T-안테나

‘T’-안테나(영어: ‘T’-antenna), ‘T’-공중선(영어: ‘T’-aerial) 또는 플랫톱 안테나(영어: flat-top antenna)는 두 개의 방송탑 또는 건물 사이에 매달려 있고 끝에서 절연된 하나 이상의 수평선으로 구성된 모노폴 라디오 안테나이다.^[1][2] 수평선의 중앙에 수직선이 연결되어 땅 가까이 매달려 있으며, 송신기 또는 수신기에 연결된다. 안테나의 모양이 문자 "T"와 닮아 이름이 붙여졌다. 송신기 전원은 수직선 하단과 접지 연결 사이에 인가되거나, 수신기가 연결된다.^[1]

1935년 뉴저지주 카터렛에 위치한 WOR / 710AM 시설의 모습. 이 경우 세 개의 방사체가 있다: 두 개의 타워와 중앙에 매달린 'T'-안테나.

아마추어 자작 역L형 안테나

밀접하게 관련된 안테나는 역L형 안테나(영어: inverted-L antenna)이다. 이것은 수직 급전선이 수평 탑로드 선의 중앙에 부착되는 대신 한쪽 끝에 부착된다는 점을 제외하고 T-안테나와 유사하다. 이 이름은 거꾸로 된 문자 "L" (Γ)과의 유사성에서 유래한다. T-안테나는 모든 방위각 방향으로 동일한 전파 전력을 방사하는 무지향성 안테나인 반면, 역L형 안테나는 약한 지향성 안테나이며, 급전선이 부착된 끝 부분에서 탑로드 선 방향으로 최대 전파 전력을 방사한다.

1925년 매사추세츠주 스프링필드의 초기 AM 방송국 WBZ의 다선 방송 T-안테나.

'T'- 및 역L형 안테나는 일반적으로 VLF, LF, MF 및 단파 대역에서 사용되며,^{[3][4](pp. 578–579)[2]} 아마추어 무선국의 송신 안테나,^[5] 그리고 장파 및 중파 AM 방송국의 송신 안테나로 널리 사용된다. 또한 단파 청취를 위한 수신 안테나로도 사용될 수 있다. 이들은 용량성 탑 로딩이 있는 모노폴 안테나로 작동하며, 이 범주의 다른 안테나로는 우산 및 삼각 안테나가 있다. 이들은 1920년 이전의 무선전신기 시대, 라디오의 첫 수십 년 동안 발명되었다.

작동 원리

'T'형 안테나는 세 가지 기능 부분으로 가장 쉽게 이해할 수 있다.

탑 로드

수평선 상단 부분(때로는 정전 용량 모자라고도 함)은 커패시터의 판처럼 작동한다.

방사체

기저의 급전점에서 상단으로 전류를 전달하는 수직선; 수직 세그먼트의 불균형 전류는 방출되는 전파를 생성한다.

접지 시스템

안테나 아래 땅에 묻힌 선 또는 때로는 땅에서 몇 피트 위에 매달린 선(카운터포이즈)은 커패시터의 다른 판처럼 작동한다.

탑 로드의 선들은 종종 대칭적으로 배열된다. 반대 방향의 대칭적인 탑햇 선들에서 흐르는 전류는 서로의 장을 상쇄하여 순 방사를 생성하지 않으며, 접지 시스템에서도 동일한 상쇄가 발생한다. 원칙적으로 정전 용량 모자(탑햇)와 그 대응 접지 시스템(카운터포이즈)은 서로의 거울상으로 구성될 수 있다. 그러나 땅에 선을 깔거나 흙 위로 몇 피트 올리는 것이 쉬운 반면, 수직 섹션의 정점에 탑햇의 수평선을 높이 지지하는 실제적인 어려움 때문에 탑햇은 일반적으로 카운터포이즈만큼 크게 만들어지지 않는다. 또한, 카운터포이즈에 의해 가로채기 전에 땅에 도달하는 모든 전기장은 흙을 데우는 데 에너지를 낭비하는 반면, 공중에 높이 떠 있는 부유 전기장은 손실 없는 열린 공기 속으로 조금 더 퍼져나가다가 결국 탑햇의 선에 도달할 것이다.

상단 및 접지 섹션은 초과 또는 부족 전자를 추가로 저장하는 반대 전하를 띤 저장소 역할을 한다. 이는 동일한 높이의 맨 상단 수직선에 저장할 수 있는 것보다 더 많은 양이다. 더 많은 저장 전하는 상단과 기저 사이의 수직 세그먼트를 통해 더 많은 전류를 흐르게 하며, 수직 세그먼트의 그 전류는 T-안테나가 방출하는 방사를 생성한다.

