다이폴 안테나

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1. 개요
2. 역사
3. 종류 및 특징
4. 응용
5. 한국의 다이폴 안테나 연구 및 활용
참조

1. 개요

다이폴 안테나는 전파의 존재를 증명하는 데 사용된 안테나로, 두 개의 도선을 사용하여 구성되며, 각 요소의 길이는 이론적으로 파장의 1/4이다. 다이폴 안테나는 다양한 종류와 변형이 있으며, 주파수에 따라 길이를 조절하여 임피던스를 맞출 수 있다. 다이폴 안테나는 텔레비전 안테나, FM 튜너, HF 단파 대역 통신 등 다양한 분야에서 활용되며, 안테나 어레이를 구성하여 지향성을 높일 수도 있다.

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다이폴 안테나
개요
명칭	다이폴 안테나
다른 명칭	반파장 다이폴, 헤르츠 안테나, 더블렛 안테나
정의	전파를 방사하는 가장 간단한 형태의 실용적인 안테나
특징	두 개의 막대 모양 도체로 구성 전파를 송수신하는 데 사용 간단한 구조에도 불구하고 다양한 응용 분야에 활용 이론적으로 연구하기 쉬운 이상적인 안테나
기본 원리
작동 원리	급전점에서 전압이 가해지면 안테나 도체 내에 전류가 흐름 이 전류는 전자기파를 방사 안테나의 길이는 방사하려는 전파의 파장에 따라 결정
공진	안테나의 길이가 특정 파장의 반파장과 같을 때 공진 발생 공진 시 안테나의 임피던스가 최저가 되어 효율적인 방사 가능
급전점	안테나의 중앙에 위치 전송선과 연결되어 전력을 공급 전력은 전압과 전류의 형태를 가짐
구조
도체	두 개의 동일한 길이의 도체 막대로 구성 막대는 직선 또는 선형 형태를 가짐 일반적으로 구리 또는 알루미늄과 같은 전도성 재료 사용
길이	가장 일반적인 형태는 반파장 다이폴 길이는 방사하려는 전파 파장의 반파장 다른 길이의 다이폴도 가능 (예: 전체 파장)
임피던스
특성 임피던스	자유 공간에서 반파장 다이폴 안테나의 특성 임피던스는 약 73옴 실제 환경에서는 주변 환경의 영향으로 임피던스가 달라짐
급전점 임피던스	반파장 다이폴 안테나의 급전점 임피던스는 약 73옴 안테나 길이가 달라지면 임피던스도 변동
복사 패턴
방사 패턴	다이폴 안테나는 도체 축에 수직인 방향으로 가장 강한 전파를 방사 8자 모양의 방사 패턴을 가짐 3차원으로는 도넛 모양의 방사 패턴을 형성 안테나 축 방향으로는 거의 방사하지 않음
지향성	비교적 지향성이 낮은 안테나 수평 방향으로 비교적 넓은 영역을 커버
종류
반파장 다이폴	길이가 전파 파장의 반파장인 다이폴 안테나 가장 일반적인 형태 임피던스가 73옴으로 비교적 간단한 구조
단파장 다이폴	길이가 전파 파장보다 짧은 다이폴 안테나 임피던스가 감소하고, 공진 조건에서 벗어남
접힌 다이폴	두 개의 병렬 도체로 구성 반파장 다이폴과 유사하지만 임피던스가 약 300옴 임피던스 정합이 필요한 경우 사용
기생 다이폴	급전이 없는 다이폴 안테나 전파를 반사하거나 유도하여 방사 패턴을 조절 야기-우다 안테나 등 복잡한 안테나 구조에 사용
광대역 다이폴	넓은 주파수 대역에서 작동하도록 설계된 다이폴 안테나 일반적인 다이폴 안테나보다 복잡한 구조를 가짐
응용 분야
용도	라디오 방송 수신 무선 통신 아마추어 무선 텔레비전 수신 휴대 전화 등 다양한 무선 통신 시스템에 사용 안테나 이론 및 설계 연구의 기본 모델로 활용
장점과 단점
장점	구조가 간단하고 제작 용이 가격이 저렴 이론적 분석이 쉬움 다양한 응용 분야에 적용 가능
단점	지향성이 낮음 특정 주파수 대역에서만 효율적으로 작동 넓은 대역폭을 커버하기 어려움 주변 환경에 의해 성능이 영향을 받을 수 있음
참고 자료
추가 정보	다이폴 안테나 설명 다이폴 안테나 정의 전계와 급전점
서적	Newnes Radio and RF Engineering Pocket Book Antenna Theory and Design Der Dipol in Theorie und Praxis

