1. 서 론

단파(HF) 대역은 2–30 MHz 범위의 주파수를 포함하며, 전리층 반사 및 굴절 특성을 이용한 장거리 통신이 가능하다는 점에서 독자적인 기술적 가치를 가진다^{[1] [2]}. 이러한 특성으로 인해 HF 통신은 위성 통신이나 지상 중계망에 대한 의존도가 낮아, 전술 통신 환경이나 원해(遠海) 해상 통신과 같이 인프라 제약이 큰 상황에서 군 통신 및 해양 통신의 핵심 수단으로 활용되고 있다^{[3] [4]}. 특히 전리층 상태 변화에 따른 전파 전파 특성을 고려한 안테나 설계는 HF 시스템 성능을 좌우하는 중요한 요소이다.

HF 대역에서 널리 사용되는 안테나 형태 중 하나는 와이어 기반 다이폴 안테나이다. 와이어 다이폴은 구조가 단순하고 대형화가 용이하며, 높은 방사 효율을 확보할 수 있다는 장점이 있다^{[5] [6] [7]}. 그러나 HF 전 대역을 포괄하는 광대역 특성을 확보하기 위해서는 임피던스 정합, 설치 높이, 급전 구조 및 소자 구성에 대한 체계적인 설계가 필요하다. 특히 대형 안테나의 경우, 실제 설치 환경에서의 제약 조건을 고려하지 않은 설계는 성능 저하로 이어질 수 있다^[8].

본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 다중 와이어를 이용한 버터플라이 형상의 다이폴 안테나 구조를 제안한다. 종래의 안테나는 안테나 소자의 갯수가 8개로 구성되어있지만, 제안된 안테나는 안테나 소자의 갯수를 10개로 구성하여 유효 도체 폭을 증가시키고, 전류 분포를 개선함으로써 광대역 임피던스 특성 확보를 하였다.

제안하는 안테나의 전체 길이는 76 m, 전체 폭 45m, 최대 설치 높이는 18 m이며, 설치 공간을 고려한 유효 체적은 약 76 × 45× 18 m로 정의된다. 급전부에는 1:300 임피던스 변환기를 적용하여, HF 전 대역에서 실용적인 송수신 장비와의 정합을 가능하게 한다.

본 안테나의 주요 목표 성능은 2–30 MHz 전 주파수 대역에서 VSWR 2.5:1 이하를 유지하고, 전리층 방사에 적합한 방향으로 5 dBi 이상의 이득을 확보하는 것이다. 이를 검증하기 위해, HFSS 기반의 전자기 전파 시뮬레이션을 수행하여 입력 임피던스, VSWR, 방사 패턴을 분석하였다. 또한 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 확보하기 위해, 실제 환경에 안테나를 설치하고 네트워크 분석기를 이용한 VSWR 측정을 수행하였다.

아울러 본 연구에서는 안테나 성능에 영향을 미치는 주요 설계 변수로서 설치 높이 변화, 와이어 소자 개수 변화를 선정하였다. 그 결과 종래의 안테나와 유사한 특성을 만족하면서도 안테나의 높이를 약 16% 감소하는 결과를 얻었다.

2. 나비형상을 닮은 다이폴 안테나의 형상

그림 1 은 수평편파를 갖는 다이폴 안테나이다. 두 개의 지선식 철탑 사이에 10가닥의 안테나 소자를 나비형상과 같이 배열하여 안테나를 구성한다.

그림 1과 같이 본 안테나는 지면을 반사면으로 활용함으로써 영상전류를 형성하여, 지향성을 갖는 안테나로 동작한다. HF대역에 사용되는 안테나는 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 와이어를 사용하여 안테나 소자를 형상화 한다. 기존의 안테나는 소자의 개수를 다이폴의 한쪽에 8가닥씩 총 16가닥으로 구성한다. 본 논문에서는 다이폴 안테나의 한쪽마다 2개의 소자를 추가하여 안테나의 전기적 길이를 높이는 대신 안테나의 높이를 줄이면서 안테나 특성을 분석하였다.

그림 1. 나비형상을 한 광대역 다이폴 안테나의 형상

Fig. 1. Shape of a Butterfly-Shaped Broadband Dipole Antenna

그림 2는 나비형상을 한 다이폴 안테나의 평면도이다.

안테나의 길이(L)은 76m이고, 폭(W)는 45m로 2MHz 주파수에서 λ/2인 75m보다 길어진 이유는 철탑을 지지하는 3방향의 지선까지의 거리이다.

안테나로 동작하는 철탑과 철탑 간격을 56미터이다. DETAIL “A”부분은 안테나의 급전부로 지상에서 평행급전선으로 안테나와 연결되는 부분이다.

2개의 철탑이 다이폴 안테나를 지지해주는 구조이며, 철탑을 기준으로 좌,우측에 각각 10개의 안테나 소자가 배열된 구조이다.

