안테나 튜너

안테나 튜너(영어: Antenna tuner), 매치박스(영어: matchbox), 트랜스매치(영어: transmatch), 안테나 튜닝 장치(영어: antenna tuning unit, ATU), 안테나 커플러(영어: antenna coupler) 또는 급전선 커플러(영어: feedline coupler)는 라디오 송신기 또는 수신기와 안테나 사이에 연결되어 임피던스 매칭을 통해 전력 전송을 개선하는 장치이다. 이는 라디오 RF 포트(동축 또는 도파관)의 임피던스를 안테나의 급전선에 맞춘다. 안테나 튜너는 특히 송신기와 함께 사용하는 것이 중요하다. 송신기는 저항성 부하에 전력을 공급하는데, 이 부하는 종종 50옴이며 송신기는 최적의 전력 출력, 효율 및 낮은 왜곡을 위해 설계된다.^[1] 안테나/급전선 조합의 부적절한 튜닝으로 인해 송신기가 보게 되는 부하가 설계 값에서 벗어나면 전력 출력이 변하고, 왜곡이 발생할 수 있으며 송신기가 과열될 수 있다.

ATU는 거의 모든 라디오 송신기의 표준 부품이다. ATU는 송신기 자체 내부에 포함된 회로일 수도 있고, 송신기와 안테나 사이에 연결된 별도의 장치일 수도 있다. 안테나가 송신기와 분리되어 전송선 (급전선)으로 연결된 송신기에서는 안테나 임피던스를 전송선에 맞추기 위해 안테나에 두 번째 ATU (또는 임피던스 매칭)가 있을 수 있다. 휴대폰이나 무전기와 같이 안테나가 부착된 저전력 송신기에서는 ATU가 안테나와 함께 작동하도록 고정되어 있다. 라디오 방송국과 같은 고전력 송신기에서는 ATU가 안테나 또는 송신기의 변경 사항을 수용하도록 조정 가능하며, 이러한 구성 요소 변경 후 송신기를 안테나에 맞추기 위해 ATU를 조정하는 것은 중요한 절차이다. 이 조정은 SWR 미터라는 기기로 수행된다.

라디오 수신기에서는 ATU가 그렇게 중요하지 않다. 왜냐하면 무선 스펙트럼의 저주파수 부분에서는 신호 대 잡음비(SNR)가 대기 잡음에 의해 지배되기 때문이다. 안테나와 수신기의 임피던스가 불일치하여 안테나에서 들어오는 전력의 일부가 반사되어 수신기에 도달하지 않더라도 신호를 증폭하여 이를 보상할 수 있으므로 큰 문제가 되지 않는다. 그러나 고주파수 수신기에서는 수신기의 SNR이 수신기 프런트 엔드의 잡음에 의해 지배되므로, 잡음을 극복하기 위해 프런트 엔드 단계에서 최대 신호 진폭을 제공하도록 수신 안테나가 수신기에 임피던스 매칭되는 것이 중요하다.

개요

안테나의 임피던스는 주파수에 따라 다르다. 안테나 튜너는 고정 임피던스(일반적으로 현대 트랜시버의 경우 50 옴)의 라디오를 급전선과 안테나의 조합에 매칭시킨다. 이는 급전선 입력단에서 보이는 임피던스가 알려지지 않았거나, 복잡하거나, 또는 트랜시버와 다른 경우에 유용하다. ATU를 통한 커플링은 광범위한 주파수에서 하나의 안테나를 사용할 수 있도록 한다. 그러나 이름과는 달리 안테나 튜너는 실제로 급전선 입력단으로 반사되는 복합 임피던스에만 송신기를 매칭시킨다. 튜너와 전송선이 모두 손실이 없다면 송신기 끝에서 튜닝하는 것은 실제로 송신기-급전선-안테나 시스템의 모든 지점에서 매칭을 생성할 것이다.^[2] 그러나 실제 시스템에서는 급전선 손실이 안테나 '튜너'가 안테나를 매칭시키거나 공진 주파수를 변경하는 능력을 제한한다.

