J-폴 안테나

J-폴 안테나(영어: J-pole antenna)는 더 정확히 J 안테나(영어: J antenna)로 알려져 있으며,^[1] 단파 대역에서 사용되는 수직형 무지향성 송신 안테나이다. 1909년 한스 베게로우(Hans Beggerow)가 체펠린 비행선에 사용하기 위해 발명했다.^[2] 비행선 뒤에 견인되어 사용되었으며, 반파장 길이의 단일 와이어 라디에이터와 안테나 임피던스를 급전선에 맞추는 1/4 파장 병렬 전송선로 공진 스터브로 구성되었다. 1936년까지 이 안테나는 방사 소자와 정합 부분이 수직으로 장착되어 문자 "J" 모양을 띠는 지상 송신기용으로 사용되기 시작했으며,^[3] 1943년에는 J 안테나로 명명되었다.^[1] 방사 반파 부분이 1/4 파장 정합 스터브에 직각으로 수평으로 장착될 경우, 이 변형은 보통 제프 안테나(영어: Zepp antenna)라고 불린다.^[4]

동축 케이블(왼쪽) 및 병렬 선로(오른쪽)로 급전되는 J-폴 안테나. 오른쪽 다이어그램은 소자 상의 전압(V, 빨간색 띠) 및 전류(I, 파란색 띠)의 정재파를 보여준다.

작동 방식

J-폴 안테나는 짧은 1/4 파장 병렬 전송선로 스터브로 급전선에 정합되는 종단 급전 무지향성 반파장 안테나이다.^[5][1][6] 송신 안테나가 효율적으로 작동하여 급전선에서 공급되는 모든 전력을 흡수하려면 안테나가 선로에 임피던스 정합되어야 한다. 즉, 급전선의 특성 임피던스와 동일한 저항을 가져야 한다. 한쪽 끝에서 급전되는 반파장 안테나는 급전 지점에 전류 마디를 가지므로, 약 1 000–4 000 옴의 매우 높은 입력 임피던스를 갖는다.^[5] 이는 전송선로의 특성 임피던스보다 훨씬 높으므로 안테나와 급전선 사이에 임피던스 매칭 회로가 필요하다.

한쪽 끝에서 도체가 단락된 1/4 파장 길이의 전송선로인 단락된 1/4 파장 스터브는 개방된 끝에 유사한 높은 임피던스 노드를 가지므로 안테나와 잘 정합된다. 스터브를 따라 한 지점에서 보이는 입력 임피던스는 이 높은 값에서 단락된 끝의 0까지 단조 감소하며 지속적으로 변한다. 따라서 스터브를 따라 적절한 지점에 급전선을 연결하여 어떤 입력 임피던스 값도 얻을 수 있다. 스터브의 한쪽 팔은 반파장만큼 연장되어 안테나를 만든다. 안테나의 급전선을 전송선로를 따라 적절한 지점에 부착함으로써, 스터브는 이 임피던스를 낮춰 급전선 임피던스에 정합시켜 안테나가 효율적으로 전력을 공급받을 수 있도록 한다.^[6] 제작 중에 급전선의 연결점을 SWR을 모니터링하면서 스터브를 따라 앞뒤로 움직여 임피던스 매칭(최소 SWR)이 얻어질 때까지 찾는다.^[1][6]

이득 및 복사 패턴

기준 다이폴 안테나 대비 J 안테나(슬림짐 변형)의 E-평면 이득 측정값.

주로 다이폴인 J-폴 안테나는 수평(H) 평면에서 평균 자유 공간 이득이 약 2.2 dBi (0.1 dBd)인 대부분 무지향성 패턴을 보인다.^[7] 측정 및 시뮬레이션은 1/4 파장 스터브가 원형 H-평면 패턴 모양을 변경하여 J 스터브 소자 쪽에서 이득을 약간 증가시키고 J 스터브 소자 반대편에서 이득을 약간 감소시키는 것을 확인한다.^[7][8] J-스터브에 직각 방향에서는 이득이 전체 평균에 더 가깝다: 약 2.2 dBi (0.1 dBd).^[7] 다이폴의 2.15 dBi (0 dBd) 이득에 비해 약간 증가한 것은 정합 부분의 전류 불균형으로 인한 패턴에 대한 작은 기여를 나타낸다.^[7] 고도(또는 E 평면) 패턴은 J 소자 방향으로 패턴이 약간 높아지는 반면, J 소자 반대편 패턴은 대부분 광대역이다.^[8] 1/4 파장 스터브로 인한 교란의 순 효과는 H-평면에서 약 1.5 ~ 2.6 dBi (-0.6 dBd ~ 0.5 dBd)의 이득을 나타낸다.^[8]

