[스크랩] 중파방송 DXing에 쓰이는 안테나 소개 (안경민 선생님 자료 인용)

제 목 : 중파방송 DXing에 쓰이는 안테나 소개...[ 1619 ]
보낸이 : 안경민(soagga) 1998-11-13 16:35:39

중파방송 수신용 안테나에 관한 소개 글입니다.

중파방송의 수신에는 초단파 - 단파 밴드와는 조금 다른 안테나를 사용해야 합니다. 왜냐하면 초단파 - 단파 밴드에서 사용 가능한 비임 안테나나, 다이폴 안테나는 중파대에서는 비현실적으로 사이즈가 커져버리고, 파장에 따른 안테나의 실효고를 충분하게 확보할 수 없기 때문입니다. (보통 수평계 지향성 안테나는 원활하게 동작하려면 최소 반파장 이상의 지상고를 필요로 합니다) 중파방송의 가장 높은 1600 킬로헤르츠만 해도 반파장이면 약 100 미터 가량 되어버려, 양 팔 길이 100 미터의 안테나를 건설하려면...비현실적인 안테나로 되어버리기 때문입니다.

중파방송용 수신안테나로 실제 사용되는 것은
1) 페라이트 코어 안테나 = 막대 안테나 = bar 안테나
2) 단축형 수직계 안테나 + 프리셀렉터/수신 증폭기의 조합,
3) 루프 안테나 ( loop antenna )
4) 수평계 수신 전용 안테나의 한 형태인 베버리지( Beverage ) 안테나
등이 있습니다.


먼저, 중파 라디오에서 가장 흔히 쓰이는 페라이트 코어 안테나 혹은 바아 안테나는, 원리를 간단히 소개하면, 고주파 증폭 초단에 주입할 방송 신호를 붙잡는 안테나를 구성을 할 때 고주파 신호에 효율적인 전자기 결합을 하는 자성 물질인 페라이트 코어 위에 동선을 촘촘히 감은 코일과 중파대에 적절한 용량을 가진 바리콘을 조합하여 목표로 하는 주파수의 전파를 동조 시켜서 끄집어 냅니다. 이렇게 유도된 중파 신호를 라디오의 고주파 증폭단에 입력시킵니다.

페라이트 코어를 이용한 중단파대용 안테나는 안테나의 크기를 소형화하는 데 아주 유리하여 요즈음에는 거의 대부분의 소형 라디오에 이런 방식의 안테나를 사용합니다. 전문적인 통신형 수신기에는 어울리지 않는 방식이지만 소형의 포켓형 수신기는 거의 이 방식을 사용하게 되었습니다. 페라이트 코어는 막대 모양을 한 경우가 많아 bar(바아) 안테나라는 명칭도 자주 사용합니다.

이 페라이트 코어 안테나의 능률은 어느 정도까지는 페라이트 막대의 크기에 비례하는 경향이 있습니다. 페라이트 막대를 크게 해버리면, 이것을 넣어야하는 라디오의 케이스 크기가 커져야하는 단점이 있으므로 대충 5 - 15 센티 정도의 페라이트 막대를 사용하는 모양입니다.

이 페라이트 코어 안테나는 수신시에 지향성을 강하게 가집니다. 목표 방송국과 페라이트 막대의 길이 방향이 서로 90도 각도로 되어 막대의 긴 변과 송신탑이 마주 볼 때 가장 강한 수신이 가능하고, 페라이트 막대의 축 방향과 송신탑이 서로 일치되어 180도를 이루면 가장 신호 강도가 약해집니다. 소형 라디오로 AM 방송을 수신하면서 라디오를 이리저리 돌려보시면, 크게 수신되었다 약하게 수신되었다 하는 경향을 금방 경험하실 수 있을 겁니다. 가장 강하게 수신 될 때, 라디오 내부의 바아 안테나의 긴 변과 방송국의 송신탑이 서로 마주 보고있는 상태라 짐작하면 되겠습니다.

