우산 안테나

우산 안테나(영어: Umbrella antenna)는 정전용량적으로 상단이 로드된 모노폴 안테나이며, 대부분의 경우 지면 끝에 전원이 공급되는 마스트로 구성되며, 상단에 여러 개의 방사형 와이어가 연결되어 아래로 기울어져 있다.^[1] 송신기에서 전력을 공급하는 급전선의 한쪽은 마스트에 연결되고, 다른 한쪽은 안테나 아래 땅속에 묻힌 방사형 와이어의 접지 시스템에 연결된다. 이들은 1 MHz 미만의 MF, LF, 특히 VLF 대역에서 송신 안테나로 사용되는데, 이는 완전한 크기의 1/4 파장 모노폴 안테나를 건설하는 것이 비실용적이거나 불가능할 정도로 충분히 낮은 주파수이다. 안테나 상단에서 아래로 기울어진 각 방사형 와이어의 바깥쪽 끝은 절연체를 통해 땅에 고정된 지지 로프 또는 케이블에 연결된다. 방사형 와이어는 가이 와이어로서 마스트를 지지할 수도 있다. 방사형 와이어가 안테나를 거대한 우산의 와이어 프레임(천 없이)처럼 보이게 하여 이름이 붙여졌다.

기저 급전 우산 안테나 다이어그램. 빨간색 원통은 절연체이다. 안테나 아래에는 방사형 와이어 접지 시스템(표시되지 않음)이 묻혀 있다.

설계

안테나는 중앙의 강철 관형 또는 격자 마스트로 지지된다. 마스트의 상단은 지면에 가깝게 대각선으로 뻗어 있는 등간격 방사형 와이어 링에 부착되며, 각 와이어는 절연체를 통해 지면에 고정된 비방사형 와이어 또는 로프 길이에 연결된다. 우산 와이어는 구조적으로 마스트를 지지하는 가이 라인 역할을 할 수도 있다. 송신기에서 안테나로 전력을 공급하는 몇 가지 다른 방법이 있다.

기저 급전 방식에서는 마스트가 지면으로부터 절연되도록 두꺼운 세라믹 절연체 위에 지지되며, 송신기에서 나오는 급전선은 마스트의 바닥에 연결된다. 전도성 강철 마스트는 모노폴 방사체 역할을 한다. 대안으로 고전력 안테나에서는 마스트가 접지되고, 우산 와이어는 중앙 마스트에 연결되는 부분에서 절연되며, 마스트와 평행하게 늘어진 수직 방사체 와이어에 연결되어 하단에서 급전된다. 이 구조는 안테나의 매우 높은 전압 때문에 마스트를 지면에서 절연하기 어려운 고전력 안테나에 사용된다.^[2][3][4]

안테나 아래에는 급전선의 반대쪽에 연결된 대규모 접지 시스템이 있는데, 이는 마스트 바닥의 단자에서부터 우산 와이어의 가장자리까지 방사형으로 뻗어 땅속에 묻힌 와이어들로 구성된다.

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  오메가 항법 시스템 안테나 H, 일본 쓰시마의 구식 무선 항법 시스템, 389미터, 1973년 건설. 10~14 kHz에서 송신.
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  말레이시아 투아란, 사바 지구 RTM(Radio Televisyen Malaysia)의 안테나
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  레위니옹 섬 샤브리에에 있는 오메가 스테이션 E의 428미터 안테나.
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  오메가 안테나 G 스테이션의 432미터 마스트 상단, 호주 빅토리아, 16개의 우산 와이어를 마스트에 연결하는 절연체 모습

또 다른 방법으로 방사형 급전 방식에서는 마스트 대신 하나 이상의 방사형 와이어 끝단에 송신기 전류를 인가하여 안테나에 전력을 공급할 수 있다. 이 경우 중앙 마스트는 접지된다. 와이어 급전 방식과 마찬가지로 이 방식은 마스트 지지 절연체가 필요 없고, 마스트의 항공기 경고등용 전원 케이블에 절연체가 필요하지 않다. 이 구조는 10~14 kHz에서 작동하는 구식 오메가 항법 시스템용 대형 우산 안테나 3개에 사용되었는데, 이는 200kV에 달하는 안테나 전위에 대해 마스트 베이스를 절연하는 매우 어려운 문제를 해결하기 위함이었다.

안테나는 1/4 파장 공진 길이보다 짧기 때문에 전기 용량을 가지고 있다. 정전 용량성 반응저항을 상쇄하고 공진시켜 효율적으로 전력을 공급하기 위해 급전선에 로딩 코일이라는 임피던스 정합 유도자가 안테나 바닥에 직렬로 연결된다.