송신기 신호를 안테나로 전달하는 라인의 전력 손실이 매우 낮다면, 송신기 끝의 튜너는 전체 안테나 및 급전선 네트워크에 대해 상당한 정도의 매칭 및 튜닝을 생성할 수 있다.^[3][4] 손실이 있는 급전선(일반적으로 사용되는 50 옴 동축 케이블과 같은)의 경우 최대 전력 전송은 라인의 양쪽 끝에서 매칭이 이루어질 때만 발생한다.^[5]

ATU 너머의 급전선에 여전히 높은 SWR(다중 반사)이 있다면, 급전선 내의 모든 손실은 튜너와 안테나 사이를 앞뒤로 반사되는 송신파에 의해 몇 배로 증가하여 신호를 보내는 대신 와이어를 가열하게 된다. 급전선의 양쪽 끝에 매칭 장치가 있더라도—근거리 ATU는 송신기를 급전선에 매칭시키고 원거리 ATU는 급전선을 안테나에 매칭시킴—두 ATU 회로의 손실은 안테나로 전달되는 전력을 감소시킬 것이다. 따라서 설계 주파수에서 멀리 떨어진 안테나를 작동시키고 송신기와 급전선 사이에 트랜스매치로 보상하는 것은 임피던스 매칭된 급전선과 함께 공진 안테나를 사용하는 것만큼 효율적이지 않으며, 송신기에서 안테나에 직접 연결된 원격 안테나 튜너로 연결된 매칭된 급전선만큼 효율적이지도 않다.

광대역 매칭 방식

변압기, 단권변압기, 발룬은 때때로 협대역 안테나 튜너 및 안테나 케이블 연결 설계에 통합된다. 이들은 일반적으로 안테나 또는 협대역 송신기 회로의 공진 주파수에는 거의 영향을 미치지 않지만, 안테나 튜너가 매칭할 수 있는 임피던스 범위를 넓히고, 필요한 경우 평형 및 불평형 케이블 간에 변환할 수 있다.

페라이트 변압기

1~30 MHz에서 작동하는 솔리드 스테이트 전력 증폭기는 일반적으로 페라이트 코어에 감긴 하나 이상의 광대역 변압기를 사용한다. MOSFET 및 바이폴라 접합 트랜지스터는 낮은 임피던스로 작동하도록 설계되었으므로 변압기 1차 코일은 일반적으로 단일 권선을 가지며, 50 옴 2차 코일은 2~4회 권선을 가진다. 이러한 급전선 시스템 설계는 작동 주파수가 변경될 때 필요한 재튜닝을 줄이는 이점을 제공한다. 유사한 설계로 안테나를 전송선로에 매칭시킬 수 있다. 예를 들어, 많은 TV 안테나는 300 옴 임피던스를 가지며 75 옴 동축선을 통해 TV로 신호를 공급한다. 작은 페라이트 코어 변압기는 광대역 임피던스 변환을 수행한다. 이 변압기는 조정할 필요가 없으며 조정할 수도 없다. TV의 수신 전용 사용에서는 주파수에 따른 작은 SWR 변화는 큰 문제가 되지 않는다.

많은 페라이트 기반 변압기는 임피던스 변화와 함께 평형-불평형 변환을 수행한다는 점을 덧붙여야 한다. balanced를 unbalanced 기능으로 변환할 때 이러한 변압기는 발룬이라고 불린다(그렇지 않으면 un-un이라고 불린다). 가장 일반적인 발룬은 1:1 또는 1:4 임피던스 변환을 가진다.

단권변압기

단권변압기를 이용한 임피던스 매칭 설계는 여러 가지가 있는데, 단권변압기는 권선에 따라 다른 연결 지점 또는 '탭'이 있는 단일 전선 변압기이다. 이들은 주로 '임피던스' 변환 비율(1:1, 1:4, 1:9 등 권선비의 제곱)과 입력 및 출력 측이 공통 접지를 공유하는지, 또는 한쪽이 접지된 케이블(불평형선)에서 접지되지 않은(일반적으로 평형) 케이블로 매칭되는지에 따라 구분된다. 단권변압기가 평형과 불평형 라인을 연결할 때, 이들은 두 권선 변압기와 마찬가지로 발룬이라고 불린다. 접지가 다른 두 케이블이나 회로를 연결해야 하지만 접지를 독립적으로 유지해야 할 경우에는 대신 원하는 비율을 가진 완전한 두 권선 변압기를 사용한다.

1:1, 1:4 및 1:9 단권변압기

오른쪽 그림의 회로는 "공기" 코어(매우 고주파수용) 또는 페라이트 코어(중간 또는 저주파수용) 주위에 같은 방향으로 감긴 세 개의 동일한 권선을 가지고 있다. 세 개의 동일한 권선은 두 개의 불평형 라인에서 공유하는 공통 접지로 연결되어 있으며(따라서 이 설계는 언언이라고 불린다), 선택된 탭에 따라 1:1, 1:4 또는 1:9 임피던스 매칭으로 사용할 수 있다. (동일한 권선을 다르게 연결하여 발룬을 만들 수도 있다.)

