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안테나 종류와 원리: 다이폴·루프·패치·야기 비교

대표적인 무선 안테나에는 다이폴, 모노폴, 루프, 패치, 야기-우다, 혼, 반사판 안테나가 있습니다. 종류만으로 이득이나 사용 주파수가 고정되지는 않습니다. 같은 형식이라도 크기, 급전, 재료, 설치 환경에 따라 대역폭과 방사 패턴이 달라집니다.

안테나를 고를 때 먼저 정할 것

주파수와 필요한 대역폭, 상대방의 방향, 편파, 설치 공간, 급전 임피던스를 정합니다. 자유 공간 파장은 λ = c/f이며, 2.4 GHz에서는 약 125 mm입니다. 안테나가 파장에 비해 얼마나 큰지가 동작을 이해하는 출발점입니다.

무지향성은 보통 특정 평면에서 여러 방위를 커버한다는 뜻입니다. 모든 방향으로 같은 세기를 방사하는 이상적인 등방성 안테나와 다릅니다. 높은 최대 이득도 모든 방향에서 좋은 수신을 보장하지 않습니다.

다이폴과 모노폴

반파장 다이폴은 두 도체를 중심에서 급전하는 기본 구조입니다. 가는 도체를 사용한 이상적인 자유 공간 반파장 다이폴의 최대 지향성은 선형 약 1.64, 즉 약 2.15 dBi입니다. 1.64 dBi라고 표기하면 선형값과 데시벨을 혼동한 것입니다.

축 방향에는 널이 있고 축에 수직인 방향으로 강하게 방사합니다. 길이와 주변 구조에 따라 임피던스가 바뀌므로 언제나 정확히 50 Ω 또는 75 Ω이라고 볼 수 없습니다. 동축 급전에서는 공통 모드 전류를 제어할 필요도 있습니다.

모노폴은 접지면이나 카운터포이즈와 함께 동작합니다. 무한한 이상 도체 평면 위의 1/4파장 모노폴은 위쪽 반공간으로 방사해 약 5.15 dBi의 최대 지향성을 가집니다. 실제 작은 접지면에서는 패턴과 손실이 달라집니다. 모노폴이 항상 다이폴보다 5–10 dB 낮다는 규칙은 없습니다.

루프 안테나

파장에 비해 작은 루프와 둘레가 한 파장에 가까운 루프는 다른 동작을 보입니다. 작은 루프는 자기장 결합과 특정 방향의 널을 활용할 수 있으며, 도체 손실과 동조 대역폭이 중요합니다. AM 수신용 페라이트 안테나도 재료와 권선의 영향을 받습니다.

루프라는 이름만으로 광대역, 고효율 또는 특정 편파가 보장되지는 않습니다. 전체 둘레, 급전 위치, 설치 방향을 함께 확인해야 합니다.

패치와 인쇄 안테나

패치는 기판과 접지면을 이용하는 개구형 구조로, 평면 제품에 통합하기 쉽습니다. 기판의 유전 특성, 두께, 급전 위치가 공진과 대역폭에 영향을 줍니다. 단순 패치, 다중 공진 패치, 배열은 같은 수치로 비교할 수 없습니다.

선형 편파나 원형 편파를 설계할 수 있지만 외형만으로 편파를 판정하면 안 됩니다. 케이스, 배터리, 사용자의 손도 실제 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

야기-우다와 지향성 배열

야기-우다는 급전 소자와 반사기·도파기 같은 기생 소자를 조합해 특정 방향의 방사를 강화합니다. 소자 길이와 간격을 함께 설계해야 하며, 소자를 추가하는 것만으로 이득이 일정하게 증가하지 않습니다.

TV 수신이나 고정 무선 링크에서 쓸 수 있지만 주파수 대역, 편파, 전후방비와 설치 방향이 맞아야 합니다. 배열 안테나는 여러 소자의 진폭과 위상을 제어하는 방식에 따라 다른 패턴을 만들 수 있습니다.

혼과 포물면 반사판

혼은 도파관을 벌린 개구를 통해 방사하며, 마이크로파 측정과 반사판 급전에 사용됩니다. 포물면 안테나는 급전기와 반사면으로 큰 유효 개구를 구성합니다. 같은 효율과 주파수라면 개구가 커질수록 높은 지향성을 얻기 쉽지만 빔이 좁아져 정렬이 중요해집니다.

반사판 안테나의 이득에 30 dBi라는 보편적 상한은 없습니다. 실제 값은 주파수, 크기, 개구 효율과 손실에 따라 결정됩니다.

사양을 비교하는 방법

항목	확인 내용
주파수	중심뿐 아니라 필요한 대역 전체의 성능.
패턴	최대 이득, 빔폭, 널, 필요한 방향의 커버리지.
편파	상대 안테나와 방향·회전 방향의 일치.
정합과 효율	S11과 방사 효율을 별도로 확인.
설치	급전선, 케이스, 접지면, 지지대 포함 조건.