J극 안테나

J-pole antenna
동축 케이블(왼쪽)과 평행선(오른쪽)으로 공급되는 J극 안테나. 오른쪽 다이어그램은 소자의 전압(V, 빨간색 밴드)과 전류(I, 파란색 밴드)의 입력을 나타낸다.

J 안테나로 더 적절하게 알려진 J극 안테나는 단파 주파수 대역에서 사용되는 수직 전방향 송신 안테나다.[1] 1909년 한스 베게로우가 제플린 비행선에서 사용하기 위해 발명했다.[2] 비행선 뒤쪽으로 추적된 그것은 안테나 임피던스와 피드라인에 매칭되는 쿼터파 병렬 전송 라인 튜닝 스터브와 직렬로 하나의 반 파장 길이의 와이어 라디에이터로 구성되었다. 1936년에 이르러 이 안테나는 복사 소자와 일치 단면을 수직으로 탑재하여 문자 "J"[3]의 형상을 부여한 육지 송신기에 사용되기 시작했으며, 1943년에 이르러 J 안테나로 명명되었다.[1] 복사 반파 단면을 4파 매칭 스터브에 직각으로 수평으로 장착할 때, 그 변동을 보통 Zepp 안테나라고 한다.[4]

작동 방식

J극 안테나는 단선이 된 쿼터파 병렬 전송선 스터브에 의해 피드라인에 매칭되는 엔드파이드 전방향 반파 안테나다.[5][1][6] 송신 안테나가 효율적으로 작동하기 위해서, 그것의 공급 라인이 제공하는 모든 전력을 흡수하기 위해서, 안테나는 공급 라인의 특성 저항과 동일한 저항을 가져야 한다. 한쪽 끝에서 공급되는 반파 안테나는 공급 지점에 전류 노드를 가지고 있어 약 1000~4000옴의 매우 높은 입력 임피던스를 제공한다.[5] 짧은 쿼터웨이브 스텁은 오픈 엔드에 유사한 고임피던스 노드가 있어 안테나와 잘 어울린다. 스터브의 한쪽 팔은 안테나를 만들기 위해 반 파장을 확장한다. 전송선을 따라 적절한 지점에 안테나의 공급선을 부착함으로써 스텁은 이 임피던스를 낮은 공급선 임피던스와 일치하도록 변환하여 안테나가 효율적으로 전력을 공급할 수 있게 한다.[6] 시공 중에 임피던스 일치가 얻어질 때까지 SWR을 모니터링하면서 스터브를 따라 피드라인의 연결을 앞뒤로 미끄러짐으로써 피드라인의 적절한 부착점을 찾을 수 있다.[1][6] 반파 안테나로서, 그것은 1/4파 지상면 안테나를 통해 약 2dB의 작은 이득을 제공한다.[7]

게인 및 방사선 패턴

기준 쌍극자에 대한 J 안테나의 전자 평면 게인 측정.

주로 쌍극 안테나는 수평(H) 평면에서 대부분 전방향 패턴을 보이며, 평균 자유 공간 이득은 2.2dBi(0.1d)에 가깝다.[8] 측정과 시뮬레이션을 통해 1/4파 스텁이 원형 H-평면 패턴 모양을 수정하여 J 스텁 요소의 측면에 게인을 약간 증가시키고 J 스텁 요소의 반대쪽 측면에 게인을 약간 감소시키는지 확인한다.[8][9] J-stub에 대한 직각에서, 이득은 약 2.2dBi(0.1dBd)의 전체 평균에 가깝다.[8] 쌍극자의 2.15dBi(0dBd) 이득에 비해 약간 증가한 것은 매칭 섹션의 현재 불균형에 의해 만들어진 패턴에 대한 작은 기여를 나타낸다.[8] 표고 또는 (E 평면)의 패턴은 J 원소의 방향에서 패턴의 약간의 표고를 나타내며 J 원소의 반대쪽 패턴은 대부분 넓은 면에 있다.[9] 1/4파 스텁에 의한 섭동의 순 영향은 H-평면이 1.5~2.6dBi(-0.6dBd~0.5dBd)[9]의 대략적인 이득이다.

