특별기고
I wanted an antenna that....
(The Story of Log Periodic Dipole Array)
HL1TUE 엄신조
since FEB. 12, 2001
I wanted an antenna that....
(1) Would not be too expensive
(2) Would cover as many bands as possible.
(3) Would not compromise on performance.
(4) Would be at least equal to a 3 EL trapped commercial yagi on all bands, eg TH6
(5) Could be rotated by an inexpensive rotator
(6) Would withstand severe weather conditions.
(7) Could be built with readily available parts.
(8) Would lend it self to future modification, experimentation etc
(9) Could be fed simply with a single feedline.
(10) Reasonable size.
1. 들어가며
햄을 알게된지 20여년.. 트랜시버에서 흘러나오는 온갖 QRN이 노래소리로 들린지 8년.
개인적으로 지하철타는 것 보다 버스 타는 것을 좋아한다. 멀뚱멀뚱 다른사람들의 시선을 의식하며 YL 점수매기는 재미는 있지만, 지하철 안에는 안테나가 없다. 가끔 역사내에 열차간 통신을 위한 UHF 야기가 간간 보이긴 하지만.. 이에 반해 버스는 창밖으로 비추는 햇살에, 바람소리에 나 자신이 살아있음을 느낄뿐더러. 동네마다 HF 야기가, GP가, 대사관 관저의 LPDA가, 전파감시소의 거대한 LPDA 들이 버스가 완전히 지나칠때까지 시선을 뗄 수가 없게 만든다.
나는 안테나를 좋아한다. DXer라고 하기엔 많이 부족하다고 느끼지만, 나름대로, HL0Y로 HL1TUE로 아마추어무선에 흥미를 붙이면서, 진정한 아마추어란 몸소 하나씩 부딫치면서 전파를 이해해나가는 것이라고 생각하게 되었다.
아마추어무선 운용을 위해 필수적인 두가지 장비를 손꼽으라면, 트랜시버와 안테나를 들 수 있다. 정말로 실력파 아마추어가 아닌바에야 트랜시버를 자작하는 것은 기성 트랜시버를 사는 것보다 시간과 PWR, 실력 면에서 역부족이다. (특히 나같이 비전공자에게는 -_-) 물론 QRP TRX 나 CW Keyer 등등 키트를 구입해서 만들어보기도 하고, 7MHz 수신기를 만들어보려고 청계천을 뒤집고 다니고, 핵심 IC를 구하기 위해 홍보용 샘플 IC를 떼쓰다시피 해서 구하기도 했지만, 결과는 그저 그랬다...
그러면 안테나는? 우선 기성품 안테나는 너무 비싸다. 따라서, HL0Y 같은 진짜 아마추어 클럽국은 PWR 문제를 생각하지 않을 수 없다. 그렇다고 안테나를 자작하는 것은 많은 시간과 노력이 들어간다. 클럽국이 좋은 점이 여기에 있다. 많은 인력을 공짜로 안테나 자작에 투입할 수 있는 것이다. 몇번의 자장면과 소주 몇 병이면 No Problem. 높은 이득과 지향성을 가진 HF 안테나를 뚝딱 만들 수 있다. 생각보다 간단히 다양한 안테나의 자작이 가능하며, 안테나 제작은 진정한 아마추어의 맛을 느낄 수 있는 최선의 방법이 아닌가 싶다. (어떻게 보면 TUE가 노가다 전공이기 때문일 수도 있다. -_-)
성능면을 비교하자면, 요즈음 나오는 트랜시버와 수십년전에 나온 트랜시버의 기능과 가격 차이는 천차만별이지만, 기본적인 송수신 능력은 별반 차이가 없는 것에 비해, HF 안테나의 성능은 그 형태와 제작 노력에 비해 몇 배에서 많게는 수십 배의 성능 차이를 느낄 수 있다. 아무리 PWR에 장화를 신기고 수신하는 귀가 뚫려도, SIG 이 안들리면 손가락 빨 수 밖에 없지 않은가?
HL0Y만큼 많은 안테나를 사용한 0STN도 드물다. 기본적인 Dipole, Yagi, GP 에서부터 LPDA(Log Periodic Dipole Array), Log Yagi, CQ까지 유난히 HF DX에 치중한 덕분에 HF 안테나에 대해서는 많은 노하우가 쌓여있음이 사실이다. 우리나라 시람들의 특성상 HL0Y에도 기존의 안테나 자료에 대한 Documentation이 안되어 있는 것이 안타깝지만, 특히 LPDA 제작만큼은 세계 제일이 아닐까. 그런 와중에 TUE는 열 몇 개의 다이폴과 몇 번의 LPDA, 4 EL 4 Band CQ, GP 등등 수십 개의 안테나의 제작에 참여하고 직접 운용하면서 안테나의 성능과 제작 효율성에 대해 많은 고심을 할 수 있었다. 과연 Compact 하면서 이득과 지향성이 뛰어나고, 저렴하게 제작할 수 있는 안테나는 없는가?
인터넷 사이트를 뒤지다가. 재미있는 글을 발견했다. I wanted an antenna that...
(1) Would not be too expensive
우선, 아마추어니까, 너무 비싼 안테나는 무리다. 기성품은 물론이거니와, 자작 안테나도 아무 생각없이 재료를 구입하면 몇백K는 그냥 날라간다.
(2) Would cover as many bands as possible.
옛부터 보통의 아마추어들은 일반적인 3.5 / 7 / 14 / 21 / 28 MHz 밴드에서 활발하게 활동해왔고, 3.5나 7MHz 는 다이폴, 14/21/28 MHz는 3Band YAGI로 충분히 만족해왔다. 그러나 DXer나 안테나를 좋아하는 사람으로서 WARC Band(10.1/18/24.9 MHz)를 운용하려고 한다면 더 이상 안테나 칠 장소가 없어서 고민할 수 밖에 없다. 타워는 하나, 로테이터도 하나, 여러개의 야기를 스택한다고 해도 2개 이상은 무리다.
(3) Would not compromise on performance.
가격과 크기 때문에, 제작상의 어려움 때문에 안테나의 이득과 지향성을 포기할 수는 없다. 대충 만들어서 더미되게 할 바에야.. 값싼 중고 야기하나 사서 달지머... 안테나는 제작에 투자한 사랑만큼 정직하게 되돌아온다.
(4) Would be at least equal to a 3 EL trapped commercial yagi on all bands, eg TH...
적어도 명품이라고들 하는 TH7DX 정도 성능은 되야하지 않을까? 헉.. 중고 가격이 1000K..
(5) Could be rotated by an inexpensive rotator
비싸지 않은 로테이터로 돌릴 수 있으려면, 안테나의 경량화에 신경써야 한다는 이야기. 기성품 처럼 모든 엘레멘트를 비싼 듀랄루민으로 만들어야 한다는 이야기가 아니라, 안테나의 Boom 이나 마스터 파이프, 엘레멘트, 브라켓과 매칭부분의 경량화에 신경쓰면 한손으로 들을 수 있는 20m 3 EL Yagi도 충분히 가능하다.
(6) Would withstand severe weather conditions.
아마추어 이전에는 전쟁이나 마마가 무서운 존재였지만, 아마추어에게는 옛부터 지금까지 태풍이나 폭우, 돌풍, 낙뢰가 가장 무서운 존재가 아닐까... 언테나 자작에서 가장 힘든점이 왠만한 바람에도 끄떡없는 튼튼한 안테나를 만들기 힘들다는 점이다. 이 문제가 해결된다고 해도, 보통 꼼꼼한 사람이 아니면, 후일 안테나 조정이 불가피한 빗물방지 처리문제는 보통 소홀한 것 같다.
(7) Could be built with readily available parts.
손쉽게 구할 수 있는 재료들로 구성할 수 있어야 한다. 물론 가격도 고려해야 한다. 이 점에서 Low Band 안테나의 제작이 망설여지는 게 아닐까. 그 무지막지한 크기를 견딜 수 있는 파이프나 CQ 용 Glass Fiber는 솔직히 부담이 된다.
(8) Would lend it self to future modification, experimentation etc
왠만큼 바람이 불고 난리 굿이어도 SWR이 변하지 않는 튼튼한 매칭 방법 또한 고려해야 할 점이고, 향후의 조정이나 실험을 위해 쉽게 재구성이 가능해야 한다.
(9) Could be fed simply with a single feedline.
멀티 밴드 안테나를 하나의 급전선으로 급전할 수 있으면 좋다. Ameritron의 동축 절환기같은 것을 고려할 수 도 있지만, 최선의 대안은 하나의 안테나에 하나의 급전선을 사용하는 것이다. 케이블의 유지 보수는 물론 케이블 접속부에서의 이득 손실도 생각해야 한다.
(10) Reasonable size.
안테나는 합리적인 크기일수록 좋다. 보통 가정집이나 아파트 옥상에 Low Band 야기를, 거미줄같은 CQ를 올린다는건 거의 꿈에 가깝지 않을까... 안테나의 크기가 커질수록 성능은 비례하겠지만(단축이 적게 될테니..) 무게와 비용, 이웃주민들의 눈초리는 무시할 수 없는 존재.
그러면.. 이러한 요구사항들을 맞출 수 있는 안테나는 어떤 안테나인가?
우선 처음으로 ... 모든 기성 안테나 제품들은 가격이나 성능면에서 제외시킨다. 멀티밴드 야기의 경우 트랩 제작의 어려움이 있고, Quad는 밴드 확장이 용이하지만, 바람이나 사람들 눈에 걸리적 거리기 쉽다. (개인적으로 Loop안테나의 날카로운 지향성은 포기하기 힘들지만..) 그렇다면 LPDA는?
LPDA 안테나는 앞서 말한 안테나의 10대 조건을 그런대로 충족시킬 수 있는 유일한 대안이 될 수 있다. 여러 개(보통 5개 이상)의 아마추어 HF 밴드를 하나의 안테나로 커버할 수 있고, 높은 전방이익(dB)과 후방대비 전방이득(FBR), 낮은 SWR을 풀사이즈의 3ele Yagi의 크기로 얻을 수 있다. LPDA는 해당 밴드별로 밴드 주파수 폭 전체에 걸쳐 상대적으로 낮은 SWR(보통 2대1을 넘지 않는다)을 나타내며(잘 설계된 LPDA는 이론적으로 1.3 이하의 SWR을 아마추어 밴드 주파수 폭의 1~1.7배 전체에 걸쳐 얻을 수 있다) , 7.0dB의 미소다이폴 이득(dBi) 또는 4.9dB의 반파장 다이폴이득(dBd)를 얻을 수 있다. (보통 미소다이폴 이득이 반파장 다이폴 이득보다 2.14 dB 크다.)