정전 용량 '모자'

수직 모노폴 안테나 "a"와 'T'-안테나 "b"의 RF 전류 분포 (빨간색). 수평선이 수직 방사선의 효율을 어떻게 향상시키는지 보여준다.^[6] 어떤 지점에서 선에 수직인 빨간색 영역의 너비는 전류에 비례한다.^[a]

'T'자 상단의 수평선 좌우 부분은 크기는 같지만 방향이 반대인 전류를 전달한다. 따라서 안테나에서 멀리 떨어진 곳에서는 각 선에서 방사되는 전파가 다른 선에서 나오는 전파와 180° 위상차가 나서 서로 상쇄되는 경향이 있다. 지면에서 반사되는 전파도 유사하게 상쇄된다. 따라서 수평선은 (거의) 전파 전력을 방사하지 않는다.^[4](p. 554)

수평선은 방사하는 대신 안테나 상단의 전기 용량을 증가시킨다. RF 발진 주기 동안 이 추가된 정전 용량을 충전하고 방전시키려면 수직선에 더 많은 전류가 필요하다.^{[6][4](p. 554)} 수직선에서 증가된 전류(오른쪽 그림 참조)는 안테나의 방사 저항을 효과적으로 증가시켜 RF 전력 방사를 증가시킨다.^[6]

상단 부하 정전 용량은 더 많은 선이 추가될수록 증가하므로, 여러 개의 평행한 수평선이 종종 사용되며, 수직선이 부착되는 중앙에서 서로 연결된다.^[5] 각 선의 전기장이 인접한 선들의 전기장에 영향을 미치기 때문에, 각 추가된 선에서 발생하는 추가 정전 용량은 감소한다.^[5]

정전 용량 탑 로딩의 효율성

수평 탑 로드 선은 특정 기저 전류에 대해 방사 전력을 2~4배(3~6 dB) 증가시킬 수 있다.^[6] 결과적으로 'T'-안테나는 동일한 높이의 단순한 수직 모노폴보다 더 많은 전력을 방사할 수 있다. 마찬가지로, 수신 T-안테나는 동일한 들어오는 전파 신호 강도에서 동일한 높이의 수직 안테나보다 더 많은 전력을 가로챌 수 있다.

600 kHz^[b] 에 가깝거나 그 이하의 주파수를 위해 제작된 안테나에서 안테나의 선 세그먼트 길이는 일반적으로 파장^[c]의 1/4보다 짧다. [ ⁠ 1 /4⁠ λ ≈ 125 m (410 피트)^[c] (600 kHz^[b]) ], 공명에 도달하는 무부하 직선 선의 가장 짧은 길이이다.^[5] 이러한 상황에서 'T'-안테나는 용량성 탑 로드된 전기적으로 짧은 수직 모노폴 안테나이다.^{[4](pp. 578–579)}

짧은 수직 안테나에 비해 개선되었음에도 불구하고, 일반적인 'T'-안테나는 여전히 전체 높이의 ⁠ 1 /4⁠ λ^[c] 수직 모노폴 안테나만큼 효율적이지 않으며,^[5] 더 높은 Q를 가지므로 대역폭이 더 좁다. 'T'-안테나는 전체 크기의 쿼터파장 높이 수직 안테나를 제작하기가 실용적이지 않은 낮은 주파수에서 주로 사용되며,^[2][7] 수직 방사선은 종종 매우 전기적으로 짧다: 파장 길이의 작은 부분, ⁠1/10⁠λ 이하이다. 전기적으로 짧은 안테나는 기저 리액턴스가 용량성이며, 상단에서의 용량성 부하가 기저의 용량성 리액턴스를 줄이지만, 일반적으로 일부 잔류 용량성 리액턴스가 남는다. 송신 안테나의 경우 로딩 코일에서 추가된 유도성 리액턴스로 인해 튜닝되어야 안테나가 효율적으로 전력을 공급받을 수 있다.

'T' 안테나 유형: (A) 단순, (B) 다선 (플랫톱), (C) 케이지.

역L형 안테나 유형: (D) 단순, (E) 다선 (플랫톱) (G) 케이지.