환경

모든 안테나와 마찬가지로 J-폴은 반응성 근거리장 영역에 있는 전기 전도성 물체에 민감하며^[9] (일명 반응성 근거리장 영역^[10]) 일반적인 시스템 설치 고려 사항의 일부로 이러한 근거리장 상호 작용을 최소화하기 위해 충분한 분리 거리를 유지해야 한다.^[11] 1/4 파장 병렬 전송선로 스터브는 병렬 도체 간의 간격에 비례하는 강도와 크기의 외부 전자기장을 갖는다.^[12] 병렬 도체는 습기, 눈, 얼음이 없어야 하며, 낙수관, 금속 창틀, 플래싱 등 다른 도체로부터 병렬 스터브 도체 간 간격의 2~3배 거리 이상 떨어져 있어야 한다.^[4] J-폴은 전도성 지지 구조물에 매우 민감하며, 안테나 도체와 장착 구조물 사이에 전기적 결합이 없을 때 최상의 성능을 발휘한다.^[13][14]

구조

안테나는 두 개의 평행한 직선 금속 도체로 구성되며, 작동 주파수에서 하나는 ⁠3/4⁠ 파장, 다른 하나는 ⁠1/4⁠ 파장 길이를 가지며 바닥에서 서로 단락되어 있다. 일반적인 제작 재료로는 금속 튜빙,^[1] 래더 라인, 또는 트윈 리드가 포함된다.^[15] 정합 섹션이 전송선로 역할을 해야 하므로 평행 도체는 .02 파장 이상 떨어져서는 안 된다.^[16]

J-폴 안테나와 그 변형은 평형선으로 급전될 수 있다.^[1] 급전선 RF 전류를 억제하는 수단이 포함된 경우 동축 급전선을 사용할 수 있다.^[13][17] J-폴의 급전점은 J 스터브의 폐쇄된 낮은 임피던스 하단과 개방된 높은 임피던스 상단 사이에 있다.^[1][3] 이 두 극단 사이에서 낮은 임피던스 지점에서 높은 임피던스 지점까지 어떤 임피던스에도 정합이 가능하다.^[1][3]

J-폴 설계는 균형 급전(발룬, 변압기 또는 초크를 통해)으로 급전되고 도체와 주변 지지대 사이에 전기적 연결이 없을 때 잘 작동한다.^[13][14] J 안테나에 대한 역사적 문헌에 따르면 정합 스터브의 하단은 접지 전위와 0이며, 안테나 작동에 영향을 미치지 않고 접지선이나 마스트에 연결할 수 있다.^[1] 후속 연구는 마스트나 접지선이 안테나에서 전류를 끌어내어 안테나 패턴을 손상시킬 수 있음을 확인한다.^[18] 일반적인 접근 방식은 J-폴 하단 아래로 도체를 확장하여 장착 구조물의 모든 부분에 추가적이고 바람직하지 않은 RF 전류가 흐르도록 한다.^[13] 이는 원거리장 안테나 패턴을 변경하며^[18] 일반적으로, 항상 그런 것은 아니지만, 주요 로브를 수평선 위로 높여 지상 서비스에 대한 안테나 효율성을 감소시킨다.^[14] 지지대에 전기적으로 연결된 J-폴 안테나는 더 단순한 모노폴 안테나보다 나을 것이 거의 없으며, 종종 훨씬 더 나쁘다.^[13] 마스트 디커플링 스터브는 마스트 전류를 감소시킨다.^{[18][19][20][21]}

변형

J-폴 안테나 및 그 변형들.