예를 들어, 오른쪽이 10 옴의 저항성 부하에 연결되어 있다면, 사용자는 단권변압기 왼쪽의 세 개의 접지되지 않은 단자 중 하나에 소스를 연결하여 다른 임피던스를 얻을 수 있다. 왼쪽에서 더 많은 권선을 가진 라인이 오른쪽의 동일한 10옴 부하에 대해 더 큰 임피던스를 측정한다는 점에 유의하라.

협대역 설계

아래에서 설명하는 "협대역" 방식은 위에서 설명한 광대역 방식에 비해 훨씬 작은 주파수 범위를 다룬다.

변압기를 사용하는 안테나 매칭 방식은 넓은 주파수 범위를 다루는 경향이 있다. 단일의 일반적인 상업용 발룬은 3.5-30.0 MHz의 주파수를 커버할 수 있는데, 이는 거의 전체 단파 라디오 대역에 해당한다. 전송선의 잘라낸 세그먼트(아래 설명)를 사용하여 안테나에 매칭하는 것이 전기적 전력 측면에서 가장 효율적인 매칭 방식일 수 있지만, 일반적으로 3.5-3.7 MHz 폭의 범위만 커버할 수 있는데, 이는 광대역 발룬에 비해 매우 작은 범위이다. 안테나 커플링 또는 급전선 매칭 회로도 단일 설정에서는 협대역이지만, 더 편리하게 재튜닝할 수 있다. 그러나 전력 손실 측면에서는(임피던스 매칭이 전혀 없는 것 외에!) 가장 비효율적일 수 있다.

전송선 안테나 튜닝 방식

안테나 튜너 전면도, 내부 부분 노출

주 라인의 특성 임피던스와 다른 특성 임피던스를 가진 전송선의 특별한 섹션을 삽입하여 주 라인을 안테나에 매칭시키는 데 사용할 수 있다. 적절한 임피던스를 가진 삽입된 라인이 적절한 위치에 연결되면 매우 높은 효율로 복잡한 매칭 효과를 수행할 수 있지만, 주파수 범위가 매우 제한적이다.^[6]

이 방법의 가장 간단한 예는 불일치된 전송선 스플라이스 섹션으로 형성된 사분파 임피던스 변환기이다. 75 옴 동축 케이블의 쿼터파장이 50 옴 부하에 연결되면, 75 옴 쿼터파장 라인의 SWR은 75Ω / 50Ω = 1.5로 계산할 수 있다. 쿼터파장 라인은 불일치된 임피던스를 112.5 옴(75 옴 × 1.5 = 112.5 옴)으로 변환한다. 따라서 이 삽입된 섹션은 112 옴 안테나를 50 옴 주 라인에 매칭시킨다.

⁠1/6⁠ 파 동축 변압기는 동일한 일반적인 방법을 사용하여 50옴을 75옴에 매칭시키는 유용한 방법이다.^[7][8]

두 번째 일반적인 방법은 스터브를 사용하는 것이다. 스터브는 주 라인과 병렬로 연결된 단락 또는 개방된 라인 섹션이다. 동축 케이블의 경우 'T' 커넥터를 사용하여 이를 수행한다. 스터브의 길이와 위치는 안테나 자체의 복잡한 임피던스 또는 SWR에 관계없이 스터브 아래에 매칭된 라인을 생성하도록 선택할 수 있다.^[9] J-폴 안테나는 스터브 매칭이 내장된 안테나의 한 예이다.

L 네트워크를 이용한 기본 집중 회로 매칭

아마추어 무선 트랜시버용 자동 ATU

집중된 커패시턴스와 인덕터가 사용될 때 필요한 기본 회로는 아래에 나와 있다. 이 회로는 많은 자동 안테나 튜너가 사용하고, 더 복잡한 회로도 L-네트워크 그룹으로 분석될 수 있다는 점에서 중요하다.

기본 네트워크

이것은 인덕터를 포함하고 있기 때문에 L 네트워크라고 불리는 것이 아니라(실제로 일부 L-네트워크는 두 개의 커패시터로 구성된다), 두 구성 요소가 서로 직각을 이루고 있어 회전되고 때로는 뒤집힌 영어 문자 'L' 모양을 가지고 있기 때문이다. 'T'("티") 네트워크와 π ("파이") 네트워크 또한 그들의 이름이 된 영어 및 그리스 문자와 유사한 모양을 가지고 있다.