빨간색 부분은 절연체, 갈색 부분은 지지 마스트이다. 송신기 또는 수신기로 가는 급전선은 F에 연결된다. B,C,E, 및 G에 사용되는 다선 탑로드는 접지 용량과 따라서 방사 저항 및 출력 전력을 증가시킨다. 이들은 종종 송신 안테나로 사용된다. 케이지 구조 C 및 G는 선의 전류를 균등하게 하여 저항을 줄인다.

방사 패턴

수직선이 실제 방사 요소이기 때문에 안테나는 모든 방위각 방향으로 동일한 전력을 가진 무지향성 안테나 방사 패턴으로 수직 편파 전파를 방사한다.^[8] 수평선의 축은 거의 차이를 만들지 않는다. 전력은 수평 방향 또는 낮은 고도각에서 최대이며, 천정에서 0으로 감소한다. 이는 수직 편파로 지표파로 전파되는 LF 또는 MF 주파수에서 좋은 안테나이지만, 더 높은 고도각에서도 충분한 전력을 방사하여 전리층 반사파("스킵") 통신에 유용하다. 불량한 접지 전도성의 영향은 일반적으로 패턴을 위로 기울여 최대 신호 강도를 더 높은 고도각으로 만든다.

송신 안테나

'T'-안테나가 일반적으로 사용되는 장파장 범위에서는 안테나의 전기적 특성이 현대 라디오 수신기에는 일반적으로 중요하지 않다. 수신은 수신 안테나에 의해 수집되는 신호 전력보다는 자연 잡음에 의해 제한된다.^[5]

송신 안테나는 다르며, 급전점 임피던스^[d]가 중요하다. 안테나 급전점에서의 리액턴스와 저항의 조합은 급전선의 임피던스와 그 너머 송신기의 출력 단계의 임피던스에 맞춰져야 한다. 일치하지 않으면 송신기에서 안테나로 보내진 전류가 안테나에서 급전선을 따라 다시 반사되어 선에 정상파라는 상태를 생성한다. 이것은 안테나에서 방사되는 전력을 감소시키고, 최악의 경우 송신기를 손상시킬 수 있다.

반응저항

파장의 ⁠ 1 / 4 ⁠보다 짧은 모노폴 안테나는 모두 용량성 반응저항을 갖는다. 짧을수록 이 리액턴스가 높아지고, 급전 전류 중 송신기로 반사되는 비율이 더 커진다. 짧은 송신 안테나에 효율적으로 전류를 공급하려면 상단 부분이 이미 그렇게 하지 않았다면 공명 상태(리액턴스 없음)가 되어야 한다. 정전 용량은 일반적으로 추가된 로딩 코일 또는 그에 상응하는 것으로 상쇄된다. 로딩 코일은 접근성을 위해 안테나 기저부에 배치되어 안테나와 급전선 사이에 연결된다.

20세기 초 'T' 공중선의 첫 사용 중 하나는 선박이었다. 이는 돛대 사이에 설치할 수 있었기 때문이다. 이것은 1912년 침몰 당시 조난 신호를 송출했던 RMS 타이타닉의 안테나이다. 50-미터 (160 ft) 수직선과 4개의 120-미터 (400 ft) 수평선으로 이루어진 다중선 'T'형 안테나였다.

'T'-안테나의 수평 상단 부분은 급전점에서의 용량성 반응저항을 감소시킬 수도 있으며, 높이가 길이의 약 ⁠ 2 / 3 ⁠인 수직 부분을 대체할 수 있다.^[9] 충분히 길다면 반응저항을 완전히 제거하고 급전점에 로딩 코일이 필요하지 않게 된다.

중파 및 저주파에서는 높은 안테나 정전 용량과 로딩 코일의 높은 인덕턴스가 짧은 안테나의 낮은 방사 저항과 비교하여 부하 안테나가 높은 Q 동조 회로처럼 동작하게 만들며, ⁠ 1 / 4 ⁠ λ 모노폴에 비해 전송선과 잘 일치된 상태를 유지할 수 있는 대역폭이 좁아진다.^[c]

넓은 주파수 범위에서 작동하려면 로딩 코일은 종종 조정 가능해야 하며 주파수가 변경될 때 송신기로 반사되는 전력을 제한하기 위해 조정되어야 한다. 높은 Q는 또한 안테나에 높은 전압을 유발하는데, 이는 수평선의 끝에 있는 전류 마디에서 최대이며, 구동점 전압의 대략 Q배이다. 끝의 절연체는 이러한 전압을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 고출력 송신기에서는 출력 전력이 종종 선에서 발생하는 코로나 방전의 시작으로 제한된다.^[10]

