모노폴 안테나

모노폴 안테나(영어: Monopole antenna)는 직선 막대 모양의 도체로 구성된 무선 안테나의 한 종류로, 흔히 접지면이라고 불리는 일종의 전도성 표면 위에 수직으로 설치된다.^[1][2] 송신기에서 흐르는 전류가 모노폴과 접지면 사이에 인가되거나, 수신 안테나의 경우 무선 수신기로 나가는 신호 전압이 이 사이에서 발생한다. 송신기 또는 수신기로 가는 급전선의 한쪽은 모노폴 소자의 아래쪽 끝에 연결되고, 다른 쪽은 접지면(지구일 수도 있음)에 연결된다. 이는 안테나의 두 절반 사이에 송신기에서 흐르는 전류가 인가되는 두 개의 동일한 막대 도체로 구성된 다이폴 안테나와 대조된다. 모노폴 안테나는 수학적으로 다이폴 안테나와 관련이 있다. 수직 모노폴은 2~5 dBi의 낮은 안테나 이득을 가진 무지향성 안테나이며, 대부분의 전력을 수평 방향 또는 낮은 고도각으로 방출한다. 일반적인 모노폴 안테나 유형으로는 채찍 안테나, 러버 덕 안테나, 우산 안테나, 역-L 및 T-안테나, 역-F 안테나, 접힌 유니폴 안테나, 마스트 라디에이터, 그리고 접지면 안테나가 있다.

노스캐롤라이나주 채플힐에 있는 AM 라디오 방송국의 전형적인 마스트 라디에이터 모노폴 안테나의 모습. 금속 마스트 자체는 송신기에 연결되어 전파를 방출한다. 마스트는 지면에서 절연시키기 위해 세라믹 절연체 위에 설치된다. 송신기의 다른 단자는 필드 아래에 묻힌 케이블로 구성된 방사형 접지 시스템에 연결된다.

모노폴은 일반적으로 공명 안테나로 사용된다. 막대는 전파에 대한 개방형 공명기 역할을 하며, 길이를 따라 전압과 전류의 정상파로 진동한다. 따라서 안테나의 길이는 사용되는 전파의 파장에 따라 결정된다. 가장 일반적인 형태는 쿼터파장 모노폴로, 안테나 길이가 전파 파장의 약 4분의 1이다. 이는 전 세계에서 가장 널리 사용되는 안테나로 알려져 있다.^[3][4] 4분의 1 파장보다 짧은 모노폴, 즉 전기적으로 짧은 모노폴도 더 작기 때문에 널리 사용된다. 8분의 5(5/8 = 0.625) 파장 길이의 모노폴도 흔히 사용되는데, 이 길이에서 모노폴은 대부분의 전력을 수평 방향으로 방출하기 때문이다. 용량성 부하 또는 탑 부하 모노폴은 모노폴 소자의 상단에 지면에서 절연된 와이어나 스크린과 같은 수평 도체를 부착하여 방사 전력을 증가시킨 모노폴 안테나이다. 대형 탑 부하 모노폴인 T 및 역-L 안테나와 우산 안테나는 장파 및 초저주파 대역에서 더 긴 파장으로 송신 안테나로 사용된다.

모노폴 안테나는 1895년 무선 통신 선구자 굴리엘모 마르코니에 의해 발명되었다. 이 때문에 알렉산더 스테파노비치 포포프가 거의 같은 시기에 독립적으로 발명했음에도 불구하고 마르코니 안테나라고도 불린다.^[5][6]

종류 및 용도

무지향성 안테나 방사 패턴으로 인해 수직 모노폴 안테나는 송신기 또는 수신기의 방향을 알 수 없거나^[7] 계속해서 변하는 라디오 방송, 모바일 양방향 무전기, 라디오 비콘 및 휴대 전화 및 와이파이 네트워크와 같은 무선 장치와 같은 지상 무선 통신 시스템에서 일반적으로 사용된다.^[8][4] 이는 모든 수평 방향으로 동일한 무선 전력을 방출하지만 하늘로 낭비될 전력은 거의 방출하지 않기 때문이다. 쿼터파장 모노폴은 가장 작은 공명 안테나로, 효율적인 방사체이다. 이는 전 세계에서 가장 널리 사용되는 안테나로 알려져 있다.^[4][3]

• 저주파 모노폴 안테나
• 
  미국 AM 라디오 방송국 200피트 마스트 라디에이터
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  1922년 1.5 MHz 주파수로 유럽과 통신하는 데 사용된 아마추어 무선 케이지 T-안테나
• 
  스웨덴 그리메톤 라디오 방송국의 VLF 플랫톱 안테나
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  영국 앤쏜 군용 무선 통신 기지의 초저주파 송신기용 트리데코 우산 안테나로, 19.6 kHz에서 송신 중
• 
  단파 수신용 아마추어 역-L 안테나, 구조를 보여준다.

대형 모노폴은 3 MHz 미만의 저주파, 중주파, 장파 및 초저주파 대역에서 사용되는 주요 송신 안테나이다. 이 대역에서 사용되는 전파의 전파 방식인 지표파는 우수한 수평 방사 특성을 가진 수직 편파 안테나를 필요로 하기 때문이다.^[9][10] 이 주파수에서는 지구 자체가 안테나의 접지면으로 사용된다. 가장 일반적인 안테나는 마스트 라디에이터로, 지면에 설치되어 있지만 전기적으로 절연된 수직 가이드 마스트이다.^[9] 이 안테나는 파장의 약 6분의 1에서 8분의 5 정도의 높이를 가진다.^[11] 송신기에서 나오는 급전선의 한쪽은 방사 소자 역할을 하는 전도성 금속 마스트에 연결되고, 다른 쪽은 안테나 바닥의 단자에서 바깥쪽으로 뻗어 땅속에 묻힌 방사형 와이어 네트워크로 구성된 지구 접지 연결부에 연결된다. 이 설계는 중파 및 장파 대역의 AM 라디오 방송 안테나에 사용된다.^[11] 다른 변형으로는 접힌 유니폴 안테나가 있다.^[12] 장파 및 초저주파 대역의 낮은 주파수에서는 실제로 건설할 수 있는 가장 높은 안테나 마스트가 전기적으로 짧아, 4분의 1 파장보다 훨씬 짧다. 이처럼 짧은 단순 모노폴은 방사 저항이 매우 낮아 비효율적이다. 따라서 효율과 방사 전력을 높이기 위해 역-L, T-안테나 및 우산 안테나와 같은 용량성 탑 부하 모노폴이 사용된다.^[13][9][14]

단파 대역에서는 접힌 모노폴, J-폴 안테나,^[15] 및 정규 모드 나선형과 같은 변형이 사용된다.^[16]

• 고주파 모노폴 안테나
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  휴대용 라디오의 FM 방송 수신용 확장식 쿼터파장 채찍 안테나, 88 - 108 MHz
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  워키토키의 러버 덕 안테나, 144 MHz
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  자동차 휴대폰 극초단파 채찍 안테나
• 
  유리섬유 반파장 채찍 안테나 3개
• 
  미 해군 광대역 원뿔형 모노폴 안테나
• 
  VHF 접지면 안테나
• 
  가정용 와이파이 라우터의 듀얼 밴드 2.4 및 5 GHz 모노폴 안테나

초단파 및 극초단파 대역의 더 높은 주파수에서는 필요한 접지면의 크기가 작아지므로, 안테나를 지면 위에 설치할 수 있도록 스크린이나 막대 형태의 인공 금속 접지면이 사용된다.^[17][8] 마스트나 고정 구조물에 설치하기 위한 일반적인 유형은 접지면 안테나로, 쿼터파장 채찍 안테나와 3~4개의 와이어 또는 막대로 구성된 접지면이 포함되며, 이들은 안테나 바닥에서 수평 또는 대각선으로 쿼터파장 길이만큼 뻗어 급전선의 접지 쪽에 연결된다.^[18] 또 다른 변형은 디스콘 안테나로, 매우 넓은 대역폭을 갖는 것이 특징이다.^[19] 30 MHz 이상의 주파수에서는 자동차나 항공기 본체가 적절한 접지면 역할을 하므로,^[20][21] 양방향 무전기 및 휴대 전화용 채찍 안테나는 자동차 범퍼나 지붕에 장착되고,^[8] 항공기 통신 안테나는 종종 동체에서 돌출된 공기역학적 페어링 안에 짧은 도체로 구성되는데, 이를 블레이드 안테나라고 한다.^[22][9]

워키토키 및 휴대용 FM 라디오와 같은 휴대용 무전기에 초단파 및 극초단파 대역에서 사용되는 쿼터파장 채찍 및 러버 덕 안테나도 모노폴 안테나이다.^[23][4] 이러한 휴대용 장치에서는 안테나에 효과적인 접지면이 없으며, 송신기 또는 수신기의 접지 쪽은 단지 섀시 접지 연결부에 연결될 뿐이다.^[24] 이 "접지" 도체가 소자 자체보다 크지 않기 때문에 안테나는 일반적으로 모노폴 안테나보다 비대칭 다이폴 안테나처럼 작동한다.^[25][26]

무선 통신 장치 및 휴대 전화에서 마이크로파 주파수로 작동하는 널리 사용되는 모노폴 유형은 역-F 안테나 (IFA)이다.^[27][4] 모노폴 소자는 장치 케이스 안에 충분히 작게 수용될 수 있도록 인쇄 회로 기판의 접지 영역과 평행하게 L자 형태로 구부러진다. 안테나는 인쇄 회로 기판 자체의 구리 포일로 제작될 수 있다.^[27] 급전 회로와의 임피던스 매칭을 개선하기 위해 안테나는 션트 방식으로 급전되며, 급전선은 소자의 중간 지점에 연결되고, 소자의 바닥은 접지된다. 다중 대역 버전 및 미앤더 안테나와 같은 이 안테나의 많은 변형이 휴대용 장치에 사용된다.^[28]

역사

헤르츠의 다이폴 안테나에서 마르코니의 모노폴 안테나 개발

1886년 발명된 헤르츠의 스파크 라디오 송신기

1895년 마르코니는 6×6 피트 금속판 "용량 영역"(r)으로 다이폴 안테나를 확장하려 시도했다.^[29] 금속판과 스파크 볼은 축척에 맞춰 표시되지 않았다.

마르코니의 1896년 특허^[29] 삽화로, 송신기(왼쪽) 및 수신기(오른쪽)의 한 단자에 연결된 공중 금속판(u,w)과 다른 단자가 접지된(E) 그의 첫 모노폴 안테나를 보여준다. 나중에 그는 이 판들이 불필요하고 공중 와이어만으로 충분하다는 것을 발견했다.