이 기본 네트워크는 임피던스 변환기로 작동할 수 있다. 출력이 저항 R_load와 리액턴스 j X_load로 구성된 임피던스를 가지고, 입력이 임피던스 R_source 저항과 j X_source 리액턴스를 가진 소스에 연결될 경우,

${\displaystyle X_{\text{L}}={\sqrt {{\Big (}R_{\text{source}}+jX_{\text{source}}{\Big )}{\Big (}(R_{\text{source}}+jX_{\text{source}})-(R_{\text{load}}+jX_{\text{load}}){\Big )}}}}$

및

${\displaystyle X_{\text{C}}=(R_{\text{load}}+jX_{\text{load}}){\sqrt {\frac {(R_{\text{source}}+jX_{\text{source}})}{(R_{\text{load}}+jX_{\text{load}})-(R_{\text{source}}+jX_{\text{source}})}}}}$.

이 예시 회로에서 X_L과 X_C는 서로 바뀔 수 있다. 아래의 모든 ATU 회로는 서로 다른 임피던스를 가진 시스템 사이에 존재하는 이 네트워크를 생성한다.

예를 들어, 소스의 저항 임피던스가 50 Ω이고 부하의 저항 임피던스가 1000 Ω일 경우:

${\displaystyle X_{\text{L}}={\sqrt {(50)(50-1000)}}={\sqrt {(-47500)}}=j\,217.94\ {\text{Ohms}}}$

${\displaystyle X_{\text{C}}=1000{\sqrt {\frac {50}{(1000-50)}}}=1000\,\times \,0.2294\ {\text{Ohms}}=229.4\ {\text{Ohms}}}$

주파수가 28 MHz일 때,

${\displaystyle X_{\text{C}}={\frac {1}{2\pi fC}}}$ 이므로,

${\displaystyle 2\pi fX_{\text{C}}={\frac {1}{C}}}$

따라서, ${\displaystyle {\frac {1}{2\pi fX_{\text{C}}}}=C=24.78\ p{\text{F}}}$

또한, ${\displaystyle X_{\text{L}}=2\pi fL\!}$ 이므로,

${\displaystyle L={\frac {X_{\text{L}}}{2\pi f}}=1.239\ \mu {\text{H}}}$

이론 및 실제

저항 요소(1000 Ω)와 리액턴스 요소(−j 229.415 Ω)로 구성된 병렬 네트워크는 저항성(50 Ω) 및 리액턴스 요소(−j 217.94 Ω)로 구성된 직렬 네트워크와 동일한 임피던스와 역률을 가질 것이다.

회로 내 두 네트워크; 둘 다 동일한 임피던스를 가짐

직렬로 다른 요소(반응성 임피던스가 +j 217.94 Ω인)를 추가하면 임피던스는 50 Ω(저항성)이 된다.

회로 내 세 네트워크, 모두 동일한 임피던스를 가짐

L 네트워크의 종류 및 사용

'L'-네트워크는 8가지 다른 구성을 가질 수 있으며, 그 중 6가지가 여기에 표시되어 있다. 누락된 두 가지 구성은 맨 아래 행과 동일하지만, 직렬 요소(수평선)의 왼쪽에 있는 대신 병렬 요소(수직선)가 오른쪽에 있다는 점만 다르다.

이어지는 다이어그램에 대한 설명에서 입력 커넥터는 송신기 또는 "소스"에서 오고, 출력 커넥터는 안테나 또는 "부하"로 연결된다. 일반적인 규칙(아래 설명된 몇 가지 예외 제외)은 'L'-네트워크의 직렬 요소가 가장 낮은 임피던스 측에 위치한다는 것이다.^[10]

6가지 일반적인 'L'-네트워크 회로

예를 들어, 왼쪽 열의 세 회로와 아래쪽 행의 두 회로는 직렬(수평) 요소가 출력 쪽에 있으며, 일반적으로 낮은 임피던스 입력(송신기)에서 높은 임피던스 출력(안테나)으로 스텝 업하는 데 사용되며, 위 섹션에서 분석한 예시와 유사하다. 오른쪽 열의 위쪽 두 회로는 직렬(수평) 요소가 입력 쪽에 있으며, 일반적으로 높은 입력 임피던스에서 낮은 출력 임피던스로 스텝 다운하는 데 유용하다.