저항

방사 저항은 전파 방사로 인한 안테나의 등가 저항이다. 완전한 길이의 쿼터파장 모노폴의 경우 방사 저항은 약 25 옴이다. 작동 파장에 비해 짧은 안테나는 긴 안테나보다 낮은 방사 저항을 가지며, 때로는 T-안테나가 제공하는 최대 성능 향상을 훨씬 초과하여 치명적인 수준이 될 수 있다. 따라서 저주파에서는 'T'-안테나조차도 매우 낮은 방사 저항을 가질 수 있으며, 종종 1 옴 미만인 경우도 있다.^[5][11] 따라서 효율성은 안테나 및 접지 시스템의 다른 저항에 의해 제한된다. 입력 전력은 방사 저항과 안테나+접지 회로의 '옴' 저항, 주로 코일과 접지 사이에 분할된다. 코일 및 특히 접지 시스템의 저항은 소산되는 전력을 최소화하기 위해 매우 낮게 유지되어야 한다.

저주파에서는 로딩 코일의 설계가 어려울 수 있음을 알 수 있다:^[5] 높은 인덕턴스를 가져야 하지만 송신 주파수에서 손실이 매우 적어야 하며(높은 Q), 높은 전류를 전달하고, 접지되지 않은 끝에서 높은 전압을 견뎌야 하며, 조정 가능해야 한다.^[7] 종종 리츠선으로 만들어진다.^[7]

저주파에서 안테나는 효율적이기 위해 우수하고 낮은 저항의 접지를 필요로 한다. RF 접지는 일반적으로 수직선 기저부에서 외부로 확장되고 중앙에서 서로 연결된 많은 방사형 구리 케이블을 땅에 약 30 cm (1 피트) 깊이로 묻어 별 모양으로 구성된다. 방사형 케이블은 이상적으로 안테나 근처의 변위 전류 영역을 넘어설 만큼 길어야 한다. VLF 주파수에서는 흙의 저항이 문제가 되며, 방사형 접지 시스템은 일반적으로 카운터포이즈를 형성하기 위해 땅에서 몇 피트 위에 절연되어 설치된다.

등가 회로

1922년에 지어진, Historic Radio Engineers Club, 뉴욕주 리버헤드 소유의 아마추어 무선 케이지 'T'-안테나. 18-미터-high (60 ft)에 27-미터-long (90 ft)이다. 도체는 나무 스페이서로 지지된 6개 선의 '케이지'로 만들어졌다. 이 안테나는 1.5 MHz에서 440 W의 전력으로 대서양 횡단 통신을 달성했다.

1922년 미국 오클라호마주 오클라호마시티에 있는 아마추어 무선사 르로이 모팻 주니어, 5HK의 집의 케이지 역L형 안테나.

'T'-안테나와 같이 전기적으로 짧은 수직 안테나에 의해 방사(또는 수신)되는 전력은 안테나의 유효 높이 제곱에 비례하므로,^[5] 안테나는 가능한 한 높게 만들어야 한다. 수평선이 없으면 수직선 내부의 RF 전류 분포는 상단에서 거의 선형적으로 0으로 감소하여(위 그림 "a" 참조), 안테나 물리적 높이의 절반에 해당하는 유효 높이를 제공한다. 이상적인 "무한 용량" 탑 로드 선이 있으면 수직선 내부의 전류는 길이를 따라 일정하게 유지되어 물리적 높이와 동일한 유효 높이를 제공하므로 동일한 급전 전압에 대해 방사 전력이 4배 증가한다. 따라서 'T'-안테나에 의해 방사(또는 수신)되는 전력은 동일한 높이의 수직 모노폴보다 크거나 최대 4배까지 가능하다.

매우 큰 상단 부하 용량을 가진 이상적인 T-안테나의 방사 저항은^[6]

${\displaystyle R_{\mathsf {R}}\approx 5\left({\frac {\,4\pi \,h\,}{\lambda }}\right)^{2}\,}$

이므로 방사 전력은 다음과 같다.

${\displaystyle P=R_{\mathsf {R}}I_{0}^{2}\approx 5\left({\frac {\,4\pi \,h\,I_{0}\,}{\lambda }}\right)^{2}}$

여기서

h는 안테나의 높이,

λ는 파장,

I₀는 암페어 단위의 RMS 입력 전류이다.

이 공식은 방사 전력이 기저 전류와 유효 높이의 곱에 의존하며, 주어진 방사 전력을 달성하는 데 필요한 미터-암페어 수를 결정하는 데 사용됨을 보여준다.