물론, 설계 및 조정상의 어려움, 많은 엘레멘트와 크기로 인해 바람을 많이 받고 무게가 무거운 점 등의 단점이 있지만, 아마추어라면 한번쯤 만들어보고 싶은 안테나임에 틀림없다. 따라서, HL0Y가 제작했던 LPDA 들을 되돌아보고, 보다 개선된 안테나 제작을 위한 여러 아이디어를 생각해보자.
2. HL0Y의 LPDA
HL1TUE(필자)가 HL0Y에 들어와서 제일 처음으로 본 안테나가 10ele LPDA였다. 입학식날 학생회관위의 거대한 안테나를 보고 쉽게 HL0Y를 찾을 수 있었다.
HL0Y의 첫 번째 LPDA는 87년 봄 6 ele Log Yagi가 거센 바람에 부서지고 난 후 설계된 9 ele LPDA이다. 13-30Mhz까지 5 band 운용 가능한 안테나로 88년 89년 활발한 태양흑점 주기를 맞아 좋은 전파상태와 함께 엄청난 운용 LOG를 가능케 했었던 안테나로서, HL0Y의 위상을 드높였을 뿐 아니라, 이후 LPDA하면 HL0Y가 떠오를 정도로 제로양키의 대표적인 안테나로 인식되기 시작했다. 87년 LPDA는 4년여 정도 사용할 정도로 내구성이 훌룡했으며, 93년 필자가 학생회관 옥상에서 뒹구는 안테나 시체들을 보고 판단한 바로는 안테나의 내구성 및 경량화에도 상당히 신경을 쓴 흔적이 돋보였다. 그러나, LPDA의 특성상 엘레멘트 가운데가 전기적으로 쇼트되어 있어야 하므로, ㅁ형 알루미늄 파이프위에 엘레멘트를 설치하고 U 볼트와 엘레멘트 사이를 고무판을 깎아 절연하는 방법을 사용하는 등 많은 땀과 노력이 들어간 안테나였다.
두 번째 LPDA는 92년 겨울에 제작되었다. 10MHz에서 30MHz까지 6 Band를 커버하는 10 ele LPDA로서 엄청난 무게와 큰 크기로 93년 5월에 큰 태풍을 만나 뒷부분의 엘레멘트 2개가 파손되고, 오래가지 못해 내려져야 했다. 10MHz부분을 담당하는 뒷부분 엘레멘트의 처짐 방지를 위해 앵글로 보완하고, 엘레멘트에도 가이드를 설치하는 등 기계적인 튼튼함에는 많은 신경을 썼으나, 엘레멘트의 길이와 무게가 엄청나게 증가했고, 풍압면적이 넓어져 바람의 영향을 고려하지 못했다는데 아쉬움이 있다. 이전에 사용하던 켄프로 로테이터가 맛이 가는데 한 몫 했으리라. 이 안테나의 시체는 지금도 유용하게 쓰이고 있다. 앞부분 5개의 엘레멘트를 조합하여 18MHz-30Mhz의 4 Band를 커버하는 BCL 수신용 LPDA 안테나로 94년 개조되어 아직까지 옥상 구석을 지키고 있다.
세 번째 LPDA는 94년 겨울에 제작한 7Mhz 3ELE Wire LPDA이다. ARRL Antenna book에 있는 데이터를 기준으로 설계했고, 당시 태양 흑점 활동의 둔화로 7Mhz DX를 위해 제작하였다. 안테나의 크기 때문에 조정에 많은 애로사항이 있었으나, 전밴드에 걸쳐 1.1:1 이하의 SWR 과 약간의 송수신 이득을 볼 수 있었다. 다만, 무지막지한 크기덕분에 건물벽과 가까이 설치할 수밖에 없었고, 투자한 노력에 비해 많은 효과를 보지 못했던 점이 아쉽다. 이것과 같은 안테나를 95년 삽시도 페디때 사용하기 위해 다시 제작했었다. 학생회관 정면에서 안테나 조정을 10분만에 마치고, 만족할 만한 수신 이득 향상이 있었지만, 삽시도에서 설치하려고 펼쳐놓은 안테나를 주위 텐트족들이 빨래줄로 사용키 위해 걷어가서 결국 제대로 사용해보지 못했던 기억이 새롭다. 하지만, 이러한 Low Band Wire Beam을 제작할 때에는 안테나의 설치를 위한 QTH에 대한 고려가 필수적임을 상기해야 한다.
네 번째 LPDA는 98년 2월부터 제작 및 설계에 들어간 9ele LPDA 이다. 94년의 4ele 4 band CQ에서 4ele 2 Band Quagi를 거쳐 98년 2월 당시 개미모임(Ant 연구모임)을 주축으로 주력 밴드 안테나 제작을 위한 많은 노력 끝에, 지금까지의 LPDA에서 한단계 진보한 LPDA를 제작할 수 있었다. 특히, 그간의 안테나들의 무거운 중량에 로테이터들이 견디지 못하고 유지보수 상에 어려움이 많았으므로, 안테나의 경량화에 주력했다.
LPDA의 붐을 철제 수도 파이프에서 군용 알루미늄 폴로 대체하고, 기성품 LPDA 안테나를 Bench Marking하여 알루미늄 브라켓을 사용하기 위해 엘레멘트 가운데 부분에 플라스틱 파이프를 끼워 넣는 방식으로 간단히 처리하는 등 전체적인 안테나의 무게가 이전의 1/3 수준으로 줄어들었고, 엘레멘트 끝부분에 고무패킹을 다는 등 방수처리에도 신경을 썼다. 2달여에 걸쳐 안테나 조정을 위한 각고의 노력이 있었으나, 매칭부분이 불안하여 SWR이 들쭉날쭉한 단점이 있어, 11월경에 8ele LPDA로 재설계 하였으며, 전밴드 좋은 성능을 얻을 수 있었다.
다섯 번째 LPDA는 12ele 5Band(13~30Mhz) LPDA로 99년 여름에 제작이 이루어졌다. 98년 LPDA의 매칭부분에 대한 보완 및 설계와 제작과정에서 습득한 노하우 전수가 거의 없이 이루어져 많은 시행착오를 겪으며, 몇 번의 재설계 끝에 완성될 수 있었다. 엘레멘트의 길이가 길어지는 관계로 제일 긴 엘레멘트 두 개 부분에 대해 베이클라이트 판과 앵글로 휘어짐을 방지했고, 그외 부분의 제작방법은 이전 LPDA와 대동소이하나, 엘레멘트 수의 증가로 무게가 많이 증가했으며, 급전점에 사용하는 발룬과 헤어핀 스텁을 이용하여 조정했으나, 이당시 HL0Y가 액티브한 활동이 없어 안테나의 성능에 대한 검증은 제대로 되지 못했다.
무려 다섯 번이나 되는 LPDA 설계 및 제작이 있었지만, 그 설계 데이터와 조정시의 노하우 등에 대한 부분은 거의 남아 있지 않았다. 단지, 첫 번째 LPDA의 설계 데이터 값이 59지 등에 전하고 있고, 4번째 LPDA 데이터와 제작시의 아이디어들이 나우누리 야라 작은모임에 약간 남아 있을 뿐 조정이 완료된 후의 최종 데이터와 매칭방법에 대해서는 찾아볼 길이 없었다. 따라서, 각각의 안테나 제작 시 기존의 노하우가 전무한 상태에서 시작하여 보다 효율적인 안테나 설계가 이루어지지 못한 점이 아쉽다. 다시 한번 Documentation의 중요성을 강조한다.
3. LPDA의 원리
LPDA는 Dipole-Array, 즉 다이폴을 이어 놓은 안테나이다. 따라서 다이폴에 대한 이해를 하고 본 이야기로 넘어가야 한다. -_- 전파는 파장과 주파수라는 이름으로 표현될 수 있는데 이 파장과 주파수는 f= C/λ라는 식에 의해 표현할 수 있다. 예를 들어 21Mhz의 주파수를 가진 전파는 15m라는 파장의 길이를 가진다. 그렇다면 21Mhz의 주파수를 송수신하기 위한 다이폴의 길이는 얼마이어야 할까?보통은 λ/2를 사용해서 7.5m 정도의 다이폴을 이용한다. 왜일까? 깊게는 설명하지 않겠지만, λ/2 일 때 임피던스(교류의 저항)가 최소가 된다. 이러한 동조점은 λ/2에서만이 아닌 그 배수의 파장에도 해당되지만, 실제적인 제작측면에서 볼 때 λ/2를 많이 사용한다는 것은 HF 대 안테나의 크기를 고려한다면 당연한 것이다. 때문에 7.5 m의 길이의 다이폴에 많은 종류의 전파가 지나간다 해도 15m의 파장을 가진 전파이외에는 임피던스가 커서 전류가 흐르지 않게 된다.
그림 1 반파장 다이폴
그림 2 다이폴의 길이와 임피던스
여기까지 이해가 되셨으면, 한 단계 위의 Yagi의 기본원리를 또한 이해해야 하는데, 그 이유는 LPDA는 YAGI와 비슷한 작용을 하기 때문이다.
아래 그림 3은 일반적인 Yagi의 형태인데 Radiator에서 방사된 전파가 Reflector에서 반사하고, Director에서 끌어줘서 화살표 방향으로 센 전파가 나가고 그 반대방향으로는 전파가 죽어버리게 된다.
그림 4가 그 기본원리를 나타내고 있다. 같은 위상의 전파를 합하면 전파의 세기가 커지고 다른 위상의 전파를 합하면 전파가 사라져 버린다. 우선 Rad와 Ref를 비교하여 보자. Ref는 Rad보다 길다. 그래서 CAPACITIVE한 성질을 띠는데, 그 결과는 Rad에서 방사한 전파가 90°의 위상이 뒤짐을 의미한다. 따라서 Ref의 성질 상 90°의 위상변화, Rad와 Ref 사이의 λ/4의 길이, 또 ref의 유도전류의 흐름이 모두 작용하여 rad에서 방사된 전파가 ref에 유도 전류를 만들고 또한 다시 방사된 전파가 다시 rad에 왔을 때는, 그 때 방사된 전파와 위상이 같기 때문에 전파의 세기가 세어지고, 그 반대 방향에서는 전파의 위상이 반대이어서 전파가 상쇄된다. 따라서, 전파는 한쪽 방향으로 세게 나가게 된다.