작동

지면으로부터 절연된 수직 마스트 또는 수직 방사체 와이어는 공진 모노폴 안테나로 작동한다.^[2][3][4] 사용되는 저주파에서 마스트의 높이는 공진 길이인 1/4 파장 (${\displaystyle \ {\tfrac {1}{4}}\lambda \ }$)보다 훨씬 짧으므로 매우 전기적으로 짧은 안테나이다. 따라서 매우 낮은 방사 저항을 가지며, 상단 로드 와이어가 없으면 매우 비효율적인 방사체가 된다. 송신기에서 나오는 진동 전류는 마스트를 따라 올라가 상단 로드 와이어들 사이로 거의 동일하게 나뉘어 흐른다. 이 전류는 와이어 끝에서 반사되어 마스트를 따라 다시 내려온다. 나가는 전류와 반사된 전류가 중첩되어 사인파의 꼬리 부분으로 구성된 정상파를 형성한다.

지면 반사와 상단 로드 와이어의 대칭적 배치로 인해 안테나에서 멀리 떨어진 곳에서 측정된 우산 모양의 스포크 와이어에서 방사되는 전파는 서로 대부분 상쇄되므로 스포크 와이어 자체는 거의 전파를 방사하지 않는다. 대신 우산 와이어는 완전한 길이의 1/4 파장 마스트 상단에서 제공될 수 있는 전기 용량의 일부 또는 전부를 대체하는 정전 용량성 상단 로드 역할을 한다. 안테나 아래 땅속에 묻히거나 놓인 접지 와이어는 거대한 '커패시터'의 해당 하단 플레이트 역할을 한다. 추가된 정전 용량은 RF 주기의 각 반주기 동안 상단 로드를 충전하고 방전하는 데 필요한 추가 전하로 인해 수직 마스트의 전류를 증가시킨다. 최상의 경우, 이는 총 전류를 두 배로 늘리고 방사 전력을 네 배로 늘려, 상단 로드가 없을 때보다 신호를 최대 6 dB까지 증가시킬 수 있다.

안테나의 큰 정전 용량성 반응저항을 조율하여 작동 주파수에서 공진시켜 효율적으로 전력을 공급하기 위해, 대형 유도자 (로딩 코일)가 안테나 바닥의 급전선에 직렬로 연결된다. 송신기에서 나오는 급전선의 다른 쪽은 접지 시스템에 연결된다. 안테나와 코일은 동조 회로를 형성한다. 그들의 큰 반응저항과 낮은 저항은 일반적으로 안테나에 높은 Q 인자를 부여하므로, 작동할 수 있는 대역폭이 좁다. 초저주파 대역에서 사용되는 대형 우산 안테나의 대역폭은 100 헤르츠 미만일 수 있다.

아래는 1970년대에 미군이 장파 대역에서 사용하기 위해 개발한 몇 가지 접지 마스트 우산 안테나 변형이다.

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  팬 폴라 안테나
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  노르드 안테나

방사 패턴

우산 안테나는 수직 편파 전파를 무지향성 방사 패턴으로 방사하며, 모든 수평 방향으로 동일한 전력이 방출되고, 수평 방향에서 최대 신호 강도를 방사하며, 고도각에 따라 단조롭게 감소하여 천정에서 0이 된다. 큰 상단 로드 덕분에 저주파에서 다른 일반적인 상단 로드 안테나인 “플랫탑” 또는 ‘T’ 안테나보다 일반적으로 효율적이며, VLF 대역에서 널리 사용된다.

지표파는 안테나에서 수평으로 지표면 바로 위를 이동하는 수직 편파파이다. 우산 안테나는 좋은 지표파 안테나이며, 중파 및 장파 대역에서 라디오 방송 안테나로 사용된다.

완벽한 전도성 지면 위에서 우산 안테나의 안테나 이득은 다른 전기적으로 짧은 모노폴 안테나와 마찬가지로, ${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\lambda ~}$보다 상당히 짧다면 약 3.52 dBi이다.

대각선 와이어가 아래로 기울어져 있기 때문에 와이어의 전류에는 수직 성분이 있다.^[3] 이 전류는 마스트의 전류와 반대 방향이므로, 마스트에서 멀리 떨어진 곳에서 방사되는 전파는 마스트에서 나오는 전파와 180° 위상이 반대이며, 부분적으로 상쇄된다. 따라서 우산 와이어는 마스트를 부분적으로 차폐하여 방사 전력을 감소시킨다. 충분한 우산 와이어가 있다면 우산 아래 부분의 마스트에서 방출되는 모든 전파는 차단되고, 우산 아래 마스트 부분에서만 방사된다.

