루프 안테나

루프 안테나(영어: Loop antenna)는 전선, 튜브 또는 기타 전기 전도체의 루프 또는 코일로 구성된 안테나이며, 송신용으로는 일반적으로 평형 전원에 의해 공급되고 수신용으로는 평형 부하를 공급한다. 루프 안테나는 다음 세 가지 범주로 나눌 수 있다.

• 대형 루프 안테나: 자체 공진 루프 안테나 또는 전파장 루프라고도 불린다. 작동 진동수에서 둘레가 하나 이상의 전체 파장에 가까워 해당 주파수에서 자체 공진^[a]한다. 대형 루프 안테나는 첫 번째 전파장 공진에서 루프 평면에 수직인 양방향으로 최고치를 찍는 두 개의 엽으로 구성된 다이폴과 유사한 방사 패턴을 가진다.^[b]

• 할로 안테나: 할로는 종종 끝이 거의 닿지 않도록 원형 루프로 구부러진 단축형 다이폴로 묘사된다. 일부 저자들은 할로를 구부러진 다이폴로 잘 이해될 수 있기 때문에 루프 안테나에서 제외하는 것을 선호하고, 다른 저자들은 할로를 대형 루프와 소형 루프 사이의 중간 범주 또는 소형 송신 루프의 극한 상한으로 본다. 모양과 성능 면에서 할로 안테나는 소형 루프와 매우 유사하며, 자체 공진하며 훨씬 더 높은 복사 저항을 갖는다는 점만 다르다. (아래 설명 참조)

• 소형 루프 안테나: 마그네틱 루프 또는 튜닝 루프라고도 불리며, 작동 파장의 절반보다 작은 둘레를 가진다(일반적으로 ⁠ 1 /3⁠에서 ⁠ 1 /4⁠ 파장 이내). 효율이 낮기 때문에 주로 수신 안테나로 사용되지만, 때로는 송신에도 사용된다. 둘레가 약 ⁠1/ 10 ⁠ 파장보다 작은 루프는 효율이 너무 낮아 송신용으로는 거의 사용되지 않는다.^[c] 일반적인 소형 루프의 예로는 대부분의 AM 방송 라디오에 사용되는 페라이트(루프스틱) 안테나가 있다.^[d] 소형 루프 안테나의 방사 패턴은 루프 평면 내 방향에서 최대이며, 따라서 대형 루프의 최대치와 수직이다.

페라이트 코어 주위에 전선이 감겨 있는 형태의 페라이트 루프스틱 안테나는 오늘날 가장 흔한 루프 안테나 유형으로, 휴대용 라디오의 AM 수신에 사용되는 소형 루프이다.

대형, 자체 공진 루프 안테나

이 섹션에서 대형 루프에 대한 설명은 무선기의 작동 주파수가 루프 안테나의 첫 번째 공진에 맞춰져 있다고 가정한다. 해당 주파수에서 전체 자유 공간 파장은 루프의 둘레보다 약간 작으며, 이는 "대형" 루프가 될 수 있는 가장 작은 크기이다.^[2]

소위 단파 주파수용 자체 공진 루프 안테나는 비교적 크며, 작동 파장보다 약간 큰 둘레를 갖는다. 따라서 원형 루프의 경우 가장 큰 것은 약 1.8 MHz에서 대략 175 피트 (53 m)의 지름을 갖는다. 더 높은 주파수에서는 크기가 작아져 30 MHz에서는 약 11 피트 (3.4 m)의 지름으로 줄어든다.

대형 루프 안테나는 평행선이 분리되어 알모양곡선 또는 다각형 형태로 펼쳐진 접힌 다이폴로 생각할 수 있다. 루프의 모양은 원, 삼각형, 사각형, 직사각형 또는 실제로 모든 폐쇄 다각형이 될 수 있지만, 공진을 위해서는 루프 둘레가 파장보다 약간 커야 한다.^[2]

모양

쿼드 안테나는 사각형 모양의 자체 공진 루프이며, 이 안테나는 기생 소자도 포함한다.

루프 안테나는 원형, 사각형 또는 전체 둘레가 파장보다 약간 더 길 수 있는 기타 폐쇄형 기하학적 모양을 가질 수 있다. 아마추어 무선에서 가장 인기 있는 모양은 쿼드 안테나 또는 "쿼드"로, 사각형 모양의 자체 공진 루프로서 ×자형 지지 프레임에 전선을 매달아 만들 수 있다. 첫 번째 루프에 평행하게 하나 이상의 추가 루프가 "기생" 지향 또는 반사 소자로 쌓여서, 각 추가 기생 소자마다 이득이 증가하는 단방향 안테나 배열을 만들 수 있다. 이 디자인은 45도 회전시켜 +자형 프레임에 지지되는 다이아몬드 형태로 만들 수도 있다. 삼각형 루프(△ 모양)도 단일 마스트로 지지할 수 있기 때문에 수직 루프로 사용되었다.^[2] 폭의 두 배 높이의 직사각형은 이득을 약간 증가시키고 단일 소자로 사용될 경우 50 Ω에 직접적으로 매칭된다.^{[2](§ 9.6.2)}

다이폴 안테나와 달리, 공진 루프 안테나의 편파는 루프 자체의 방향에서 명확하지 않으며, 급전점의 위치에 따라 달라진다.^[e] 수직 방향 루프가 바닥에서 급전되면 수평 편파 방사를 하고, 측면에서 급전하면 수직 편파가 된다.

방사 패턴

첫 번째 공진 루프 안테나의 방사 패턴은 루프 평면에 직각으로 최고치를 찍는다. 주파수가 두 번째 및 세 번째 공진으로 진행됨에 따라 수직 방사는 약해지고 루프 평면 근처에 강한 로브가 발생한다.^[3]:{{{1}}}

더 낮은 단파 주파수에서는 완전한 루프가 물리적으로 상당히 크므로, 루프 평면이 지면에 수평이고 안테나선이 둘레를 따라 마스트에 비교적 낮은 높이로 지지되는 "평평하게 눕혀서" 설치하는 것이 유일하게 실용적인 방법이다.^[2] 이로 인해 수평 편파 방사가 발생하며, 이는 가장 낮은 고조파 근처에서 수직 방향으로 최고치를 찍는다. 이 패턴은 지역 수직 근접 천공파 통신에 적합하지만, 불행히도 대륙 규모의 통신에는 일반적으로 유용하지 않다.