페라이트 코어 안테나는 소형화하는 데 특히 장점이 있어 요즈음 널리 쓰이지만, 미약한 신호를 수신하는 능력은 좀 떨어집니다. 추가로, 요즈음과 같은 철근 콘크리트로 지은 주택은 전파를 차단-흡수하는 성질이 강하므로, 페라이트 코어 안테나를 가진 소형 라디오로, 실내에서 수신한다면 중파 DXing에는 가장 불리한 환경이 되겠습니다.

아파트에 거주하는 경우, 밖으로 환히 트인 쪽의 창가에 라디오를 바짝 붙여 두고 수신한다면, 그쪽에서 날아오는 전파는 흡수가 덜하므로, 밤에 창가에서 중파 라디오를 이리저리 방향을 바꾸어가며 수신해본다면, 제법 먼 거리의 중파 방송국도 수신할 수 있을 듯합니다. 그러나, 본격적인 중파 DXing을 하려면, 아무래도 내장 bar 안테나만으로는 역부족일 수가 있겠습니다.

이 정도로 페라이트 코어 안테나에 대한 소개 글을 줄이기로 하고요... 그 다음으로, 단축형 수직계 안테나 + 수신 증폭 장치에 의한 중파 안테나를 간략히 소개해 드리겠습니다.

수직 안테나의 동작 원리는, 지면에 수직으로 세운 주파수의 1/4 길이의 도체가 그 기본 원리가 되겠습니다. 이 경우, 지면의 접지(earth)효과에 의해 반파장 다이폴 안테나가 수직으로 서있는 것과 전기적으로 동일한 동작을 하게됩니다.
수직 안테나를 영어로는 Ground Plane의 약자를 따서 GP 안테나라고도 합니다.

이 안테나는 자신의 고유 공진 주파수 외에도 상당히 넓은 주파수 범위의 전파를 잘 받아들이는 경향이 강합니다. 그리고 단축 코일을 이용하여 안테나의 길이를 상당히 줄일 수 있습니다. 중파 DX용으로 상품화된 몇몇 안테나를 보면, 단축 코일을 사용한 수직형 안테나에, 목적 주파수를 공진시키는 프리 셀렉터 회로와 저잡음 증폭기를 조합하여 중파대에서도 상당한 수신능력 향상을 보입니다.

Sony, Datong, Grove등등의 해외 메이커에서 이러한 중파 DX용 안테나를 상품화하여 발매중입니다. 다만, 이들 안테나는 실외에, 주위가 잘 트이는 곳에 고정하여두고, 동축케이블 등으로 수신기의 안테나 단자에 연결해야하므로 약간 불편한 점도 있습니다. 그러나 상품화되어있다는 점, 그리고 중파 외에도 단파대까지 넓은 범위의 수신이 가능하다는 점등의 편리함 때문인지... 발매된 이후 꾸준히 사용자가 있는 것으로 알고있습니다.

단축형 GP안테나는 단점도 많이 있습니다. 가장 큰 문제점이 혼신에 약하다는 점일 듯합니다. 넓은 주파수 범위의 모든 방향의 전파를 쉽게 받아들이는 점은, 되짚어 말하면, 혼신을 잘 일으킨다는 뜻도 되겠습니다. 잡음이 많고, 혼신에 약하다는 점은 이 안테나가 중파 DXing에 인기를 얻지 못하게 하는 요인이 될 것입니다.