그림 2. 나비형상을 한 광대역 다이폴 안테나의 평면도

Fig. 2. Plane view of a Butterfly-Shaped Broadband Dipole Antenna

그림 3는 평형급전선(balanced feeder)으로 급전되는 HF 대역 다이폴 안테나의 측면 구조를 나타낸다. 제안하는 안테나는 지선식 철탑 2기를 이용하여 지상으로부터 소자를 지지하며, 안테나 소자는 중심 급전점을 기준으로 좌우 대칭을 이루는 나비형(butterfly-type) 기하를 갖는다. 각 복사 소자는 철탑 상부에서 지선에 의해 다중 지점으로 분산 지지되어 기계적 안정성을 확보함과 동시에 전기적 길이를 확장하는 효과를 제공한다.

중앙 급전부에는 평형급전선이 수직으로 연결되어 송수신 장비와 결합된다. 이러한 구조는 HF 대역에서 넓은 주파수 범위에 걸쳐 비교적 안정적인 임피던스 특성과 방사 효율을 확보하는 데 유리하다.

그림 3. 나비형상을 한 광대역 다이폴 안테나의 측면도

Fig. 3. Side view of a Butterfly-Shaped Broadband Dipole Antenna

3. 평행 2선식 급전선의 특성

HF대역에서 사용하는 광대역 다이폴 안테나는 지상에서 매우 높게 설치되고, 급전부분의 구조가 안테나 소자의 하중과 안테나를 지지하는 장력을 버텨야 한다.

따라서, 일반적인 급전구조와 다르고 물리적으로 단단한 구조로 설계된다.

그림 4는 안테나 급전부의 형상이다. L2는 550mm, W2는 260mm의 크기를 가지며, 두 판 사이에는 안테나 소자를 전기적으로 격리를 시킬 절연체로 연결된다. 이 절연체는 평행2선식 급전선의 임피던스에 적합한 크기로 결정된다.

그림 4. 광대역 다이폴 안테나의 급전부 평면도

Fig. 4. Plane view of a Broadband Dipole Antenna feeding point

평행2선식 급전선은 동일한 도체 두 가닥을 일정한 간격으로 평행 배치한 전송선로로서 두 도체에 크기가 같고 위상이 반대인 전류가 흐르는 이상적 조건에서 선로 주변의 전자기장이 상호대칭으로 분포한다. 이때 전력은 도체 표면 전류에 의해 형성되는 전자기 에너지의 흐름으로 전달되며, HF대역에서 TEM모드로 근사할 수 있다.

평행2선식 전송선로의 특성임피던스(Z0)는 식(1)과 같다.[11]

안테나의 적용된 급전선은 직경(D) 12mm 알루미늄 와이어로 적용한다. 안테나의 물리적인 크기가 크고 장력을 견디기 위해 굵은 직경의 와이어를 사용해야만 한다.

이 때, 일반적인 다이폴 안테나의 임피던스 75옴으로 할 경우, 식(1)에 의하여 급전선간의 간격이 14.4mm에 불과하고 도선의 표면간 격은 2.4mm이다.

표면간격이 좁은 경우 진동이나 , 팽창에 의하여 안테나 특성이 변화할 가능성이 있고, 높은 출력을 견디기 어렵기 때문에, 평형 2선식 급전선로는 300~600옴에서 구조적, 전기적 안정적인 특성을 갖는다.

급전선로의 임피던스가 300옴으로 결정하고 이때의 급전선로 간격(d)은 약 74mm가 된다. $\epsilon_r$은 유효유전율이다.

4. 나비 형상을 한 광대역 다이폴 안테나의 복사특성

본 장에서는 안테나 설치 높이에 따른 전기적 특성 변화를 정량적으로 분석하였다. HF 대역 안테나는 파장이 길어 구조적 크기가 크며, 넓은 설치 면적을 요구하는 특성을 갖는다. 특히 공항 인근과 같이 항공 안전 규제로 인해 구조물 높이에 제한이 존재하는 환경에서는 기존 설계의 적용이 제한된다. 이에 따라 성능 저하를 최소화하면서 물리적 크기를 축소하는 소형화 기술이 필수적으로 요구된다.

기존 BBD 안테나는 8소자 구조로 약 26 m 높이로 설계되었으나, 실제 운용 환경(예: 김포공항 인근)에서는 약 18 m 수준의 높이 제한이 요구된다. Figure 5는 2–12 MHz 주파수 범위에서 안테나 구성 조건에 따른 입력 임피던스의 실수부 Rin 및 허수부 Xin 변화를 나타낸다. 일반적으로 HF 대역의 수평 다이폴 계열 안테나는 지면으로부터의 설치 높이가 전기적 길이 및 지면 반사 조건에 직접적인 영향을 받기 때문에, 설치 높이 변화에 따라 입력 임피던스의 주파수 응답이 크게 달라진다. 본 결과에서도 4소자 안테나의 설치 높이를 26 m에서 18 m로 낮출 경우, 3MHz 이하 대역에서 Rin 및 Xin의 변동 폭이 증가하는 경향이 확인된다. 이는 안테나가 지면에 전기적으로 더 근접함에 따라 지면 손실, 방사저항의 변화가 복합적으로 작용한 결과로 해석할 수 있다.