약 10 MHz 이상에서는 루프의 직경이 약 10 미터이므로, 루프를 "세워서" – 즉, 루프 평면을 수직으로 – 장착하여 주 빔을 수평선 방향으로 향하게 하는 것이 더 실용적이다. 주파수가 충분히 높으면 루프가 안테나 회전 장치에 부착될 만큼 작아져 원하는 방향으로 회전시킬 수 있다. 다이폴 또는 접힌 다이폴에 비해 수직 대형 루프는 하늘이나 지면으로 방사되는 전력을 덜 낭비하여, 두 가지 선호하는 수평 방향에서 약 1.5 dB 더 높은 이득을 얻는다.

추가적인 이득(및 단방향 방사 패턴)은 일반적으로 이러한 소자 배열을 엔드파이어 배열로 구동하거나 야기 구성으로 얻을 수 있다. 즉, 루프 중 하나만 급전선에 의해 구동되고 나머지 루프는 모두 "기생" 반사기 및 지향기가 된다. 후자는 아마추어 무선에서 "쿼드" 구성(사진 참조)으로 널리 사용된다.

"눕혀진" 저주파 1파장 루프는 때때로 지역 NVIS 통신에 사용된다. 이것을 때때로 게으른 쿼드라고 부른다. 그 방사 패턴은 단일 상향 로브로 구성된다(흡수되지 않는 지면 방향으로의 방사는 위로 반사된다). 방사 패턴, 특히 입력 임피던스는 지면과의 근접성에 영향을 받는다.

더 높은 주파수로 급전되면 안테나 입력 임피던스는 일반적으로 반응성 부분과 다른 저항성 구성 요소를 포함하여 안테나 튜너를 사용해야 한다. 주파수가 첫 번째 고조파 위로 증가하면 방사 패턴은 수평선에 대해 더 낮은 각도로 최고치를 찍는 여러 로브로 분해되며, 이는 루프의 두 번째 고조파보다 훨씬 높은 주파수에서 장거리 통신에 대한 개선이다.

할로 안테나

 이 부분의 본문은 할로 안테나입니다.

할로 안테나는 종종 반파장 다이폴 안테나가 원형으로 구부러진 것으로 묘사된다. 구부러진 다이폴로 분류될 수 있지만, 소형 루프와 거의 동일한 무지향성 방사 패턴을 가진다. 할로는 둘레가 ⁠1/ 2 ⁠ 파장으로 더 큰 안테나이고 불균형적으로 더 큰 복사 저항을 가지므로 소형 루프보다 효율적이다.^[f] 훨씬 더 큰 복사 저항 때문에, 할로는 50옴 동축 케이블에 대한 좋은 임피던스 매칭을 제공하며, 제작자는 평범한 도체 및 접촉 저항으로 인한 손실을 피하기 위해 극단적인 주의를 기울일 필요가 없으므로 소형 루프보다 제작이 덜 까다롭다.^[4]

⁠1/ 2 ⁠ 파장에서 할로 안테나는 "소형" 루프의 크기 범위의 극단적인 상한 근처에 있거나 그 위에 있지만, 대부분의 과대 소형 루프와 달리 구부러진 다이폴로 취급하여 간단한 기술로 분석할 수 있다.

실제 사용

(WA8FJW)의 1963년 플리머스 차량 지붕에 장착된 6m 할로 안테나는 이동식 아마추어 무선용이다. 3중 루프에 주목하라.

초고주파 대역 이상에서 할로의 물리적 지름은 이동 통신 안테나로 효과적으로 사용될 만큼 충분히 작다.

수평 할로의 수평 방사 패턴은 거의 무지향성이다. (3 dB 이하의 범위 내에서) 루프를 약간 더 작게 만들고 소자 끝 사이에 더 많은 정전 용량을 추가하여 균일하게 만들 수 있다. 이는 이득을 균일하게 할 뿐만 아니라 상향 방사를 줄여주는데, 초고주파의 경우 일반적으로 우주로 방사되어 낭비된다.

할로는 차량의 점화 잡음과 같은 모노폴 및 다이폴보다 인근의 전기 스파크 간섭을 덜 받는다.^[5]

전기적 분석

표면적으로는 다른 외형을 가지고 있지만, 할로 안테나는 반파장 방사 부분(끝에 고전압과 전류 0을 가짐)을 원형으로 구부린 다이폴로 편리하게 분석할 수 있다. 단순히 다이폴 결과를 사용하면 계산이 크게 단순화되고 대부분의 속성이 할로와 동일하다. 할로 성능은 유사한 중간 크기의 "소형" 송신 루프에 사용되는 기술로 모델링할 수도 있지만, 간결성을 위해 루프 안테나에 대한 입문 기사에서는 종종 복잡한 분석을 생략하므로, 이 일반적인 생략은 그렇지 않으면 잘 읽힌 사람들이 "대형" 소형 루프의 속성을 알지 못하게 한다.

할로의 간극

일부 저자들은 할로 안테나 루프의 간극이 직류 연결이 없기 때문에 소형 루프 안테나와 구별된다고 오해한다. 그러나 이러한 구별은 RF에서는 사라진다. 밀접하게 구부러진 고전압 끝은 용량성으로 결합되며, RF 전류는 변위 전류로 간극을 가로지른다. 할로의 간극은 소형 루프의 튜닝 커패시터와 전기적으로 동일하지만, 관련된 부수적인 정전 용량은 그만큼 크지 않다.^[g]

소형 루프

지름이 2.7 m (9 피트)이나, 이 수신 안테나는 사용되는 장파 및 중주파 파장에 비해 "소형" 루프이다.