단축형 수직 안테나의 또 다른 단점으로는 수신 방향에 대한 지향성이 없다는 점입니다. 모든 방향에서 골고루 전파를 잘 받아들인다는 점은 곧 바꾸어 말하면, 여러 개의 방송이 촘촘히 들리는 상황에서 혼신을 피할 대책이 없다는 말이 됩니다. 앞서 말씀드린 페라이트 코어 안테나라면, 이렇게 여러 개의 방송이 같은 주파수에서 혼신될 때 수신기를 천천히 돌려서, 목표 방송이 가장 강하게 수신되고, 방해 방송이 가장 약하게 되는 위치를 선택할 수 있겠지요? 만약 두 방송국이 서로 떨어져 있긴 하지만 수신위치에서 보아 송신탐이 거의 똑같은 방향에서 거리만 서로 다른 곳에 있다면 이때는 대책이 없겠습니다. 이런 일은 아주 특수한 예외적인 상황이긴 하겠습니다.

세 번째로 소개드릴 중파 DXing용 안테나는 루프 (loop) 안테나입니다. loop 안테나도 동작 원리상 두 가지 계열이 있습니다. 한가지는 중파방송의 수신에 쓰이는 소형 루프 안테나이고, 또 다른 한가지는 아마추어 무선사들이 송수신용으로 사용하는 큐비컬 쿼드 안테나 등과 같은 large loop 안테나입니다. 이 글은 중파 DXing용 안테나에 관한 글이라, 여기서 말씀드리는 것은 소형 루프 안테나에 관한 설명입니다.

수신용 소형 루프 안테나 (이하 루프 안테나)의 동작 원리와 이것이 필요로 한 이론적인 배경은 이렇습니다. 보통, 우리가 쓰는 소형 중파라디오는 라디오의 전체 크기를 적게 만들기 위해 라디오 속에 들어가는 페라이트 코어 안테나를 적당한 수신 성능이 나올 수 있는 최소한의 것으로 선정합니다. 이 정도면, 거주지 근처의 대형 중파방송을 듣는데는 아무런 지장이 없게되고, 사실 일반 소비자들도 전혀 불만이 없을 것이기 때문입니다.

그렇지만 우리들 중파 DXing에 관심을 가지는 사람이라면, 수신 성능, 특히 안테나 쪽의 수신 성능에 뭔가 부족한 점이 있는 상황으로 될 것입니다. 이런 일반 라디오의 중파 수신 능력을 간단히 향상시킬 수 있는 방법이 바로 루프 안테나입니다.

우선 간단히 루프 안테나를 제작해봅시다. 둘레 약 3미터 정도의 원 - 정삼각형 - 정사각형 모양으로 생긴 테두리를 따라 에나멜선이나 비닐 전깃줄을 약 6회 정도 감습니다. 그러면, 이 때 감긴 구리줄의 전체 길이는 약 18미터 가량 될 것입니다. 이 전선의 양쪽 끝을 각각 중파용 2련 바리콘의 양쪽 단자에 하나씩 납땜합니다. 이것이 가장 기본적인 중파용 루프 안테나입니다. 전기 회로적으로는 이것은 구경이 대단히 큰 고정 코일과 용량을 변경시킬 수 있는 콘덴서가 연결된, LC 결합형 동조회로가 됩니다. ( L은 코일을, C는 콘덴서를 의미)

실제 거주공간에서 사용하기에는 루프 모양의 코일을 정삼각형 모양으로 감고, 이것을 거꾸로 세워 삼각형의 한 꼭지점에 고정용 나사를 달면, 이 루우프 안테나가 목표 방송국을 찾아 빙빙 돌게될 때 걸리적거리지 않아서 가장 편리할 듯합니다. 아마도 이런 이유로 삼각(트라이앵글)형 루프 안테나가 가장 많이 제작되고 소개되는 모양입니다만, 같은 길이의 전선줄로 개구면(開口面)의 넓이가 최대일 때 이 안테나에 야기되는 전자파의 효율이 가장 높으므로, 실상 똑같은 재료비라면, 원형으로 감는 것이 가장 수신 감도가 뛰어나고, 그 다음이 정사각형, 그 다음이 약간 통통한 직사각형, 마지막이 정 삼각형 루프의 차례로 수신 효율이 좋을 것입니다. 하긴, 그 차이라 해봐야 미미하긴 하겠지요...