그림 3 기본적인 다이폴의 형태
그림 4 Dir. 와 Ref의 작용
Director는 Reflector와 반대 방향이고 Inductive한 성질을 띠기 때문에 또한 한쪽 방향으로 세게 나가게 된다. Capacitive는 90°위상 전이고, Inductive는 90°위상 후이므로 서로의 방향이 반대지만 같은 방향을 향하게 된다.
그러면 이제 LPDA에 대해 알아보기로 하자. 먼저 기본적인 형태를 살펴보자.
그림 5 LPDA Schematic Diagram
엘레멘트의 길이와 엘레멘트 사이의 간격은 일정한 상수 τ에 비례하여 정해진다. 예를 들어 이고 이다. 그리고, 안테나선에서 급전되는 전류는 모든 엘레멘트에 180°의 위상을 자지고 들어가게 된다. 그러면 만약 가 21MHz의 λ/2의 길이로 동조되는 엘레멘트라고 가정하여 보자, 그렇다면 , 은 21MHz에 완전 동조되지 않으므로 임피던스가 커진다. 보다는 이 더하다. 또한 , , 쪽도 그렇다. 따라서, , 의 작은 전류 급전을 제외하면 를 제외한 다른 엘레멘트에는 전류가 흐르지 않는다고 할 수 있다. 과 는 보다 길이가 길다. 그래서 Yagi의 Ref역할을 하므로 전파를 앞쪽으로 세게 밀어낸다. 또한 , , 는 보다 길이가 짧으므로 Yagi의 Dir 역할을 하여 전파를 앞으로 세게 끌어당긴다. 결국 Yagi와 비슷한 구조를 가지게 되는 것이다. 그런데 LPDA에서 문제가 되는 것은 밴드별 간섭현상으로 만약 21Mhz에 동조시키려 한다해도 정확히 λ/2가 되는 엘레멘트 길이를 적용할 수 없다는 점이다. LPDA의 엘레멘트들은 여러 주파수 폭에서 사용되므로, 만약 21 MHz를 사용한다면 λ/2에 가까운 2~3개의 엘레멘트가 군으로 형성되어 전파를 방사하게 된다. 급전선을 서로 꽈서 180°의 위상으로 한 이유도 거기에 있다. 엘레멘트 사이의 길이가 λ/4 정도 되므로 전파의 속도와 180°의 위상을 고려하면 결국 위상이 같아져서 강한 전파를 방사하게 되는 것이다. 이것이 LPDA의 기본 원리이다.
4. LPDA의 설계
The ARRL Antenna Book을 기준으로 LPDA의 설계과정을 살펴보자. 그러나, 아무리 설계가 잘 되어도, 실제 안테나는 QTH와 지형상의 영향, 안테나 재료 및 제작 방법 등의 영향을 많이 받으므로, 실제 사용을 위해서는 많은 조정이 필요하다. 이러한 안테나 조정에는 왕도가 없고, 투철한 실험정신과 안테나에 대한 사랑으로 일관하는 것뿐이라는 것은 다들 잘 알고 계실터라 생각한다.
1) 먼저 사용하고자 하는 가장 낮은 주파수 (MHz)과 가장 높은 주파수 (MHz)을 정하고, 그 비인 교신 밴드폭 B를 구한다.
B= /
2) 요구되는 이득을 얻기 위한 설계상수 τ와 상대간격상수 σ를 구한다.
여기서 τ는 엘레멘트와 간격의 감소 상수이고 σ는 길이와 간격의 관계상수이다. τ는 커질수록 엘레멘트 수가 많아지고 붐이 길어지며 σ는 커질수록 간격이 넓어진다. 높은 이득(6.8dBi)는 τ=0.9, σ=0.05 일 때 얻을 수 있으나, 최저의 SWR(이론상 1.1:1)은 σ=σopt일 때 얻을 수 있으며, σ가 작아질수록 SWR이 커지게 되어 σ=0.05일 때 SWR은 이론상으로 1.8:1 이다.
0.8≤τ≤0.98
0.05≤σ≤σopt
σopt= 0.258τ-0.066
3) 그 다음에 α를 구하는데, 이것은 LPDA의 붐을 기준으로 엘레멘트와 붐의 각도이다.
cotα=4σ/(1-τ)이다.
4) Active region 밴드폭 Bar을 구한다.
5) Structural 밴드폭 Bs를 구한다.
6) 붐 길이 L, 엘레멘트 수 N, 가장 긴 엘레멘트 길이 을 구한다.
, 여기서 (ft)
=492/ (ft)
7) Stub 를 구한다. 보통 HF 대 안테나에서는 가장 긴 엘레멘트 가운데를 쇼트시킨다라고 되어 있으나(ARRL Antenna Book), 실제 제작상에 있어 Stub의 길이를 조정하여 SWR을 낮출 수 있었다. VHF 나 UHF Array의 을 사용하며, HF LPDA에서는 50 센티미터 내외로 증감시키면서 조정한다.
8) 나머지 엘레멘트의 길이와 엘레멘트 사이의 간격을 다음과 같이 구한다.
(예를 들어 d23는 엘레멘트 2와 엘레멘트 3 사이의 간격임)
9) 낮은 SWR을 얻기 위해서 요구되는 발룬비 및 안테나와 급전선의 임피던스 매칭을 위해 급전점의 저항성분 R0를 선택한다. 예를 들어 4:1 발룬으로 50Ω 동축케이블과 매칭하려면, R0=4x50=200Ω이 된다.
R0는 주파수에 따라 주기적으로 변하며, 주로 안테나 급전선 임피던스 Z0 (여기서 말하는 안테나 급전선은 LPDA 엘레멘트 사이를 급전하는 X자 형상의 위상반전 피더를 의미함)의 영향에 따라 변한다. 따라서, 안테나 급전선의 크기와 Conductive 성질에 따라 가장 큰 영향을 받으며, 이외에 평균 다이폴 임피던스 Zav와 평균 간격 팩터인 σ'의 영향을 받는다.
10) 위의 식들을 이용해서 안테나 급전선 임피던스 Z0를 구한다.
11) 안테나 급전선 임피던스 Z0를 맞추기 위한 안테나 급전 라인의 크기와 간격을 결정한다. 만약 지름 D(ft)의 알루미늄 파이프 또는 동선을 사용한다면, 간격 S(ft)는 다음과 같이 구할 수 있다.
이제 LPDA의 설계가 끝났다. 설계 사례로 87년 HL0Y가 최초로 제작했던 9 ele LPDA의 설계제원은 다음과 같다. 당시 높은 이득을 얻기 위해 σ값을 0.05로 설정한 점이 돋보인다.
설계 상수
엘레멘트 길이(m)
엘레멘트 간격(m)
f1(최저 설계 주파수) = 13.000MHz
fn(최고 설계 주파수) = 30.000MHz
τ (설계 상수) = 0.8
σ (상대 간격상수) = 0.05
L (붐 길이) = 5.9161m
N ( 엘레멘트 수) = 8.8899
R0 (안테나 급전점 임피던스) = 130 ohm
Balun (임피던스 매칭 발룬) = 2.5:1
S (급전선 간격) = 1.46 (cm)
D (급전선 지금) = 2.5000(mm)
Feed Line (동축케이블) = 52ohm 동축케이블
Ele 1 = 11.5355
Ele 2 = 10.0359
Ele 3 = 8.7312
Ele 4 = 7.5962
Ele 5 = 6.6087
Ele 6 = 5.7495
Ele 7 = 5.0021
Ele 8 = 4.3518
Ele 9 = 3.7861
d12 = 1.1536
d23 = 1.0036
d34 = 0.8731
d45 = 0.7596
d56 = 0.6609
d67 = 0.5750
d78 = 0.5002
d89 = 0.4352
5. LPDA 제작 사례
향후 HL0Y의 진일보한 차기 LPDA 제작을 위해 TITANEX의 Wire LPDA와 CUSHCRAFT의 LPDA를 분석한다. 특히 TITANEX사의 Wire LPDA는 안테나의 경량화와 제작 원가의 절감, 제작의 편리함을 고루 해결했다는 점에서 눈여겨볼 만 하다.
(1) TITANEX DLP 11
DLP 11은 11 Ele Wire Log-Periodic로서 7MHz - 30MHz을 커버할 수 있다. 아래 왼쪽 사진과 같이 BOOM과 알루미늄 파이프로 된 엘레멘트 하나를 주축으로 열십(+)자 뼈대를 이루어 마름모꼴 형상을 이루고 있으며, 알루미늄 파이프(14Mhz 담당)로부터 오른쪽이 LPDA부분이다. 즉, LPDA 부분은 9 ELE 로 14Mhz~30MHz를 담당하고, 뒤쪽의 두 개 엘레멘트는 단축 다이폴로 작용하여 10Mhz, 7Mhz를 담당한다.
그림 6 DLP 1
그림 7 DLP15
(2) TITANEX DLP15
DLP 15는 15 Element Wire Log-Periodic로 7MHz - 30MHz를 담당한다. 대부분의 엘레멘트가 와이어로 되어 있어 사람 눈에 잘 띄지 않을 뿐더러, 120km/h의 풍속시 500N의 풍하중에 견딜 수 있고 바람이 불어도 엘레멘트가 춤을 추지 않는다.
전체 무게가 22kg에 불과하고(이정도면 혼자서도 충분히 들 수 있다) 5kW PEP 출력에 바룬을 사용하지 않았다 . 많은 수의 Wire 엘레멘트를 사용하여 방사각이 낮으며, 하나의 케이블로 7밴드 급전이 가능하다. 특이한 점은, 두 개의 붐을 이용하여 주붐과 보조붐에 Wire Elelment를 연결하고, 붐에서 직접 급전을 한다는 점인데, 제작사의 설명으로는 이득이 높아진다고... 뒤쪽의 10MHz와 7MHz부분은 한 개씩의 엘레멘트가 다이폴로 작용하여 날카롭게 밴드 주파수에 공진하고, 14~30MHz부분(11 ELE)은 LPDA로 작용하여 브로드하게 공진하므로, Low Band Filter (7~13MHz) 작용을 한다. 나머지 두 개 엘레멘트는 14Mhz와 21Mhz의 리플렉터 작용을 한다.