소형 루프는 작동 파장에 비해 "작다". 대형 루프 안테나의 패턴과 달리, 소형 루프의 수신 및 방사 강도는 넓은 면(수직)보다는 루프 평면 내에서 최고치를 찍는다.^[3]:235

작동 파장보다 물리적으로 훨씬 작은 모든 안테나와 마찬가지로, 소형 루프 안테나는 복사 저항이 작고, 옴 손실에 의해 압도되어 낮은 안테나 효율을 초래한다. 따라서 주로 낮은 주파수(수십에서 수백 미터 파장)에서 수신 안테나로 사용된다. 단축 다이폴 안테나와 마찬가지로, 복사 저항은 작다. 복사 저항 ${\displaystyle \ R_{\mathsf {rad}}\ }$은 면적의 제곱에 비례한다:

${\displaystyle R_{\mathsf {rad}}\approx 31.2{\mathsf {\ k\Omega \ }}\left({\frac {\ N\ A\ }{\lambda ^{2}}}\right)^{2}}$

여기서 A는 루프에 둘러싸인 면적, λ는 파장, N은 루프 주위에 감긴 도체 권선 수이다.

선형 안테나(루프 면적의 제곱 ≈ 둘레의 4제곱 대 다이폴 & 모노폴 길이의 제곱 = 2제곱)보다 지수가 높기 때문에, 크기가 줄어들면 R_rad의 감소는 더욱 극심하다.^[6]:5‑11 여러 권선을 사용하여 복사 저항 R_rad을 증가시키는 능력은 각 다이폴 암에 두 개 이상의 평행선을 사용하여 다이폴을 만드는 것("접힌 다이폴")과 유사하다.

소형 루프는 10 MHz 이하의 주파수에서 수신 안테나로 장점이 있다.^[7] 소형 루프의 손실이 높을 수 있지만, 동일한 손실이 신호와 잡음에 모두 적용되므로, 수신되는 신호대잡음비는 이 낮은 주파수에서는 크게 악화되지 않을 수 있다. 이 주파수에서는 수신되는 잡음이 대기 잡음 및 정전기에 의해 지배되고 수신기 내부 잡음에 의해 지배되지 않기 때문이다. 더 작고 관리하기 쉬운 안테나를 회전시킬 수 있는 능력은 신호를 극대화하고 간섭을 거부하는 데 도움이 될 수 있다. 소형 수신 루프의 널 방향이 "예리"하도록 하기 위해 여러 가지 제작 기술이 사용되며, 여기에는 루프 암의 파손된 차폐를 추가하고 둘레를 약 ⁠1/ 10 ⁠ 파장(또는 최대 ⁠ 1 /4⁠ 파장)으로 유지하는 것이 포함된다. 소형 송신 루프의 둘레는 일반적으로 낮은 효율을 최대한 활용하기 위해 ⁠ 1 /3⁠ 파장(또는 가능하면 ⁠ 1 /2⁠ 파장)까지 가능하게 최대한 크게 만들어지지만, 그렇게 하면 예리한 널이 희생된다.

소형 루프 안테나는 전기적으로 작은 수신 루프의 응답이 루프를 통과하는 자기 플럭스 변화율에 비례하기 때문에 자기 루프로도 알려져 있다.^[8] 더 높은 주파수(또는 더 짧은 파장)에서 안테나가 더 이상 전기적으로 작지 않을 때, 루프를 통과하는 전류 분포는 더 이상 균일하지 않을 수 있으며, 그 응답과 입사장 사이의 관계는 더 복잡해진다.^[8] 송신의 경우, 전기적으로 작은 루프에 의해 생성된 필드는 축이 루프 평면에 수직인 "무한히 작은 자기 다이폴"과 동일하다.^[3]:235

미미한 복사 저항 때문에 소형 루프의 특성은 풀 사이즈 안테나보다 더 집중적으로 최적화되는 경향이 있으며, 송신에 최적화된 특성과 수신에 최적화된 특성은 완전히 동일하지 않다. 풀 사이즈 안테나의 경우 송신과 수신 간의 상호성은 일반적으로 이러한 구별을 중요하지 않게 만들지만, 수신에 중요한 일부 RF 특성은 송신에 대한 특성과 다르기 때문에 – 특히 약 10~20 MHz 이하에서 – 수신용으로 고안된 소형 루프는 소형 송신 루프와 약간의 차이가 있다. 이들은 다음 두 하위 섹션에서 별도로 논의되지만, 많은 내용은 둘 다에 적용된다.

소형 수신 루프

수신용으로 사용되는 소형 루프 안테나로, 12-by-10-센티미터 (4.5-by-4-인치) 직사각형 주위에 약 10회 감겨 있다.

루프 안테나의 둘레가 의도된 작동 파장보다 훨씬 작다면 – 예를 들어 파장의 ⁠ 1 / 8 ⁠에서 ⁠1/ 100 ⁠ – 그 안테나는 소형 수신 루프라고 불린다. 왜냐하면 그렇게 작은 루프 안테나는 수신용으로만 실용적이기 때문이다. 수신 전력을 포함한 여러 성능 요소는 루프의 면적에 비례하여 스케일링된다. 주어진 루프 면적에서 도체의 길이(따라서 순수 손실 저항)는 둘레가 원형일 때 최소화되므로 원형이 소형 루프에 가장 최적의 모양이다. 소형 수신 루프는 일반적으로 14 MHz 이하에서 사용되며, 이 대역에서는 인공 잡음과 자연 대기 잡음이 지배적이다. 따라서 루프가 지나치게 작지 않은 한, 낮은 효율이 수신 신호의 신호 대 잡음비에 악영향을 미치지 않을 것이다.