환경

모든 안테나와 마찬가지로 J극은 유도장[10](반응성 근거리장 영역이라고 함)에서 전기 전도성 물체에 민감하며, 일반적인 시스템 설치 고려사항의 일부로 이러한 근거리장 상호작용을 최소화하기 위해 충분한 분리를 유지해야 한다.[12] 쿼터파 병렬 전송 라인 스터브에는 병렬 도체 사이의 간격에 비례하는 강도 및 크기가 있는 외부 전자기장이 있다.[13] 병렬 도체는 수분, 눈, 얼음이 없어야 하며 다운스팟, 금속 창틀, 점멸 등을 포함한 다른 도체로부터 병렬 스터브 도체 사이의 간격의 2-3배만큼 떨어져 있어야 한다.[4] J-Pole은 전도성 지지 구조물에 매우 민감하며 안테나 도체와 장착 구조 사이의 전기적 결합 없이 최고의 성능을 달성할 수 있다.[14][15]

건설

안테나는 두 개의 평행 직선 금속 도체로 구성되며, 하나는 작동 주파수에서 파장의 3/4와 다른 1/4은 하단에서 함께 단락되었다.[citation needed] 대표적인 건축자재로는 금속관,[1] 래더라인, 트윈리드 등이 있다.[16] 매칭 섹션은 전송 라인으로 작용해야 하므로 평행 도체는 0.02 파장 이상 떨어져서는 안 된다.[17]

J극 안테나 및 그 변형은 균형 잡힌 선으로 공급될 수 있다.[1] 공급 라인 RF 전류를 억제하는 수단을 포함하는 경우 동축 공급 라인을 사용할 수 있다.[14][18] J극의 공급점은 닫힌 저임피던스 바닥과 J 스터브의 열린 고임피던스 상단 사이의 어딘가에 있다.[1][3] 이 두 극단 사이에 낮은 임피던스 포인트에서 높은 임피던스 포인트 사이의 임피던스와 일치하는 것을 사용할 수 있다.[1][3]

J극 설계는 균형 공급(발룬, 변압기 또는 초크를 통해)으로 공급될 때 잘 기능하며 도체와 주변 지지대 사이에 전기 연결이 존재하지 않는다.[14][15] J 안테나의 과거 문서에 따르면 일치하는 스텁의 하단은 접지와 관련하여 전위가 0이고 접지 와이어 또는 돛대에 연결될 수 있으며 안테나 작동에 영향을 미치지 않는다.[1] 이후 연구는 안테나로부터 전류를 끌어내는 돛대나 접지선의 경향을 확인시켜 안테나 패턴을 잠재적으로 손상시킬 수 있다.[19] 공통 접근방식은 J극 하단 아래로 도체를 확장하여 장착 구조물의 모든 부분에 추가적이고 바람직하지 않은 RF 전류가 흐르게 한다.[14] 이것은 일반적으로 원거리 안테나 패턴을[19] 수정하며, 항상은 아니지만, 1차 로브를 수평선 위로 올려 지상 서비스의 안테나 효과를 감소시킨다.[15] 지지대에 전기적으로 연결된 J극 안테나는 종종 더 단순한 단극 안테나보다 더 낫지 않고, 훨씬 더 나쁠 때도 있다.[14] 마스트 디커플링 스터브는 마스트 전류를 감소시킨다.[19][20][21][22]

변형

J-pole Antenna and variations of same.
J 안테나 변동의 전자 평면 게인 그림

슬림 짐 안테나

J극의 변형은 2BCX Slim Jim이라고도 알려진 Slim Jim 안테나로,[23] 접힌 쌍극이 쌍극과 관련된 방식으로 J극과 관련이 있다.[24] 슬림 짐은 J-폴을 형성하는 여러 방법 중 하나이다.[24] 1978년 프레드 저드(G2BCX)가 선보인 이 이름은 슬림한 구조와 J타입 매칭 스터브(J Integrated Matching)에서 유래했다.[23]