2. 역사

독일의 물리학자 하인리히 헤르츠는 1887년에 현재 우리가 다이폴 안테나(용량성 끝단 부하가 있는)라고 알고 있는 것을 사용하여 전파의 존재를 처음으로 증명했다.^[10] 굴리엘모 마르코니는 실험적으로 송신기를 접지(또는 사용하는 경우 송전선의 한쪽)하면 안테나의 절반을 없앨 수 있다는 것을 발견하여, '수직' 또는 모노폴 안테나를 실현했다.^[10]

마르코니가 장거리 통신을 위해 사용했던 저주파의 경우 이 형태가 더 실용적이었다. 라디오가 고주파(특히 FM 라디오 및 TV를 위한 초고주파 전송)로 이동했을 때, 이러한 훨씬 작은 안테나를 타워 위에 완전히 설치하는 것이 유리했으므로 다이폴 안테나 또는 그 변형이 필요했다.

라디오 초기에는 마르코니 안테나(모노폴)와 더블릿(다이폴)이 별개의 발명품으로 여겨졌다. 그러나 현재는 모노폴 안테나를 지하에 가상의 요소를 가진 다이폴의 특수한 경우로 이해하고 있다.

3. 종류 및 특징

다이폴 안테나는 이상적으로 각 소자의 길이가 1/4 파장(전체 1/2 파장)이어야 한다. 그러나 실제로는 1/4 파장에서 임피던스가 유도성을 띄어 임피던스 정합이 어려우므로, 이보다 약간 짧게 제작하여 순 저항에 가깝게 맞춘다. 이때 길이를 줄이는 비율을 '''단축률'''이라고 하며, 안테나 소자가 굵을수록 단축률은 작아진다.

다이폴 안테나는 양 끝단이 개방되어 정상파가 발생하며, 안테나 길이가 1/2 파장일 때 기본 공진이 일어나 중앙 급전부에 큰 전류가 흐른다. 주변 환경에 따라 공진 길이가 달라지므로, 실제로는 약간 길게 제작한 후 SWR을 측정하며 미세 조정하여 최종 길이를 결정한다.

2개의 도선 내각을 180°로 하면 입력 임피던스는 약 73 Ω이 된다. 내각을 120°로 하면 입력 임피던스가 거의 50Ω이 되어, 50Ω 계열의 동축 케이블에 직접 연결할 수 있다. 이때 안테나 모양이 V자 형태이므로 V형 다이폴 안테나라고 부른다. 이를 상하 반전한 것은 인버티드 V 안테나이다.

동축 케이블은 불평형 급전 방식이므로, 평형 급전 방식의 다이폴 안테나와 연결하려면 밸런(균형-불균형 변환기)이 필요하다. 밸런을 생략하면 동축 케이블 표면이 안테나 소자처럼 동작하여 지향성이 왜곡될 수 있지만, 영향이 크지 않아 간이 용도로는 생략하기도 한다.

다이폴 안테나는 소자에 수직인 방향으로 전자파 방사가 최대가 되고, 평행한 방향으로는 0이 된다. 방사 패턴은 '8'자 모양이다. 지면 근처에 수평으로 설치하면 지면의 영향으로 상향각이 변한다.