안테나의 재료를 살펴보면, 우선 메인 Boom과 보조 Boom, 그리고 길고 짧은 두 개의 엘레멘트는 알루미늄-티타늄 합금이고, 나머지 엘레멘트는 고강도 강선을 사용했다. 안테나의 형상을 지지해주는 줄은 UV 방지 폴리에스테르 코팅이 되어 있는 케블러 섬유를 사용했고, 두 개의 알루미늄 엘레멘트 가운데 부분은 글래스화이버 파이프로 절연했다.
안테나의 제원
Boom length: 8m (6m+2m)
Longest element: 10.42m
Shirtest element: 3.54m
Turning radius: 5.78m (19ft.)
Gain: 14-30MHz: 6.5dBd
7MHz: 1dBd
10MHz: 2dBd
Front-to-back ratio: 20-25dB
VSWR: typically 2:1 or less
Price : US$1350-VAT
* The drawings are copyrights of Titanex!
그림 8 DLP15의 제원(LPDA부분)
13개의 알루미늄 윈치들이 안테나 밸런스와 몇몇 다이폴의 세부 조종을 위해 사용되었고(그림9), 모든 엘레멘트들은 붐 파이프와 직접 클램프로 연결되어 있다. 안테나의 급전은 발룬없이 직접 두 개의 Boom에 이루어진다.
그림 9 알루미늄윈치
그림 10 클램프
그림 11 Direct Feeding
DLP 15의 제원 및 각 엘레멘트의 세부 도면은 Titanex 홈페이지에서 구할 수 있으므로 참조하기 바란다.
(3) CUSHCRAFT ALS2010
Frequency, MHz 13.5-32
No. Elements 8
Forward Gain, dBi 6.4
FBR, dB 15-20
SWR 1.2:1 Typical
2:1 Bandwidth 18.5 MHz
Power Rating, PEP 2000W
3dB Beamwidth, Degrees
E Plane 65
Boom Length, 5.48m
Longest Element, 11.58m
Weight, 25.5kg
CushCraft사의 ALS2010은 전형적인 LPDA의 형태로서 8개의 element로 13.5~32Mhz를 커버한다. 가장 긴 뒤쪽의 엘레멘트를 제외한 나머지 7개 엘레멘트는 가운데부분에 글라스화이버 파이프로 절연되어 있으며, 제일 앞부분에 바룬을 연결하였다. 안테나 뒷부분의 엘레멘트는 Stub없이 바로 연결되는 형태이다. 안테나 제작 매뉴얼에 보면 최고의 이득(Gaim)과 전방대후방비(FBR)을 위해서는, SWR을 낮추기 위해 엘레멘트 길이를 조정하지 말 것을 당부하고 있는데, 그렇다면 HL0Y는 지금까지 LPDA의 조정시 더미를 만들기 위해 SWR 1:1에 무던히 노력했다는 말이 된다. 흠냐..
안테나의 세부사항 및 제작 방법, 안테나 엘레멘트의 Tubing 치수등 자세한 데이터를 포함한 제작 매뉴얼을 인터넷 사이트에서 구할 수 있다.
그림 13 ASL2010 Scale
그림 14 ASL2010의 급
6. LPDA 안테나 제작을 위한 Brain Storming
향후 LPDA제작시 보다 효율적이고 간편하게 하기 위해서 기존 안테나 제작 노하우와 시제품 LPDA를 벤치마킹하여 나름대로의 결론을 내렸다. 우선 일반적인 안테나 형태와 제작상의 Tip에 대해 생각해 보자.
최적의 LPDA 안테나 형태는 Wire LPDA라고 생각한다. 특히 무게나 안테나 제작원가 절감이라는 점에서 바람직한 대안을 제시해 줄 수 있다. 다만, 기계적인 제작상 깔끔한 뒷처리는 향후 조정을 위해서나 안테나의 내구성을 위해 필수적이다.
기본적인 틀은 Titanex사의 DLP15형태로 하되, 제작상의 편리함을 위해 뒤쪽의 7/10MHz Dipole 부분과 14/21MHz부분의 리플렉터부분은 제외하는 편이 조정에 편리할 것이라고 생각된다. 또하나 자작상 제안하고 싶은 것은, Wire Element 부분을 강선으로 하지 말고, 엘레멘트 위치에 케블러섬유(구하기 힘들면 일반적인 빨래줄도 무방)로 틀을 고정한 다음, 시중에 일반적인 전기선(동선)을 사용하여 케블러 섬유를 따라 살짝 감는 정도로 위치시키는 것이다. DLP15에서 사용한 방법은 Wire Element가 고정되어 버리므로, 자작파에게 중요한 향후 조정이 불가능하게 된다. 동선을 실제 길이보다 20cm정도 넉넉하게 만든다음, Tunig시에 동선을 접었다 풀었다 하는 식으로 길이를 증감하여 조정할 수 있다.
안테나의 Boom은 전체 길이가 5m를 넘어가지 않는다면 일반적인 수도파이프를 고려할 수 있지만(Wire LPDA는 가벼우므로, 35mm정도 지름의 수도관도 충분히 가능함), 붐 길이가 5m를 넘어간다면 군용 알루미늄 파이프를 연결하는 방식으로 하는 것이 안테나의 무게를 줄이는데 효율적이다.
Wire LPDA에서 안테나의 다른 엘레멘트들을 지지하도록 하는 가장 긴 엘레멘트는 글래스화이버 막대(또는 글래스 낚시대)를 사용하거나, 알루미늄 파이프로 제작하여 직접 엘레멘트 하나의 역할을 수행하도록 할 수 있지만, 엘레멘트 역할을 수행하려면 붐과 만나는 가운데 부분을 절연시키면서 다른 엘레멘트를 지지할 수 있을 정도로 튼튼하게 하는 것이 관건이다. 가운데 부분의 절연재료로 일반 시제품에 사용하는 것과 같은 글래스화이버 봉이나 파이프를 구하기가 힘드므로, 대체 재료로서 PVC파이프, PVC 파이프+에폭시수지로 채움, 아크릴 봉, mc나일론 봉을 고려했었는데, PVC파이프는 휘어지는 단점이, 아크릴은 일정 무게 이상이면 부러지는 단점이 두드러지며, mc나일론 봉이라는 재료가 그런대로 사용가능했다.
만일 Wire 형태가 아닌 일반적인 알루미늄 엘레멘트를 사용할 경우에는 엘레멘트의 무게와 길이의 증가로 인해 길이가 8미터 이상되는 경우 엘레멘트 끼워넣게에 신경써야 한다. 가운데 파이프 두께가 2t 이상 되도록 하는 것도 주의해야 한다. (예를 들면 지름 28t / 25t / 22t / 19t 파이프에 두께 2t 사용) 또한, 엘레멘트 마지막 부분은 Steel Band를 사용, 향후 조정에 편리하도록 하고 방수처리에 주의한다.
LPDA 제작이 완료되고, 안테나의 조정시에 고려해야 할 조정 포인트는 엘레멘트 길이와 간격, 그리고, 바룬 및 Stub의 사용이다. 우선 설계대로 제작했으면 엘레멘트 길이와 간격의 조정은 최소화하여 설계 이득과 F/B를 최대로 한다. LPDA 조정시 SWR 최소점이 FBR 또는 이득 최고점이란 등식은 성립되지 않고, LPDA의 특성상 전밴드 SWR 1:1은 불가능에 가까우므로, SWR 1.5:1 정도에 만족하자.
LPDA에의 급전은 평형급전이므로, 불평형급전선(동축케이블)과 급전을 위해서는 발룬을 사용하는 것이 원칙이다. 발룬은 또한 임피던스 매칭을 위해 반드시 필요하다. 설계한 안테나 급전점 임피던스가 흔히 사용하는 동축케이블(RG-8) 임피던스인 50ohm과 같거나 비슷하다면 (대략 30~70ohm) 바룬을 사용하지 않아도 크게 영향받지 않지만, 안테나 급전점 임피던스가 200ohm을 넘어간다면 4:1 발룬을 사용해야 한다. (일반적인 경우, 다이폴의 임피던스가 75ohm이고, 3ele Yagi의 임피던스가 30ohm정도 되므로 발룬이 그다지 필요없다.)
또하나, Stub을 이용하여 안테나 임피던스를 조정할 수 있다. Hair Pin 매칭과 같은 역할을 하는 Stub은 인덕턴스 값을 띄므로, 헤어핀을 달면 급전점 임피던스가 커지게 된다. 따라서, 안테나 설계시 급전점 임피던스를 200ohm으로 하고, 4: 1 바룬과 스텁(헤어핀)을 사용하여 임피던스를 200ohm가까이 맞추는 방법을 사용하는 것이 좋을 듯 싶다.
헤어핀 매칭은 알루미늄 파이프 직경 1cm정도 가는것을 두개로 자르고 좀더 가는 부분은 디귿자로 구부려서 여기에 넣었다 뺐다 하는 식으로 조정하는 것이 간편하다. 이렇게 전체적인 임피던스를 고려한 후에 개개의 엘레멘트를 약간씩 조정하는 방식으로 밴드별 SWR을 조정하도록 한다.
이렇게 안테나의 제작과 조정이 끝나면 반드시 매칭부분을 정리한 후 매칭부분과 엘레멘트 끝부분에 대한 방수처리를 하고, 설계데이터와 최종 조종된 치수 데이터를 기록하는 것을 잊지 않도록 해야 한다.
이 글을 통해서 기존 HL0Y의 LPDA들에대해 정리할 수 있었고, 나름대로 최선의 LPDA 제작을 위한 여러 아이디어를 강구해 보았다. 향후 보다 발전된 HL0Y의 6번째 LPDA가 멋지게 탄생하기를 바라며, 그 동안 LPDA 안테나에 대한 HL0Y 선후배님들의 사랑과 열정, 실험정신에 찬사를 보낸다.
참고문헌
1. 아무제(기술부편), 나우누리 야라 작은모임 게시판, 1996~2001
2. CUSHCRAFT ASL2010 Manual (http://www.cushcraft.com)
3. HL0Y의 안테나史, 편집부, 11번째 59지, 1997.2.14
4. Log Periodic Arrays, ARRL. The ARRL ANTENNA BOOK, 1991.6
5. LPDA란?, 10기 고영훈, 4번째 59지, 1988.1.30
6. TITANEX Antenna Homepage(http://www.titanex.de)
GDXC회원들께서
위 글을 읽고 LPDA ant에 대한 많은 이해와 이론을 겸비한 안테나
기술을 터득하였으면 하는 바램입니다.
또한
이 글을 기재한 엄신조님께 허락없이 복사를 해와 양해를 구합니다.
de hl4cel
I wanted an antenna that....