J극 안테나의 슬림 짐 변형은 단순 또는 접힌 하프웨이브 안테나와 유사한 특성과 성능을 가지며 기존의 J극 구조와 동일하다.[24] 저드는 Slim Jim이 5/8 파장 접지면 안테나보다 더 낮은 도약각과 더 나은 전기적 성능을 낸다는 것을 발견했다.[23] 사다리 전송 라인에서 제작된 슬림 짐 안테나는 접힌 쌍극형 요소에 기존 병렬 도체를 사용한다.[9] 구리 파이프 변형에서 Slim Jim은 성능상의 이점이 없이 더 많은 재료를 사용한다.[9] 슬림 짐 안테나는 기존의 J극 안테나에 비해 성능상 이점이 없다.[9][24]

Slim Jim의 H 평면에서 대략적인 이득은 1.5 ~ 2.6dBi(-0.6dBd ~ 0.5dBd)[9]이다.

슈퍼J 안테나

J극 안테나의 Super-J 변형은 기존의 J 위에 또 다른 콜린어 반파 라디에이터를 추가하고 이 둘을 위상 스터브와 연결하여 두 수직 반파 섹션이 모두 전류 위상에서 방사되도록 한다.[25] 두 개의 반파 구간 사이에 있는 단계적 스터브는 종종 프랭클린 스타일이다.[25][26][27]

Super-J 안테나는 수직 빔 폭을 압축하고 기존 J-pole 디자인보다 이득이 많다.[28] 두 개의 복사 섹션 모두 시준 배열의 최대 장점을 실현하기에는 분리가 불충분하여 종래의 J극이나 반파 안테나에 비해 최적 3dB보다 약간 적다.[28][29]

Super-J 안테나의 H-평면에서 대략적인 이득은 4.6~5.2dBi(2.4dBd~3.1dBd)이다.[29]

J 안테나

시준 J 안테나는 두 개의 복사 반파 구간을 분리하여 단계 코일을 사용하여 이득을 최적화함으로써 Super-J를 개선한다.[29] 결과 이득은 기존의 J극 또는 반파 안테나에 비해 최적 3dB에 가깝다.[29]

Collinear J 안테나의 H 평면에서 대략적인 이득은 4.6 ~ 5.2 dBi(2.4 dBd ~ 3.1 dBd)이다.[29]

변동의 전자 평면 게인 패턴

이 그래프는 위의 세 가지 변동의 E-plane gain을 기존의 J 안테나에 비교한다.

기존의 J 안테나 및 SlimJIM 변동은 이득과 패턴에서 거의 동일하다. Super-J는 첫 번째 라디에이터보다 두 번째 라디에이터를 적절히 배치하고 방향을 잡는 이점이 있다. 콜리네어 J는 슈퍼 J보다 약간 더 높은 성능을 보인다.

3차 고조파 근방의 듀얼밴드 작동

기본 J 안테나는 가장 낮은 설계 주파수의 세 번째 고조파에서 공명한다.[30] 이런 식으로 3/2 파장을 작동시키면 지상 운용에 불리한 안테나 패턴이 생성된다.[31]

패턴 변화를 다루기 위해 세 번째 고조파 또는 근처에서 작동하는 J 안테나를 구속하는 다양한 기법이 존재하므로 스터브 위의 라디에이터에서 반파만 활성화된다. 모든 것은 첫 번째 전압 루프에서 고임피던스 초크의 사용을 포함한다.[31] 높은 임피던스로 높은 임피던스 지점을 질식시켜 에너지가 초크를 통과할 수 있게 하기 때문에 이러한 방법은 목표에 미치지 못한다.[31][32]

참조

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