일반적인 규칙은 주로 저항성 부하에만 적용되며, 리액턴스는 거의 없다. 부하가 반응성이 높은 경우(예: 공진 주파수와 거리가 먼 신호 주파수로 급전되는 안테나)에는 반대 구성이 필요할 수 있다. 공진과 거리가 멀 경우, 아래 두 스텝 다운(고-입력 대 저-출력) 회로 대신 스텝 업(저-입력 대 고-출력, 주로 리액턴스)에 연결하는 데 사용될 수 있다.^[11]

상위 두 행에 표시된 네 가지 회로의 저역 통과 및 고역 통과 버전은 하나의 인덕터와 하나의 커패시터만 사용한다. 일반적으로 고조파를 감쇠하기 위해 송신기에는 저역 통과가 선호되지만, 부품을 더 편리하게 구할 수 있거나 라디오에 이미 내부 저역 통과 필터가 있거나 저주파수 감쇠가 바람직한 경우(예: 중주파에서 방송되는 지역 AM 방송국이 고주파 수신기를 과부하할 수 있는 경우)에는 고역 통과 구성이 선택될 수 있다.

낮은 R, 높은 C 회로는 짧은 수직 안테나에 전력을 공급하는 것으로 나타나 있는데, 이는 소형 이동 안테나의 경우나 안테나의 최저 자연 공진 주파수보다 낮은 주파수에서 발생할 수 있다. 여기서는 짧은 무작위 전선 안테나의 고유 커패시턴스가 너무 높아서 'L'-네트워크가 커패시터를 사용하여 문제를 악화시키는 대신 두 개의 인덕터로 가장 잘 구현된다.

낮은 R, 높은 L 회로는 작은 루프 안테나에 전력을 공급하는 것으로 나타나 있다. 공진 이하에서 이러한 유형의 안테나는 너무 많은 인덕턴스를 가지므로 코일을 추가하여 인덕턴스를 더하면 리액턴스가 더욱 나빠질 것이다. 따라서 'L'-네트워크는 두 개의 커패시터로 구성된다.

'L'-네트워크는 원하는 변환을 달성하는 가장 간단한 회로이다. 주어진 안테나와 주파수에 대해 8가지 가능한 구성(그 중 6가지가 위에 표시됨) 중에서 회로를 선택하면, '입력' 임피던스를 '출력' 임피던스와 일치시키는 단 하나의 구성 요소 값 세트만 존재한다. 대조적으로, 다른 곳에서 설명된 회로들은 세 개 이상의 구성 요소를 가지고 있으므로, 임피던스 매칭을 생성할 수 있는 인덕턴스 및 커패시턴스에 대해 훨씬 더 많은 선택지가 있다. 일반적으로 최소 두 개 이상이며, 연속적인 경우도 있고, 일부는 "나쁜" 선택일 수 있다(즉, ATU 내부에서 높은 손실을 초래하는 공진을 일으킬 수 있음). 라디오 운용자는 가능한 설정을 실험하고 테스트하며, 동일한 임피던스를 매칭할 수 있는 가능한 조정 중에서 가장 좋은 것을 선택하기 위해 정보에 입각한 판단을 사용해야 한다.

안테나 시스템 손실

안테나 튜너의 손실

모든 임피던스 매칭 수단은 어느 정도의 전력 손실을 발생시킨다. 이는 페라이트 코어를 가진 변압기의 경우 몇 퍼센트에서, 부적절하게 튜닝되거나 튜닝 범위의 한계에서 작동하는 복잡한 ATU의 경우 50% 이상까지 다양하다.^[12]

협대역 튜너에서 'L'-네트워크는 손실이 가장 적은데, 이는 구성 요소가 가장 적기 때문이기도 하지만, 주로 주어진 임피던스 변환에 대해 가능한 가장 낮은 Q 값으로 작동하기 때문이다. 'L'-네트워크에서는 부하 Q가 조정 불가능하며, 소스와 부하 임피던스의 중간 지점에 고정된다. 실제 튜너에서 대부분의 손실은 코일(인덕터)에서 발생하므로, 가장 낮은 필요한 인덕턴스를 위해 저역 통과 또는 고역 통과 네트워크 중에서 선택하면 손실을 다소 줄일 수 있다.

커패시터만 사용하는 'L'-네트워크는 손실이 가장 적지만, 이 네트워크는 부하 임피던스가 매우 유도성인 경우에만 작동하므로 소형 루프 안테나에 좋은 선택이다. 유도성 임피던스는 공진 주파수보다 약간 높은 주파수에서 사용되는 직선형 안테나에서도 발생하는데, 이 경우 안테나가 너무 길다(예: 작동 주파수에서 4분의 1파장에서 2분의 1파장 길이). 그러나 문제가 되는 직선형 안테나는 일반적으로 사용되는 주파수에 비해 너무 짧다.

고역 통과 'T'-네트워크의 경우, 튜너의 손실은 최저 손실로 튜닝된 경우 몇 퍼센트에서, 튜너가 제대로 조정되지 않은 경우 50% 이상까지 달라질 수 있다.^[13] 이는 더 많은 커패시턴스를 사용하면 더 적은 인덕터 권선을 사용하게 되며, 손실은 주로 인덕터에서 발생하기 때문이다.