(The Story of Log Periodic Dipole Array)
HL1TUE 엄신조
since FEB. 12, 2001
I wanted an antenna that....
(1) Would not be too expensive
(2) Would cover as many bands as possible.
(3) Would not compromise on performance.
(4) Would be at least equal to a 3 EL trapped commercial yagi on all bands, eg TH6
(5) Could be rotated by an inexpensive rotator
(6) Would withstand severe weather conditions.
(7) Could be built with readily available parts.
(8) Would lend it self to future modification, experimentation etc
(9) Could be fed simply with a single feedline.
(10) Reasonable size.
1. 들어가며
햄을 알게된지 20여년.. 트랜시버에서 흘러나오는 온갖 QRN이 노래소리로 들린지 8년.
개인적으로 지하철타는 것 보다 버스 타는 것을 좋아한다. 멀뚱멀뚱 다른사람들의 시선을 의식하며 YL 점수매기는 재미는 있지만, 지하철 안에는 안테나가 없다. 가끔 역사내에 열차간 통신을 위한 UHF 야기가 간간 보이긴 하지만.. 이에 반해 버스는 창밖으로 비추는 햇살에, 바람소리에 나 자신이 살아있음을 느낄뿐더러. 동네마다 HF 야기가, GP가, 대사관 관저의 LPDA가, 전파감시소의 거대한 LPDA 들이 버스가 완전히 지나칠때까지 시선을 뗄 수가 없게 만든다.
나는 안테나를 좋아한다. DXer라고 하기엔 많이 부족하다고 느끼지만, 나름대로, HL0Y로 HL1TUE로 아마추어무선에 흥미를 붙이면서, 진정한 아마추어란 몸소 하나씩 부딫치면서 전파를 이해해나가는 것이라고 생각하게 되었다.
아마추어무선 운용을 위해 필수적인 두가지 장비를 손꼽으라면, 트랜시버와 안테나를 들 수 있다. 정말로 실력파 아마추어가 아닌바에야 트랜시버를 자작하는 것은 기성 트랜시버를 사는 것보다 시간과 PWR, 실력 면에서 역부족이다. (특히 나같이 비전공자에게는 -_-) 물론 QRP TRX 나 CW Keyer 등등 키트를 구입해서 만들어보기도 하고, 7MHz 수신기를 만들어보려고 청계천을 뒤집고 다니고, 핵심 IC를 구하기 위해 홍보용 샘플 IC를 떼쓰다시피 해서 구하기도 했지만, 결과는 그저 그랬다...
그러면 안테나는? 우선 기성품 안테나는 너무 비싸다. 따라서, HL0Y 같은 진짜 아마추어 클럽국은 PWR 문제를 생각하지 않을 수 없다. 그렇다고 안테나를 자작하는 것은 많은 시간과 노력이 들어간다. 클럽국이 좋은 점이 여기에 있다. 많은 인력을 공짜로 안테나 자작에 투입할 수 있는 것이다. 몇번의 자장면과 소주 몇 병이면 No Problem. 높은 이득과 지향성을 가진 HF 안테나를 뚝딱 만들 수 있다. 생각보다 간단히 다양한 안테나의 자작이 가능하며, 안테나 제작은 진정한 아마추어의 맛을 느낄 수 있는 최선의 방법이 아닌가 싶다. (어떻게 보면 TUE가 노가다 전공이기 때문일 수도 있다. -_-)
성능면을 비교하자면, 요즈음 나오는 트랜시버와 수십년전에 나온 트랜시버의 기능과 가격 차이는 천차만별이지만, 기본적인 송수신 능력은 별반 차이가 없는 것에 비해, HF 안테나의 성능은 그 형태와 제작 노력에 비해 몇 배에서 많게는 수십 배의 성능 차이를 느낄 수 있다. 아무리 PWR에 장화를 신기고 수신하는 귀가 뚫려도, SIG 이 안들리면 손가락 빨 수 밖에 없지 않은가?
HL0Y만큼 많은 안테나를 사용한 0STN도 드물다. 기본적인 Dipole, Yagi, GP 에서부터 LPDA(Log Periodic Dipole Array), Log Yagi, CQ까지 유난히 HF DX에 치중한 덕분에 HF 안테나에 대해서는 많은 노하우가 쌓여있음이 사실이다. 우리나라 시람들의 특성상 HL0Y에도 기존의 안테나 자료에 대한 Documentation이 안되어 있는 것이 안타깝지만, 특히 LPDA 제작만큼은 세계 제일이 아닐까. 그런 와중에 TUE는 열 몇 개의 다이폴과 몇 번의 LPDA, 4 EL 4 Band CQ, GP 등등 수십 개의 안테나의 제작에 참여하고 직접 운용하면서 안테나의 성능과 제작 효율성에 대해 많은 고심을 할 수 있었다. 과연 Compact 하면서 이득과 지향성이 뛰어나고, 저렴하게 제작할 수 있는 안테나는 없는가?
인터넷 사이트를 뒤지다가. 재미있는 글을 발견했다. I wanted an antenna that...
(1) Would not be too expensive
우선, 아마추어니까, 너무 비싼 안테나는 무리다. 기성품은 물론이거니와, 자작 안테나도 아무 생각없이 재료를 구입하면 몇백K는 그냥 날라간다.
(2) Would cover as many bands as possible.
옛부터 보통의 아마추어들은 일반적인 3.5 / 7 / 14 / 21 / 28 MHz 밴드에서 활발하게 활동해왔고, 3.5나 7MHz 는 다이폴, 14/21/28 MHz는 3Band YAGI로 충분히 만족해왔다. 그러나 DXer나 안테나를 좋아하는 사람으로서 WARC Band(10.1/18/24.9 MHz)를 운용하려고 한다면 더 이상 안테나 칠 장소가 없어서 고민할 수 밖에 없다. 타워는 하나, 로테이터도 하나, 여러개의 야기를 스택한다고 해도 2개 이상은 무리다.
(3) Would not compromise on performance.
가격과 크기 때문에, 제작상의 어려움 때문에 안테나의 이득과 지향성을 포기할 수는 없다. 대충 만들어서 더미되게 할 바에야.. 값싼 중고 야기하나 사서 달지머... 안테나는 제작에 투자한 사랑만큼 정직하게 되돌아온다.
(4) Would be at least equal to a 3 EL trapped commercial yagi on all bands, eg TH...
적어도 명품이라고들 하는 TH7DX 정도 성능은 되야하지 않을까? 헉.. 중고 가격이 1000K..
(5) Could be rotated by an inexpensive rotator
비싸지 않은 로테이터로 돌릴 수 있으려면, 안테나의 경량화에 신경써야 한다는 이야기. 기성품 처럼 모든 엘레멘트를 비싼 듀랄루민으로 만들어야 한다는 이야기가 아니라, 안테나의 Boom 이나 마스터 파이프, 엘레멘트, 브라켓과 매칭부분의 경량화에 신경쓰면 한손으로 들을 수 있는 20m 3 EL Yagi도 충분히 가능하다.
(6) Would withstand severe weather conditions.
아마추어 이전에는 전쟁이나 마마가 무서운 존재였지만, 아마추어에게는 옛부터 지금까지 태풍이나 폭우, 돌풍, 낙뢰가 가장 무서운 존재가 아닐까... 언테나 자작에서 가장 힘든점이 왠만한 바람에도 끄떡없는 튼튼한 안테나를 만들기 힘들다는 점이다. 이 문제가 해결된다고 해도, 보통 꼼꼼한 사람이 아니면, 후일 안테나 조정이 불가피한 빗물방지 처리문제는 보통 소홀한 것 같다.
(7) Could be built with readily available parts.
손쉽게 구할 수 있는 재료들로 구성할 수 있어야 한다. 물론 가격도 고려해야 한다. 이 점에서 Low Band 안테나의 제작이 망설여지는 게 아닐까. 그 무지막지한 크기를 견딜 수 있는 파이프나 CQ 용 Glass Fiber는 솔직히 부담이 된다.
(8) Would lend it self to future modification, experimentation etc
왠만큼 바람이 불고 난리 굿이어도 SWR이 변하지 않는 튼튼한 매칭 방법 또한 고려해야 할 점이고, 향후의 조정이나 실험을 위해 쉽게 재구성이 가능해야 한다.
(9) Could be fed simply with a single feedline.
멀티 밴드 안테나를 하나의 급전선으로 급전할 수 있으면 좋다. Ameritron의 동축 절환기같은 것을 고려할 수 도 있지만, 최선의 대안은 하나의 안테나에 하나의 급전선을 사용하는 것이다. 케이블의 유지 보수는 물론 케이블 접속부에서의 이득 손실도 생각해야 한다.
(10) Reasonable size.
안테나는 합리적인 크기일수록 좋다. 보통 가정집이나 아파트 옥상에 Low Band 야기를, 거미줄같은 CQ를 올린다는건 거의 꿈에 가깝지 않을까... 안테나의 크기가 커질수록 성능은 비례하겠지만(단축이 적게 될테니..) 무게와 비용, 이웃주민들의 눈초리는 무시할 수 없는 존재.
그러면.. 이러한 요구사항들을 맞출 수 있는 안테나는 어떤 안테나인가?
우선 처음으로 ... 모든 기성 안테나 제품들은 가격이나 성능면에서 제외시킨다. 멀티밴드 야기의 경우 트랩 제작의 어려움이 있고, Quad는 밴드 확장이 용이하지만, 바람이나 사람들 눈에 걸리적 거리기 쉽다. (개인적으로 Loop안테나의 날카로운 지향성은 포기하기 힘들지만..) 그렇다면 LPDA는?
LPDA 안테나는 앞서 말한 안테나의 10대 조건을 그런대로 충족시킬 수 있는 유일한 대안이 될 수 있다. 여러 개(보통 5개 이상)의 아마추어 HF 밴드를 하나의 안테나로 커버할 수 있고, 높은 전방이익(dB)과 후방대비 전방이득(FBR), 낮은 SWR을 풀사이즈의 3ele Yagi의 크기로 얻을 수 있다. LPDA는 해당 밴드별로 밴드 주파수 폭 전체에 걸쳐 상대적으로 낮은 SWR(보통 2대1을 넘지 않는다)을 나타내며(잘 설계된 LPDA는 이론적으로 1.3 이하의 SWR을 아마추어 밴드 주파수 폭의 1~1.7배 전체에 걸쳐 얻을 수 있다) , 7.0dB의 미소다이폴 이득(dBi) 또는 4.9dB의 반파장 다이폴이득(dBd)를 얻을 수 있다. (보통 미소다이폴 이득이 반파장 다이폴 이득보다 2.14 dB 크다.)
