로그 주기 안테나

로그 주기 안테나(, LP) 또는 로그 주기 배열()은 넓은 대역의 주파수에서 작동하도록 설계된 다소자 지향성 안테나이다. 1952년 존 던라비(John Dunlavy)에 의해 발명되었다.

가장 일반적인 형태의 로그 주기 안테나는 로그 주기 다이폴 배열() 또는 LPDA이다. LPDA는 길이가 점진적으로 증가하는 여러 개의 반파장 다이폴 피동 소자로 구성되며, 각 소자는 한 쌍의 금속 막대로 이루어져 있다. 다이폴들은 일직선상에 가깝게 배치되며, 교차 위상으로 급전선에 병렬로 연결된다. 전기적으로는 서로 다른 주파수에 맞춰진 일련의 2소자 또는 3소자 야기 안테나들이 연결된 것과 유사한 효과를 낸다.

LPDA 안테나는 지지 붐을 따라 일직선으로 장착된 다이폴 막대 소자들로 구성된다는 점에서 야기 안테나와 다소 유사해 보이지만, 작동 방식은 매우 다르다. 야기 안테나에 소자를 추가하면 지향성이나 이득이 증가하는 반면, LPDA에 소자를 추가하면 주파수 응답 특성인 대역폭이 넓어진다.

LPDA의 주요 용도 중 하나는 옥상용 지상파 텔레비전 안테나이다. 이는 VHF 및 UHF 대역의 다양한 주파수를 커버하기 위해 넓은 대역폭이 필요하기 때문이다. 텔레비전 수신용으로 널리 사용되는 설계 중 하나는 VHF 수신을 위한 대형 LPDA 앞에 UHF 수신용 야기 안테나를 결합한 형태이다.

 기본 개념 
LPDA는 일반적으로 안테나 축을 따라 놓인 지지 붐에 배치된 일련의 반파장 다이폴 "소자"들로 구성된다. 소자들은 d 또는 시그마(sigma)라고 알려진 주파수의 로그 함수에 따른 간격으로 배치된다. 연속적인 소자들의 길이와 그 사이의 간격은 붐을 따라 점진적으로 감소한다. 길이 사이의 관계는 타우(tau)라고 불리는 함수이다. 시그마와 타우는 LPDA 설계의 핵심 설계 요소이다.The Log-Periodic Dipole Array" 안테나의 방사 패턴은 단방향이며, 주엽은 가장 짧은 소자가 있는 끝단 방향의 붐 축을 따라 형성된다. 각 다이폴 소자는 그 길이의 약 두 배에 해당하는 파장에서 공진한다. 안테나가 최대치에 가까운 이득을 갖는 주파수 범위인 대역폭은 대략 가장 긴 소자와 가장 짧은 소자의 공진 주파수 사이다.

LPDA 안테나의 모든 소자는 급전선에 전기적으로 연결된 피동 소자이다. 평행 와이어 전송선로가 보통 중앙 붐을 따라 흐르며, 각각의 연속적인 소자는 반대 위상으로 연결된다. 급전선이 소자를 고정하는 지지 붐을 가로질러 지그재그로 배치된 모습을 흔히 볼 수 있다. 또 다른 일반적인 제작 방법은 전송선로 역할도 겸하는 두 개의 평행한 중앙 지지 붐을 사용하여 다이폴을 번갈아 가며 장착하는 것이다. 로그 주기 설계의 다른 형태로는 다이폴을 전송선로 자체로 대체하여 로그 주기 지그재그 안테나를 형성하는 것도 있다."Log-periodic zig zag antenna", US Patent 3355740 전송 와이어를 활성 소자로 사용하는 다른 많은 형태도 존재한다.Photo Archive Of Antennas, Illinois Historic Archive

야기 안테나와 LPDA 설계는 둘 다 지지 붐을 따라 장착된 다수의 다이폴 소자로 구성되어 있어 언뜻 보기에 매우 비슷해 보인다. 그러나 야기 안테나는 전송선로에 연결된 단 하나의 피동 소자(보통 배열 뒤에서 두 번째 소자)만을 가지며, 나머지 소자들은 기생 소자이다. 야기 안테나는 대역폭이 매우 좁다는 점에서 LPDA와 구별된다.

일반적으로 어떤 주어진 주파수에서 로그 주기 설계는 3소자 야기 안테나와 다소 유사하게 작동한다. 작동 주파수에서 공진에 가장 가까운 다이폴 소자가 피동 소자 역할을 하고, 양쪽의 인접한 두 소자가 이득을 높이기 위한 도파기(director)와 반사기(reflector) 역할을 한다. 앞쪽의 짧은 소자가 도파기, 뒤쪽의 긴 소자가 반사기 역할을 하는 식이다. 그러나 이 시스템은 그보다 다소 복잡하며 모든 소자가 어느 정도 기여하므로, 특정 주파수에 대한 이득은 로그 주기 안테나의 한 섹션과 동일한 크기를 가진 야기 안테나보다 높다. 하지만 로그 주기 안테나와 동일한 수의 소자를 가진 야기 안테나는 모든 소자가 단일 피동 소자의 이득을 개선하는 데 집중되므로 훨씬 더 높은 이득을 갖는다. 텔레비전 안테나로 사용될 때는 VHF용 로그 주기 설계와 UHF용 야기 설계를 결합하는 것이 일반적이며, 두 부분의 크기는 대략 비슷하다. 이 경우 UHF 측 야기 안테나의 이득은 보통 10~14 dB 정도인 반면 로그 주기 측은 6.5 dB 정도로 나타난다. 하지만 이러한 추가 이득은 UHF 신호의 여러 문제점을 보완하기 위해 필요하다.