마르코니의 첫 모노폴 송신기

1900년 마르코니의 폴두, 콘월 송신소에 있는 그의 초기 모노폴 안테나 중 하나. 목재 암에서 매달린 작은 금속판과 건물 내 송신기로 연결되는 긴 와이어로 구성되었다.

초기 수직 안테나. (A) 마르코니는 금속판 "용량 영역"을 높이 매달면 통신 거리가 증가한다는 것을 발견했다. (B) 그는 간단한 고공 와이어도 똑같이 잘 작동한다는 것을 발견했다. (C-F) 연구자들은 여러 개의 평행 와이어가 용량을 늘리는 더 나은 방법이라는 것을 발견했다. "케이지 안테나"(E-F)는 와이어 사이에 전류를 더 고르게 분배하여 저항을 줄였다.

모노폴 안테나는 1895년 굴리엘모 마르코니에 의해 발명되었고 1896년에 특허를 받았다^[29] 그의 첫 무선 통신 실험 도중이다.^[30] 그는 하인리히 루돌프 헤르츠가 발명한 두 개의 동일한 수평 와이어가 금속판으로 끝나는 다이폴 안테나와 그의 멘토인 아우구스토 리기의 네 개의 금속 스파크 볼로 구성된 안테나를 사용하여 실험을 시작했지만, 약 반 마일 이상은 전송할 수 없었다. 그는 실험을 통해 다이폴 대신 송신기 및 수신기 단자의 한쪽을 머리 위로 매달린 금속판에 연결된 와이어에 연결하고, 다른 쪽을 땅속에 묻힌 도체에 연결하면 더 먼 거리로 전송할 수 있다는 것을 발견했다.^{[note 1]} 그는 금속판이 불필요하고 매달린 와이어만으로도 충분하다는 것을 발견했다. 모노폴은 알렉산더 스테파노비치 포포프가 거의 같은 시기에 그의 번개 탐지 수신기용으로 독립적으로 발명했음에도 불구하고 마르코니 안테나라고도 불린다.^{[5][6][30][31]}

그 후 몇 년 동안 마르코니는 더 높은 모노폴 안테나와 더 나은 송신기 및 수신기를 사용하여 무선 전신 통신 시스템의 도달 거리를 수백 킬로미터(마일)까지 꾸준히 늘려, 무선 통신이 실용적인 통신 방법임을 전 세계에 확신시켰다. 1901년 그는 60미터(200피트) 기둥 사이의 지지 케이블에 부채꼴로 매달린 50개의 수직 와이어로 구성된 모노폴 송신 안테나를 사용하여 대서양 횡단 무선 송신을 성공시켰다.^[31]

마르코니 이전에도 몇몇 발명가들이 수직 안테나 간의 무선 통신을 실험했지만, 실용적인 시스템을 만들지는 못했다. 1866년 10월 맬런 루미스는 산꼭대기에서 연으로 지지되는 183 미터|피트|abbr=off|adj=on 길이의 두 개의 접지된 와이어 안테나 사이에서 22 킬로미터|마일|abbr=off 떨어진 통신을 시연했다.^[32] 한 안테나 와이어가 접지 접점에 닿았을 때, 그 안테나의 대기 전기 전류가 전파를 생성하여 다른 와이어에 전류를 유도하고, 이를 민감한 검류계로 감지한 것으로 보인다. 1882년부터 아모스 돌베어도 지면 전도 전화기를 개발하는 동안 접지된 수직 와이어 안테나를 사용했지만, 그의 시스템은 전파 대신 정전기 유도로 작동한 것으로 보이며, 1895년까지는 4분의 1 마일 거리에 불과했다.^[33] 마르코니가 돌베어의 1882년 및 1886년 무선 특허를 침해했다는 소송은 1901년에 기각되었다.^[34] 1885년 토머스 에디슨은 해안의 수직 탑과 선박 마스트에 매달린 수직 와이어 사이의 항구 통신 시스템 특허를 받았지만, 이 역시 정전기 유도로 작동했으며 실제로 시도된 적은 없었다.^[35]

• 
  1901년 마르코니가 첫 대서양 횡단 무선 통신을 성공시킨 영국 폴두의 송신 안테나. 160피트 부채꼴 모양의 50가닥 와이어 모노폴 안테나였다.
• 
  레지널드 페센든의 1906년 매사추세츠 브랜트 록 대서양 횡단 송신기, 초기 마스트 라디에이터

마르코니 시대에 사용되었던 초기 스파크 송신기에서는 안테나가 전파를 방출하는 것 외에도 파동의 진동수와 파장을 결정하는 진동 전류를 생성하는 공명기 역할도 했다. 마르코니의 새로운 안테나는 쿼터파장 모노폴^[36]로 기능하여 높이의 약 4배에 해당하는 파장으로 전파를 방출했다.^[37][38] 이 더 긴 안테나는 파장을 크게 늘려 마르코니 송신기의 주파수를 지평선 너머로 전송할 수 없었던 헤르츠 안테나가 생성한 초고주파 및 극초단파 대역에서 중주파 대역으로 낮추었다.^[31] 또한, 헤르츠 안테나가 생성한 수평 편파 파동 대신 수직 편파 전파를 방출했다.^[39] 더 긴 전파는 거리에 따른 감쇠가 적다. 이러한 더 긴 수직 편파 파동은 지구 곡률을 따를 수 있는 지표파로 전파될 수 있었고,^[39] 전리층에서 반사(‘스킵’ 또는 공중파 메커니즘이라고 함)되어 시야 범위 밖으로 이동할 수 있었다. 이것이 통신 거리가 증가한 이유이다.^[38]

물리학을 독학한 마르코니는 당시 이 모든 것을 이해하지 못했다.^[38] 그는 단지 안테나 높이와 전송 거리 사이의 경험적 관계를 발견했을 뿐이다.^[40][36] 그는 1897년 안테나가 높이의 4배 파장으로 전파를 방출한다는 것을 처음으로 계산한 로마의 모이세 아스콜리 교수에게 공로를 돌렸다.^[38] 와이어 안테나의 전류에 대한 적분 방정식은 1897년 헨리 포클링턴에 의해 도출되었는데,^[38][41] 그는 전류가 대략적인 정현파 정상파임을 보여주었다.^[42][43] 1898년경 앙드레 블롱델은 이미지 안테나 이론을 사용하여 모노폴이 길이의 두 배인 수직 다이폴 안테나와 동일한 방사 패턴을 가짐을 보여주었다.^[44][39][45] 포클링턴 방정식의 더 유용한 버전인 할렌 방정식은 1938년 에리크 할렌에 의해 처음 도출되었다.^[46][47] 이러한 적분 방정식은 현대 모노폴 분석의 출발점이며, 현대 컴퓨터 안테나 시뮬레이션 프로그램에서 수치적으로 해결된다.^{[note 2]}

1900년대부터 1920년대까지 무선 전신 시대에 사용된 다중 와이어 모노폴

1902년에 건설된 마르코니 210피트 (64미터) 역원뿔 모노폴 송신 안테나, 영국 폴두

1904년 마르코니가 발명한 역-L, "트라이아틱" 또는 "플랫톱" 안테나. 50 kHz 미만의 주파수에서 장거리 무선 전신 송신소에서 사용된 모노폴

1910년 영국 뉴캐슬 근처 무선 전신 기지의 우산 안테나

1921년에 건설된 매사추세츠 스프링필드의 무선 방송국 WBZ의 T-안테나, 833 kHz.

무선 전신 시대, 즉 1900년부터 1920년대까지 라디오의 첫 두 십 년 동안 무선 통신 시스템은 200미터 이상의 긴 파장(1.5 MHz 미만 주파수)을 사용하는 중주파, 장파 및 초저주파 대역에서 사용되었다.^[48] 모노폴은 주로 사용되는 안테나였다. 장거리 통신에 사용되는 더 긴 파장에서는 실제로 건설할 수 있는 가장 높은 안테나 마스트가 공명 길이인 4분의 1 파장보다 훨씬 짧았다.^[13] 이처럼 짧은 모노폴 안테나는 비효율적이다. 5~20옴의 낮은 방사 저항 때문에 송신기 전력의 상당 부분이 접지 시스템 저항에서 낭비되었다.^[49] 방사 전력을 높이는 데 알려진 주요 기술은 안테나 상단에 도체를 추가하여 접지 용량을 늘리고 안테나 전류를 증가시키는 것이었다.^[50] 마르코니와 다른 사람들은 이 주파수에서 더 효율적인 거대한 다중 와이어 용량성 탑 부하 모노폴 안테나를 개발했는데,^[51][52] 예를 들어 하프, 역원뿔, 역 L, T-안테나 및 우산 안테나 등이 있다.^[53][49] 이들은 이 기간 동안 주요 안테나였으며,^[50][54] 후자의 세 가지는 이러한 낮은 주파수에서 여전히 주요 송신 안테나로 사용된다.^[53] 1920년대 초 중주파 대역에서 라디오 방송이 시작되었을 때, 전형적인 송신 안테나는 T-안테나였다.^[55][49] 이는 두 개의 마스트와 넓은 면적을 필요로 했고, 마스트의 전류가 방사 패턴을 왜곡시켰다.

스튜어트 발렌타인이 1924년에 발표한 두 편의 논문은 단일 마스트 모노폴 라디에이터의 채택으로 이어졌다.^{[49] [56]} 한 논문은 완벽한 접지면 위의 수직 모노폴 안테나의 방사 저항을 도출했다.^[57] 그는 방사 저항이 반파장 길이에서 최댓값에 도달한다는 것을 발견했다. 따라서 그 길이 주변의 마스트는 접지 저항보다 훨씬 높은 입력 임피던스를 가지므로, 접지 시스템에서 손실되는 송신기 전력의 비율이 줄어들어 용량성 탑 로드의 필요성이 없어졌다. 같은 해 두 번째 논문에서 그는 지표파로 수평 방향으로 방출되는 전력이 8분의 5 파장(.625${\displaystyle \lambda }$) 마스트 높이에서 최댓값에 도달함을 보여주었다.^[58] 이러한 발견으로 인해 1930년경에는 T-안테나의 단점 때문에 방송사들이 중주파 대역에서 반파장 마스트 라디에이터 안테나를 채택하게 되었다.^[59][55][60] 접지 손실을 줄이기 위해 방사형 와이어 접지 시스템도 동시에 개발되었다.

1950년대와 1960년대, 1947년 트랜지스터 발명으로 가능해진 휴대용 라디오인 트랜지스터 라디오와 워키토키의 등장은 확장형 쿼터파장 채찍과 러버 덕 안테나와 같은 소형 모노폴 안테나 개발을 촉진했다.