"공심"을 가진 수신 루프의 일반적인 직경은 30 and 100 cm (1 and 3.5 피트) 사이이다. 루프 내의 자기장을 증가시켜 효율을 높이고 크기를 크게 줄이기 위해 전선 코일은 종종 페라이트 막대 자기 철심 주위에 감겨 있다. 이를 페라이트 루프 안테나라고 한다. 이러한 페라이트 루프 안테나는 카 라디오를 제외한 거의 모든 AM 방송 수신기에서 사용되는데, 이는 중파 대역용 안테나가 방해되는 금속 차체 외부에 있어야 하기 때문이다.

소형 루프 안테나는 무선 방향 탐지에도 인기가 있는데, 부분적으로는 루프 축을 따라 매우 예리하고 선명한 "널(null)"이 있기 때문이다. 루프 축이 송신기를 직접 겨냥할 때 대상 신호가 갑자기 사라진다.^[9]

장파, 중주파 및 고주파 스펙트럼에 대한 CCIR 322에 따른 대기 잡음량.^[10] 이 다이어그램은 인공 잡음("간섭", "QRM")과 자연 대기 잡음("정전기", "QRN")이 모두 20 MHz 이상에서 급격히 감소하지만, 주파수가 10 MHz 이하로 떨어지면 결합된 전력이 주파수 감소에 따라 증가하는 방식을 보여준다.

소형 루프의 복사 저항 R_rad은 일반적으로 루프를 구성하는 도체로 인한 손실 저항 R_ℓoss보다 훨씬 작아서 안테나 효율이 낮다.^[h] 결과적으로 소형 루프 안테나에 전달되는 대부분의 전력은 전파를 내보내거나 수집하는 유용한 작업을 수행하기보다는 손실 저항에 의해 열로 변환된다.

낭비되는 전력은 송신 안테나에 바람직하지 않지만, 수신 안테나의 경우 효율성 부족은 약 15 MHz 이하의 주파수에서는 중요하지 않다. 이러한 낮은 주파수에서는 대기 잡음(정전기) 및 인공 잡음(무선주파수 간섭)으로 인해 비효율적인 안테나에서 나오는 약한 신호조차도 무선 수신기 자체 회로에서 생성되는 내부 열 잡음 또는 존슨 잡음보다 훨씬 강하므로, 약한 신호가 동일한 증폭 계수로 확대되므로 신호 대 잡음비를 저하시키지 않고 루프 안테나에서 증폭될 수 있다.^[10]

예를 들어, 1 MHz에서 인공 잡음은 열 잡음 바닥보다 55 dB 높을 수 있다. 소형 루프 안테나의 손실이 50 dB라면(마치 안테나에 50 dB 감쇠기가 포함된 것처럼), 그 안테나의 전기적 비효율은 수신 시스템의 신호 대 잡음비에 거의 영향을 미치지 않을 것이다. 대조적으로, 약 20 MHz 이상에서 더 조용한 주파수에서는 50 dB 손실을 가진 안테나가 수신 신호대잡음비를 최대 50 dB까지 저하시켜 심각한 성능 저하를 초래할 수 있다.

그러나 주파수가 높아짐에 따라 성능 저하를 겪을 필요는 없다. 더 높고 조용한 주파수에서는 파장이 충분히 짧아져 할로 안테나가 실현 가능한 만큼 작아진다. 20 MHz에서는 지름이 약 8 피트 (2.4 m)보다 약간 작고, 주파수가 증가함에 따라 비례하여 줄어든다. 따라서 주파수가 높아지고 조용해질수록 작은 수신 루프를 더 크지만 여전히 비교적 작고 더 나은 신호 수신을 제공하는 할로 안테나로 교체하는 것이 더 편리하다.^[i]

방사 패턴 및 편파

루프 안테나의 방사 패턴이다. 원점으로부터의 거리는 해당 방향의 전력 밀도에 비례한다. 전파장 루프(왼쪽)는 전선에 수직으로 최대 전력을 방출하며 측면에는 널이 있고, 소형 루프(오른쪽)는 전선 평면에서 최대 전력을 방출하며 전선에 수직으로 널이 있다.

놀랍게도, 소형 루프의 방사 및 수신 패턴은 대형 자체 공진 루프(둘레가 한 파장에 가까움)의 패턴에 수직이다. 루프가 파장보다 훨씬 작기 때문에, 어떤 순간에도 전류는 둘레를 따라 거의 일정하다. 대칭에 의해, 수직 신호가 루프 축에 도달할 때 루프의 반대편에 있는 루프 권선에 유도되는 전압은 서로 상쇄된다는 것을 알 수 있다. 따라서 그 방향에는 널이 있다.^[11] 대신, 방사 패턴은 루프 평면에 놓인 방향에서 최고치를 찍는데, 이는 그 평면의 소스에서 수신된 신호가 루프의 근거리 및 원거리 측에 파동이 도달하는 위상차 때문에 완전히 상쇄되지 않기 때문이다. 루프 크기를 증가시켜 그 위상차를 늘리면 복사 저항과 그 결과로 나타나는 안테나 효율이 불균형적으로 크게 증가한다.

소형 루프를 안테나로 보는 또 다른 방법은, 앙페르의 법칙에 따라 코일 평면에 수직인 방향의 자기장과 결합하는 유도 코일로 단순히 간주하는 것이다. 그리고 그 평면에 수직으로 전파되는 전파를 고려해 보자. 자유 공간에서 전자기파의 자기장(및 전기장)은 횡방향이므로(전파 방향에 구성 요소 없음), 이 자기장과 소형 루프 안테나의 자기장은 직각을 이루므로 결합되지 않는다. 같은 이유로, 루프 평면 내에서 전파되는 전자기파는 자기장이 그 평면에 수직이므로 코일의 자기장과 결합된다. 전파되는 전자기파의 횡방향 자기장과 전기장이 직각을 이루므로, 이러한 파동의 전기장도 루프 평면에 있으며, 따라서 안테나의 편파(항상 자기장이 아닌 전기장의 방향으로 지정됨)는 그 평면에 있다고 말한다.