SPC 튜너의 손실은 'T'-네트워크보다 다소 높을 것이다. 인덕터에 걸쳐 추가된 커패시턴스가 일부 리액턴스 전류를 접지로 션트시키고, 이는 인덕터의 추가 전류에 의해 상쇄되어야 하기 때문이다.^[14] 그 대신 코일의 유효 인덕턴스가 증가하여, 다른 방법으로는 불가능했던 더 낮은 주파수에서 작동할 수 있게 된다.

추가 필터링이 필요한 경우, 인덕터를 의도적으로 더 큰 값으로 설정하여 부분적인 대역 통과 효과를 제공할 수 있다.^[15] 고역 통과 'T', 저역 통과 'π', 또는 SPC 튜너 모두 이러한 방식으로 조정할 수 있다. 고조파 주파수에서의 추가 감쇠는 튜닝된 주파수에서의 약간의 추가 손실만으로도 크게 증가될 수 있다.

최소 손실로 조정될 때, SPC 튜너는 내부 탱크 회로가 대역통과 필터이므로 고역 통과 'T'보다 더 나은 고조파 제거 기능을 가질 것이다. 두 유형 모두 약간의 추가 손실이 허용된다면 좋은 고조파 제거 기능을 제공할 수 있다. 저역 통과 'π'는 최소 손실을 포함한 모든 설정에서 뛰어난 고조파 감쇠 기능을 제공한다.

ATU 위치

ATU는 라디오 송신기 또는 수신기를 안테나에 연결하는 선 어딘가에 삽입될 것이다.^[16] 안테나 급전점은 일반적으로 공중 높이(예: 다이폴 안테나)에 있거나 멀리 떨어져 있다(예: 끝단 급전 random wire antenna). 전송선 또는 급전선은 송신기와 안테나 사이에 신호를 전달해야 한다. ATU는 급전선 어디에든 배치할 수 있다: 송신기 옆, 안테나 옆, 또는 그 중간.

손실을 최소화하고, 대역폭을 늘리며, 전송선로의 피크 전압과 피크 전류를 줄이려면 안테나 튜닝은 가능한 한 안테나에 가깝게 수행하는 것이 가장 좋다. 또한, 전송되는 정보의 주파수 구성 요소의 파장이 급전선 전기적 길이의 상당 부분인 경우, 선로에 정재파가 있으면 전송된 정보의 왜곡이 발생한다. 아날로그 TV 및 FM 스테레오 방송은 이러한 방식으로 영향을 받는다. 이러한 모드에서는 안테나에서의 매칭이 필수적이다.

가능하다면 방수 케이스에 들어있는 자동 또는 원격 제어 튜너를 안테나 근처에 두는 것이 편리하고 효율적인 시스템을 만든다. 이러한 튜너를 사용하면 광범위한 안테나를 매칭할 수 있다.^[17]

조정을 편리하게 하기 위해 ATU가 라디오 근처에 위치해야 하는 경우, 상당한 SWR은 급전선 손실을 증가시킬 것이다. 따라서 송신기 근처에서 ATU를 사용할 때는 저손실 고임피던스 급전선(예: 오픈 와이어 라인)이 큰 이점이다. 짧은 길이의 저손실 동축선은 허용되지만, 길이가 길고 손실이 많은 선로의 경우 SWR로 인한 추가 손실이 매우 커진다.^[18]

ATU가 송신기 근처에 있을 때 송신기를 라인에 매칭시키는 경우, 급전선 SWR에는 변화가 없다는 점을 기억하는 것이 매우 중요하다. 안테나에서 반사된 반발 전류는 ATU에 의해 다시 반사되며(일반적으로 두 번 이상), 따라서 ATU의 송신기 측에서는 보이지 않는다. 여러 번의 반사로 인해 손실이 가중되고, 전압이나 전류가 높아지며, 대역폭이 좁아지는 결과가 발생하며, 이 중 어떤 것도 ATU로 수정할 수 없다.

정재파비

안테나 튜너의 크로스 니들 SWR 미터

높은 SWR 자체가 손실을 유발한다는 것은 흔한 오해이다.^[3] 저손실 선로를 통해 안테나에 연결된 잘 조정된 ATU는 높은 SWR(예: 4대 1)에서도 본질적으로 매칭된 안테나에 비해 추가 손실이 작을 수 있다.^[19] 송신기 옆에 있는 ATU는 안테나에서 반사된 에너지("반발 전류")를 다시 급전선을 따라 안테나로 "역반사"시킨다.^[3] 높은 손실은 급전선과 안테나의 RF 저항에서 발생하며, 높은 SWR로 인한 다중 반사는 급전선 손실을 더욱 악화시킨다.

