소자를 갖는 야기 안테나의 해석은, 구동 소자를 제외한 모든 소자에 대해 각 ''V''j = 0을 설정하고, 각 소자의 전류(및 공급 지점의 전압 ''V''1)를 계산하는 방식으로 진행된다.[15] 일반적으로 상호 결합은 주 방사체의 임피던스를 낮추는 경향이 있으므로, 접힌 다이폴 안테나가 자주 사용된다. 접힌 다이폴은 수동 소자와의 결합으로 인해 일반적인 50~75옴 범위로 감소하는 큰 복사 저항을 갖기 때문이다.
4. 설계 및 제작
야기-우다 안테나 설계는 여러 요소들 간의 복잡한 관계 때문에 간단한 공식이 존재하지 않는다. 주요 고려 요소는 다음과 같다:
- 소자 길이 및 간격
- 소자 지름
- 성능 특성: 이득 및 입력 임피던스
이러한 요소들의 상호 작용으로 인해, n개의 소자를 가진 안테나는 2n-1개의 조정 가능한 매개변수(소자 길이 및 상대 간격)를 갖게 되어 설계가 복잡해진다. 또한, λ/2 길이의 소자에만 적용되는 상호 임피던스 계산은 정확도를 위해 재계산이 필요할 수 있다.
실제 안테나 소자의 전류 분포는 이상적인 정재파 가정과 다르므로, 할렌 적분 방정식을 통해 다른 도체의 영향을 고려해야 한다. 이러한 정밀 분석은 매우 복잡하기 때문에, 실제로는 근사적인 방법이 사용된다. 따라서, 야기 안테나는 종종 경험적 설계 방식을 따르며, 직관에 기반한 수정과 시행 착오를 거친다. 그 후, 직접 측정이나 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 설계를 검증한다.
잘 알려진 설계 참고 자료로는 국립 표준 기술 연구소(NIST)의 보고서가 있다.[16] 이 보고서는 400MHz에서 측정된 데이터를 바탕으로 6가지 기본 설계와 다른 주파수에 적용하는 방법을 제공하며, 여기서 파생된 설계는 "NBS 야기"로 불린다.
인접한 지향기 간 간격을 조정하여 방사 패턴의 후방 로브를 줄일 수 있다는 점도 설계에 고려된다.
4. 1. 설계 변수와 성능 특성
야기-우다 안테나 설계에는 소자 길이 및 간격, 소자 지름, 그리고 성능 특성(이득 및 입력 임피던스) 간의 복잡한 관계가 있어서 간단한 설계 공식은 존재하지 않는다.개의 소자를 가진 야기-우다 안테나의 경우, 조정해야 할 매개변수가 개(소자 길이 및 상대 간격)나 되기 때문에, 반복적인 분석을 통해 성능을 계산하고 이득을 최적화하는 과정은 간단하지 않다. 실제 안테나 소자를 따라 흐르는 전류 분포는 근사적으로만 제공되며, 다른 도체를 고려하여 할렌 적분 방정식의 해를 구해야 한다. 이러한 완전하고 정확한 분석은 매우 복잡하므로, 실제로는 시행 착오를 통한 경험적 설계가 이루어지기도 한다.
미국 국립 표준 기술 연구소(NIST)에서 발행한 보고서는 400MHz에서 수행된 측정을 바탕으로 6가지 기본 설계와 다른 주파수에 적용하는 절차를 제공한다.[16] 이러한 설계와 거기에서 파생된 설계는 "NBS 야기"라고도 불린다.
인접한 지향기 사이의 거리를 조정하여 방사 패턴의 후방 로브를 줄일 수 있다.
4. 2. 설계 방법론
야기-우다 안테나 설계에는 소자 길이 및 간격, 소자 지름, 성능 특성(이득 및 입력 임피던스) 간의 복잡한 관계 때문에 간단한 공식이 존재하지 않는다.반복적인 분석을 통해 주어진 매개변수 집합의 성능을 계산하고 이득을 최적화할 수 있다. 그러나 n개의 소자를 가진 야기-우다 안테나의 경우 조정해야 할 매개변수가 2n-1개(소자 길이 및 상대 간격)이므로 이 방법은 간단하지 않다. 상호 임피던스는 λ/2 길이의 소자에만 적용되므로 정확도를 높이기 위해 다시 계산해야 할 수 있다.