따라서 루프를 수평면에 장착하면 수평 편파를 가진 무지향성 안테나가 생성되고, 루프를 수직으로 장착하면 수직 편파를 가진 약한 지향성 안테나가 생성되지만, 루프 축을 따라 매우 예리한 널이 나타난다.^[j] 둘레가 ⁠ 1 / 4 ⁠ 파장 이하인 루프를 선호하는 크기 기준은 루프 수신 널의 예리함을 보장한다. 송신용으로 고안된 소형 루프(아래 참조)는 미미한 복사 저항을 개선하기 위해 가능한 한 크게 설계되며, 둘레를 ⁠ 1 / 3 ⁠에서 ⁠ 1 / 2 ⁠ 파장까지 크게 사용하여 예리한 널을 희생한다.

수신기 입력 튜닝

소형 루프 안테나는 본질적으로 코일이므로, 전기 임피던스는 유도성이고, 유도성 반응저항은 복사 저항보다 훨씬 크다. 송신기 또는 수신기에 결합하려면 유도성 반응저항은 일반적으로 병렬 정전 용량으로 상쇄된다.^[k] 좋은 루프 안테나는 높은 Q 인자(좁은 대역폭)를 가지므로, 커패시터는 가변형이어야 하며 수신기의 튜닝에 맞춰 조정된다.

소형 루프 수신 안테나는 거의 항상 병렬 플레이트 축전기를 사용하여 공진하며, 이는 수신을 좁은 대역으로 만들어 매우 특정 주파수에만 민감하게 만든다. 이를 통해 안테나는 (가변) 튜닝 축전기와 함께 프리셀렉터 대신 수신기 프런트 엔드에 튜닝된 입력 단계 역할을 할 수 있다.

소형 루프를 이용한 방향 탐지

아마추어 무선 방향 탐지에서 80-미터 (260-피트) 파장 (3.5 MHz)에서 사용되는 루프 안테나, 수신기 및 액세서리.

루프 둘레가 약 ⁠ 1 /4⁠ 파장 이하로 유지되는 한, 소형 루프 안테나의 방향 응답은 루프 평면에 수직인 방향에 날카로운 널을 포함하므로, 소형 루프는 긴 파장에 대한 소형 무선 방향 탐지 안테나로 선호된다.

절차는 신호가 사라지는 방향인 "널" 방향을 찾기 위해 루프 안테나를 회전시키는 것이다. 널은 루프 축을 따라 두 개의 반대 방향에서 발생하므로, 안테나의 어느 쪽에서 널 신호가 발생하는지 확인하기 위해 다른 방법을 사용해야 한다. 한 가지 방법은 두 번째 위치에 위치한 두 번째 루프 안테나에 의존하거나, 수신기를 다른 위치로 이동하여 삼각측량법에 의존하는 것이다.

삼각 측량 대신 두 번째 다이폴 또는 수직 안테나를 루프 또는 루프스틱 안테나와 전기적으로 결합할 수 있다. 센스 안테나라고 불리는 이 두 번째 안테나를 연결하고 매칭하면 결합된 방사 패턴이 심장형으로 바뀌어 한 방향(덜 정밀한)에만 널이 생긴다. 센스 안테나를 사용하여 송신기의 일반적인 방향을 결정한 다음 센스 안테나를 분리하면 루프 안테나 패턴에서 날카로운 널이 돌아와 정밀한 방위를 결정할 수 있다.

AM 방송 수신 안테나

소형 루프 안테나는 송신에는 손실이 많고 비효율적이지만, 중파 (520~1710 kHz) 방송 대역 이하에서 실용적인 수신 안테나가 될 수 있다. 이 대역에서는 파장 크기의 안테나가 비실용적으로 크고, 대기 잡음이 많기 때문에 안테나 비효율성은 중요하지 않다.

AM 방송 수신기(및 소비자 시장용 기타 저주파 라디오)는 FM 수신을 위해 신축 안테나가 부착될 수 있더라도 일반적으로 소형 루프 안테나를 사용한다.^[12] 루프에 연결된 가변 축전기는 공진 회로를 형성하며, 이 축전기가 주 튜닝을 추적함에 따라 수신기의 입력 단계도 튜닝한다. 멀티밴드 수신기는 루프 권선을 따라 탭 지점을 포함하여 다양한 주파수에서 루프 안테나를 튜닝할 수 있다.

20세기 중반 페라이트 발명 이전에 제작된 AM 라디오에서는 안테나가 라디오 뒷벽에 장착된 수십 개의 전선 권선(평면 나선형 안테나) 또는 전선으로 감긴 별도의 회전 가능한 가구 크기의 랙(프레임 안테나)으로 구성되었을 수 있다.

페라이트 루프 안테나

두 개의 권선을 가진 AM 라디오용 페라이트 루프스틱 안테나로, 하나는 장파용이고 다른 하나는 중파 (AM 방송) 수신용이다. 길이는 약 10 cm (4 인치)이다. 페라이트 안테나는 일반적으로 라디오 수신기 내부에 들어 있다.

페라이트 루프 안테나는 페라이트 막대 주위에 가는 전선을 감아서 만든다. 이들은 거의 모든 AM 방송 수신기에서 보편적으로 사용된다.^{[12]:{{{1}}}[d]} 이 유형의 안테나에 대한 다른 이름으로는 루프스틱, 페라이트 막대 안테나 또는 공중선, 페로셉터 또는 페로드 안테나가 있다. 종종 중파 및 더 낮은 단파 주파수에서 리츠선은 표피효과 손실을 줄이기 위해 권선에 사용된다. 정교한 "바구니 직조" 패턴은 모든 주파수에서 코일의 권선 간 정전 용량을 줄여 루프 자체 공진이 작동 주파수보다 훨씬 높게 유지되도록 하여 튜닝 커패시터와 공진할 수 있는 전기적 유도자로 작동하고 루프 Q의 결과적인 개선을 보장한다.