ATU와 함께 고임피던스, 저손실 급전선을 사용하면 다중 반사가 있더라도 손실이 거의 발생하지 않는다. 그러나 급전선-안테나 조합이 '손실이 많은' 경우, 동일한 높은 SWR은 송신기 출력 전력의 상당 부분을 손실시킬 수 있다. 300~500 Ω 범위의 임피던스를 가진 대부분의 병렬선과 같은 고임피던스 선은 주로 고전류보다는 고전압으로 전력을 전달하며, 전류만이 선 저항에 손실되는 전력을 결정한다. 따라서 높은 SWR에도 불구하고, 일반적인 50 Ω 동축 케이블과 같은 저임피던스 선에 비해 고임피던스 선에서는 전력 손실이 매우 적다. 이러한 이유로, 고임피던스 급전선을 통해 송신하는 라디오 운용자는 ATU 사용 여부와 위치에 대해 더 자유로울 수 있다.

ATU가 없으면 불일치된 안테나와 급전선으로 인한 SWR이 송신기에 부적절한 부하를 주어 출력단 부품의 왜곡, 전력 또는 효율 손실, 과열 및 소손을 유발할 수 있다. 최신 솔리드 스테이트 송신기는 높은 SWR을 감지하면 자동으로 전력을 줄이므로, 일부 솔리드 스테이트 전력단은 SWR이 1.5 대 1 (1.5:1)을 초과하면 약한 신호만 생성한다. 자동 전력 감소 문제가 없다면, 2:1 SWR로 인한 손실도 허용될 수 있는데, 이는 송신 전력의 11%만이 반사되고 89%는 안테나를 통해 전송되기 때문이다. 따라서 높은 SWR로 인한 주된 출력 전력 손실은 송신기가 반발 전류에 직면했을 때 출력을 "줄이는" 데서 기인한다.

진공관 송신기 및 증폭기는 일반적으로 3:1 SWR까지는 큰 문제 없이 불일치 부하를 공급할 수 있는 조정 가능한 출력 네트워크를 가지고 있다. 사실상 송신기 출력단의 내장된 π-네트워크는 ATU 역할을 한다. 또한, 진공관은 전기적으로 견고하므로 (기계적으로는 취약하지만), 진공관 기반 회로는 손상 없이 매우 높은 반발 전류를 견딜 수 있다.

방송 애플리케이션

AM 방송 송신기

250 KW, 6 개 타워 AM 안테나용 ATU

안테나 튜너의 가장 오래된 응용 분야 중 하나는 AM 및 단파 방송 송신기이다. AM 송신기는 일반적으로 0.20에서 0.68 파장 길이의 수직 안테나(타워)를 사용한다. 타워 기저부에는 안테나를 송신기에서 오는 50 옴 전송선에 매칭시키기 위해 ATU가 사용된다. 가장 일반적으로 사용되는 회로는 두 개의 직렬 인덕터와 그 사이에 병렬 커패시터가 있는 T-네트워크이다. 여러 타워가 사용될 경우, ATU 네트워크는 각 타워의 전류를 서로 위상 조정하여 원하는 패턴을 생성할 수 있도록 위상 조정을 제공할 수도 있다. 이러한 패턴은 간섭을 유발할 수 있는 방향에 널(null)을 포함하고 목표 지역의 신호를 증가시키도록 법적으로 요구되는 경우가 많다. 다중 타워 배열에서 ATU를 조정하는 것은 상당한 전문 지식을 요구하는 복잡하고 시간 소모적인 과정이다.

고출력 단파 송신기

국제 단파 방송(50kW 이상)의 경우, 계절별 또는 심지어 일별로 요구될 수 있는 주파수 변경의 일환으로 빈번한 안테나 튜닝이 이루어진다. 최신 단파 송신기는 일반적으로 SWR 2:1까지의 내장 임피던스 매칭 회로를 포함하며, 15초 이내에 출력 임피던스를 조정할 수 있다.

송신기의 매칭 네트워크에는 때때로 발룬이 통합되거나, 평형선을 공급하기 위해 송신기에 외부 발룬을 설치할 수 있다. 과거에는 300옴 이상의 평형 전송선이 아마추어까지 포함하여 모든 단파 송신기 및 안테나의 표준이었다. 대부분의 단파 방송사는 자동 임피던스 매칭의 출현 이전에도 고임피던스 급전을 계속 사용해 왔다.