작동에 대한 기본 설명

모노폴 안테나는 파생된 다이폴 안테나와 마찬가지로 공명 안테나이다. 전파를 방출하고 수신할 뿐만 아니라 전기 공명기 역할을 한다.^[61] 무선주파수 교류가 급전점에 인가될 때 그 공명 주파수 중 하나에 가까우면, 전력을 전파로 방출하는 것 외에도, 정상파라고 불리는 진동 전류 형태로 에너지가 안테나에 저장된다. 이것의 장점은 저장된 에너지가 송신기(또는 수신 안테나에서 전파로부터 흡수된 에너지)에 의해 매 주기 안테나에 공급되는 에너지보다 크기 때문에 안테나 전류의 대부분이 이 저장된 에너지로 인한 것이라는 점이다. 결과적으로 공명 상태의 안테나 전류는 다른 주파수에서 안테나가 구동될 때의 전류보다 크다. 안테나가 방출하는 전파 전력은 안테나 전류의 제곱에 비례하므로, 공명 주파수로 급전되는 안테나는 다른 주파수에서 동일한 전압으로 급전되는 동일한 안테나보다 훨씬 더 많은 전력을 방출한다.^[62] 안테나는 공명 상태일 때만 급전선에서 모든 입력 전력을 흡수한다.

수직 도체는 한쪽 끝이 개방 회로인 전송선로 공명 스터브와 비슷하게 작동한다. 진동 모드는 한쪽 끝이 고정된 탄성 빔의 기계적 진동과 유사하다.^[63] 소자를 따라 흐르는 전류와 전압은 정현파이다. 안테나 소자의 전류는 양 끝 사이를 왕복하며, 두 개의 같지만 반대 방향인 전류파가 간섭하여 정상파를 형성한다.^[64][65] 정상파는 상단에 전류 마디를 가지며, 하단에는 마디 또는 배를 가진다. 이러한 끝 조건으로 인해 모노폴은 4분의 1 파장 또는 그 배수 길이에서 공명(순수 저항성 입력 임피던스 가짐)한다.^[66]

일반적인 쿼터파장 모노폴에서 수직 막대의 상단 끝과 접지면은 서로 반대 전하를 띠는 축전기 판처럼 작용하여 전기장에 에너지를 저장하며, 막대 중간 부분은 유도자처럼 작용하여 자기장에 에너지를 저장한다.^[65] 따라서 전체 안테나는 직렬 공명 LC 회로처럼 작동한다. 사이클 시작 시 막대 상단이 음전하를 띠고 접지면이 양전하를 띠면, 전류는 접지면에서 막대 위로 흐르기 시작하여 막대 주위에 원형 자기장을 생성한다. 상단의 음전하와 접지면의 양전하는 0에 도달할 때까지 감소한다. 그러나 전류는 막대의 유도계수가 전류 변화에 저항하기 때문에 계속 흐른다. 전류는 막대 상단을 양전하로, 접지면을 음전하로 충전하기 시작한다. 패러데이 전자기 유도 법칙에 따라 이 전하 분리를 생성하는 에너지는 자기장에서 나오며, 자기장은 감소한다. 마침내 자기장이 0에 도달하면 전류가 멈추고 전하가 역전되어 막대 상단은 양전하, 접지면은 음전하를 띤다. 그런 다음 전류는 반대 방향, 즉 막대 아래로 흐르기 시작하여 반대 방향으로 회전하는 자기장을 생성하며, 전하가 다시 원래 극성으로 역전되어 막대 상단이 음전하, 접지면이 양전하를 띨 때까지 반복된다. 이 진동은 인가된 교류 전류의 매 반 주기마다 전기장과 자기장에 번갈아 에너지를 저장하면서 계속 반복된다.

이러한 결합된 진동 전기장과 자기장의 대부분은 근거리장 (반응성 또는 유도장이라고도 함)으로, 안테나 주변 공간에 에너지를 저장하지만, 일부 장은 안테나를 떠나 전자기파, 즉 전파로 이동하여 에너지를 전달한다. 방출되는 전력은 급전선에서 들어오는 전력으로 공급된다. 이러한 전력 손실 때문에 안테나는 급전점에서 방사 저항이 있는 것처럼 작용한다.

결과적으로, 모노폴은 전기적으로 손실이 있는 동조 회로처럼 작동한다. 일반적으로 급전점에 전기저항과 반응저항을 모두 가진다.^[67] 입력 저항에는 두 가지 구성 요소가 있다. 방사 저항(보통 가장 큰 부분)과 안테나 도체 및 접지면의 옴 손실로 인한 손실 저항이다. 공명 상태에서는 입력 임피던스가 순수 저항일 뿐이며, 다른 주파수에서는 저항 외에 반응저항도 가지므로 임피던스가 더 높다.

송신 안테나는 송신기에서 급전선으로 인가되는 모든 전력을 공액 임피던스 매칭될 때만 흡수한다. 이는 안테나와 선의 저항이 같고, 안테나와 선의 반응저항이 반대여야 함을 의미한다. 임피던스 매칭이 되지 않으면 급전선에서 송신기 전력의 일부가 송신기 쪽으로 다시 반사되어 높은 SWR을 유발하여 비효율성을 초래하고, 송신기나 선이 과열되거나 아크가 발생할 수 있다. 마찬가지로, 수신 안테나는 급전선에 임피던스 매칭될 때만 최대량의 전파 전력을 수신기에 전달한다.

접지면

대부분의 모노폴은 수직 막대 아래에 전도성 표면인 접지면을 가지고 있으며, 이는 급전선의 접지 쪽에 연결된다.^[1] 접지면은 안테나의 필수적인 부분으로, 두 가지 기능을 한다. 첫째, 막대에서 아래로 향하는 전파를 반사하여 지면 위로 방사되는 전력을 증가시킨다. 둘째, 축전기 판 역할을 하여 막대에서 변위 전류(교류 전기장)를 받아 급전선의 접지 쪽으로 되돌려 보낸다.^[68][69] 접지면이 없으면 급전선의 실드 도체 외부에 유도 전류가 발생하여 추가 안테나로 작용할 것이다.

접지면의 전류는 방사형으로, 안테나 바닥의 접지 단자를 향하거나 멀어지는 방향으로 번갈아 흐른다. 따라서 안테나에서 멀리 떨어진 곳에서는 접지면의 반대편에서 방출되는 전파의 위상이 반대이므로 대부분 상쇄된다. 따라서 접지면 자체는 전파를 방출하지 않으며, 막대에서 나오는 전파에 대한 거울 역할을 한다.

전기장은 접지면에 들어갈 때 수직이며, 다이폴 안테나의 대칭면에서의 필드와 동일하다. 접지면이 충분히 크면, 반사된 파동으로 인해 안테나는 접지면 아래에 모노폴과 동일한 이미지 안테나를 가진 것처럼 작동한다.^[70] 안테나 막대와 그 이미지는 함께 길이의 두 배인 다이폴 안테나처럼 작동하므로, 무한하고 완벽하게 전도성 있는 면 위의 모노폴은 길이의 두 배인 수직 다이폴의 패턴 상단 절반과 동일한 방사 패턴을 가진다.^{[1] [71][72]} 쿼터파장 모노폴의 경우 안테나는 반파장 다이폴처럼 작동한다. 안테나가 다이폴 안테나의 절반 공간에만 전력을 방출하기 때문에 그 이득은 동등한 다이폴의 이득의 두 배(또는 데시벨로 3 dB 더 큼)이다.^[70]

실제 이득과 방사 패턴은 접지면의 크기와 전도도에 따라 달라진다.^[24] 거울 역할을 하려면 접지면이 모노폴 소자에서 최소 반파장만큼 확장되어야 한다. 저주파 모노폴 송신 안테나는 지구 자체를 접지면으로 사용한다. 토양은 상당한 저항을 가지며 안테나와 직렬로 연결되어 송신기 전력을 소비하기 때문에 효율을 위해 지구에 대한 좋은 낮은 전기저항 연결이 필요하다.^[73] 이들은 안테나 바닥의 접지 단자에서 바깥쪽으로, 바람직하게는 4분의 1에서 2분의 1 파장 거리까지 뻗어 있는 많은 나동선으로 구성된 방사형 접지 시스템을 사용한다.^[74][69]

접지면의 불균형한 임피던스 때문에 모노폴 안테나는 보통 불균형 전송선로, 주로 동축 케이블로 급전된다.

안테나의 전류 분포

얇은 선형 안테나를 따라 전류 분포를 계산하는 것은 방사 패턴과 전기적 특성을 결정하며, 송신기에서 안테나의 급전점에 인가되는 정현파 급전 전압의 전기장에 의해 구동되는 소자 표면의 결합된 전류, 전기장 및 자기장에 대한 맥스웰 방정식을 풀어야 한다(또는 수신 안테나의 경우 전파의 입사장에 의해 구동됨). 포클링턴 적분 방정식(헨리 포클링턴, 1897년^[41]) 또는 할렌 적분 방정식(에리크 할렌, 1938년^[46][47])은 얇은 원통형 안테나의 전류를 제공한다.^[42][43] 일반적으로 안테나의 전기적 특성을 정확하게 계산하는 것은 수학적으로 어렵고, 보통 안테나 시뮬레이션 컴퓨터 프로그램인 NEC가 사용된다.^{[note 2]}

접지면이 소자 높이보다 반지름이 더 큰 좋은 도체라면(이 섹션에서는 그렇게 가정함), 완벽한 무한 접지면에 근사하며, 모노폴과 면을 높이의 두 배인 수직 다이폴 안테나로 대체하여 전류와 방사를 계산할 수 있다. 더 작은 면의 경우, 정확한 결과를 얻으려면 접지면의 공명과 가장자리 주변의 굴절도 고려해야 하므로 면 내의 전류 분포도 계산해야 한다.

모노폴 소자의 전류는 대략적으로 정현파 정상파^[75] ${\displaystyle I(z)}$이며, 안테나를 따라 위로 이동하여 상단에서 반사되는 파동 ${\displaystyle i_{\text{up}}(z,t)}$와 아래로 이동하여 접지면에서 반사되는 파동 ${\displaystyle i_{\text{down}}(z,t)}$의 두 개의 중첩된 진행 전류파로 구성된다.^[76]

${\displaystyle i(z,t)=I(z)\cos {\omega t}=i_{\text{up}}(z,t)+i_{\text{down}}(z,t)}$

첫 번째 근사치로, 포클링턴 방정식에서 얇은 안테나의 전류는 헬름홀츠 방정식으로 주어진다.^[77][42]

${\displaystyle {\frac {{\partial ^{2}}I(z)}{\partial z^{2}}}+k^{2}I(z)=0}$

이는 무손실 전송선로의 전신 방정식과 동일하며, 선형 안테나가 전송선로처럼 작동하는 이유를 설명한다. 모노폴 소자에 대해 풀고 경계 조건 ${\displaystyle I(h)=0}$과 기저 급전 안테나의 경우 ${\displaystyle I(0)=I_{\text{0}}}$을 적용하면, 모노폴에서 높이 ${\displaystyle z}$에서의 최고 무선 주파수 전류 ${\displaystyle I(z)}$는 상단에 마디가 있는 정현파 정상파에 근접한다.^[78][79][80]

   ${\displaystyle I(z)=I_{\text{max}}\sin {k(h-z)}=I_{0}{\sin {k(h-z)} \over \sin {kh}}}$ 

따라서 시간과 높이에 따른 안테나의 전류는 다음과 같다.