소자 중간에 코일(로딩 코일, 연장 코일)을 삽입하거나 소자를 접어 물리적 길이를 단축할 수 있다. 여러 소자를 병렬로 연결하거나 LC 병렬 공진 회로(트랩)를 설치하여 여러 주파수 대역에서 사용할 수 있다. 아마추어 무선에서는 기보시 단자를 이용해 소자를 절단/연결하는 방식으로 다주파수화하기도 한다.

3. 1. 단일극 안테나 (Short dipole)

단일극 안테나(short dipole)는 전체 길이가 반파장보다 상당히 짧은 두 개의 도체로 구성된 다이폴 안테나이다. 단일극 안테나는 반파장 다이폴 안테나가 너무 클 경우 사용된다. 이는 허치안 다이폴(Hertzian dipole)이라 불리는 가상적인 개체에 대한 결과를 사용하여 쉽게 분석할 수 있다. 공진 안테나(반파장 길이)보다 짧기 때문에, 특히 송신 안테나로 사용할 경우 실용적이 되기 위해서는 큰 용량성 리액턴스를 포함하는 주입점 임피던스에 로드 코일 또는 기타 정합 네트워크가 필요하다.^[11]

단일극 안테나가 생성하는 원거리 전계와 자계를 구하려면, 허치안 다이폴(미소 전류 요소)에 대한 결과를 사용한다. 전류로부터 r 거리에 있으며, 전류 방향에 대한 각도가 θ인 경우 다음과 같다.

:

\begin{align}H_\phi &= j\ \frac{\ I_h\ \ell\ k\ }{4\pi\ r}\ e^{\ j\ \left( \omega t\ -\ k r \right)}\ \sin(\theta) \\E_\theta &= \zeta_0\ H_\phi = j\ \frac{\ \zeta_0\ I_h\ \ell\ k\ }{4\pi\ r}\ e^{\ j\ \left( \omega t\ -\ k r \right)}\ \sin(\theta) ~.\end{align}

여기서 방사체는 짧은 길이 ℓ에 걸쳐

\ I_h\ e^{\ j\ \omega\ t}\

의 전류로 구성되며, 전자공학에서

\ j^2 \equiv -1\

은 -1의 제곱근을 나타내는 일반적인 수학 기호 i를 대체한다. ω는 각진동수(

\omega \equiv 2 \pi f\

)이고, k는 파수(

\ k \equiv 2\pi / \lambda\

)이다. ζ₀는 자유 공간의 임피던스(

\zeta_0 \approx 377\text{ Ω}

)이며, 이는 자유 공간 평면파의 전계 강도와 자계 강도의 비율이다.

주입점은 다이폴의 중앙에 있다. 다이폴 암을 따라 흐르는 전류는 z가 암의 끝까지의 거리일 때

\ \sin(\ k\ z\ )\

에 비례하는 것으로 근사적으로 설명된다. 단일극 안테나의 경우, 이는 주입점에서

\ I_0\

에서 끝단에서 0까지의 선형 감소와 본질적으로 같다. 따라서 이는 도체에 대한 평균 전류와 같은 ''유효'' 전류 I_h를 갖는 허치안 다이폴과 비슷하며,

\ I_h = \frac{1}{2} I_0\ .

이다. 이 치환을 통해 위의 방정식은

\ I_0 ~.

에 의해 공급되는 단일극 안테나가 생성하는 필드를 근사적으로 나타낸다.

위에서 계산된 필드로부터, 어떤 지점에서든 방사되는 ''플럭스''(단위 면적당 전력)를 포인팅 벡터 '''S'''의 실수 부분의 크기로 찾을 수 있으며, 이는

\ \frac{1}{2} \mathbf{E} \times \mathbf{H}^* ~.

로 주어집니다. '''E'''와 '''H'''가 직각이고 위상이 같으면 허수 부분이 없으며, 위상 인자(지수 함수)가 상쇄되어

\ \frac{1}{2} E_\theta H_\phi^*\

와 같다.

:

S = \frac{1}{2} E_\theta H_\phi^*= \frac{1}{2}\ \frac{\ \zeta_0\ I_h^2\ \ell^2\ k^2\ }{(4\pi r)^2}\ \sin^2(\theta)= \frac{\zeta_0}{32}\ I_0^2\ \left(\frac{\ell}{\lambda}\right)^2\ \frac{1}{r^2}\ \sin^2(\theta) ~.