응용 분야

대형 정전용량성 상단 로드 덕분에 우산 안테나는 저주파에서 가장 효율적인 안테나 설계 중 하나이며, LF 및 VLF 대역의 송신기에 항법 보조 장치 및 군사 통신용으로 사용된다. 상업용 중파 및 장파 AM 방송국에서 일반적으로 사용된다. 높이 15~460미터의 우산 안테나가 사용되고 있다. 가장 큰 우산 안테나는 잠수함과 통신하는 VLF 해군 송신국을 위해 제작된 트라이데코 안테나(아래)이다.

독일의 VLF 송신기 DHO38에는 350미터 높이의 우산 안테나 8개가 배열되어 약 20kHz에서 작동하며, 높이가 1/40 파장 미만임에도 불구하고 높은 방사 효율을 보인다.

630미터 대역 및 2200미터 대역에서 두 개의 새로운 아마추어 무선 대역이 전 세계적으로 채택됨에 따라, 충분한 부지를 가진 아마추어들은 이 설계의 사용을 재개했다.

트라이데코 안테나

컷틀러 VLF 안테나 배열 부지 계획

안테나 마스트 중 일부. 마스트 바닥의 구조물은 상단 로드 와이어를 장력을 가하는 거대한 카운터웨이트이다.

컷틀러 VLF 안테나 배열 배치

미국 해군 컷틀러 VLF 송신기에 있는 트라이데코 안테나 배열. 메인 주 컷틀러에 위치하며, 수중 잠수함에 전술 명령을 24kHz 주파수와 1.8 메가와트 전력으로 송신하는 세계에서 가장 강력한 송신기 중 하나이다. 각각 13개의 타워가 약 1마일에 걸쳐 6개의 뾰족한 와이어 상단 로드를 지지하는 두 개의 동일한 트라이데코 안테나로 구성된다.

중앙 마스트와 수평 상단 로드 와이어에 연결된 6개의 수직 방사체 급전선. 안테나에 걸리는 200kV 전압을 견디기 위해 필요한 긴 50 피트 절연체 스트링과 코로나 링을 보여준다.

중앙 마스트를 둘러싼 급전선

완전한 안테나

영국 컴브리아주 해안의 앤쏜 라디오 기지에 있는 7개 마스트 트라이데코 안테나. 영국 해군 및 기타 NATO 국가의 잠수함에 VLF 신호를 전송한다.

트라이데코 안테나(영어: trideco antenna)는 VLF 대역에서 소수의 고전력 군용 송신기에 사용되는 거대한 특수 우산 안테나이다.^[5][6] 일반적인 우산 안테나에서 기울어진 가이 와이어를 정전용량성 상단 로드로 사용하는 데는 몇 가지 단점이 있다. 첫째, 우산 와이어는 지면에 고정되어야 하므로 길이가 제한된다. 저주파에서는 가이 와이어로 사용할 수 있는 길이보다 훨씬 긴 상단 로드 와이어가 필요하며, 추가 지지 마스트가 없으면 와이어가 땅에 처지게 된다. 둘째, 와이어가 기울어져 있으므로 전류에 수직 성분이 있다. 이 수직 전류는 마스트의 전류와 반대 방향이므로, 이로 인해 방사되는 전파는 마스트 방사파와 180° 위상이 반대이며, 부분적으로 이를 상쇄한다.

트라이데코 설계에서는 상단 로드 와이어가 중앙 마스트의 상단에서 수평으로 뻗어 있으며, 중앙 마스트를 둘러싼 12개의 마스트 링으로 지지되어 지구와 평행한 방사형 와이어 "커패시터 플레이트"를 형성하고 중앙에서 구동된다.^[7][8] 상단 로드 와이어는 중앙 마스트에서 60° 각도로 대칭적으로 뻗어 있는 6개의 마름모꼴 (다이아몬드 모양) 패널 형태로 되어 있어, 위에서 보면 안테나가 6개의 별 모양을 이룬다. 중앙 마스트 자체를 방사체로 사용하는 대신, 각 패널은 중앙 마스트 옆의 수직 방사체 와이어에 연결되며, 6개의 방사체 와이어는 바닥에서 동위상으로 급전된다. 이는 사용되는 극도로 높은 전압에서 마스트를 지면에서 절연하는 어려운 문제를 해결한다. 또한 패널 중 하나에 전력 공급을 중단하고 유지 보수를 위해 지면으로 내릴 수 있는 가능성을 제공하며, 나머지 안테나는 계속 작동할 수 있다. 안테나 아래 땅속에는 거대한 방사형 접지 시스템이 묻혀 있으며, 이는 오버헤드 상단 로드와 함께 커패시터의 하단 '플레이트'를 형성한다. 안테나는 사용되는 VLF 주파수에서 매우 커야 한다. 지지 마스트는 250–300 미터 (820–980 ft) 높이이며, 상단 로드는 직경이 약 1,900 미터 (6,200 ft)이다.