${\displaystyle i(z,t)=I_{0}{\sin {k(h-z)} \over \sin {kh}}\cos 2\pi ft}$

여기서

${\displaystyle h}$는 모노폴 소자의 길이이다.

${\displaystyle f}$는 급전 전류의 주파수이다.

${\displaystyle k={2\pi \over \lambda }={2\pi f \over c}}$는 미터당 라디안 단위의 파수이다. ${\displaystyle kh}$는 라디안 단위의 소자 전기적 길이이다.

${\displaystyle I_{\text{max}}}$는 루프 전류, 즉 정상파의 배에서의 전류이다. ${\displaystyle \lambda /4}$ 이상 길이의 모노폴에서는 안테나의 최대 전류이다.

${\displaystyle I_{0}}$는 기저 급전 모노폴의 경우 소자 바닥의 입력 전류이다.

${\displaystyle z}$는 접지면에서 측정된 소자 높이이다.

전류는 바닥에서 급전 전압과 거의 90° 위상차가 난다. 송신 안테나에서는 급전 전압보다 지연되고, 수신 안테나에서는 급전 전압보다 앞선다.

이 근사치는 안테나의 Q 인자가 1보다 훨씬 크다고 가정한다.^{[note 3]} 즉, 저장된 에너지가 매 주기 공급되는 에너지(방사된 에너지와 같음)보다 훨씬 크다. 이는 공명 상태로 구동되는 얇은 안테나에 대한 좋은 근사치이다. 직경-파장 비율 ${\displaystyle 2b/\lambda }$이 10^−4[81] 미만일 때 수치적으로 정확하지만, ${\displaystyle 2b/\lambda <.05}$까지도 좋은 근사치이며 두꺼운 모노폴에도 정성적으로 적용된다.^[82] 유한 너비 모노폴의 경우 전류는 마디에서 완전히 0이 되지 않으며, 180도 위상 변화는 갑작스럽지 않고 마디를 중심으로 짧은 거리에 걸쳐 연속적으로 발생한다.^[78]

이 근사치는 급전선에 의해 인가되는 에너지와 방사로 손실되는 에너지가 무시할 수 있다고 가정하므로, 급전선 양단의 전압과 방사 저항은 묵시적으로 0으로 가정된다. 개선된 근사치는 방사 과정을 고려한다.^[83][84]

${\displaystyle I(z)=I_{0}\sin {k(h-z)}+jpI_{0}(\cos kz-\cos kh)}$

전류는 두 항의 합이다. 급전 전압과 90° 위상차가 나는 원래의 정현파와 방사장의 역반응에 의해 안테나에 유도되는 두 번째 더 작은 파동이다. 이 파동은 급전 전압과 위상이 같고 방사된 전력을 공급한다. 소자의 어느 지점에서든 이 전류는 그 위쪽 소자 부분에 의해 방사되는 전력을 공급해야 하므로, 위쪽으로 높이에 따라 감소하여 상단에서 0이 된다. 계수 ${\displaystyle p}$는 안테나 길이에 따라 다르며, 직경에 따라 감소한다.

입력 임피던스

대부분의 모노폴 안테나에서 옴 저항은 작으므로, 입력 저항은 주로 방사 저항 ${\displaystyle R_{\text{R}}}$으로 구성된다. 완벽하게 전도되는 무한 접지면 위에서 모노폴의 입력 임피던스는 길이의 두 배인 중앙 급전 다이폴의 절반이다.^[85][86] 선형 안테나의 임피던스는 레온 브릴루앙이 발명한 유도 EMF 방법을 사용하여 근거리장을 계산하고, 포인팅 벡터를 안테나 막대 표면에 대해 적분하여 찾을 수 있다.^[87][88] 완벽하게 전도되는 무한 접지면 위에서, 길이가 약 ${\displaystyle h=\pi /4}$ 이하이고 소자의 두께 ${\displaystyle 2b}$가 파장보다 훨씬 작은(${\displaystyle kb\ll 1}$) 얇고 기저 급전 모노폴의 경우, 방사 저항 ${\displaystyle R_{\text{R}}}$과 반응저항 ${\displaystyle X_{\text{R}}}$은 옴 단위로 다음과 같다.^[89][90][91]

${\displaystyle R_{\text{R}}={\eta \over 4\pi \sin ^{2}kh}{\Biggl \{}{\text{Cin}}(2kh)+{1 \over 2}\sin 2kh{\Bigl [}{\text{Si}}(4kh)-2{\text{Si}}(2kh){\Bigr ]}+{1 \over 2}\cos 2kh{\Bigl [}2{\text{Cin}}(2kh)-{\text{Cin}}(4kh){\Bigr ]}{\biggr \}}}$        (1)

${\displaystyle X_{\text{R}}={\eta \over 4\pi \sin ^{2}kh}{\biggl \{}{\text{Si}}(2kh)+\cos 2kh{\Bigl [}{\text{Si}}(2kh)-{1 \over 2}{\text{Si}}(4kh){\Bigr ]}-\sin 2kh{\Bigl [}\ln(h/b)-{\text{Cin}}(2kh)+{1 \over 2}{\text{Cin}}(4kh)+{1 \over 2}{\text{Cin}}(kb^{2}/h){\Bigr ]}{\biggr \}}}$  (2)

길이가 ${\displaystyle h}$인 모노폴 안테나의 측정된 입력 저항과 리액턴스를 길이 대 직경 비율(${\displaystyle h/2b}$)에 따라 나타낸 그래프. 특정 길이/직경에 대한 선은 두 그래프에서 동일한 색상으로 표시된다.

여기서

${\displaystyle k={2\pi \over \lambda }={2\pi f \over c}}$는 파수이다. ${\displaystyle kh}$는 라디안 단위의 소자 전기적 길이이다.

${\displaystyle b}$는 소자의 반지름이다.

${\displaystyle \eta ={\sqrt {\mu _{\text{0}} \over \epsilon _{\text{0}}}}}$ = 376.73 옴은 자유 공간의 임피던스이다.

${\displaystyle {\text{Si}}(x)=\int \limits _{0}^{x}{\sin t \over t}dt}$는 사인 적분이다.

${\displaystyle {\text{Cin}}(x)=\int _{0}^{x}{\frac {1-\cos t}{t}}dt}$는 수정된 코사인 적분이다.

이 방정식들은 무한히 얇은 안테나에 대해 정확하다.

완벽한 접지 위에 파장보다 훨씬 작은 두께를 가진 쿼터파장 이하 안테나의 경우 다음 근사 공식이 유용하다. ^[92][93]
${\displaystyle \quad R_{\text{R}}={\begin{cases}10(kh)^{2}\qquad \quad 0<h<\lambda /8\\12.35(kh)^{2.5}\quad \lambda /8<h<\lambda /4\\5.57(kh)^{4.17}\;\quad \lambda /4<h<0.3183\lambda \end{cases}}}$

${\displaystyle X_{\text{R}}=-{60 \over kh}(\ln {h \over b}-1)}$

공명 주파수 및 길이

모노폴 안테나는 길이가 ${\displaystyle h}$에 따라 달라지는 일련의 주파수에서 공명(순수 저항성 입력 임피던스, 반응저항 없음)한다. 이러한 주파수는 공명 시 송신선과 안테나를 임피던스 매칭하기 더 쉽기 때문에 중요하다. 이를 정확하게 찾으려면 안테나 시뮬레이션 컴퓨터 프로그램을 사용해야 한다. 그러나 소자가 지나치게 두껍지 않은 대부분의 모노폴 및 다이폴 안테나의 경우, 공명 주파수는 종종 도체를 개방형 단일 와이어 전송선로 (공명 스터브)로 간주하여 대략적으로 계산된다.^{[note 2]} 공명 스터브에서와 마찬가지로 전류와 전압 정상파 간의 위상차는 90°에 가깝다. 이는 전압 정상파가 각 전류 마디(최소)에서 배(최대)를 갖고, 각 전류 배에서 마디(최소)를 갖는다는 것을 의미한다.^[94]

직렬 공명

모노폴에서 공명 조건은 정현파 전류파가 모노폴 소자의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 왕복 이동할 때, 반사파가 원래 파동과 동위상으로 시작점에 도달하여 두 파동이 서로 강화되어야 한다는 것이다.^[95]

파동은 빛의 속력에 가까운 속도 ${\displaystyle c}$로 소자를 따라 이동한다. 파동이 한 주기 ${\displaystyle T=1/f}$ 동안 이동하는 거리는 파장 ${\displaystyle \lambda }$이며, 여기서

${\displaystyle \lambda ={c \over f}}$

따라서 파동의 소자 한 끝에서 다른 끝까지의 라디안 단위 위상 변화는 ${\displaystyle kh=2\pi {h \over \lambda }}$이다. 왕복 이동의 경우 위상 변화는 이 값의 두 배인 ${\displaystyle 4\pi {h \over \lambda }}$이다. 소자 끝에는 추가적인 위상 변화가 있을 수 있으며, 이는 끝 조건에 따라 달라진다. 모노폴의 소위 직렬 공명에 대해:

• 전류는 상단에서 180° (${\displaystyle \pi }$ 라디안) 위상 변화와 함께 반사된다.^[95] 소자 상단에서 총 전류는 갈 곳이 없으므로 0이어야 하며, 이 지점은 정상파의 전류 마디(0)가 된다. 따라서 상향 및 하향 진행파는 그 지점에서 크기는 같지만 위상은 반대여야 한다. ${\displaystyle i_{\text{up}}(h,t)=-i_{\text{down}}(h,t)}$. 상향 전류파는 소자 상단 끝에서 반대 위상으로 "반사"된다고 한다.
• 전류는 접지면에서 위상 변화 없이 반사된다. 하향파는 소자를 따라 아래로 이동하고, 급전선을 통해 송신기로 갔다가 돌아오며, 바닥에서 접지면에 반사되어 상향파가 된다. 접지선에 연결된 큰 축전기 판으로 모델링될 수 있는 접지면은 전류원 또는 전류 싱크 역할을 하며, 그 전압은 들어오는 전류와 무관하게 거의 0이다. 따라서 소자는 그 지점에서 전압 마디(0)와 전류 배(최대)를 갖는다. 전압파는 접지면에서 같고 반대여야 하므로 ${\displaystyle v_{\text{up}}(0,t)=-v_{\text{down}}(0,t)}$이며, 전류의 반대 방향으로 인한 부호 변화가 있으므로 상향 및 하향 전류파는 항상 그 지점에서 크기가 같고 동위상이다.