물론, 설계 및 조정상의 어려움, 많은 엘레멘트와 크기로 인해 바람을 많이 받고 무게가 무거운 점 등의 단점이 있지만, 아마추어라면 한번쯤 만들어보고 싶은 안테나임에 틀림없다. 따라서, HL0Y가 제작했던 LPDA 들을 되돌아보고, 보다 개선된 안테나 제작을 위한 여러 아이디어를 생각해보자.
2. HL0Y의 LPDA
HL1TUE(필자)가 HL0Y에 들어와서 제일 처음으로 본 안테나가 10ele LPDA였다. 입학식날 학생회관위의 거대한 안테나를 보고 쉽게 HL0Y를 찾을 수 있었다.
HL0Y의 첫 번째 LPDA는 87년 봄 6 ele Log Yagi가 거센 바람에 부서지고 난 후 설계된 9 ele LPDA이다. 13-30Mhz까지 5 band 운용 가능한 안테나로 88년 89년 활발한 태양흑점 주기를 맞아 좋은 전파상태와 함께 엄청난 운용 LOG를 가능케 했었던 안테나로서, HL0Y의 위상을 드높였을 뿐 아니라, 이후 LPDA하면 HL0Y가 떠오를 정도로 제로양키의 대표적인 안테나로 인식되기 시작했다. 87년 LPDA는 4년여 정도 사용할 정도로 내구성이 훌룡했으며, 93년 필자가 학생회관 옥상에서 뒹구는 안테나 시체들을 보고 판단한 바로는 안테나의 내구성 및 경량화에도 상당히 신경을 쓴 흔적이 돋보였다. 그러나, LPDA의 특성상 엘레멘트 가운데가 전기적으로 쇼트되어 있어야 하므로, ㅁ형 알루미늄 파이프위에 엘레멘트를 설치하고 U 볼트와 엘레멘트 사이를 고무판을 깎아 절연하는 방법을 사용하는 등 많은 땀과 노력이 들어간 안테나였다.
두 번째 LPDA는 92년 겨울에 제작되었다. 10MHz에서 30MHz까지 6 Band를 커버하는 10 ele LPDA로서 엄청난 무게와 큰 크기로 93년 5월에 큰 태풍을 만나 뒷부분의 엘레멘트 2개가 파손되고, 오래가지 못해 내려져야 했다. 10MHz부분을 담당하는 뒷부분 엘레멘트의 처짐 방지를 위해 앵글로 보완하고, 엘레멘트에도 가이드를 설치하는 등 기계적인 튼튼함에는 많은 신경을 썼으나, 엘레멘트의 길이와 무게가 엄청나게 증가했고, 풍압면적이 넓어져 바람의 영향을 고려하지 못했다는데 아쉬움이 있다. 이전에 사용하던 켄프로 로테이터가 맛이 가는데 한 몫 했으리라. 이 안테나의 시체는 지금도 유용하게 쓰이고 있다. 앞부분 5개의 엘레멘트를 조합하여 18MHz-30Mhz의 4 Band를 커버하는 BCL 수신용 LPDA 안테나로 94년 개조되어 아직까지 옥상 구석을 지키고 있다.
세 번째 LPDA는 94년 겨울에 제작한 7Mhz 3ELE Wire LPDA이다. ARRL Antenna book에 있는 데이터를 기준으로 설계했고, 당시 태양 흑점 활동의 둔화로 7Mhz DX를 위해 제작하였다. 안테나의 크기 때문에 조정에 많은 애로사항이 있었으나, 전밴드에 걸쳐 1.1:1 이하의 SWR 과 약간의 송수신 이득을 볼 수 있었다. 다만, 무지막지한 크기덕분에 건물벽과 가까이 설치할 수밖에 없었고, 투자한 노력에 비해 많은 효과를 보지 못했던 점이 아쉽다. 이것과 같은 안테나를 95년 삽시도 페디때 사용하기 위해 다시 제작했었다. 학생회관 정면에서 안테나 조정을 10분만에 마치고, 만족할 만한 수신 이득 향상이 있었지만, 삽시도에서 설치하려고 펼쳐놓은 안테나를 주위 텐트족들이 빨래줄로 사용키 위해 걷어가서 결국 제대로 사용해보지 못했던 기억이 새롭다. 하지만, 이러한 Low Band Wire Beam을 제작할 때에는 안테나의 설치를 위한 QTH에 대한 고려가 필수적임을 상기해야 한다.
네 번째 LPDA는 98년 2월부터 제작 및 설계에 들어간 9ele LPDA 이다. 94년의 4ele 4 band CQ에서 4ele 2 Band Quagi를 거쳐 98년 2월 당시 개미모임(Ant 연구모임)을 주축으로 주력 밴드 안테나 제작을 위한 많은 노력 끝에, 지금까지의 LPDA에서 한단계 진보한 LPDA를 제작할 수 있었다. 특히, 그간의 안테나들의 무거운 중량에 로테이터들이 견디지 못하고 유지보수 상에 어려움이 많았으므로, 안테나의 경량화에 주력했다.
LPDA의 붐을 철제 수도 파이프에서 군용 알루미늄 폴로 대체하고, 기성품 LPDA 안테나를 Bench Marking하여 알루미늄 브라켓을 사용하기 위해 엘레멘트 가운데 부분에 플라스틱 파이프를 끼워 넣는 방식으로 간단히 처리하는 등 전체적인 안테나의 무게가 이전의 1/3 수준으로 줄어들었고, 엘레멘트 끝부분에 고무패킹을 다는 등 방수처리에도 신경을 썼다. 2달여에 걸쳐 안테나 조정을 위한 각고의 노력이 있었으나, 매칭부분이 불안하여 SWR이 들쭉날쭉한 단점이 있어, 11월경에 8ele LPDA로 재설계 하였으며, 전밴드 좋은 성능을 얻을 수 있었다.
다섯 번째 LPDA는 12ele 5Band(13~30Mhz) LPDA로 99년 여름에 제작이 이루어졌다. 98년 LPDA의 매칭부분에 대한 보완 및 설계와 제작과정에서 습득한 노하우 전수가 거의 없이 이루어져 많은 시행착오를 겪으며, 몇 번의 재설계 끝에 완성될 수 있었다. 엘레멘트의 길이가 길어지는 관계로 제일 긴 엘레멘트 두 개 부분에 대해 베이클라이트 판과 앵글로 휘어짐을 방지했고, 그외 부분의 제작방법은 이전 LPDA와 대동소이하나, 엘레멘트 수의 증가로 무게가 많이 증가했으며, 급전점에 사용하는 발룬과 헤어핀 스텁을 이용하여 조정했으나, 이당시 HL0Y가 액티브한 활동이 없어 안테나의 성능에 대한 검증은 제대로 되지 못했다.
무려 다섯 번이나 되는 LPDA 설계 및 제작이 있었지만, 그 설계 데이터와 조정시의 노하우 등에 대한 부분은 거의 남아 있지 않았다. 단지, 첫 번째 LPDA의 설계 데이터 값이 59지 등에 전하고 있고, 4번째 LPDA 데이터와 제작시의 아이디어들이 나우누리 야라 작은모임에 약간 남아 있을 뿐 조정이 완료된 후의 최종 데이터와 매칭방법에 대해서는 찾아볼 길이 없었다. 따라서, 각각의 안테나 제작 시 기존의 노하우가 전무한 상태에서 시작하여 보다 효율적인 안테나 설계가 이루어지지 못한 점이 아쉽다. 다시 한번 Documentation의 중요성을 강조한다.
3. LPDA의 원리
LPDA는 Dipole-Array, 즉 다이폴을 이어 놓은 안테나이다. 따라서 다이폴에 대한 이해를 하고 본 이야기로 넘어가야 한다. -_- 전파는 파장과 주파수라는 이름으로 표현될 수 있는데 이 파장과 주파수는 f= C/λ라는 식에 의해 표현할 수 있다. 예를 들어 21Mhz의 주파수를 가진 전파는 15m라는 파장의 길이를 가진다. 그렇다면 21Mhz의 주파수를 송수신하기 위한 다이폴의 길이는 얼마이어야 할까?보통은 λ/2를 사용해서 7.5m 정도의 다이폴을 이용한다. 왜일까? 깊게는 설명하지 않겠지만, λ/2 일 때 임피던스(교류의 저항)가 최소가 된다. 이러한 동조점은 λ/2에서만이 아닌 그 배수의 파장에도 해당되지만, 실제적인 제작측면에서 볼 때 λ/2를 많이 사용한다는 것은 HF 대 안테나의 크기를 고려한다면 당연한 것이다. 때문에 7.5 m의 길이의 다이폴에 많은 종류의 전파가 지나간다 해도 15m의 파장을 가진 전파이외에는 임피던스가 커서 전류가 흐르지 않게 된다.
그림 1 반파장 다이폴
그림 2 다이폴의 길이와 임피던스
여기까지 이해가 되셨으면, 한 단계 위의 Yagi의 기본원리를 또한 이해해야 하는데, 그 이유는 LPDA는 YAGI와 비슷한 작용을 하기 때문이다.
아래 그림 3은 일반적인 Yagi의 형태인데 Radiator에서 방사된 전파가 Reflector에서 반사하고, Director에서 끌어줘서 화살표 방향으로 센 전파가 나가고 그 반대방향으로는 전파가 죽어버리게 된다.
그림 4가 그 기본원리를 나타내고 있다. 같은 위상의 전파를 합하면 전파의 세기가 커지고 다른 위상의 전파를 합하면 전파가 사라져 버린다. 우선 Rad와 Ref를 비교하여 보자. Ref는 Rad보다 길다. 그래서 CAPACITIVE한 성질을 띠는데, 그 결과는 Rad에서 방사한 전파가 90°의 위상이 뒤짐을 의미한다. 따라서 Ref의 성질 상 90°의 위상변화, Rad와 Ref 사이의 λ/4의 길이, 또 ref의 유도전류의 흐름이 모두 작용하여 rad에서 방사된 전파가 ref에 유도 전류를 만들고 또한 다시 방사된 전파가 다시 rad에 왔을 때는, 그 때 방사된 전파와 위상이 같기 때문에 전파의 세기가 세어지고, 그 반대 방향에서는 전파의 위상이 반대이어서 전파가 상쇄된다. 따라서, 전파는 한쪽 방향으로 세게 나가게 된다.