국제 방송용으로 가장 일반적으로 사용되는 단파 안테나는 2대 1 주파수 범위를 커버하는 HRS 안테나(커튼 배열)와 최대 8대 1 주파수 범위를 커버하는 로그 주기 안테나이다. 이 범위 내에서 SWR은 달라지지만, 일반적으로 1.7대 1 이하로 유지된다. 이는 많은 현대 송신기에 내장된 안테나 매칭으로 튜닝할 수 있는 SWR 범위 내이다. 따라서 이러한 안테나에 전력을 공급할 때, 현대 송신기는 필요에 따라 어떤 주파수에서도 매칭되도록 스스로 튜닝할 수 있을 것이다.

자동 안테나 튜닝

자동 안테나 튜닝은 주력 휴대전화, 아마추어 무선용 트랜시버, 육상 이동, 해상 및 전술 HF 무전기 트랜시버에 사용된다.

그림에 표시된 각 안테나 튜닝 시스템(AT)은 안테나에 직접 또는 간접적으로 연결되는 "안테나 포트"와 AT 및 안테나를 통해 무선 신호를 송수신하기 위한 "무선 포트"(또는 "사용자 포트")라고 불리는 다른 포트를 가지고 있다. 그림에 표시된 각 AT는 단일 안테나 포트(SAP) AT를 가지고 있지만, MIMO 무선 전송에는 다중 안테나 포트(MAP) AT가 필요할 수 있다.

안테나, 단일 안테나 포트 안테나 튜너(AT), 센싱 유닛(SU), 제어 유닛(CU) 및 전송 및 신호 처리 유닛(TSPU)으로 구성된 송신기의 두 가지 가능한 구성(a) 및 (b)

무선 트랜시버 또는 송신기에서 안테나 튜너(AT)를 자동으로 조정하는 데 여러 제어 방식을 사용할 수 있다. 제어 방식은 다이어그램에 표시된 두 가지 구성 (a)와 (b) 중 하나를 기반으로 한다. 두 구성 모두에서 송신기는 다음으로 구성된다.

• 안테나
• 안테나 튜너/매칭 네트워크(AT)
• 센싱 유닛(SU)
• 제어 유닛(CU)
• 송신기 및 신호 처리 유닛(TSPU)

TSPU는 다이어그램에 표시되지 않은 송신기의 모든 부분을 포함한다.

TSPU의 TX 포트는 테스트 신호를 전달한다. SU는 TSPU에 테스트 신호에 대한 응답, 하나 이상의 전기 변수(예: 전압, 전류, 입사 또는 순방향 전압 등)를 나타내는 하나 이상의 출력 신호를 전달한다. 응답은 구성 (a)의 경우 무선 포트에서, 구성 (b)의 경우 안테나 포트에서 감지된다. 구성 (a) 또는 (b) 모두 이상적이지 않다는 점에 유의해야 한다. 안테나와 AT 사이의 라인은 SWR을 감쇠시키기 때문에 테스트 신호에 대한 응답은 안테나 급전점 또는 그 근처에서 가장 정확하게 테스트된다.

제어 방식 유형^[20]

제어 방식	구성­	극값 탐색?
유형 0	해당 없음	해당 없음
유형 1	(a)	아니요
유형 2	(a)	예
유형 3	(b)	아니요
유형 4	(b)	예

브로이데 & 클라빌리에 (2020)는 안테나 튜너 제어 방식을 다음과 같이 다섯 가지 유형으로 구분한다.^[20]

• 유형 0은 SU를 사용하지 않는 개방 루프 AT 제어 방식을 나타내며, 조정은 일반적으로 각 작동 주파수에 대해 프로그래밍된 이전 지식만을 기반으로 한다.
• 유형 1 및 유형 2 제어 방식은 구성 (a)를 사용한다.
  • 유형 2는 극값 탐색 제어를 사용한다.
  • 유형 1은 극값을 탐색하지 않는다.
• 유형 3 및 유형 4 제어 방식은 구성 (b)를 사용한다.
  • 유형 4는 극값 탐색 제어를 사용한다.
  • 유형 3은 극값을 탐색하지 않는다.

제어 방식은 다음 사항에 따라 비교될 수 있다.

• 폐쇄 루프 또는 개방 루프 제어(또는 둘 다) 사용
• 사용된 측정
• 주변 환경의 전자기적 특성 완화 능력
• 목표/목적
• 정확성과 속도
• 특정 AT 또는 CU 모델 사용 여부

같이 보기

• 미국아마추어무선연맹
• Electrical lengthening
• 임피던스 브리징
• 로딩 코일
• 프리셀렉터
• 스미스 차트