${\displaystyle i_{\text{up}}(0,t)=-C{dv_{\text{up}}(0,t) \over dt}=-C{d[-v_{\text{down}}(0,t)] \over dt}=i_{\text{down}}(0,t)}$

정현파는 ${\displaystyle 2\pi }$ 라디안(360°)마다 반복된다. 따라서 공명을 위해서는 안테나 소자를 따라 왕복하는 동안의 총 위상 변화 ${\displaystyle \Phi }$는 상단에서의 ${\displaystyle \pi }$ (180°) 위상 변화를 포함하여 ${\displaystyle 2\pi }$ 또는 그 정수배여야 한다.

${\displaystyle \Phi =4\pi {h \over \lambda }+\pi =2\pi m\qquad m\in 1,2,3,...}$

${\displaystyle h}$에 대해 풀고 ${\displaystyle m=n+1}$을 대입하면 모노폴 안테나는 4분의 1 파장 또는 그 홀수배 길이에서 공명한다.^{[96][66][97][98]}

    ${\displaystyle h\approx {\lambda \over 4}+n{\lambda \over 2}={\big (}{1 \over 4}+{n \over 2}{\big )}{c \over f}\qquad n\in 0,1,2,3,...}$ 

${\displaystyle h\approx {\lambda \over 4},{3\lambda \over 4},{5\lambda \over 4},...}$

(공명 길이는 실제로는 이보다 약간 짧다. 아래의 끝 효과 섹션을 참조.) 주어진 길이 ${\displaystyle h}$에 대한 해당 공명 주파수 ${\displaystyle f_{\text{n}}}$는 다음과 같다.

    ${\displaystyle f_{\text{n}}\approx {\big (}{1 \over 4}+{n \over 2}{\big )}{c \over h}\qquad n\in 0,1,2,3,...}$

안테나가 쿼터파장(${\displaystyle \lambda /4}$) 길이일 때의 가장 낮은 공명 주파수 ${\displaystyle f_{\text{0}}}$를 기본 공명이라고 하며, 기본 주파수의 배수인 더 높은 공명은 고조파라고 한다.^[99][100]

이러한 주파수 근처에서 안테나가 전기적으로 직렬 공명 동조 회로와 유사하게 작동하기 때문에 직렬 공명 주파수라고도 불린다.^[101][102] 안테나 바닥의 급전점이 전압 마디(최소)이자 전류 배(최대)이기 때문에, 이 주파수에서 전압 대 전류의 비율과 같은 입력 임피던스는 최솟값이다. ${\displaystyle \lambda /4}$ 모노폴의 경우 36.5 옴이다(아래 참조).

병렬 공명

모노폴은 또한 두 번째 일련의 길이에서 공명할 수 있는데, 이 길이에서는 소자의 아래쪽 끝이 전류 배(최대)가 아닌 전류 마디(최소)가 된다. 따라서 소자는 위쪽과 아래쪽에 모두 전류 정상파의 마디를 가지며, 이는 말단 급전 수직 다이폴 안테나와 동일하다(그래서 일부 출처에서는 이 안테나를 모노폴이라고 부르지 않는다^[66]). 공명 주파수는 이전 섹션과 유사한 유도를 통해 계산할 수 있지만, 정상파가 반파장 간격으로 마디를 가진다는 점을 주목하는 것이 더 쉽다. 따라서 안테나는 반파장 길이 또는 그 배수 길이에서 공명한다.^[98][103]

    ${\displaystyle h\approx n{\lambda \over 2}={nc \over 2f}\qquad n\in 1,2,3,...}$ 

${\displaystyle h\approx {\lambda \over 2},\lambda ,{3\lambda \over 2},2\lambda ,...}$

주어진 길이 ${\displaystyle h}$에 대한 해당 공명 주파수는 다음과 같다.

    ${\displaystyle f_{\text{n}}\approx {nc \over 2h}\qquad n\in 1,2,3,...}$ 

이것들은 안테나가 병렬 공명(반공명) 동조 회로와 유사하게 작동하기 때문에 때때로 병렬 공명 또는 반공명이라고 불린다.^[104][105] 바닥에서 급전될 때, 전류 마디와 전압 배가 존재하기 때문에 안테나는 매우 높은 입력 저항을 가지며, 이는 계산하기 어렵다.^[106] 가상의 무한히 얇은 소자의 경우 무한대일 것이므로 입력 전류가 없을 것이다. 일반적인 유한 두께 모노폴 소자의 경우 두께에 따라 약 700 - 3000 옴이다.^[107][108] 또한 공명점 주변에서 주파수에 따른 반응저항 변화율이 매우 높아서 직렬 공명보다 안테나의 대역폭이 좁아진다.^[105]

전송선로에 맞추기에 충분하도록 임피던스를 줄이려면 임피던스 매칭 회로나 션트 급전을 사용해야 한다. 장점은 다이폴처럼 작동하므로 접지 시스템의 전류가 낮아 접지 손실이 최소화된다는 것이다. 얇은 안테나의 경우 접지면이 전혀 필요 없다.

실제로는 모노폴은 주로 가장 낮은 두 개의 공명 주파수에서 사용된다. 소자가 쿼터파장(${\displaystyle \lambda /4}$) 길이인 쿼터파장 모노폴 또는 반파장(${\displaystyle \lambda /2}$) 길이인 반파장 모노폴이다. 이는 이들의 방사 패턴이 안테나 축에 수직인 수평 방향으로 단일 로브로 구성되기 때문이다. 더 높은 고조파는 수신이 불가능한 위치를 유발하는, 하늘로 향하는 각도에서 여러 로브로 구성된 더 복잡한 방사 패턴을 가지므로 거의 사용되지 않는다.

끝 효과

쿼터파장 모노폴 안테나(A) 주변의 최대 전기장(E) 다이어그램으로, 상단에서 전장선이 퍼지는 것을 보여준다. 이로 인해 안테나 상단 근처에서 단위 길이당 더 많은 전하가 저장된다. 매 주기마다 이 추가 전하를 입금하고 제거하기 위해, 소자 내 진동 전류 분포(I(z), 빨간색 선)는 상단 근처에서 정현파(파란색 선)에서 벗어나 높이에 따라 더 빠르게 감소하여 공명 길이(h)를 λ/4 미만으로 줄인다.

소자 직경의 함수로서 모노폴의 공명 길이의 분수 감소율. 공명 길이는 소자의 직경이 증가함에 따라 감소한다.^[109][110] 위에서 ${\displaystyle r}$이 감소 인자라면, 쿼터파장 모노폴의 공명 길이는 다음과 같다.

${\displaystyle h=r{\lambda \over 4}=r{c \over 4f}}$

막대 직경과 파장의 비율이 증가함에 따라 정상파의 마디(N)는 소자 끝보다 더 위로 이동하므로, 주어진 주파수에서 안테나는 더 짧은 길이에서 공명한다.

물리적 모노폴이 공명하는 정확한 길이는 위의 방정식 ${\displaystyle X_{\text{R}}(h)=0}$을 풀거나 안테나 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 찾을 수 있으며, 이전 섹션에서 계산된 고조파 공명 길이 ${\displaystyle h}$보다 약간 짧고 소자의 직경에 따라 달라진다.^[111][112]

이는 소자(A)의 상단 끝에서 전기장(주변장)의 형태가 부채꼴로 퍼지기 때문이다(다이어그램 참조). 이는 끝 부분에 전기 용량을 추가하고 유도계수를 줄인다.^{[113] [112]} 단위 길이당 더 많은 전하를 저장할 수 있는 능력 때문에, 상단 근처에서 정상파 전류 프로필(I(z), 빨간색 선)은 정현파와 달라져(>파란색 선) 높이에 따라 더 빠르게 감소한다.^[112] 이를 정현파로 근사하면, 정상파의 마디(N)가 안테나 상단이 아닌 그 위쪽 어느 지점에서 발생하는 것과 같다.^{[note 4]} 따라서 소자의 공명 길이(h)는 이전 섹션에서 계산된 자유 공간 파장 ${\displaystyle \lambda =c/f}$의 4분의 1의 배수보다 짧다.

소자가 두꺼울수록 끝 전기 용량이 커지고 공명 길이는 짧아진다.

이를 설명하는 또 다른 일반적인 방법은 공명 주파수가 물리적 길이(자유 공간에서 전파 파장의 길이로 측정)가 아니라 소자의 전기적 길이(도체 내 전류 파장의 길이)에 따라 달라진다는 것이다.^[114][115] 선형 안테나의 전기적 길이는 물리적 길이보다 길기 때문에 공명 주파수는 물리적 길이에서 계산될 값보다 낮다.

위의 ${\displaystyle R_{\text{R}}(h)}$ 및 ${\displaystyle X_{\text{R}}(h)}$ 방정식에서, 정확히 쿼터 자유 공간 파장 길이(${\displaystyle h=.25\lambda }$)의 얇은 모노폴이 바닥에서 급전될 때, 유도성 입력 임피던스를 가지며, 그 값은 다음과 같다.^{[116][86][117]}

${\displaystyle Z(h={\lambda \over 4})=R_{\text{R}}+jX_{\text{R}}={\eta \over 8\pi }{\text{Cin}}(2\pi )+j{\eta \over 4\pi }{\big [}2{\text{Si}}({\pi \over 2})-{1 \over 2}{\text{Si}}(\pi ){\big ]}=36.54+j21.25}$ 옴

공명 상태를 만들기 위해 .237${\displaystyle \lambda }$로 단축할 수 있으며, 이 길이에서 입력 임피던스는 ${\displaystyle 34+j0}$ 옴이다.^[118]

또한 접지된 물체나 절연 코팅 또는 지지 절연체와 같은 높은 유전율 유전체 물질의 존재와 같이 안테나 소자에 전기 용량을 추가하는 모든 것은 공명 길이를 더욱 감소시킬 것이다.^[114][109]

이러한 현상들을 통틀어 "끝 효과"라고 부른다.^[109] 널리 사용되는 경험 법칙에 따르면, 이러한 효과로 인해 쿼터파장 모노폴 안테나의 공명 길이 ${\displaystyle h}$는 이전 섹션에서 계산된 명목상 길이 ${\displaystyle \lambda /4}$보다 약 5% 더 짧다.^[114] 또는 ${\displaystyle h}$를 미터 단위로 표현하면 다음과 같다.^[119]

   ${\displaystyle h=0.95{c \over 4f}={71.25 \over f{\text{(in MHz)}}}}$  

소자 길이 대 직경 비율 ${\displaystyle \alpha =h/2b}$의 함수로서 쿼터파장 모노폴의 실제 공명 길이에 대한 경험식은 다음과 같다.^[120]

${\displaystyle h=0.24\lambda {\alpha \over 1-\alpha }}$

임피던스 섹션의 반응저항 그래프에서 볼 수 있듯이, 반파장 공명에서는 길이/직경 비율과 기타 끝 효과가 공명 길이에 훨씬 더 큰 영향을 미친다.