그림 3 기본적인 다이폴의 형태
그림 4 Dir. 와 Ref의 작용
Director는 Reflector와 반대 방향이고 Inductive한 성질을 띠기 때문에 또한 한쪽 방향으로 세게 나가게 된다. Capacitive는 90°위상 전이고, Inductive는 90°위상 후이므로 서로의 방향이 반대지만 같은 방향을 향하게 된다.
그러면 이제 LPDA에 대해 알아보기로 하자. 먼저 기본적인 형태를 살펴보자.
그림 5 LPDA Schematic Diagram
엘레멘트의 길이와 엘레멘트 사이의 간격은 일정한 상수 τ에 비례하여 정해진다. 예를 들어 이고 이다. 그리고, 안테나선에서 급전되는 전류는 모든 엘레멘트에 180°의 위상을 자지고 들어가게 된다. 그러면 만약 가 21MHz의 λ/2의 길이로 동조되는 엘레멘트라고 가정하여 보자, 그렇다면 , 은 21MHz에 완전 동조되지 않으므로 임피던스가 커진다. 보다는 이 더하다. 또한 , , 쪽도 그렇다. 따라서, , 의 작은 전류 급전을 제외하면 를 제외한 다른 엘레멘트에는 전류가 흐르지 않는다고 할 수 있다. 과 는 보다 길이가 길다. 그래서 Yagi의 Ref역할을 하므로 전파를 앞쪽으로 세게 밀어낸다. 또한 , , 는 보다 길이가 짧으므로 Yagi의 Dir 역할을 하여 전파를 앞으로 세게 끌어당긴다. 결국 Yagi와 비슷한 구조를 가지게 되는 것이다. 그런데 LPDA에서 문제가 되는 것은 밴드별 간섭현상으로 만약 21Mhz에 동조시키려 한다해도 정확히 λ/2가 되는 엘레멘트 길이를 적용할 수 없다는 점이다. LPDA의 엘레멘트들은 여러 주파수 폭에서 사용되므로, 만약 21 MHz를 사용한다면 λ/2에 가까운 2~3개의 엘레멘트가 군으로 형성되어 전파를 방사하게 된다. 급전선을 서로 꽈서 180°의 위상으로 한 이유도 거기에 있다. 엘레멘트 사이의 길이가 λ/4 정도 되므로 전파의 속도와 180°의 위상을 고려하면 결국 위상이 같아져서 강한 전파를 방사하게 되는 것이다. 이것이 LPDA의 기본 원리이다.
4. LPDA의 설계
The ARRL Antenna Book을 기준으로 LPDA의 설계과정을 살펴보자. 그러나, 아무리 설계가 잘 되어도, 실제 안테나는 QTH와 지형상의 영향, 안테나 재료 및 제작 방법 등의 영향을 많이 받으므로, 실제 사용을 위해서는 많은 조정이 필요하다. 이러한 안테나 조정에는 왕도가 없고, 투철한 실험정신과 안테나에 대한 사랑으로 일관하는 것뿐이라는 것은 다들 잘 알고 계실터라 생각한다.
1) 먼저 사용하고자 하는 가장 낮은 주파수 (MHz)과 가장 높은 주파수 (MHz)을 정하고, 그 비인 교신 밴드폭 B를 구한다.
B= /
2) 요구되는 이득을 얻기 위한 설계상수 τ와 상대간격상수 σ를 구한다.
여기서 τ는 엘레멘트와 간격의 감소 상수이고 σ는 길이와 간격의 관계상수이다. τ는 커질수록 엘레멘트 수가 많아지고 붐이 길어지며 σ는 커질수록 간격이 넓어진다. 높은 이득(6.8dBi)는 τ=0.9, σ=0.05 일 때 얻을 수 있으나, 최저의 SWR(이론상 1.1:1)은 σ=σopt일 때 얻을 수 있으며, σ가 작아질수록 SWR이 커지게 되어 σ=0.05일 때 SWR은 이론상으로 1.8:1 이다.
0.8≤τ≤0.98
0.05≤σ≤σopt
σopt= 0.258τ-0.066
3) 그 다음에 α를 구하는데, 이것은 LPDA의 붐을 기준으로 엘레멘트와 붐의 각도이다.
cotα=4σ/(1-τ)이다.
4) Active region 밴드폭 Bar을 구한다.
5) Structural 밴드폭 Bs를 구한다.
6) 붐 길이 L, 엘레멘트 수 N, 가장 긴 엘레멘트 길이 을 구한다.
, 여기서 (ft)
=492/ (ft)
7) Stub 를 구한다. 보통 HF 대 안테나에서는 가장 긴 엘레멘트 가운데를 쇼트시킨다라고 되어 있으나(ARRL Antenna Book), 실제 제작상에 있어 Stub의 길이를 조정하여 SWR을 낮출 수 있었다. VHF 나 UHF Array의 을 사용하며, HF LPDA에서는 50 센티미터 내외로 증감시키면서 조정한다.
8) 나머지 엘레멘트의 길이와 엘레멘트 사이의 간격을 다음과 같이 구한다.
(예를 들어 d23는 엘레멘트 2와 엘레멘트 3 사이의 간격임)
9) 낮은 SWR을 얻기 위해서 요구되는 발룬비 및 안테나와 급전선의 임피던스 매칭을 위해 급전점의 저항성분 R0를 선택한다. 예를 들어 4:1 발룬으로 50Ω 동축케이블과 매칭하려면, R0=4x50=200Ω이 된다.
R0는 주파수에 따라 주기적으로 변하며, 주로 안테나 급전선 임피던스 Z0 (여기서 말하는 안테나 급전선은 LPDA 엘레멘트 사이를 급전하는 X자 형상의 위상반전 피더를 의미함)의 영향에 따라 변한다. 따라서, 안테나 급전선의 크기와 Conductive 성질에 따라 가장 큰 영향을 받으며, 이외에 평균 다이폴 임피던스 Zav와 평균 간격 팩터인 σ'의 영향을 받는다.
10) 위의 식들을 이용해서 안테나 급전선 임피던스 Z0를 구한다.
11) 안테나 급전선 임피던스 Z0를 맞추기 위한 안테나 급전 라인의 크기와 간격을 결정한다. 만약 지름 D(ft)의 알루미늄 파이프 또는 동선을 사용한다면, 간격 S(ft)는 다음과 같이 구할 수 있다.
이제 LPDA의 설계가 끝났다. 설계 사례로 87년 HL0Y가 최초로 제작했던 9 ele LPDA의 설계제원은 다음과 같다. 당시 높은 이득을 얻기 위해 σ값을 0.05로 설정한 점이 돋보인다.
설계 상수
엘레멘트 길이(m)
엘레멘트 간격(m)
f1(최저 설계 주파수) = 13.000MHz
fn(최고 설계 주파수) = 30.000MHz
τ (설계 상수) = 0.8
σ (상대 간격상수) = 0.05
L (붐 길이) = 5.9161m
N ( 엘레멘트 수) = 8.8899
R0 (안테나 급전점 임피던스) = 130 ohm
Balun (임피던스 매칭 발룬) = 2.5:1
S (급전선 간격) = 1.46 (cm)
D (급전선 지금) = 2.5000(mm)
Feed Line (동축케이블) = 52ohm 동축케이블
Ele 1 = 11.5355
Ele 2 = 10.0359
Ele 3 = 8.7312
Ele 4 = 7.5962
Ele 5 = 6.6087
Ele 6 = 5.7495
Ele 7 = 5.0021
Ele 8 = 4.3518
Ele 9 = 3.7861
d12 = 1.1536
d23 = 1.0036
d34 = 0.8731
d45 = 0.7596
d56 = 0.6609
d67 = 0.5750
d78 = 0.5002
d89 = 0.4352
5. LPDA 제작 사례
향후 HL0Y의 진일보한 차기 LPDA 제작을 위해 TITANEX의 Wire LPDA와 CUSHCRAFT의 LPDA를 분석한다. 특히 TITANEX사의 Wire LPDA는 안테나의 경량화와 제작 원가의 절감, 제작의 편리함을 고루 해결했다는 점에서 눈여겨볼 만 하다.
(1) TITANEX DLP 11
DLP 11은 11 Ele Wire Log-Periodic로서 7MHz - 30MHz을 커버할 수 있다. 아래 왼쪽 사진과 같이 BOOM과 알루미늄 파이프로 된 엘레멘트 하나를 주축으로 열십(+)자 뼈대를 이루어 마름모꼴 형상을 이루고 있으며, 알루미늄 파이프(14Mhz 담당)로부터 오른쪽이 LPDA부분이다. 즉, LPDA 부분은 9 ELE 로 14Mhz~30MHz를 담당하고, 뒤쪽의 두 개 엘레멘트는 단축 다이폴로 작용하여 10Mhz, 7Mhz를 담당한다.
그림 6 DLP 1
그림 7 DLP15
(2) TITANEX DLP15
DLP 15는 15 Element Wire Log-Periodic로 7MHz - 30MHz를 담당한다. 대부분의 엘레멘트가 와이어로 되어 있어 사람 눈에 잘 띄지 않을 뿐더러, 120km/h의 풍속시 500N의 풍하중에 견딜 수 있고 바람이 불어도 엘레멘트가 춤을 추지 않는다.
전체 무게가 22kg에 불과하고(이정도면 혼자서도 충분히 들 수 있다) 5kW PEP 출력에 바룬을 사용하지 않았다 . 많은 수의 Wire 엘레멘트를 사용하여 방사각이 낮으며, 하나의 케이블로 7밴드 급전이 가능하다. 특이한 점은, 두 개의 붐을 이용하여 주붐과 보조붐에 Wire Elelment를 연결하고, 붐에서 직접 급전을 한다는 점인데, 제작사의 설명으로는 이득이 높아진다고... 뒤쪽의 10MHz와 7MHz부분은 한 개씩의 엘레멘트가 다이폴로 작용하여 날카롭게 밴드 주파수에 공진하고, 14~30MHz부분(11 ELE)은 LPDA로 작용하여 브로드하게 공진하므로, Low Band Filter (7~13MHz) 작용을 한다. 나머지 두 개 엘레멘트는 14Mhz와 21Mhz의 리플렉터 작용을 한다.