자기 투과성 코어를 포함하면 소형 루프의 복사 저항이 증가하여,^[1] 옴 손실로 인한 비효율을 완화한다. 모든 소형 안테나와 마찬가지로, 이러한 안테나는 유효 면적에 비해 매우 작다. 페라이트에 감긴 일반적인 AM 방송 라디오 루프 안테나는 이상적인(손실 없는) 안테나가 수억 배 더 큰 유효 면적을 가질 수 있는 주파수에서 단 1 cm² (0.16 in²)의 단면적을 가질 수 있다. 페라이트 막대 안테나의 저항 손실을 고려하더라도, 그 유효 수신 면적은 루프의 물리적 면적을 100배 초과할 수 있다.^[13]

소형 송신 루프

소형 송신 루프는 완전한 파장에 비해 "작지만", "소형" 수신 전용 루프보다 상당히 크다. 이들은 일반적으로 14-30 MHz 사이의 주파수에서 사용된다. 수신 루프와 달리 소형 송신 루프의 크기는 복사 저항이 너무 낮아 사용 불가능한 수준으로 떨어지는 것을 방지하기 위해 더 긴 파장에 맞춰 확대되어야 한다. 이들의 더 큰 크기는 소형 수신 루프가 제공하는 특히 예리한 널을 흐리게 하거나 지워버린다.

크기, 모양, 효율 및 패턴

아마추어 무선용 루프 안테나 제작 중

송신 루프는 일반적으로 큰 직경 도체의 단일 권선으로 구성된다. 루프는 일반적으로 원형 또는 팔각형으로, 주어진 둘레에 대해 둘러싸인 면적을 최대화하여 복사 저항을 극대화한다. 이 루프 중 작은 것은 풀 사이즈의 자체 공진 루프의 뛰어난 성능이나,^[14] 모노폴, 다이폴, 할로의 적절한 효율보다 훨씬 덜 효율적이지만, 전파장 루프나 반파장 다이폴을 위한 공간이 없는 경우 소형 루프는 낮지만 허용 가능한 효율로 적절한 통신을 제공할 수 있다.^[15][16]

파장의 10% 이하 둘레를 가진 소형 송신 루프 안테나는 도체를 따라 비교적 일정한 전류 분포를 가지며,^[1] 주 로브는 루프 평면에 있을 것이므로 소형 수신 루프의 방사 패턴에서 흔히 볼 수 있는 널을 보일 것이다. 그러나 완전한 신호 손실보다는 신호 흐려짐에 가까울 것이다. 둘레가 파장의 10%에서 30% 사이, 거의 정확히 50%까지의 루프는 직렬 커패시터로 만들어지고 공진에 맞춰 조정될 수 있지만, 불균일한 전류는 소형 루프의 패턴 널을 줄이거나 없앨 것이다. 반파장 미만의 둘레에는 커패시터가 필요하고, 반파장 이상 1파장 미만의 루프에는 인덕터가 필요하다.

소형 송신 루프 크기 범위의 루프는 매우 작은 루프의 균일한 전류도, 큰 루프의 정현파 전류도 가지지 않을 수 있으므로, 소형 수신 루프나 전파장 루프 안테나에 유용한 가정들을 사용하여 분석할 수 없다. 성능은 NEC 분석을 사용하여 가장 편리하게 결정된다. 이 크기 범위의 안테나에는 할로(위 참조)와 G0CWT (Edginton) 루프가 포함된다. 간결성을 위해 소형 루프 안테나에 대한 입문 기사는 때때로 둘레가 ⁠1/ 10 ⁠ 파장보다 작은 루프에 대한 논의로 제한된다. 왜냐하면 둘레가 ⁠1/ 10 ⁠ 파장보다 큰 루프의 경우, 전체 루프 주위의 균일한 전류라는 단순화 가정이 지지할 수 없을 정도로 부정확해지기 때문이다. 더 큰 할로도 간단한 분석을 가지므로, 중간 크기의 소형 루프 안테나와 그 복잡한 분석은 종종 생략되어, 많은 정보에 능통한 안테나 제작자들이 중간 크기의 소형 루프로 얻을 수 있는 성능에 대해 알지 못하게 된다.

육상 이동 무선 통신에서의 사용

수직으로 정렬된 소형 루프는 기존의 휩 안테나와 달리 에너지를 위쪽으로 향하게 하는 능력 때문에 3-7 MHz 주파수 대역의 군용 육상 이동 무선 시스템에서 사용된다. 이를 통해 산악 지역에서 최대 300 km (190 마일)까지 수직 근접 천공파 (NVIS) 통신이 가능하다. NVIS의 경우, 약 1%의 일반적인 방사 효율은 허용 가능하다. 왜냐하면 100 W 송신기를 사용할 때 1 W 이하의 복사 전력으로 신호 경로를 설정할 수 있기 때문이다.

군사 용도에서는 안테나가 직경 2.5–5 cm (1–2 인치)의 한두 가닥 도체를 사용하여 제작될 수 있다. 루프 자체는 일반적으로 직경 1.8 m (6 피트)이다.

전력 제한 및 RF 안전

소형 루프를 송신 안테나로 사용할 때의 한 가지 실질적인 문제는 소형 송신 루프가 매우 큰 전류가 흐를 뿐만 아니라, 커패시터 양단에 매우 높은 전압(일반적으로 수천 볼트)이 발생한다는 점이다. 이는 심지어 수 와트의 송신기 전력만 공급될 때도 마찬가지다. 루프가 파장에 비해 작을수록 전압이 더 높아진다. 이 때문에 비용이 많이 들고 물리적으로 큰, 높은 항복 전압을 가진 공진 커패시터가 필요하며, 또한 최소한의 유전 손실을 가져야 한다(일반적으로 공기 간극 커패시터 또는 진공 가변 축전기가 필요하다).

안테나 코일 주위의 코로나 방전. 섬뜩한 모습에도 불구하고, 로딩 코일의 고전압은 자기 루프의 튜닝 커패시터에서 보이는 더 높은 전압만큼 큰 위협은 아니다.