이 문서의 나머지 부분에서 모노폴의 공명 길이가 언급될 때는 이 보정이 포함된 것으로 가정한다.

방사 패턴

완벽한 무한 접지면 위에 다양한 길이의 모노폴 안테나의 3차원(상단) 및 2차원 수직(하단) 방사 패턴. 길이 ${\displaystyle h}$는 파장 단위로 주어졌다. 원점에서 모든 방향으로의 그래프 거리는 해당 방향으로 방사되는 전파의 전기장 크기에 비례한다. 하단 그래프는 상단 3차원 패턴의 축을 통과하는 수직 단면이다. 원주는 수평선 위의 각도로 표시된다. 다른 파장에 대한 그래프는 동일한 축척을 사용하지 않는다. 하늘로 향하는 로브 때문에 0.625 파장보다 긴 모노폴은 안테나로 거의 사용되지 않는다.

반사(b)로 인해 모노폴 안테나(a)는 완벽한 접지면 위에서 동일한 전류와 두 배의 전압을 가진 자유 공간의 다이폴(c)과 동일한 방사 패턴을 가짐을 보여준다.

완벽한 접지면 위의 세 가지 일반적인 길이 모노폴 마스트 라디에이터 안테나의 수직 방사 패턴. 주어진 고도각에서 원점으로부터의 선 거리는 해당 각도로 방사되는 전력 밀도에 비례한다. 수평 이득은 쿼터파장(0.25${\displaystyle \lambda }$)을 거쳐 반파장(0.5${\displaystyle \lambda }$)까지 증가하며 8분의 5 파장(.625${\displaystyle \lambda }$)에서 최댓값에 도달한다.

수직 다이폴 안테나와 마찬가지로 모노폴은 무지향성 방사 패턴을 가진다. 즉, 안테나 축에 수직인 모든 방위각 방향으로 동일한 전력을 방출한다.^{[1][121][122]} 방사된 전력은 고도각에 따라 달라지며, 안테나 축의 천정에서는 방사량이 0으로 감소한다. 수직 편파 전파를 방출하며, 전기장은 소자와 평행하다.

모노폴은 (도표 참조) 수직 다이폴 안테나 (c)의 하단 절반을 나머지 절반에 직각으로 놓인 전도성 평면(접지면)으로 대체하여 형성되는 것으로 시각화할 수 있다.^{[71][123][72]} 접지면이 충분히 크다면, 다이폴의 남아있는 상단 절반 (a)에서 접지면에 반사된 전파는 누락된 다이폴의 절반을 형성하는 이미지 안테나 (b)에서 오는 것처럼 보일 것이며, 이는 직접 방사와 합쳐져 다이폴 방사 패턴을 형성한다. 따라서 완벽하게 전도되는 무한 접지면 위의 모노폴의 패턴은 다이폴 패턴의 상단 절반과 동일하다.

방사 패턴 갤러리를 참조하십시오. 반파장(${\displaystyle {\lambda \over 2}}$) 길이까지는 방사 패턴이 안테나 축에 수직인 수평 방향으로 최대 방사 전력을 갖는 단일 도넛형 로브를 가진다. 길이가 ${\displaystyle {\lambda \over 4}}$를 초과하면 로브가 평평해져 높은 각도에서는 전력을 덜 방출하고 수평 방향에서는 더 많이 방출한다.^[124][125]

반파장 이상에서는 패턴이 수평 주 로브와 하늘로 60° 고도각으로 작은 두 번째 원뿔형 로브로 나뉜다.^[126][127] 그러나 수평 방사 전력과 이득은 계속 증가하여 8분의 5 파장 길이에서 최댓값에 도달한다. 즉, ${\displaystyle {5 \over 8}\lambda =.625\lambda }$^[124](이것은 일반적인 두께의 안테나에 유효한 근사치이며, 무한히 얇은 모노폴의 경우 최댓값은 ${\displaystyle {2 \over \pi }\lambda =.637\lambda }$에서 발생한다)^{[78][128][125]} 최댓값은 이 길이에서 발생하는데, 이는 두 로브에서 나오는 반대 위상 방사가 높은 각도에서 상쇄간섭을 일으켜 상쇄되고, 수평 방향으로 더 많은 전력을 방출하게 되기 때문이다.^[78]

${\displaystyle .625\lambda }$를 초과하면 높은 각도 로브가 더 커져 주 로브가 되고, 수평 로브는 빠르게 작아져 수평 방향으로 방사되는 전력이 감소하므로,^[126] 이 길이보다 긴 안테나는 거의 사용되지 않는다.^[125] 4차 고조파(${\displaystyle h=\lambda }$)에서는 수평 로브가 사라지고 모든 전력이 높은 각도 로브로 방사된다. 안테나가 길어질수록 패턴은 더 많은 로브로 나뉘며, 그 사이에는 널(방사 전력이 0인 방향)이 생긴다.

전기적으로 작은 접지면과 불완전한 전도성 지구 접지의 일반적인 효과는 최대 방사 방향을 더 높은 고도각으로 기울이고 이득을 감소시키는 것이다.^[1][129] 지구 위에 설치될 때, 토양의 유한한 저항 때문에 지면과 접촉하여 수평으로 전파되는 지표파의 부분은 지수적으로 감쇠하여 장거리에서는 사라지므로, (원거리장) 방사 패턴에서 방사된 전력은 지평선(0 고도각)에서 0으로 부드럽게 감소한다.^[112][124]

자동차 범퍼에 장착된 채찍 안테나와 같은 비대칭 접지면의 경우, 패턴은 더 이상 무지향성이 아니며, 더 큰 접지면적을 가진 쪽에서 더 강한 수평 방사를 가질 것이다.

이득 및 입력 임피던스

완벽한 접지면 위 얇은 모노폴의 특성^{[130][131][132]}

길이 ${\displaystyle h}$ 파장	이득   dBi	3 dB 빔 폭 도[133][note 5]	방사 저항 옴
≪0.25	4.76	45°	${\displaystyle \approx 394(h/\lambda )^{2}}$	전기적으로 짧음
0.25	5.19	39°	36.5	기본
0.375	5.75	32°	92.8
0.5	6.82	24°	>600	2차 고조파
0.625	8.16	16°	53.2	최대 이득
0.75	[note 6]		52.7	3차 고조파

접지면 위의 공간, 즉 다이폴 안테나의 절반 공간으로만 방사하기 때문에, 완벽하게 전도되는 무한 접지면 위의 모노폴 안테나는 유사한 다이폴 안테나 이득의 두 배(3 dB 더 큼)의 안테나 이득과 다이폴의 절반 방사 저항을 가질 것이다.^[134][135] 반파장 다이폴은 2.19 dBi의 이득과 73.1 옴의 방사 저항을 가지므로, 쿼터파장(${\displaystyle \lambda /4}$) 모노폴은 2.19 + 3 = 5.19 dBi의 이득과 약 36.5 옴의 방사 저항을 가질 것이다.^[1][22] 안테나는 이 길이에서 공명하므로 입력 임피던스는 순수 저항성이다. 입력 임피던스는 ${\displaystyle \lambda /4}$ 미만에서는 용량성 반응저항, ${\displaystyle \lambda /4}$에서 ${\displaystyle \lambda /2}$까지는 유도성 반응저항, 그리고 ${\displaystyle \lambda /2}$에서 ${\displaystyle 3\lambda /4}$까지는 용량성 반응저항을 가진다.^[136][4]

위 표에 제시된 이득 수치는 실제로는 거의 도달하지 못한다. 이 수치는 안테나가 무한하고 완벽하게 전도되는 접지면 위에 설치될 때만 달성될 수 있다. 접지면은 안테나의 일부이며, 이득은 그 크기와 전도도에 크게 의존한다. 반지름이 파장 이상인 인공 접지면은 무한 평면과 동일하지만, 고주파에서 자주 사용되는 더 작은 평면의 경우 이득은 2~5 dBi 더 낮아질 것이다. 이는 수평 방사 전력의 일부가 평면 가장자리를 돌아 하반구 공간으로 회절되기 때문이다.^[124][134] 마찬가지로 저항성 지구 접지 위에서는 지구에 흡수되는 전력으로 인해 이득이 낮아질 것이다.

전기적으로 짧은 모노폴의 경우 ${\displaystyle \lambda /4}$ 미만에서 이득은 서서히 감소한다. ${\displaystyle \lambda /20}$에서는 4.76 dBi이다. 길이가 반파장(${\displaystyle \lambda /2}$)으로 증가하면 이득은 ${\displaystyle \lambda /4}$ 이득보다 약 1.7 dB 증가한다. 이 길이에서 안테나는 급전점에 전류 마디를 가지므로 입력 임피던스가 매우 높다.^[108]

이득은 8분의 5 파장(${\displaystyle .625\lambda }$)에서 쿼터파장 모노폴보다 약 3 dB 더 증가하여 최댓값에 도달한다. 따라서 이 길이는 지표파 안테나 및 지상 통신 안테나에 널리 사용되는 길이이다. 이 길이에서 방사 저항은 약 53옴으로 떨어진다. ${\displaystyle .625\lambda }$를 초과하면 두 번째 로브에서 높은 고도각으로 더 많은 전력이 방사되므로 수평 이득은 급격히 떨어진다.

지향성 방정식

수직 모노폴이 무지향성 안테나 방사 패턴을 가지는 이유는 수직 축에 대해 원통 대칭이기 때문이다. 방사 패턴은 구면좌표계 ${\displaystyle r,\theta ,\phi }$로 주어지며, 이러한 대칭으로 인해 패턴은 방위각 변수 ${\displaystyle \phi }$에 의존하지 않는다.

언급했듯이 모노폴의 방사 패턴은 다이폴 패턴의 상단 절반과 동일하다. 접지면 위의 어느 지점에서든 모노폴이 방출하는 전파의 시간 평균 전력 밀도 ${\displaystyle {\widehat {S}}}$(제곱미터당 와트)는 길이의 두 배인 수직 다이폴 안테나 ${\displaystyle {\widehat {S}}_{\text{d}}}$의 두 배이다.

