아마추어 무선사에게 안테나 아날라이져는 가져봤으면 하는 생각을 한번 쯤 하게되는 장비일 겁니다. 송신이 필요한 안테나라면 더욱 그렇지만 수신만 하는 안테나라도 임피던스가 잘 맞고 안맞고에 따라 수신 전파의 품질차이는 참으로 크지요. 더구나 SDR 처럼 컴퓨터를 통해 수신기를 구현하는 일이 흔한데 디지털 기기의 동작으로 인한 하모닉 노이즈의 영향을 피할 수 없습니다. 이럴때 수신되는 전파세기를 높여서 디지털 잡음을 묻어버리는 것도 생각하게 됩니다. 방법은 전파 입구인 안테나와 수신기 입력의 임피던스를 맞춰 주는 것입니다.
감도는 좋지만 혼변조에 취약한 SDR 이나 직접변환 수신기(Direct Conversion)의 경우 가급적 잘 공진된 안테나를 필요로 합니다. 더구나 전 단파대를 다 듣고자 하는 BCL 이라면 어디 그런 안테나 설치하기가 쉬운가요. 결국 형편껏 롱-와이어 걸쳐놓게 되는데 당연히 임피던스 따위는 맞지 않을테니 LC 회로를 이용한 안테나 튜너를 장착하게 됩니다. 안테나 튜너는 차단 필터(LPF, Low Pass Filter)이기도 하므로 혼변조 신호를 차단하는데도 효과가 있습니다. 전자공작 카페에 포터블 안테나 튜너 게시판을 보면 그리어렵지 않게 만들 수 있습니다.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Ivec/1
문제는 듣고자 하는 주파수에 맞춰 가변용량 L과 C를 조정하여 변화하는 임피던스를 수신기의 50옴에 맞춰줘야 합니다. 만일 송신기가 있다면 출력을 낮게 두고 되돌아오는 전파세기가 가장 낮은 점을 찾으면 되겠지요. SWR 메터같은 장비가 없다면 간단한 SWR 표시기라도 하나 만들면 좋습니다. 이때 안테나 튜너를 조작하기위해 고주파 발진기 혹은 시그널 제네레이터라도 필요합니다. 송신기가 없을 경우 위와 같은 SWR indicator는 소용없습니다.
http://www.qrpkits.com/swrindicator.html
송신기 없이 직관적으로 안테나 튜너를 조정할 때에는 수신기를 통해 대략 소리가 크게 들리는 지점을 맞추게 됩니다. 안테나 튜너를 조정하는 중에 소리가 살짝 크게 들린다 해도 임피던스가 잘 맞았다고 보기는 어렵긴 하겠군요. 만일 "대략"이 맘에 걸린다면 안테나 아날라이져라도 하나 장만해도 좋구요. 그런데 이 장비 소유하기에 가격이 만만치 않습니다. 그냥 안테나 공진점 맞추는 손쉬운 장치로 딥 메터라는 것이 있기도 합니다. 딥-메터는 공진 주파수를 대략 알려 주긴 합니다.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Dfwy/12
비싼 고급의 안테나 아날라이져라는 측정기는 임피던스를 저항(R)과 리액턴스(X)성분으로 알려주고, SWR 값도 표시하고 뭐 이런저런 측정치를 보여 줍니다. 안테나 아날라이져에서 임피던스 R+Xj 의 측정방법은 아래 링크글을 보시구요.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/J0Rs/17
그런데 그런 측정치를 안다고 한 들 취할 대책이 뭐냐는 것이죠. 이제 안테나 아날라이져를 사용하는 "실용적" 목적을 생각해 봅니다. "어느 주파수에 안테나 임피던스가 50옴인지 알고 싶다"면 간단합니다. 주파수 발생기와 위의 SWR Indicator만 있으면 됩니다.
위의 원리는 아주 간단합니다. 우리모두 잘아는 휘트스톤 브릿지(Wheatstone Bridge)라는 겁니다. 아마추어 무선사 자격시험에도 단골로 등장하는 회로인데 옴의 법칙 하나면 금방 이해가 되죠. 이참에 알아두실까요?
먼저 첫번째 그림의 회로를 봅시다. 저항을 이용한 분압(Resistor Voltage Divider)회로죠. R1과 R2의 합성저항을 통하는 전류는 i 입니다. 옴의 법칙(V=iR)에따라,
V=i(R1+R2)
전체 회로의 전류량은 어디서 재든 모두 i 만큼입니다. 하지만 저항 단자의 위치에 따라 전압은 다르죠.
Vout = iR2
위의 두 식에서 공통변수 i를 두고 등가식을 만들면 Vout 이 계산됩니다. 무슨법칙이니 이론이니 뭐 그런거 따지지 않더라도 회로의 전체에 흐르는 전류량은 어느 위치에서 재든 같습니다. 다만 저항 값에 따라 전압의 변화가 있습니다.