루프의 직경을 크게 하면 간극 전압이 낮아지고 효율도 향상되지만, 다른 효율 개선 조치들은 간극 전압을 증가시키는 경향이 있다. 효율은 더 두꺼운 도체로 루프를 만들어서 증가시킬 수 있다. 도체의 손실 저항을 낮추는 다른 조치로는 납땜 대신 연결부를 용접하거나 브레이징하는 것이 있다. 그러나 손실 저항을 줄이면 안테나의 Q가 증가하므로, 효율이 좋아질수록 루프 간극의 커패시터 양단 전압은 훨씬 더 커진다. 주어진 주파수에서 더 작은 소형 루프는 더 큰 소형 루프보다 더 위험하며, 역설적으로 비교적 효율적인 소형 송신 루프는 비효율적인 루프보다 더 위험하다.

소형 루프의 용량성 부하로 인해 발생하는 RF 화상 및 감전 문제는 단축 휩 또는 다이폴 안테나의 유도성 부하보다 더 심각하다.^[l] 채찍의 로딩 코일 상단 끝에서만 안테나 고전압이 일반적으로 문제되는데, 이는 확장된 코일 길이에 걸쳐 분산되기 때문이다. 반면 루프의 커패시터 플레이트의 고전압은 (이상적으로) 모든 플레이트 표면에서 최대이다. 또한, 모노폴 및 다이폴의 고전압 끝은 일반적으로 높이 장착되어 손이 닿지 않는 곳에 있어 무선 주파수 화상의 기회를 제한한다. 대조적으로, 소형 루프 / "자기" 안테나는 지면에 가깝게 장착하는 것을 더 잘 견디므로,^[m] 고전압 부분을 포함한 루프 안테나의 모든 부분이 손이 닿기 쉬운 경우가 더 많다.

요약하자면 높은 Q에서 발생하는 고전압은 다른 대부분의 소형 안테나보다 소형 루프에서 더 큰 위협을 가하며, 매우 낮은 송신 전력에서도 더 큰 주의를 요구한다.

급전 루프

감마 매치와 같은 다른 일반적인 임피던스 매칭 기술 외에도, 소형 수신 및 송신 루프는 때때로 주 루프가 둘러싸는 영역 내에 있는 훨씬 작은 급전 루프에 급전선을 연결하여 임피던스 매칭된다. 접지 시스템을 통해 여전히 연결될 수 있지만, 이렇게 하면 주 루프는 송신기에 다른 직류 연결을 가지지 않게 된다.^[16] 급전 루프와 주 루프는 효과적으로 변압기의 1차 및 2차 코일 역할을 하며, 근거리장의 전력은 급전 루프에서 주 루프로 유도적으로 결합되고, 주 루프는 공진 커패시터에 연결되어 대부분의 신호 전력을 방사한다.

주 루프와 급전 루프가 모두 단일 권선인 경우, 중첩된 루프의 임피던스 변환 비율은 두 루프의 면적 비율 또는 직경 비율의 제곱(동일한 모양이라고 가정)과 거의 정확하게 일치한다. 일반적인 급전 루프는 안테나 주 루프 크기의 ⁠ 1 / 8 ⁠ 에서 ⁠ 1 / 5 ⁠ 이며, 이는 각각 64:1에서 25:1의 변환 비율을 제공한다. 급전 루프와 주 루프의 근접성 및 각도를 조정하고, 급전 루프의 모양을 왜곡하면 변환 비율이 작거나 중간 정도로 변경되어 급전점 임피던스의 미세 조정을 가능하게 한다. 여러 권선을 가진 주 루프의 경우, 주로 중파 주파수에 사용되는데, 급전 루프는 주 루프 권선과 동일한 프레임에 한두 권선이 될 수 있으며, 이 경우 임피던스 변환 비율은 각 루프의 권선 수 비율의 제곱과 거의 같다.

안테나와 유사한 비안테나 루프

일부 소위 "안테나"는 실제 루프 안테나와 매우 유사하게 보이지만, 복사 원거리장에서 장거리 전자기파를 송수신하기보다는 1–2 미터 (3.3–6.6 ft)의 거리에서 유도 근거리장과 결합하도록 설계되었다. 이러한 차이 때문에 근거리장 "안테나"는 (설계된 목적을 위해 올바르게 작동할 때) 전혀 안테나가 아니다.

마찬가지로, 무선 충전 시스템에 사용되는 커플링 코일은 저주파 또는 고주파 무선 주파수에서 사용되는지 여부와 관계없이 이 문서에서 제외된다. 이는 이상적으로 라디오 안테나가 아니기 때문이다.

RFID 코일 및 유도 가열

유도 가열 시스템, 인덕션레인지 스토브탑, 그리고 RFID 태그 및 리더는 모두 원거리장 전파가 아닌 근거리장 자기 유도를 통해 상호 작용한다. 따라서 엄밀히 말하면 이들은 라디오 안테나가 아니다.

비록 라디오 안테나는 아니지만, 이 시스템들은 라디오 주파수에서 작동하며, 상업적으로 "안테나"라고 불리는 작은 자기 코일을 사용한다. 그러나 이들은 느슨하게 결합된 변압기의 권선과 유사한 것으로 생각하는 것이 더 유용하다. 이러한 유도 시스템의 자기 코일이 위에서 논의된 작은 루프 안테나와 구별할 수 없는 것처럼 보일 때도 있지만, 이러한 장치는 단거리에서만 작동할 수 있으며 전파를 송수신하지 않도록 특별히 설계되었다. 유도 가열 시스템과 RFID 리더는 근거리장 교류 자기장만 사용하므로, 이들의 성능 기준은 이 문서에서 논의된 원거리장 안테나와는 다르다.