${\displaystyle {\widehat {S}}=2{\widehat {S}}_{\text{d}}}$

공간의 전자기파의 경우 ${\displaystyle {\widehat {S}}={E^{2} \over 2\eta }}$이므로 전력 밀도는 전기장 제곱에 비례하므로 ${\displaystyle E={\sqrt {2}}E_{\text{d}}}$

무선 안테나의 경우 원거리장 영역의 방사 패턴에 관심이 있다. 이 영역은 안테나에서 충분히 멀리 떨어져 유도장이 사라진 곳이다. 아래의 프라운호퍼 회절 방정식^[137]은 ${\displaystyle r\gg h}$, ${\displaystyle kr={2\pi r \over \lambda }\gg 1}$, 그리고 ${\displaystyle kh^{2}\ll 4\pi r}$일 때 정확하다. 즉, 안테나로부터의 거리 ${\displaystyle r}$이 소자 길이와 파장보다 훨씬 클 때이다. 문헌에 제시된 다이폴의 방사 패턴에서^[138][139] 완벽하게 전도되는 무한 접지면 위에 장착된 얇은(${\displaystyle hk\ll 1}$) 모노폴의 원거리장 전기장 방사 패턴은 다음과 같다.

    ${\displaystyle E(r,\theta )={j\eta I_{\text{0}}e^{jkr} \over {\sqrt {2}}\pi r}{\Bigg [}{\cos(kh\sin \theta )-\cos kh \over \cos \theta }{\Bigg ]}}$   

여기서

${\displaystyle h}$는 소자의 높이이다.

${\displaystyle k={2\pi \over \lambda }={2\pi f \over c}}$

${\displaystyle \eta }$는 자유 공간의 임피던스로, 376.74 옴이다.

${\displaystyle I_{\text{0}}}$는 안테나 바닥의 급전 전류이다.

${\displaystyle r}$은 안테나 바닥의 좌표계 원점에서 수신점까지의 거리이다.

${\displaystyle \theta }$는 양의 z축, 즉 소자의 축에 대한 각도이다. 접지면이 전파를 반사하므로 이 방정식은 ${\displaystyle 0\leq \theta <\pi /2}$에 대한 방사장을 나타내며, ${\displaystyle \pi /2\leq \theta \leq \pi }$에 대해서는 장이 0이다.

${\displaystyle j={\sqrt {-1}}}$는 허수 단위이다.

이 방정식으로 주어진 전기장 ${\displaystyle E}$는 페이저로, 진폭이 피크 필드와 같고 각도가 정현파 필드와 입력 전류 간의 위상차와 같은 복소수이다. 방정식 앞에 ${\displaystyle j}$가 있다는 것은 전기장과 자기장이 급전 전류와 90° 위상차를 가지고 안테나를 떠난다는 것을 의미한다.

모노폴이 방사하는 주기당 평균 전력 밀도(제곱미터당 와트)는 다음과 같다.^[140]

    ${\displaystyle {\widehat {S}}(r,\theta )={\eta I_{\text{0}}^{2} \over 4\pi ^{2}r^{2}}{\Bigg [}{\cos(kh\sin \theta )-\cos kh \over \cos \theta }{\Bigg ]}^{2}}$   

급전 방식

공명 안테나에서 송신기가 매 주기 안테나에 공급하는 에너지는 안테나에 저장된 정상파 에너지에 비해 작기 때문에, 급전 전류를 안테나의 다른 지점에 인가하더라도 전류 정상파 패턴이 크게 변하지 않는다. 즉, 방사 패턴은 동일하게 유지된다. 이점은 안테나의 다른 지점에서 입력 임피던스가 다른 값을 가지므로, 올바른 급전점을 선택하여 매칭 네트워크 없이 안테나를 급전선의 특성 임피던스에 임피던스 매칭할 수 있다는 점이다.

• 직렬 또는 기저 급전 - 이는 가장 일반적인 유형으로, 위에서 논의한 유형이다. 급전선이 모노폴 바닥과 접지면 사이에 연결된다. 쿼터파장 ${\displaystyle \lambda /4}$ 모노폴과 홀수 고조파의 경우 입력 임피던스는 최솟값이며, 쿼터파장 모노폴의 경우 36.8 옴이다. 반파장 ${\displaystyle \lambda /2}$ 모노폴의 경우 임피던스가 매우 높으므로 매칭 변압기가 필요하다.
• 션트 급전 - 급전선의 한쪽은 접지에 연결되고 다른 쪽은 안테나 소자의 특정 지점에 연결되며, 소자의 바닥은 접지된다. 급전점과 접지 사이의 소자 부분은 단락 스터브 역할을 한다. 임피던스는 바닥에서 0이고 ${\displaystyle \lambda /4}$ 높이에서 800-4000 옴의 매우 높은 값으로 연속적으로 증가하므로, 소자에서 올바른 급전 높이를 선택하여 이 값들 사이의 어떤 입력 임피던스도 구현할 수 있다.

• 감마 매치 - 소자에 연결되는 급전선에 축전기가 있는 션트 급전.

• 접힌 모노폴 - 모노폴은 상단에서도 급전될 수 있다. 소자의 바닥을 접지하고, 그 옆에 평행한 도체를 상단에 부착한 후, 이 도체를 하단에서 급전하는 방식이다. 두 소자는 가까이 있기 때문에 서로 결합되어 전류와 전압이 각 소자에서 동일하다. 접힌 모노폴은 기저 급전 모노폴의 4배의 방사 저항을 가진다.

전기적으로 짧은 모노폴

작동 주파수에서 4분의 1 파장의 기본 공명 길이보다 짧은 모노폴을 전기적으로 짧은 모노폴이라고 한다. 전기적으로 짧은 모노폴은 더 작기 때문에 널리 사용되며, 긴 파장에서는 건설상의 한계로 인해 4분의 1 파장 높이의 안테나 마스트를 건설하는 것이 비실용적이다. 파장의 작은 부분에 불과한 매우 짧은 막대도 송신기에 임피던스 매칭되어 급전선에서 모든 전력을 흡수할 수 있다. 그러나 길이가 짧아질수록 안테나는 결국 낮은 방사 저항으로 인해 비효율적이게 된다.^[13][141]

4분의 1 파장 미만에서 모노폴의 방사 저항은 길이 대 파장 비율의 제곱에 대략적으로 비례하여 감소한다.^[142]

${\displaystyle R_{\text{R}}\approx {\eta \pi \over 3}{\Big (}{h \over \lambda }{\Big )}^{2}=(394{\text{Ω}}){\Big (}{h \over \lambda }{\Big )}^{2}\qquad h\ll {\lambda \over 4}}$

방사 저항은 안테나 단자에서의 급전점 저항의 일부일 뿐이다. 모노폴과 그 급전 시스템은 송신기 단자에서 방사 저항과 직렬로 추가 저항으로 나타나는 다른 전력 손실을 가진다. 금속 안테나 소자의 옴 저항, 절연 재료의 유전 손실, 급전선 손실, 임피던스 매칭에 필요한 로딩 코일의 손실, 그리고 특히 저주파 모노폴에서 가장 큰 손실 요인인 지구 접지 시스템의 저항 손실이다. 송신기가 보는 총 급전점 저항 ${\displaystyle R_{\text{IN}}}$은 방사 저항 ${\displaystyle R_{\text{R}}}$과 손실 저항 ${\displaystyle R_{\text{L}}}$의 합과 같다.^[143]

${\displaystyle R_{\text{IN}}=R_{\text{R}}+R_{\text{L}}}$

안테나에 공급되는 전력 ${\displaystyle P_{\text{IN}}}$은 이 두 저항 사이에 비례적으로 분할된다.^[144][145] 줄의 법칙에 따르면

${\displaystyle P_{\text{IN}}=I_{\text{IN}}^{2}R_{\text{IN}}}$

${\displaystyle P_{\text{IN}}=I_{\text{IN}}^{2}(R_{\text{R}}+R_{\text{L}})}$

${\displaystyle P_{\text{IN}}=P_{\text{R}}+P_{\text{L}}}$

여기서

${\displaystyle P_{\text{R}}=I_{\text{IN}}^{2}R_{\text{R}}={\eta \pi \over 3}{\Big (}{hI_{\text{IN}} \over \lambda }{\Big )}^{2}\quad }$ 및 ${\displaystyle \quad P_{\text{L}}=I_{\text{IN}}^{2}R_{\text{L}}}$

방사 저항으로 소비되는 전력 ${\displaystyle P_{\text{R}}}$은 안테나의 원하는 기능인 전파로 변환되는 반면, 손실 저항으로 소비되는 전력 ${\displaystyle P_{\text{L}}}$은 열로 변환되어 송신기 전력의 낭비를 나타낸다.^[146] 따라서 최소한의 전력 손실을 위해서는 방사 저항이 손실 저항보다 훨씬 커야 한다. 방사 저항과 총 급전점 저항의 비율은 변환기로서 안테나의 효율 ${\displaystyle e_{\text{A}}}$와 같다.

${\displaystyle e_{\text{A}}={P_{\text{R}} \over P_{\text{IN}}}={R_{\text{R}} \over R_{\text{R}}+R_{\text{L}}}}$

모노폴이 짧아질수록 방사 저항이 감소하고 송신기 전력의 더 많은 부분이 손실 저항에서 소모된다. 약 0.16 파장보다 짧은 기저 급전 마스트 라디에이터 안테나는 사용되지 않는다.^[147] 이 길이에서의 방사 저항은 약 10옴으로, 일반적인 매설 방사형 접지 시스템의 저항인 2옴의 5배이므로, 지구 접지 안테나에서는 송신기 전력의 20% 이상이 접지 저항에서 낭비될 것이다. 초저주파 대역에서는 메가와트급 군용 송신기에 사용되는 거대한 탑재형 와이어 모노폴이 종종 0.01 파장 미만의 높이를 가지며 0.1옴 미만의 방사 저항을 가진다. 극도로 낮은 저항의 접지 시스템을 사용하더라도 효율은 종종 15%에서 30%에 불과하다.

전기적으로 짧은 모노폴의 또 다른 단점은 안테나 길이가 짧아지고 방사 저항이 감소할수록 전기 용량이 감소하고 용량성 반응저항이 증가한다는 점이다. 낮은 저항과 안테나의 전기 용량, 그리고 필요한 로딩 코일의 유도계수가 결합되어 안테나가 큰 Q 인자를 가지게 된다. 이는 좁은 대역폭을 의미하며, 전송 또는 수신할 수 있는 데이터 전송률을 감소시킨다. VLF 대역의 안테나는 종종 50~100헤르츠의 대역폭만을 가진다. 추-해링턴 한계는 작은 안테나의 최소 Q 인자를 제공한다.