(로딩 코일을 포함한) 안테나의 등가 회로는 안테나의 용량성 리액턴스, 로딩 코일의 유도성 리액턴스, 방사 저항 및 안테나-접지 회로의 다른 저항의 직렬 조합이다. 따라서 입력 임피던스는 다음과 같다.

${\displaystyle Z=R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}+j\omega L_{\mathsf {\ell .c.}}-{\frac {1}{\,j\omega C_{\mathsf {ant.}}\,}}~,}$

여기서

R_C는 안테나 도체 (구리 손실)의 옴 저항

R_D는 등가 직렬 유전 손실

R_ℓ.c.는 로딩 코일의 직렬 저항

R_G는 접지 시스템의 저항

R_R은 방사 저항

C_ant.는 입력 단자에서의 안테나의 겉보기 용량

L_ℓ.c.는 로딩 코일의 인덕턴스이다.

공명 시 안테나의 용량성 반응저항은 로딩 코일에 의해 상쇄되므로, 공명 시 입력 임피던스 Z₀은 안테나 회로의 저항들의 합이 된다.^[12]

${\displaystyle Z_{0}=R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}\,}$

공명 시 안테나의 효율 η은 방사 전력과 급전선에서 입력되는 전력의 비율이다. 방사 또는 열로 소산되는 전력은 저항에 비례하므로, 효율은 다음과 같다.

${\displaystyle \eta ={\frac {R_{\mathsf {R}}}{\,R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}\,}}}$

역사적인 17 kHz 그리메톤 VLF 송신기의 1.9-킬로미터 (1.2-마일) 다중 튜닝 플랫톱 안테나, 스웨덴

방사 저항이 일반적으로 매우 낮기 때문에 가장 높은 효율을 얻기 위해서는 안테나-접지 시스템의 다른 저항들을 낮게 유지하는 것이 주요 설계 문제임을 알 수 있다.^[12]

다중 튜닝 안테나

다중 튜닝 플랫톱 안테나는 지면 전력 손실을 줄이기 위해 고출력 저주파 송신기에서 사용되는 'T'-안테나의 변형이다.^[7] 이것은 여러 개의 송전탑에 의해 지지되는 여러 개의 평행선으로 구성된 긴 용량성 상단 부하로 이루어져 있으며, 때로는 몇 마일 길이에 달하기도 한다. 상단 부하에서 여러 개의 수직 방사선이 아래로 늘어져 있으며, 각각 자체 로딩 코일을 통해 접지에 연결된다. 안테나는 방사선 중 하나 또는 더 자주 상단 부하의 한쪽 끝에서, 상단 부하의 선들을 송신기로 대각선으로 가져와서 구동된다.^[7]

수직선들은 분리되어 있지만, 그들 사이의 거리는 장파의 길이와 비교할 때 작으므로, 그들 내부의 전류는 동위상이며 하나의 방사체로 간주될 수 있다. 안테나 전류가 하나가 아닌 N개의 병렬 로딩 코일과 접지를 통해 접지로 흐르기 때문에, 등가 로딩 코일 및 접지 저항, 따라서 로딩 코일 및 접지에서 소산되는 전력은 단순한 'T'안테나의 ⁠1/ N ⁠로 감소된다.^[7] 이 안테나는 무선전신기 시대의 강력한 라디오 방송국에서 사용되었지만, 여러 로딩 코일의 비용 때문에 인기가 시들해졌다.

같이 보기

• 다이폴 안테나
• 마스트 라디에이터

내용주

1. 공명 시 전류는 정현파 정상파의 꼬리 부분이다. 모노폴 "a"에서는 전류가 0이어야 하는 안테나 상단에 마디가 있다. 상단 부분 "b"에서는 전류가 중앙에서 수평선으로 양방향으로 흘러 수직선의 상단 부분에서 전류를 증가시킨다. 방사 저항과 각 경우의 방사 전력은 전류 분포의 수직 부분 면적의 제곱에 비례한다.
2. 600 kHz는 중파 대역의 AM 방송 대역 하단에 가깝다.
3. 그리스 문자 람다, λ,는 파장의 일반적인 기호이다.
4. 임피던스는 리액턴스와 저항의 복소수 합이다. 이들 모두는 단독으로 또는 조합하여 임피던스 전기 부품을 통한 전류 전송을 제한하고 연결 지점에서 전압 변화를 일으킨다.