내용주

1. 안테나는 안테나 단자를 단락시키면 전자기파에 반응하여 루프에 전류가 생성되고, 그 전류의 상대적인 크기가 공진 주파수 근처에서 크게 증가한다는 의미에서 "자체 공진"으로 설명될 수 있다. 안테나가 "공진"한다는 것은 대부분의 주파수에서 반응적인 안테나의 입력 임피던스가 이 주파수에서 순수한 저항(공진)이 된다는 것을 의미한다.
2. 둘레가 1 파장보다 큰 루프의 경우, 지향성 이득은 둘레가 1.4 파장까지 약간 증가하지만,^[1] 더 큰 원형 루프의 경우 방사 패턴은 다엽형이 되고 수직 방사는 사라지거나 크게 감소한다.
3. 둘레가 ⁠ 1 /3⁠~⁠ 1 /4⁠ 파장 에 달하는 소형 루프는 송신 안테나로 사용되지만, 손실 저항을 최소화하기 위한 꼼꼼한 노력이 필요하다. 실제적인 하한 크기는 약 ⁠ 1 /7⁠~⁠1/ 10 ⁠ 파장이다.
4. 중요한 예외는 금속 차체 내부에 설치하도록 제작된 라디오는 안테나를 포함할 수 없다는 것이다. 왜냐하면 AM 수신이 차체와 대시보드의 금속에 의해 차단될 것이기 때문이다. 카 라디오는 외부 안테나를 사용해야 하며, 이는 페라이트 루프가 거의 아니다.
5. 안테나의 급전점은 급전선(RF 전송선로)이 안테나의 방사 부분에 연결되는 지점이다.
6. 할로 안테나는 각각 ⁠1/ 4 ⁠~⁠1/ 10 ⁠ 파장 루프보다 대략 10배~500배 더 큰 복사 저항을 갖는다.
7. 할로 안테나는 거의 ⁠1/ 2 ⁠ 파장의 둘레를 갖는 할로 안테나가 이미 자체 공진이므로 용량성 종단 부하가 필요하지 않다. 그러나 종단 정전 용량이 필요하지 않더라도 존재하므로, 공진을 복원하려면 다이폴 크기의 암을 기존의 쿼터파장의 97%에서 각각 잘라내야 한다.

   종종 안테나 제작자는 할로 끝을 공진을 복원하는 데 필요한 것보다 더 짧게 자르고, 끝을 더 가깝게 이동시켜 종단 정전 용량을 늘려 할로 방사 패턴을 소형 루프와 더 유사하게 만든다. 즉, 훨씬 더 무지향성이 되며 수직 방사(수평 할로의 경우)가 더욱 줄어든다.
8. 손실 저항은 도체의 직류 저항뿐만 아니라 표피효과 및 근접효과로 인한 증가도 포함한다. 손실 저항에는 페라이트 막대가 사용되는 경우 페라이트 막대 내의 손실도 포함된다.
9. 할로 안테나는 반파장이므로 수신기에 강력한 신호를 전달한다. 즉, 기존 다이폴 안테나의 수신 신호 전력과 본질적으로 동일하게 강력하다.

   할로의 수신 패턴은 대체될 소형 루프의 패턴과 거의 비슷하며, 주요 예외는 소형 수신 루프의 유명하게 예리한 널을 재현하지 않는다는 점이다. 할로는 수직 또는 수평으로 장착할 수 있으므로, 대체될 소형 수신 루프와 마찬가지로 각각 유사한 양방향 또는 무지향성 수신 패턴을 제공할 수 있다.

   소형 수신 루프를 할로로 대체하는 주요 단점은 일반적인 할로가 설계된 단일 주파수를 둘러싼 대역에서만 작동할 수 있다는 것이다. 이 점에서는 할로가 소형 루프의 직접적인 대체품이 아니다. 할로가 설계 주파수 근처에서 다이폴과 비슷한 대역폭을 가질지라도, 현재 설계로는 할로를 가변 튜닝되는 소형 루프에서 얻을 수 있는 넓은 범위의 다른 주파수로 재조정할 수 없다.
10. AM 방송 라디오는 일반적으로 수직 편파되므로, AM 라디오의 내부 안테나는 수직 평면에 있는 루프이다(즉, 루프가 감겨 있는 루프스틱 코어가 수평 방향으로 놓여 있다). (약한 방송국이 바람직하다) AM 방송국에 맞춰 라디오를 모든 수평 방향으로 회전시키면 이러한 안테나의 지향성을 쉽게 시연할 수 있다. 특정 방향(및 그 반대 180도 방향)에서 방송국은 '널' 방향, 즉 루프스틱 방향(루프에 수직)에 있게 된다. 그 지점에서 방송국 수신은 약해진다.
11. 직렬 커패시터도 반응성 임피던스를 상쇄하는 데 사용될 수 있지만, 그렇게 하면 수신기(또는 송신기)가 매우 작은 (저항성) 임피던스를 보게 된다. 반면에 병렬 커패시터는 병렬형 공진을 생성한다. 공진에서 커패시터의 서셉턴스가 안테나의 서셉턴스를 상쇄할 때, 루프 + 커패시터 탱크 회로는 급전점에서 매우 큰 저항성 임피던스를 생성하여 수신기의 입력 단계에 훨씬 더 큰 전압을 제공한다.

    그러나 급전점에서 측정되는 증가된 저항은 임피던스 변환의 결과이다. 공진 유도자(루프) + 커패시터 네트워크는 손실 저항을 포함하여 루프의 모든 다른 임피던스를 확대하므로, 루프의 급전점 저항은 실제 복사 저항이 아니다.(공짜 점심은 없다는 원칙에 따라 안테나 효율의 증가는 없다)
12. 선형/직선 와이어/"전기" 안테나의 경우, 로딩 코일을 사용하여 매칭하는 것도 안테나 끝과 로딩 코일에 고전압을 발생시키지만, 커패시터와 달리 고전압 차이는 코일 길이를 따라 고르게 분산되며, 예방 조치로 일반적으로 더 효율적인 뭉툭한 모양보다 물리적으로 더 길고 가늘게 만들어진다.
13. 토양은 전파의 자기 부분에 대해 더 투명하며, RF 파동의 전기 부분을 더 흡수하거나 반사하는 경향이 있는데, 이는 선형 / "전기" 안테나가 상호 작용하는 부분이다.