용량성 탑 부하 모노폴

오스트레일리아 햄슬리에 있는 AM 라디오 타워 마스트의 용량성 "탑 햇"

전기적으로 짧은 모노폴의 방사 전력을 높이기 위해, 소자 상단에 지면에서 절연된 수평 금속 도체를 부착하여 상단에 접지 용량을 추가할 수 있다.^[148][13] 이를 탑재형 모노폴이라고 한다. 이는 수직 모노폴 소자의 전류를 증가시켜 매 주기마다 용량을 충전하고 방전하게 한다. 모노폴이 방사하는 전력은 방사 소자 전류의 제곱에 비례하므로, 이는 방사 전력과 방사 저항을 증가시킨다. 안테나 아래의 매설 방사형 와이어 접지 시스템은 "축전기"의 하단 판 역할을 한다.

마스트 라디에이터에는 마스트 상단에 방사형 막대 원형 구조물이 포함되기도 하는데, 이를 '탑 햇'이라고 한다. 장파 및 초저주파 대역의 저주파에서는 더 큰 탑 로드가 사용된다. T-안테나는 하단에서 구동되는 수직 와이어로 구성되며, 이 와이어는 상단에서 절연된 수평 탑 로드 와이어의 중앙에 연결되어 마스트로 지지된다. 용량을 늘리기 위해 여러 개의 평행 탑 로드 와이어를 사용할 수 있다. 가장 큰 탑재형 안테나는 우산 안테나로, 모노폴 마스트 라디에이터에 상단에서 대칭적으로 방사되는 많은 대각선 탑 로드 와이어가 있으며, 이들은 절연체를 통해 지면에 고정된다. 높은 용량성 반응저항을 상쇄하고 안테나를 공명시키기 위해 안테나 바닥의 급전선과 직렬로 큰 로딩 코일이 필요하다.

낮은 주파수에서는 높은 전기 용량과 낮은 방사 저항 때문에 탑재형 모노폴은 매우 좁은 대역폭을 가진다. 이는 측파대 폭을 제한하고, 따라서 전송 또는 수신할 수 있는 데이터 전송률을 감소시킬 수 있다. VLF 대역의 고출력 송신 안테나는 일반적으로 수백의 ${\displaystyle Q}$ 값을 가지며 대역폭이 100 Hz 미만이다. 안테나에 저장된 에너지(상단 부하의 정전기장과 로딩 코일의 자기장으로 번갈아 저장됨)는 송신기에서 매 주기 입력되는 에너지의 수백 배에 달한다. 탑 부하 와이어 끝단의 전압은 매우 높으며, 급전 전압의 ${\displaystyle Q}$ 배에 달하여 수백 킬로볼트가 될 수 있으므로 매우 우수한 절연이 필요하다. 안테나는 배리오미터 코일을 사용하여 송신기와 공명하도록 동조되어야 한다.

변수 정의

기호	단위	정의
${\displaystyle \alpha }$	[없음]	소자 길이 대 직경 비율 ${\displaystyle h/2b}$
${\displaystyle \eta }$	옴 (Ω)	자유 공간의 임피던스 = ${\displaystyle {\sqrt {\mu _{\text{0}}/\epsilon _{\text{0}}}}}$ = 376.73 옴
${\displaystyle \Phi }$	라디안	소자를 따라 왕복하는 동안 안테나 전류의 위상 편이
${\displaystyle \phi }$	라디안	구면좌표계의 방위각
${\displaystyle \lambda }$	미터 (m)	전파의 자유 공간 파장
${\displaystyle \pi }$	[없음]	수학 상수 ≈ 3.1416
${\displaystyle \theta }$	라디안	구면좌표계의 수직 축에 대한 각도
${\displaystyle b}$	미터 (m)	모노폴 소자의 반지름
${\displaystyle c}$	미터/초 (ms−1)	빛의 속력
${\displaystyle e}$	[없음]	자연로그의 밑 = 2.71828
${\displaystyle e_{\text{A}}}$	[없음]	안테나의 효율
${\displaystyle f}$	헤르츠 (Hz)	전파의 진동수
${\displaystyle f_{\mathsf {n}}}$	헤르츠 (Hz)	모노폴의 공명 주파수
${\displaystyle G}$	[없음]	전기적 길이, 파장 단위의 모노폴 소자 길이
${\displaystyle h}$	미터 (m)	모노폴 소자의 길이
${\displaystyle i_{\mathsf {up}}(z,t)}$	암페어 (A)	높이 z 및 시간 t에서 안테나 소자의 상향 전류파
${\displaystyle i_{\mathsf {down}}(z,t)}$	암페어 (A)	높이 z 및 시간 t에서 안테나 소자의 하향 전류파
${\displaystyle I(z)}$	암페어 (A)	높이 z에서 안테나 소자의 정상파 전류
${\displaystyle I_{\mathsf {IN}}}$	암페어 (A)	안테나 단자로 들어가는 RMS 전류
${\displaystyle I_{\mathsf {0}}}$	암페어 (A)	안테나 소자의 최대 RMS 전류
${\displaystyle I_{\mathsf {1}}}$	암페어 (A)	안테나 소자의 임의 지점에서의 RMS 전류
${\displaystyle j}$	[없음]	허수 단위 ${\displaystyle {\sqrt {-1}}}$
${\displaystyle k}$	미터−1	각 파수 ${\displaystyle =2\pi /\lambda }$
${\displaystyle P_{\mathsf {IN}}}$	와트 (W)	안테나 단자에 공급되는 전력
${\displaystyle P_{\mathsf {R}}}$	와트 (W)	안테나에 의해 전파로 방사되는 전력
${\displaystyle P_{\mathsf {L}}}$	와트 (W)	안테나의 손실 저항에서 소비되는 전력
${\displaystyle Q}$	[없음]	안테나의 Q 인자, 대역폭으로 나눈 공명 주파수
${\displaystyle r}$	미터	소자 바닥의 원점에서 관측점까지의 거리
${\displaystyle R_{\mathsf {R}}}$	옴 (Ω)	안테나의 방사 저항
${\displaystyle R_{\mathsf {L}}}$	옴 (Ω)	입력 단자에서의 안테나 등가 손실 저항
${\displaystyle R_{\mathsf {IN}}}$	옴 (Ω)	안테나의 입력 저항
${\displaystyle R_{\mathsf {R0}}}$	옴 (Ω)	안테나의 최대 전류 지점에서의 방사 저항
${\displaystyle R_{\mathsf {R1}}}$	옴 (Ω)	안테나의 임의 지점에서의 방사 저항
${\displaystyle {\widehat {S}}(r,\theta )}$	제곱미터당 와트	안테나에 의해 방향 ${\displaystyle r,\theta }$로 방사되는 주기당 평균 전력 밀도
${\displaystyle {\widehat {S}}_{\text{d}}}$	제곱미터당 와트	높이가 두 배인 다이폴 안테나에 의해 방사되는 전력 밀도
${\displaystyle t}$	초 (s)	시간
${\displaystyle X_{\mathsf {R}}}$	옴 (Ω)	안테나의 입력 반응저항
${\displaystyle z}$	미터 (m)	모노폴 소자 하단 끝 위 높이

같이 보기

• 안테나 종류
• 듀얼 밴드 블레이드 안테나
• 전기적 길이
• 신호 세기

내용주

1. Hong 2010, 2–9, 17–23쪽은 독학으로 기술을 익힌 마르코니가 이러한 발견을 한 이유와 다른 많은 교육받은 물리학자 및 교수들이 무선 통신을 실험하던 중 이러한 발견을 하지 못한 이유를 논한다. 이는 일반적으로 제임스 클러크 맥스웰의 1873년 전자기 이론이 빛과 전파가 동일한 현상, 즉 전자기파임을 증명한 물리학에 미친 영향에 기인한다. 맥스웰의 이론은 물리학자들이 전파를 "보이지 않는 빛"으로 생각하도록 만들었다. 따라서 그들은 전파가 빛처럼 직진하며 지평선에 의해 제한된다고 믿었다. 그래서 그들은 무선 시스템이 기존의 광학 점멸등이나 수기 신호 통신 시스템보다 멀리 전송할 수 없으며 장거리 통신에는 쓸모없다고 생각했다. 이러한 편견에서 벗어난 실험주의자인 마르코니는 무선을 무선 전신처럼 생각했고, 따라서 회로의 한쪽으로 지면을 사용하는 전신 기술을 시도했다.
2. 얇은 안테나의 수학적 모델링 역사는 Raines 2007, 5–6쪽 및 더 자세히 King 1956, 4–8쪽에 나와 있다. 포클링턴과 할렌의 적분 방정식은 전류와 장에 대한 급수 근사치를 제공했지만, 간단한 기하학적 구조에서만 해결될 수 있었다. 컴퓨터 이전에는 안테나의 방사 패턴이 이러한 방정식 중 하나를 풀거나, 불가능할 경우 단순히 전송선과 유사한 정현파 전류 분포를 가정하고 맥스웰 방정식을 사용하여 방사 적분으로 장을 계산하여 계산되었다. 1968년 로저 F. 해링턴은 와이어 세그먼트 네트워크로 모델링된 임의 형상의 안테나의 전류와 방사를 계산할 수 있는 모멘트 방법에 대한 책을 출판했다. 이는 1979년에 작성된 NEC와 같은 최초의 널리 사용되는 안테나 시뮬레이션 컴퓨터 프로그램의 기초가 되었다. 이 프로그램들은 복잡한 수학 없이 안테나 전류와 방사 패턴을 쉽게 계산할 수 있게 했으며, 1980년대 이후 컴퓨터가 널리 보급되면서 설계의 표준 방법이 되었고, 오래된 전송선 방법은 덜 알려지게 되었다.
3. 실제 안테나의 Q는 용량성 부하가 없는 한 절대 크지 않다. Q가 약 20을 넘는 비초전도 안테나를 충분히 얇고 전도도가 높게 만드는 것은 실용적으로 어렵다. 그러나 이론적으로 안테나가 얇아질수록 Q는 무한대에 수렴한다.Schelkunoff & Friis 1952, 259쪽
4. The effect of this on the antenna is similar to if the current wave traveled along the element at a phase velocity ${\displaystyle v_{\text{p}}}$ that is lower than the speed of light ${\displaystyle c}$, as in a transmission line. Some sources describe it this way: Carr & Hippisley 2012, 105쪽; Rudge & Milne 1982, 564쪽. However this is not a physically accurate description; the phase velocity is not constant along the element, as in a transmission line.
5. This is the elevation angle above the horizon at which the radiated power drops to half maximum
6. The direction of maximum radiation at this and higher harmonics is not horizontal but directed at an angle into the sky