이렇게 제작된 루프 안테나를 사방이 훤하게 트인 야외에 두면 어떤 일이 일어날까요? 이 안테나의 코일(loop)과 바리콘의 콘덴서 용량에 의해 정확하게 동조되는 주파수의 전파만 강하게 안테나의 전기회로에 공진되어 흐르게됩니다.
이때의 주파수결정 공식은 물리 교과서 같은데서 흔히 소개되지요.
F = 1/2 pi SQRT {LC},


여기서 F는 주파수 kHz, L은 코일의 밀리헨리 mH, C는 컨덴서의 용량, 마이크로 패럿 mu F이 되겠습니다.( 캐릭터 모드에서 수식을 자세히 쓰지 못하여 죄송합니다)

이 때, 이 안테나에서는 코일의 직경이 대단히 크기 때문에 이 안테나 회로에 정확히 동조되는 주파수의 신호만 매우 강하게 동조되어 흐르고, 이 주파수를 조금이라도 벗어난 주파수의 전파는 거의 흐르지 못하는 현상이 발생합니다. 이런 상황을 이 동조회로의 Q가 높다고 표현합니다. 똑 같은 길이의 전선을 직경이 작은 원통에 촘촘히 여러번 감아 동일한 코일의 용량을 맞춘 경우에는 이러한 높은 주파수 선택도가 나오지 않습니다. 이러한 초(超) 대구경(大口徑) 코일의 예리한 선택도와 능률 높은 동조 특징을 이용한 것이 중파 루프 안테나입니다.

중파 루프 안테나는 안테나 자체의 크기가 커서 여기에 복사되는 전자파 에너지가 소형 안테나에 비해 크기의 제곱에 비례해 많이 수신할 수 있다는 점(복사 에너지는 안테나의 표면적에 비례합니다)과 목표로하는 주파수의 전파만 강하게 수신하고 인접한 주파수의 신호는 억제할 수 있는 점, 그리고 루프 안테나의 넓은 개구면 쪽에서 오는 전파만 골라서 수신할 수 있는 지향성등의 세가지 장점이 어우러져 중파 라디오의 미약한 DX 신호를 수신하는 성능을 높이게 됩니다.

그러면, 이 루프 안테나를 소형 중파 라디오와 어떻게 연결해야 할까요? 워낙, 소형 라디오 안에는 앞서 이야기한 bar 안테나 (페라이트 코어 안테나, 혹은 막대 안테나라고도 함)가 내장되어있으므로, 단순히 이 루프 안테나 근처에 라디오를 갖다두기만 하면, 루프 안테나에 의해 강하게 동조된 주파수의 신호가 안테나 코일 근처에 강한 전자기장을 형성하여, 페라이트 막대로 된 라디오의 내장 안테나에 강한 신호가 유도되도록 합니다. 이런 현상을 고주파 혹은 교류의 소결합(疏決合)에 의한 유도작용이라 합니다.

안테나를 그냥 라디오 근처에 갖다 두기만 해도 충분히 놀라운 수신 성능의 향상을 기대할 수 있습니다. 소형 라디오를 방송이 전혀 들리지 않는 어떤 주파수를 수신하도록 한 다음, 루프 안테나를 근처에 두고 여기에 붙어있는 바리콘을 천천히 돌려보면, 갑자기 방송 신호가 나타나게됩니다. 이 때, 루프 안테나와 라디오의 내장 막대 안테나사이의 소결합이 더욱 강하게 일어나도록 하려면, 라디오가 루프 안테나 코일의 한가운데에 있으면서, 루프 안테나가 만드는 평면과 막대 안테나의 축 방향이 서로 직각으로 교차하도록하면 가장 강한 전파의 유도를 얻어낼 수 있습니다. 그러나 제 개인적인 경험으로는 그냥 바닥 근처에 서로 인접하게 위치시킨 것과의 차이는 눈에 띄게 대단한 정도는 아니었습니다.