IEEE 정의에 따르면,"Log-periodic antenna Any one of a class of antennas having a structural geometry such that its impedance and radiation characteristics repeat periodically as the logarithm of frequency." (see The new IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronics Terms, 1993 ⓒ IEEE.)"Log-periodic antenna Any one of a class of antennas having a structural geometry such that its impedance and radiation characteristics repeat periodically as the logarithm of frequency." (see Acknowledgments, and footnote in page 1), Self-Complementary Antennas―Principle of Self-Complementarity for Constant Impedance―, by Mushiake, Yasuto, Springer-Verlag London Ltd., London, 1996. 로그 주기 형상은 그 자체로 안테나의 광대역 특성과 일치하지 않는다.Mushiake, Yasuto, "Constant-impedance antennas", J. IECE Japan, 48, 4, pp. 580-584, April 1965. (in Japanese). 로그 주기 안테나의 광대역 특성은 그 자기유사성에서 기인한다. 평면형 로그 주기 안테나는 로그 나선형 안테나(그 자체로는 로그 주기로 분류되지 않으나 자기유사성을 띠는 주파수 독립 안테나 중 하나)나 로그 주기 치형 설계와 같이 자기 보대 안테나로 만들어질 수도 있다. 무시아케 야스토(Y. Mushiake)는 그가 "가장 단순한 자기 보대 평면 안테나"라고 부른 것에서, 대역폭 한계 내의 주파수에서 η0/2 = 188.4 Ω의 구동점 임피던스를 발견했다.Rumsey, V. H., Frequency independent antennas, Academic Press, New York and London. 1966. [p. 55]

 역사 
존 던라비는 1952년 미국 공군에서 근무하던 중 로그 주기 안테나를 발명했으나, "비밀" 분류로 인해 공로를 인정받지 못했다. 일리노이 대학교 어바나-샴페인은 이스벨(Isbell) 및 메이스-캐럴(Mayes–Carrel) 안테나의 특허를 받았으며, 뉴욕의 JFD 일렉트로닉스(JFD Electronics)에 독점적으로 패키지 라이선스를 제공했다. 채널 마스터(Channel Master)와 블론더 텅 랩스(Blonder Tongue Labs)는 특허를 무시하고 해당 설계를 기반으로 다양한 안테나를 생산했다. 일리노이 대학교 재단이 패배한 안테나 특허 관련 소송은 1971년 블론더-텅 원칙으로 발전했다. 이 판례는 특허 소송을 규율한다.

 단파 방송용 안테나 
섬네일|오스트리아 모스브룬 국제 단파 방송국의 와이어 로그 주기 송신 안테나. 6.1~23 MHz 대역을 커버한다.

로그 주기 안테나는 고출력 단파 방송 송신소에서 송신용 안테나로 흔히 사용된다. 넓은 대역폭 덕분에 단일 안테나로 여러 대역의 주파수를 송신할 수 있기 때문이다. 최대 16개 섹션을 가진 로그 주기 지그재그 설계가 사용되어 왔다. 이러한 대형 안테나들은 일반적으로 6~26 MHz를 커버하도록 설계되지만, 2 MHz만큼 낮은 주파수에서 작동하는 더 큰 안테나도 제작된 바 있다. 정격 전력은 최대 500 kW까지 가능하다. 중앙 전송선로에 병렬로 급전되는 소자 대신, 인접한 소자들이 바깥쪽 끝에서 연결되어 직렬로 급전되는 방식이다. 여기에 표시된 안테나는 약 14 dBi의 안테나 이득을 가진다. 이러한 안테나 두 개를 위아래로 배치하고 동위상으로 구동하는 안테나 배열은 최대 17 dBi의 이득을 갖는다. 로그 주기적 특성 덕분에 안테나의 주요 특성(방사 패턴, 이득, 구동점 임피던스)은 전체 주파수 범위에서 거의 일정하며, 300 Ω 급전선과의 정합은 해당 범위에서 2:1보다 우수한 정재파비를 달성한다.

 각주 

 참고 문헌 
  $ 15-5: The Log-Periodic Antenna, p. 703-708.

 내용주 

 같이 보기 
 자기 보대 안테나

 외부 링크 
 Antenna-Theory.com Log-Periodic Tooth Antenna Page
 Blonder-Tongue Doctrine
 LPDA Online Calculation
 Some thoughts on Log-Periodic Antennas 
 Com-Power Corporation - Log Periodic Antennas for EMC testing
 All About Circuits - The Fundamentals of Wi-Fi Antennas
  Maker Pro
 EE Power

분류:안테나