J 안테나 변형의 E-평면 이득 플롯

슬림 짐 안테나

J-폴의 한 변형은 슬림 짐 안테나(영어: Slim Jim antenna)이며, 2BCX 슬림 짐(영어: 2BCX Slim Jim)으로도 알려져 있으며,^[22] 접힌 다이폴이 다이폴과 관련되는 방식과 유사하게 J-폴과 관련된다.^[23] 슬림 짐은 J-폴을 형성하는 여러 방법 중 하나이다.^[23] 1978년 프레드 저드(Fred Judd, G2BCX)가 소개했으며, 그 이름은 슬림한 구조와 J-형 매칭 스터브(J Integrated Matching)에서 유래했다.^[22]

J-폴 안테나의 슬림 짐 변형은 단순 또는 접힌 반파장 안테나와 유사한 특성 및 성능을 가지며, 기존의 J-폴 구조와 동일하다.^[23] 저드는 슬림 짐이 ⁠5/8⁠ 파장 접지면 안테나보다 낮은 발사 각도와 더 나은 전기적 성능을 제공한다고 보고했지만,^[22] 다른 사람들의 테스트 및 분석 결과 슬림 짐 안테나는 기존의 단일 와이어 J-폴 안테나에 비해 성능상의 이점이 없음을 보여준다.^[8][23] 래더 전송선으로 만든 슬림 짐 안테나는 접힌 다이폴 소자로 기존 병렬 도체를 사용하지만,^[8] 구리 파이프 변형의 경우 슬림 짐은 거의 두 배의 재료를 필요로 하며, 이는 성능상의 이점을 제공하지 않는다.^[8]

슬림 짐의 H-평면에서 대략적인 이득은 1.5 ~ 2.6 dBi (−0.6 dBd ~ 0.5 dBd)이다.^[8]

슈퍼-J 안테나

J-폴 안테나의 슈퍼-J 변형은 기존 J 위에 또 다른 콜리니어 반파장 라디에이터를 추가하고 두 라디에이터를 위상 스터브로 연결하여 두 수직 반파장 섹션이 전류 위상으로 방사되도록 한다.^[24] 두 반파장 섹션 사이의 위상 스터브는 종종 프랭클린 스타일이다.^[24][25][26]

슈퍼-J 안테나는 수직 빔폭을 압축하고 기존 J-폴 설계보다 더 많은 이득을 갖는다.^[27] 두 방사 섹션 모두 콜리니어 어레이의 최대 이점을 실현하기에 충분한 분리 거리가 부족하여 기존 J-폴 또는 반파장 안테나에 비해 최적의 3 dB보다 약간 적은 이득을 보인다.^[27][28]

슈퍼-J 안테나의 H-평면에서 대략적인 이득은 4.6 ~ 5.2 dBi (2.4 dBd ~ 3.1 dBd)이다.^[28]

콜리니어 J 안테나

콜리니어 J 안테나는 위상 코일을 사용하여 두 개의 방사 반파장 섹션을 분리하여 이득을 최적화함으로써 슈퍼-J를 개선한다.^[28] 그 결과 얻어지는 이득은 기존 J-폴 또는 반파장 안테나에 비해 최적의 3 dB에 더 가깝다.^[28]

콜리니어 J 안테나의 H-평면에서 대략적인 이득은 4.6 ~ 5.2 dBi (2.4 dBd ~ 3.1 dBd)이다.^[28]

변형의 E-평면 이득 패턴

그래프는 위의 세 가지 변형의 E-평면 이득을 기존 J 안테나와 비교한다.

기존 J 안테나와 슬림 짐 변형은 이득과 패턴에서 거의 동일하다. 슈퍼-J는 첫 번째 라디에이터 위에 두 번째 라디에이터를 적절하게 위상 조정하고 방향을 맞추는 이점을 보여준다. 콜리니어 J는 슈퍼-J보다 약간 더 높은 성능을 보인다.

3차 고조파 근처의 듀얼 밴드 작동

기본 J 안테나는 최저 설계 주파수의 3차 고조파에서 공진한다.^[29] 이 방식으로 ⁠3/2⁠ 파장을 작동하면 지상 작동에 불리한 안테나 패턴이 생성된다.^[30]

패턴 변화를 해결하기 위해 J 안테나를 3차 고조파 근처에서 작동할 때 스터브 위의 라디에이터에서 하나의 반파장만 활성화되도록 제약하는 다양한 기술이 존재한다. 이 모든 기술은 첫 번째 전압 루프에서 고임피던스 초크를 사용하는 것을 포함한다.^[30] 이러한 방법은 고임피던스 지점을 고임피던스 초크로 막으면 에너지가 초크를 통과할 수 있으므로 목표에 미치지 못한다.^[30][31]