트라이데코 안테나는 15~30kHz 주파수에서 최대 2메가와트의 전력으로 잠수함과 전 세계적으로 통신하는 고전력 해군 송신기를 위해 개발되었다. 이 주파수 범위에서 지금까지 발견된 가장 효율적인 안테나 설계이며, 다른 VLF 안테나 설계가 매우 전기적으로 짧은 모노폴의 낮은 방사 저항으로 인해 15-30%의 효율을 보이는 반면, 70-80%의 효율을 달성한다.^[8] 이 안테나는 Development Engineering Co.(DECO)의 보인턴 해거먼이 발명했으며 1961년 메인주 컷틀러에 처음 설치되었다.^[9] 이 설계의 영감은 1943년 나치 독일 해군이 독일 작센안할트주 칼베에 건설한 1메가와트 골리앗 송신기의 우산 안테나였다. 오늘날 트라이데코 안테나는 미국 메인주의 컷틀러 해군 무선 기지, 호주 엑스머스의 해롤드 E. 홀트 해군 통신 기지, 영국 앤쏜의 앤쏜 라디오 기지와 같은 전 세계 몇몇 군사 기지에 위치해 있다. 수정된 3패널 안테나는 메릴랜드주 애나폴리스의 NSS 애나폴리스에 위치했었으나 1990년에 해체되었다.

역사

페센든의 1905년 매사추세츠주 브랜트 록, 400피트 우산 안테나

1906년 독일 나우엔 나우엔 송신국의 스파크 갭 송신기에 사용된 100미터 우산 안테나

1910년 영국 뉴캐슬 근처 200kHz 무선 전신국의 220피트 우산 안테나

1911년 나우엔에 건설된 더 큰 200m 우산 안테나

우산 안테나는 1900년에서 1920년경 무선 전신기 시대에 발명되었으며, 스파크 갭 송신기와 함께 장파 대역에서 모스 부호로 정보를 전송하는 데 사용되었다. 장거리 대륙 횡단 통신에는 저주파가 사용되었고, 안테나는 전기적으로 짧았기 때문에 정전용량적으로 상단 로드된 안테나가 사용되었다. 우산 안테나는 굴리엘모 마르코니가 신뢰할 수 있는 대서양 횡단 통신을 달성하려는 노력 동안 사용했던 대형 다중 와이어 정전용량성 안테나에서 발전했다.

이 설계를 사용한 최초의 안테나 중 하나는 레지널드 페센든이 1905년 매사추세츠주 브랜트 록에서 실험용 스파크 갭 송신기를 위해 세운 420 피트 (130 m) 관형 마스트였는데, 그는 이를 통해 스코틀랜드 매크리하니시에 있는 동일한 안테나와 통신하여 최초의 양방향 대서양 횡단 송신을 성공했다.^[10] 상단에 부착된 와이어(출처에 따라 4개 또는 8개)는 전기적으로 마스트에 연결되어 표면까지 대각선으로 뻗어 있었고, 그곳에서 지면으로부터 절연되었다. 또 다른 초기 사례는 1906년 아돌프 슬라비가 독일 최초의 장거리 무선국인 나우엔 송신국에 건설한 우산 안테나로, 100-미터 (330 ft) 강철 격자 타워 방사체와 상단에 162개의 우산 케이블이 부착되어 있었고, 타워에서 200미터 떨어진 지면에 삼 밧줄로 고정되었다. 소형 우산 안테나는 제1차 세계 대전 동안 군 신호대에서 휴대용 송신기와 함께 널리 사용되었는데, 이는 완전한 크기의 1/4 파장 안테나를 설치할 가능성이 없었기 때문이었다.

우산 안테나는 대부분의 OMEGA 항법 시스템 송신기(약 10kHz에서 작동), 데카 항법 스테이션, 그리고 약 200미터 높이의 중앙 마스트로 100kHz에서 작동하는 로란-C 스테이션에서 사용되었으나, 이 시스템들은 모두 폐쇄되었다.