실제 안테나 소자를 따라 흐르는 전류 분포는 고전적인 정재파에 대한 일반적인 가정으로 근사적으로만 제공되며, 다른 도체를 고려하여 할렌 적분 방정식의 해를 구해야 한다. 이러한 완전한 정확한 분석은 다소 복잡하며, 사용 가능한 안테나를 찾는 과정에서 근사가 불가피하다.
결과적으로 이러한 안테나는 종종 직관에 따라 수정된 기존 설계를 시작하는 시행 착오의 요소를 사용하여 경험적으로 설계된다. 결과는 직접 측정 또는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다.
컴퓨터 시뮬레이션을 사용한 접근 방식에 사용되는 잘 알려진 참고 자료는 미국 국립 표준국(NBS)(현재 국립 표준 기술 연구소(NIST))에서 발행한 보고서이다. 이 보고서는 400MHz에서 수행된 측정에서 파생된 6가지 기본 설계와 이러한 설계를 다른 주파수에 적용하는 절차를 제공한다.[16] 이러한 설계와 거기에서 파생된 설계는 "NBS 야기"라고도 한다.
인접한 지향기 사이의 거리를 조정하여 방사 패턴의 후방 로브를 줄일 수 있다.
4. 3. 설계 지침 및 참고 자료
야기-우다 안테나 설계에는 소자 길이 및 간격, 소자 지름, 성능 특성(이득 및 입력 임피던스)과 같은 물리적 매개변수 간의 복잡한 관계 때문에 간단한 공식이 존재하지 않는다. 그러나 반복적인 분석을 사용하면 주어진 매개변수 집합의 성능을 계산하고 이득을 최적화하도록 조정할 수 있다. 야기-우다 안테나의 경우 조정해야 할 매개변수가 많기 때문에 이 반복 분석 방법은 간단하지 않다.[16]실제 안테나 소자를 따라 흐르는 전류 분포는 고전적인 정재파에 대한 일반적인 가정으로 근사적으로만 주어지며, 다른 도체를 고려하여 할렌 적분 방정식의 해를 구해야 한다. 이러한 완전한 정확한 분석은 다소 복잡하며, 사용 가능한 안테나를 찾는 과정에서 근사가 불가피하다. 결과적으로 이러한 안테나는 종종 직관에 따라 수정된 기존 설계를 시작하는 시행 착오의 요소를 사용하여 경험적으로 설계된다. 결과는 직접 측정 또는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다.[16]
이러한 접근 방식에 사용되는 잘 알려진 참고 자료는 국립 표준 기술 연구소(NIST)에서 발행한 보고서로, 400MHz에서 수행된 측정에서 파생된 6가지 기본 설계와 이러한 설계를 다른 주파수에 적용하는 절차를 제공한다.[16] 이러한 설계와 거기에서 파생된 설계는 "NBS 야기"라고도 한다. 인접한 지향기 사이의 거리를 조정하여 방사 패턴의 후방 로브를 줄일 수 있다.[16]
5. 한국에서의 활용
한국에서 야기 안테나는 주로 텔레비전 방송 수신에 활용되어 왔다. 특히 초단파 (UHF) 방송 수신에 많이 사용되었는데, 방송 구역 내에서는 중거리 수신용(14~20소자) 안테나가, 방송 구역 외에서는 장거리 수신용(20~30소자) 안테나가 주로 사용되었다. 아날로그 방송 시대에는 지상 3~10m 높이에, 디지털 방송 시대에는 지상 10m 정도 높이에 설치하여 수신하였다.[26]
VHF 대역 FM 라디오 수신용[26] 야기 안테나도 사용되고 있으며, 아마추어 무선, 방재 무선 등에도 활용된다. 예를 들어, 초·중등학교 옥상이나 지역 방송 스피커를 지지하는 철탑에 설치된 안테나에서 야기 안테나를 볼 수 있다.
최근에는 5G 이동통신 등 새로운 통신 기술에서도 야기 안테나의 활용 가능성이 논의되고 있다.
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