안테나의 재료를 살펴보면, 우선 메인 Boom과 보조 Boom, 그리고 길고 짧은 두 개의 엘레멘트는 알루미늄-티타늄 합금이고, 나머지 엘레멘트는 고강도 강선을 사용했다. 안테나의 형상을 지지해주는 줄은 UV 방지 폴리에스테르 코팅이 되어 있는 케블러 섬유를 사용했고, 두 개의 알루미늄 엘레멘트 가운데 부분은 글래스화이버 파이프로 절연했다.
안테나의 제원
Boom length: 8m (6m+2m)
Longest element: 10.42m
Shirtest element: 3.54m
Turning radius: 5.78m (19ft.)
Gain: 14-30MHz: 6.5dBd
7MHz: 1dBd
10MHz: 2dBd
Front-to-back ratio: 20-25dB
VSWR: typically 2:1 or less
Price : US$1350-VAT
* The drawings are copyrights of Titanex!
그림 8 DLP15의 제원(LPDA부분)
13개의 알루미늄 윈치들이 안테나 밸런스와 몇몇 다이폴의 세부 조종을 위해 사용되었고(그림9), 모든 엘레멘트들은 붐 파이프와 직접 클램프로 연결되어 있다. 안테나의 급전은 발룬없이 직접 두 개의 Boom에 이루어진다.
그림 9 알루미늄윈치
그림 10 클램프
그림 11 Direct Feeding
DLP 15의 제원 및 각 엘레멘트의 세부 도면은 Titanex 홈페이지에서 구할 수 있으므로 참조하기 바란다.
(3) CUSHCRAFT ALS2010
Frequency, MHz 13.5-32
No. Elements 8
Forward Gain, dBi 6.4
FBR, dB 15-20
SWR 1.2:1 Typical
2:1 Bandwidth 18.5 MHz
Power Rating, PEP 2000W
3dB Beamwidth, Degrees
E Plane 65
Boom Length, 5.48m
Longest Element, 11.58m
Weight, 25.5kg
CushCraft사의 ALS2010은 전형적인 LPDA의 형태로서 8개의 element로 13.5~32Mhz를 커버한다. 가장 긴 뒤쪽의 엘레멘트를 제외한 나머지 7개 엘레멘트는 가운데부분에 글라스화이버 파이프로 절연되어 있으며, 제일 앞부분에 바룬을 연결하였다. 안테나 뒷부분의 엘레멘트는 Stub없이 바로 연결되는 형태이다. 안테나 제작 매뉴얼에 보면 최고의 이득(Gaim)과 전방대후방비(FBR)을 위해서는, SWR을 낮추기 위해 엘레멘트 길이를 조정하지 말 것을 당부하고 있는데, 그렇다면 HL0Y는 지금까지 LPDA의 조정시 더미를 만들기 위해 SWR 1:1에 무던히 노력했다는 말이 된다. 흠냐..
안테나의 세부사항 및 제작 방법, 안테나 엘레멘트의 Tubing 치수등 자세한 데이터를 포함한 제작 매뉴얼을 인터넷 사이트에서 구할 수 있다.
그림 13 ASL2010 Scale
그림 14 ASL2010의 급
6. LPDA 안테나 제작을 위한 Brain Storming
향후 LPDA제작시 보다 효율적이고 간편하게 하기 위해서 기존 안테나 제작 노하우와 시제품 LPDA를 벤치마킹하여 나름대로의 결론을 내렸다. 우선 일반적인 안테나 형태와 제작상의 Tip에 대해 생각해 보자.
최적의 LPDA 안테나 형태는 Wire LPDA라고 생각한다. 특히 무게나 안테나 제작원가 절감이라는 점에서 바람직한 대안을 제시해 줄 수 있다. 다만, 기계적인 제작상 깔끔한 뒷처리는 향후 조정을 위해서나 안테나의 내구성을 위해 필수적이다.
기본적인 틀은 Titanex사의 DLP15형태로 하되, 제작상의 편리함을 위해 뒤쪽의 7/10MHz Dipole 부분과 14/21MHz부분의 리플렉터부분은 제외하는 편이 조정에 편리할 것이라고 생각된다. 또하나 자작상 제안하고 싶은 것은, Wire Element 부분을 강선으로 하지 말고, 엘레멘트 위치에 케블러섬유(구하기 힘들면 일반적인 빨래줄도 무방)로 틀을 고정한 다음, 시중에 일반적인 전기선(동선)을 사용하여 케블러 섬유를 따라 살짝 감는 정도로 위치시키는 것이다. DLP15에서 사용한 방법은 Wire Element가 고정되어 버리므로, 자작파에게 중요한 향후 조정이 불가능하게 된다. 동선을 실제 길이보다 20cm정도 넉넉하게 만든다음, Tunig시에 동선을 접었다 풀었다 하는 식으로 길이를 증감하여 조정할 수 있다.
안테나의 Boom은 전체 길이가 5m를 넘어가지 않는다면 일반적인 수도파이프를 고려할 수 있지만(Wire LPDA는 가벼우므로, 35mm정도 지름의 수도관도 충분히 가능함), 붐 길이가 5m를 넘어간다면 군용 알루미늄 파이프를 연결하는 방식으로 하는 것이 안테나의 무게를 줄이는데 효율적이다.
Wire LPDA에서 안테나의 다른 엘레멘트들을 지지하도록 하는 가장 긴 엘레멘트는 글래스화이버 막대(또는 글래스 낚시대)를 사용하거나, 알루미늄 파이프로 제작하여 직접 엘레멘트 하나의 역할을 수행하도록 할 수 있지만, 엘레멘트 역할을 수행하려면 붐과 만나는 가운데 부분을 절연시키면서 다른 엘레멘트를 지지할 수 있을 정도로 튼튼하게 하는 것이 관건이다. 가운데 부분의 절연재료로 일반 시제품에 사용하는 것과 같은 글래스화이버 봉이나 파이프를 구하기가 힘드므로, 대체 재료로서 PVC파이프, PVC 파이프+에폭시수지로 채움, 아크릴 봉, mc나일론 봉을 고려했었는데, PVC파이프는 휘어지는 단점이, 아크릴은 일정 무게 이상이면 부러지는 단점이 두드러지며, mc나일론 봉이라는 재료가 그런대로 사용가능했다.
만일 Wire 형태가 아닌 일반적인 알루미늄 엘레멘트를 사용할 경우에는 엘레멘트의 무게와 길이의 증가로 인해 길이가 8미터 이상되는 경우 엘레멘트 끼워넣게에 신경써야 한다. 가운데 파이프 두께가 2t 이상 되도록 하는 것도 주의해야 한다. (예를 들면 지름 28t / 25t / 22t / 19t 파이프에 두께 2t 사용) 또한, 엘레멘트 마지막 부분은 Steel Band를 사용, 향후 조정에 편리하도록 하고 방수처리에 주의한다.
LPDA 제작이 완료되고, 안테나의 조정시에 고려해야 할 조정 포인트는 엘레멘트 길이와 간격, 그리고, 바룬 및 Stub의 사용이다. 우선 설계대로 제작했으면 엘레멘트 길이와 간격의 조정은 최소화하여 설계 이득과 F/B를 최대로 한다. LPDA 조정시 SWR 최소점이 FBR 또는 이득 최고점이란 등식은 성립되지 않고, LPDA의 특성상 전밴드 SWR 1:1은 불가능에 가까우므로, SWR 1.5:1 정도에 만족하자.
LPDA에의 급전은 평형급전이므로, 불평형급전선(동축케이블)과 급전을 위해서는 발룬을 사용하는 것이 원칙이다. 발룬은 또한 임피던스 매칭을 위해 반드시 필요하다. 설계한 안테나 급전점 임피던스가 흔히 사용하는 동축케이블(RG-8) 임피던스인 50ohm과 같거나 비슷하다면 (대략 30~70ohm) 바룬을 사용하지 않아도 크게 영향받지 않지만, 안테나 급전점 임피던스가 200ohm을 넘어간다면 4:1 발룬을 사용해야 한다. (일반적인 경우, 다이폴의 임피던스가 75ohm이고, 3ele Yagi의 임피던스가 30ohm정도 되므로 발룬이 그다지 필요없다.)
또하나, Stub을 이용하여 안테나 임피던스를 조정할 수 있다. Hair Pin 매칭과 같은 역할을 하는 Stub은 인덕턴스 값을 띄므로, 헤어핀을 달면 급전점 임피던스가 커지게 된다. 따라서, 안테나 설계시 급전점 임피던스를 200ohm으로 하고, 4: 1 바룬과 스텁(헤어핀)을 사용하여 임피던스를 200ohm가까이 맞추는 방법을 사용하는 것이 좋을 듯 싶다.
헤어핀 매칭은 알루미늄 파이프 직경 1cm정도 가는것을 두개로 자르고 좀더 가는 부분은 디귿자로 구부려서 여기에 넣었다 뺐다 하는 식으로 조정하는 것이 간편하다. 이렇게 전체적인 임피던스를 고려한 후에 개개의 엘레멘트를 약간씩 조정하는 방식으로 밴드별 SWR을 조정하도록 한다.
이렇게 안테나의 제작과 조정이 끝나면 반드시 매칭부분을 정리한 후 매칭부분과 엘레멘트 끝부분에 대한 방수처리를 하고, 설계데이터와 최종 조종된 치수 데이터를 기록하는 것을 잊지 않도록 해야 한다.
이 글을 통해서 기존 HL0Y의 LPDA들에대해 정리할 수 있었고, 나름대로 최선의 LPDA 제작을 위한 여러 아이디어를 강구해 보았다. 향후 보다 발전된 HL0Y의 6번째 LPDA가 멋지게 탄생하기를 바라며, 그 동안 LPDA 안테나에 대한 HL0Y 선후배님들의 사랑과 열정, 실험정신에 찬사를 보낸다.
참고문헌
1. 아무제(기술부편), 나우누리 야라 작은모임 게시판, 1996~2001
2. CUSHCRAFT ASL2010 Manual (http://www.cushcraft.com)
3. HL0Y의 안테나史, 편집부, 11번째 59지, 1997.2.14
4. Log Periodic Arrays, ARRL. The ARRL ANTENNA BOOK, 1991.6
5. LPDA란?, 10기 고영훈, 4번째 59지, 1988.1.30
6. TITANEX Antenna Homepage(http://www.titanex.de)
GDXC회원들께서
위 글을 읽고 LPDA ant에 대한 많은 이해와 이론을 겸비한 안테나
기술을 터득하였으면 하는 바램입니다.
또한
이 글을 기재한 엄신조님께 허락없이 복사를 해와 양해를 구합니다.
de hl4cel