이 중파용 루프 안테나를 이용하여 단파대용 안테나를 만들 수도 있습니다.
전선을 감는 횟수를 조금 줄이면, 단파대중에서도 낮은쪽 주파수, 대락 10메가 헤르츠 이하에서는 실용상 괜찮은 성능을 보여줍니다 (안테나를 만드는 데 드는 노력과 비용, 그리고 크기를 감안하여 괜찮은 정도이지, 건물 옥상에 친 단파전용 안테나에 비하면 성능이 못하긴합니다). 단파대 중에서도 높은 쪽의 주파수대에서는 실내의 루프 안테나는 다른 타입의 단파 전용 안테나와 비교하여, 더더욱 재미가 적습니다. 루프 안테나를 단파대 수신용으로 사용할 때는 중파방송때 사용했던 내장 안테나와의 소결합 방식으로 해서는 능률이 심하게 떨어 지므로, 루프 안테나 안에 안테나 결합용 루프를 하나 더 넣어서 매칭 시키고, 동축으로 신호를 뽑아 안테나 단자에 연결 시키는 것이 좀 더 나은 수신 성적을 보여줄 것입니다.

가정용 오디오 세트 등에서 간혹 중파방송 수신용으로 루프 안테나를 세트 뒤에 달아놓은 경우도 흔히 봅니다. 이것도 loop 안테나의 원리를 이용한 것입니다. 다만 설계상의 접근 방법은 약간 다를 듯 합니다. 이것은 중파 DX를 위한 것이기보다는 오디오 세트를 수납하는 금속성 케이스가 페라이트 코어를 이용한 막대 안테나를 차폐하게되어 적절한 중파 수신 감도를 얻기 어려운 상태를 개선하기 위한 것입니다. 대충 중파 밴드 전반에 걸쳐 무난하게 동조하는 외부 안테나를 구사한 상황이라 짐작하면 되겠습니다. 이때는 루프 안테나의 개구 면적이 너무 크면 오히려 중파 방송 밴드의 특정 부분만 강하게 수신되는 상태가 될 수도 있으므로, 개구 면적도 적당하게 오디오의 케이스 뒷면에 어울릴 정도로만 하여도 오디오의 튜너로서는 인근 중파방송 수신에 전혀 불만이 없을 듯합니다. 우리들이 원하는 중파 DX에 사용하기에는 개구 면적이 너무 작아 미약 신호를 끄집어내는 능률이 모자랄 듯하고, 또 이 안테나를 빙빙 돌려 수신방향을 편리하게 변경하기에는 좀 곤란한 모양새를 하고있다고 여겨집니다.

마지막으로 특이한 수신전용 수평계 안테나의 한 형태인 Beverage antenna의 동작 원리와 실제 상황에서의 적용법, 그리고 중파대에서 여러 개의 베버리지 안테나를 결합시켜 강한 지향성과 이득을 얻는 방법, 수식계 안테나에 지향성을 갖게 해주는 Phase array기법과 매칭법 등에 대해서도 몇가지 부언해서 말씀드릴 기회가 있었으면 합니다만, 이미 글이 너저분해질 정도로 너무 길어졌고, 또 실상 저도 이들 안테나에 대해서는 직접적인 경험도 거의 없고, 또 이곳 동호회 회원분의 자세하고도 친절한 글이 이미 올라와있기도 하므로 언젠가 적당한 기회가 닿기를 바라면서 미루어 두도록 하겠습니다.

중파 방송을 비롯한 Low-Band의 DXing에 유리한 요소들이 중복되어, 다른언제보다 확률을 높이는 겨울밤, 조그만한 호주머니 라디오로 유럽이나 아프리카 신호를 붙들어내는 기적이...일어나기를 바랍니다!

출처 : KSWC 한국단파클럽

글쓴이 : 박성문 원글보기

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