이제 플럭스를 주입점 전류 I₀와 단일극 안테나 길이 ℓ 대 방사파장 λ의 비율로 나타냈다.

\ \sin^2( \theta )\

로 주어지는 방사 패턴은 반파장 다이폴과 유사하고 방향성이 약간 덜 함을 알 수 있다.

주어진 주입점 전류에 대한 원거리장에서 방사에 대한 위의 표현을 사용하여 모든 입체각에 대해 적분하여 총 방사 전력을 얻을 수 있다.

:

P_\text{total} = \frac{\pi}{12}\ \zeta_0\ I_0^2\ \left( \frac{\ell}{\lambda} \right)^2 ~.

그로부터, 오믹 손실로 인한 성분을 무시하고 주입점 임피던스의 저항(실수) 부분과 같은 방사 저항을 추론할 수 있다. P_total을 주입점에서 공급되는 전력

\ \tfrac{1}{2}\ I_0^2\ R_\text{radiation}\

로 설정하면 다음을 얻는다.

:

R_\text{radiation} = \frac{\pi}{6}\ \zeta_0\ \left(\frac{\ell}{\lambda}\right)^2 \approx \left(\frac{\ell}{\lambda}\right)^2 (197\ \Omega) ~.

다시 말하지만, 이러한 근사는 ℓ ≪ ½λ 에 대해 매우 정확해진다.

소자 중간에 코일(로드 코일, 연장 코일)을 삽입함으로써 물리적 길이를 단축할 수 있다. 단축을 위한 코일인데 연장 코일이라고 하는 것은, 단축된 물리적 길이를 '''전기적으로 연장'''하여 전기적으로는 원래 길이처럼 보이도록 하기 위한 코일이기 때문이다. 전기적 길이를 물리적 길이에 대해 '''전기적 길이'''라고 한다. 또한 소자를 접어서 물리적 길이를 단축할 수도 있다.

3. 2. 반파장 다이폴 안테나 (Half-wave dipole)

반파장 다이폴 안테나는 길이가 약

\frac{1}{2}\lambda

인 두 개의 4분의 1 파장 도체를 끝에서 끝까지 배치하여 구성된다. 전류 분포는 정재파의 분포이며, 다이폴의 길이를 따라 거의 사인파이고, 각 끝에는 마디가 있고 중앙(급전점)에는 배(최대 전류)가 있다.^[12]

:

I(z) = I_0 \cos(\omega t) \cos(k z)\ ,

여기서

k = \frac{2\pi}{\lambda}

이고

z

는

-\frac{1}{2}\ell

부터

+\frac{1}{2}\ell

까지이다.

전송하는 반파장 다이폴 안테나의 전압 $V(x)$ 와 안테나의 정재파로 인한 전류 $I(x)$ 를 보여주는 애니메이션

원거리장에서 이것은 전기장이 다음과 같이 주어지는 복사 패턴을 생성한다.^[12]

:

E_\theta = \frac{\zeta_0 I_0}{2\pi r} \frac{\cos\left(\frac{\pi}{2} \cos\theta\right)}{\sin\theta} \sin{(\omega t - kr)} ~.

방향 계수

\frac{\cos\left[\frac{\pi}{2} \cos\theta\right]}{\sin\theta}

는

\sin\theta

와 거의 같으며, 매우 유사한 복사 패턴을 생성한다.^[12]

총 방사 전력

P_\text{total}

의 값을 계산하여 지향성 이득을 계산하면 1.64가 된다. 이것은 코사인 적분을 사용하여 직접 계산할 수도 있다.

:

G = \frac{4}{\operatorname{Cin}(2\pi)} \approx 1.64

(2.15 dBi)

방사 저항은 다음과 같이 구할 수 있다.

:

P_\text{total} = \frac{1}{2} I_0^2 R_\text{radiation}

:

R_\text{radiation} \approx 73.1 \Omega

.