이번에는 저항을 좀 복잡하게 달아봅니다. 두번째 그림처럼 구성한 회로를 휘트스톤 브릿지라고 합니다. 휘트스톤 브릿지 회로는 문제 내려고 만든 것이 아니고 측정기의 기본회로이기도 합니다. 미지의 저항값을 측정할 때 사용하지요. 안테나 아날라이져에서도 사용됩니다. 전체 회로에 흐르는 전류는 고정되어 있고 R1과 R2로 흐르는 전류량과 R3와 R4로 흐르는 전류량의 합이됩니다. R1+R2와 R3+R4가 같다면 전류량은 전체 전류량의 절반씩 흐르게 됩니다. 전류를 공통변수로 두고, a와 b 지점의 전압은 저항 분압기에서 본 수식과 같죠. a와 b의 전압차이를 측정해서 동일 하다면 두 분압회로는 평형을 이뤘다고 하죠. 이때 각 저항 값의 관계는 아래와 같습니다.
R2*R3 = R1*R4
만일 R4 값이 미지 저항이라 한다면 나머지 저항치를 조절하여 a 와 b 지점사이의 전압차를 0으로 만들었다고 하죠. 이때 미지 저항 R4는 위의 수식으로 구할 수 있습니다.
위의 SWR Indicator는 바로 휘트스톤 브릿지를 이용한 겁니다. 전압 측정기 대신 LED를 달았구요. R1, R2, R3를 모두 50옴으로 두고 R4를 미지저항으로 삼아 안테나에 연결합니다. 그리고 전력을 인가해보죠. 균형을 이루면 전압차가 없으므로 LED는 켜지지 않습니다. 이때가 바로 R4의 임피던스가 50옴인 것이죠. 안테나 임피던스가 오직 50옴인지 아닌지만 알면되는 겁니다.
휘트스톤 브릿지는 순전히 저항만의 회로인데다 네개의 저항이 모두 같은 값이니 전류 방향이 어느 쪽이되든 분압 법칙은 통합니다. 교류든 직류는 상관 없습니다. 그런데 미지 저항으로 삼은 R4가 리액턴스를 가진 안테나 이므로 전체적으로 교류회로 입니다. a와 b 지점의 전압은 고주파(교류)로 측정합니다. 고주파 전력 성분을 인출해내기 위해 픽-업 코일을 이용합니다. 교류 전압 측정용으로 넓은 단파대에서 고른 특성을 갖는 토로이드 코어를 사용했고 LED를 켜려니 검파해 줬군요. 넓은 단파대역 내에 믿을 만한 전압 측정치를 얻을 순 없습니다. 회로에 인가한 전력량과 브릿지에서 인출한 전력량과 손실량, 그로 인하여 측정되는 임피던스 값이 얼마인지 측정하는 것은 차치하고 어쨌든 LED가 꺼져 임피던스가 50인지 아닌지만 알면 되는겁니다. 소위 정량적 세밀한 분석은 그만두고 정성적으로 임피던스가 딱 50옴에 맞아서 인출되는 전압이 없어야 한다는 조건만 살피는 것이죠. 말 그대로 "실용적" 안테나 아날라이져입니다.
LED를 켜려면 어느정도 출력이 되는 고주파 발생기가 있어야 겠습니다. 위의 SWR Indicator는 QRP 송신기용입니다. 송신기가 없다면 DDS VFO를 사용해도 좋습니다. 그마저도 없다면 간단한 VCO라도 하나 달아보는 것도 좋겠지요. 전자공작 카페의 DDS VFO도 있습니다.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Ipmx/11
DDS VFO나 PLL VCO 칩의 출력만 가지고는 LED에 불을 켤수 있을만큼 출력이 나오지 않기때문에 구동용으로 트랜지스터를 달아줍니다. 고주파 신호 발생기용 VCO로 74HC4046같은 아주 값싸고 좋은(?) PLL을 사용할 수 있습니다. 주파수를 표시해 줘야하니 카페 공제품 주파수 카운터를 사용해도 되겠구요.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Dfwz/9
그래서 이리저리 만들어 몇년째 잘 쓰고 있습니다. 안테나 튜너를 통해 조정하는데 아주 요긴하게 사용중입니다.
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Dfye/65
원래 이 안테나 튜너는 외국의 키트 상점에서 Tena Dipper 라고 하는 키트로 판매중입니다.
http://www.qrpkits.com/deluxetennadipper.html
회로도 간단하고 작동 원리도 다 알았으니 하나씩 만들어 보셔도 좋겠죠. 필요한 부품들은 온-라인 부품상에서 손쉽게 구할 수 있습니다. 뭣에 쓰이는 기능인지도 모른 채 혹은 보여주는 수치가 그저 장식일 뿐인 채 고가 장비를 사지만 그래봐야 결국 알고 싶은 것은 지정된 주파수에서 안테나 임피던스가 50옴인지 아닌지 알고 싶었던것 아닌가요? 전자공작 카페의 주파수 카운터와 DDS VFO, 토로이드 코어만 있으면 누구라도 당장 안테나 아날라이져를 마련하게 되는 겁니다. 전자공작 카페에서 제공하는 키트는 고장날까봐 걱정하실 필요도없습니다.
당장 지르십시요! ^^
http://cafe.daum.net/elechomebrew/FrgU/18
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Ipmx/8
http://cafe.daum.net/elechomebrew/GFpN/3
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