유도 기전력 방법을 사용하면,^[11] 구동점 임피던스의 실수부를 코사인 적분으로 표현하여 동일한 결과를 얻을 수 있다.

:

R_\text{radiation} = \frac{\zeta_0}{4\pi} \operatorname{Cin}(2\pi) = \frac{\zeta_0}{4\pi} \int_0^{2\pi} \frac{1 - \cos \theta}{\theta} \mathrm{d}\theta \approx 73.1 \Omega

.

반파장 다이폴이 중앙 이외의 지점에서 구동되는 경우 공급점 저항은 더 높아진다.

:

R_\text{feedpoint} = \frac{R_\text{radiation}}{\cos^2(k x)} \approx \frac{73.1 \Omega}{\cos^2(k x)}

이론적으로 안테나의 각 요소의 길이는 1/4 파장(전체는 1/2 파장)이다. 그러나 엄밀히 1/4 파장에서는 임피던스가 유도성으로 되어 급전선과의 임피던스 정합이 어려울 수 있으므로, 1/4 파장보다 몇 % 단축시켜 임피던스를 순 저항에 맞추는 경우가 많다. 요소를 단축하는 비율을 '''단축률'''이라고 하며 숫자로 표현된다. 단축율은 요소가 굵을수록 작아진다.

다이폴 안테나는 양끝이 "개방단 반사"가 되어, 진행파와 반사파의 간섭으로 정상파가 발생하는 상황이 안테나의 공진 주파수이며, 안테나 길이가 1/2 파장의 경우에 공진 기본파에 의하여 중앙 급전부가 대전류 점이 된다.

주위의 영향에 의해 공진 길이가 달라지기 때문에 탁상 계산기로 정확한 길이를 구하는 것은 곤란하다. 그래서 실제로는 조금 길게 제작 해두고, SWR이 원하는 주파수에서 최소가 되도록 안테나 요소를 축소하는 방식으로 미세조정하여 최종 길이를 결정한다.

3. 3. 기타 변형

다이폴 안테나의 형태에는 여러 가지 변형이 있으며, 각각 장단점이 있지만 방사 특성(낮은 이득)은 비슷하다. 설계에 하나 이상의 다이폴 소자를 구동 소자로 포함하는 다양한 지향성 안테나들이 있다.

보 타이 안테나(Bow-tie antenna): 팔이 플레어링된 삼각형 모양인 다이폴 안테나이다. 이러한 형태 덕분에 일반 다이폴보다 훨씬 넓은 대역폭을 가지며, 초단파(UHF) 텔레비전 안테나에 널리 사용된다.

우크라이나 UTR-2 전파 망원경의 케이지 다이폴 안테나. 직경 8m × 1.8m의 아연 도금 강철 와이어 다이폴은 8~33MHz의 대역폭을 갖는다.

케이지 다이폴(Cage dipole): 와이어 케이지로 만들어진 두꺼운 원통형 다이폴 소자를 사용하여 대역폭을 증가시킨 변형이다. 중파 및 단파 대역의 일부 광대역 어레이 안테나에 사용되며, 수평선 너머 레이더 및 전파 망원경과 같은 응용 분야에 사용된다.
헤일로 안테나: 원형으로 구부러진 반파장 다이폴 안테나로, 원의 평면에서 거의 균일한 방사 패턴을 생성한다. 헤일로의 원이 수평일 때, 수평 편파 방사를 거의 무지향성 패턴으로 생성하며, 직선 수평 다이폴에 비해 천정 방향으로 손실되는 전력이 약간만 있다.
턴스타일 안테나: 직각으로 교차된 두 개의 다이폴과 두 전류 사이에 4분의 1 파장 위상차를 도입하는 피드 시스템으로 구성된다. 이러한 기하학적 구조를 통해 두 다이폴은 전기적으로 상호 작용하지 않지만, 원거리장에서 그들의 장이 합쳐져 요소의 평면에서 수평 편파를 갖고 다른 각도에서는 원형 또는 타원 편파를 갖는 거의 등방성에 가까운 순 방사 패턴을 생성한다.
박쥐날개 안테나: 보 타이 안테나와 같이 선형 요소가 넓어진 턴스타일 안테나로, 공진 주파수를 넓히고 재조정 없이 더 넓은 대역폭에서 사용할 목적으로 사용된다. 어레이를 형성하도록 쌓으면 방사는 무지향성, 수평 편파이며, 저고도에서 이득이 증가하여 텔레비전 방송에 이상적이다.
'''V 안테나''': 중간에 굽은 다이폴 안테나로, 팔이 공선이 아닌 각도를 이룬다.
'''쿼드런트 안테나''': 전체 파장의 길이를 가지며, 두 개의 반파장 수평 요소가 직각으로 만나는 지점에서 피드되는 'V' 안테나이다.^[14] 쿼드런트 안테나는 주로 저고도에서 중간 고도의 수평 편파를 생성하고 거의 무지향성 방사 패턴을 갖는다.^[15]
G5RV 안테나: 신중하게 선택된 길이의 300Ω 또는 450Ω 트윈 리드를 통해 간접적으로 피드되는 다이폴 안테나로, 임피던스 정합 네트워크 역할을 하여 (밸런을 통해) 표준 50Ω 동축 전송선에 연결한다.
슬로퍼 안테나: 단일 타워 상단에 부착된 경사진 수직 다이폴 안테나이다.
역 'V' 안테나: 단일 타워를 사용하여 지지되지만, 지면을 향해 각도가 지어진 두 개의 대칭 요소를 갖는 균형 안테나이다. 슬로퍼와 마찬가지로 안테나를 높이는 실용적인 이점이 있지만 단일 타워만 필요하다.
AS-2259 안테나: 근거리 수직 입사 전파(NVIS)를 통해 지역 통신에 사용되는 역 ‘V’ 다이폴 안테나이다.

4. 응용

다이폴 안테나는 야기 안테나의 방사기로 사용될 수 있다. 또한, 수직으로 설치하고 한쪽 끝을 접지하면 그라운드플레인 안테나가 된다.

다이폴 안테나의 원리를 응용한 안테나들은 다음과 같다.

역V형 안테나
젭 안테나
U자형 아드콕 안테나
접이식 다이폴 안테나
* T2FD
광대역 다이폴 안테나
* 로그 주기 안테나
* 팬 안테나
* 바이코니컬 안테나 (코니컬 안테나)
* 슈퍼 턴스타일 안테나 (바이코니컬 안테나의 2차원형)
* 디스콘 안테나
야기-우다 안테나
위상차 급전 안테나
* HB9CV
* 위상배열 안테나
* 적응형 배열 안테나

5. 한국의 다이폴 안테나 연구 및 활용

한국에서는 다음과 같은 다양한 분야에서 다이폴 안테나가 연구 및 활용되고 있다.

아마추어 무선: 한국아마추어무선연맹(KARL)을 중심으로 아마추어 무선사들이 다이폴 안테나를 활용하여 통신 활동을 하고 있다.
방송 통신: 지상파 방송(KBS, MBC, SBS 등)과 FM 라디오 방송에서 다이폴 안테나 기술이 활용되고 있다.
5G 이동통신: 5G 이동통신 기술 개발에 있어서, 고주파 대역에서의 안테나 성능 향상을 위한 연구가 진행 중이다.
국방 및 보안: 군 통신 및 레이다 시스템에서 다이폴 안테나 기술이 활용될 수 있다.

참조

_[1] 서적 Newnes Radio and RF Engineering Pocket Book https://books.google[...] Newnes
_[2] 서적 Der Dipol in Theorie und Praxis 2024-04-00
_[3] 보고서 IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas Institute of Electrical and Electronics Engineers
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_[5] 서적 Dictionary of Pure and Applied Physics https://books.google[...] CRC Press
_[6] 백과사전 Dipole antenna http://searchmobilec[...] 2013-04-29
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