반면, 동일한 18 m 설치 높이 조건에서 방사 소자 수를 4개에서 5개로 증가시키면 입력 임피던스의 분포가 상대적으로 완화되며, 일부 주파수 구간에서 실수부가 기준 임피던스인 약 300 Ω에 근접하고 허수부가 0 Ω 부근으로 이동하는 특성이 나타난다. 이는 추가 소자에 의해 전류 분포가 보다 분산되고, 주파수에 따른 리액턴스 변화가 부분적으로 보상되기 때문으로 판단된다. 따라서 제한된 설치 높이 조건에서는 단순히 안테나 고도를 증가시키는 방법뿐 아니라, 방사 소자 수를 조정하여 입력 임피던스의 실수부와 허수부를 정합 목표값에 근접시키는 설계 방법이 유효할 수 있다. 결과적으로 5소자 구성은 18 m 높이 조건에서 4소자 구성에 비해 임피던스 정합 특성을 개선할 가능성이 있으며, 이는 광대역 HF 안테나의 저고도 설치 환경에서 중요한 설계 변수로 고려될 수 있다.

그림 5. 안테나 높이에 따른 임피던스 변화

Fig. 5. Effect of Antenna Height on VSWR

Figure 6는 안테나 높이 변화에 따른 VSWR 특성이다. 동일한 8소자 구조를 18 m로 축소할 경우 특히 3 MHz 이하의 저주파 대역에서 VSWR이 2.5 이상으로 증가하여 규격을 만족하지 못함을 확인할 수 있다. 이는 물리적 길이 감소에 따른 공진 조건 변화 및 전기적 길이 단축에 기인한 것으로 분석된다.

그림 6. 안테나 높이에 따른 VSWR 변화

Fig. 6. Effect of Antenna Height on VSWR

일반적으로 이러한 문제를 보상하기 위해 안테나 전기적 길이를 증가시키는 방법이 사용되나, 이는 지지 구조물 간 이격 거리 증가를 요구하여 설치 공간 제약을 야기한다. 따라서 본 연구에서는 추가 소자 도입을 통한 전기적 길이 보상 기법을 적용하였다. 그 결과, 18 m 높이의 10소자 BBD 안테나는 저주파 영역에서 VSWR 특성이 유의미하게 개선되어 광대역 운용 요구조건을 만족함을 확인하였다.

그림 7은 BBD안테나의 소자 개수 및 높이에 따른 계산된 복사패턴을 나타낸다.

그림 7. 안테나 높이 및 소자갯수에 따른 복사패턴의 변화

Fig. 7. Effect of Antenna Height on Radiation Patterns

무한 도전성 지면을 가정한 조건에서 HF 대역(2, 10, 20, 30 MHz)의 수평편파 광대역 다이폴 안테나에 대한 수직 복사패턴을 나타낸다. 2 MHz에서는 패턴이 비교적 평활하며, 모든 구성(4소자/5소자, 높이 변화)에 대해 유사한 전방향성 특성을 유지한다.[12] 10 MHz에서는 다중 로브가 형성되기 시작하며, 5소자 구조에서 널 깊이가 완화되어 방사 균일성이 향상된다. 20 MHz 및 30 MHz로 주파수가 증가함에 따라 패턴의 진동성과 방향성이 증가하고, 높이 변화에 따른 간섭 효과가 두드러진다. 특히 고주파 대역에서는 다중 경로 간섭에 의해 불규칙한 로브 구조가 형성되며, 5소자 배열이 상대적으로 안정된 방사 특성을 제공한다.

5. 제작된 나비 형상을 한 광대역 다이폴 안테나의 측정 결과

그림 8은 HF 대역에서 운용되는 수평편파 광대역 다이폴 안테나(Broadband Butterfly Dipole, BBD)의 실제 구현 구조를 측면에서 나타낸 것이다. 본 안테나는 두 기의 지선식 철탑을 기반으로 공중에 복사 소자를 안정적으로 지지하는 구조를 채택하고 있으며, 중심 급전점을 기준으로 좌우 대칭의 나비형 기하 구조를 형성함으로써 광대역 특성을 효과적으로 구현한다. 특히 각 복사 소자는 철탑 상부에서 다수의 지선에 의해 분산 지지되도록 설계되어, 외부 환경 변화에 대한 기계적 안정성을 확보함과 동시에 유효 전기적 길이를 증가시키는 구조적 이점을 제공한다. 이러한 구성은 저주파 HF 대역에서 요구되는 대형 안테나의 물리적 한계를 보완하는 데 중요한 역할을 수행한다.

제작된 안테나는 주변 구조물에 의한 산란 및 결합 영향을 최소화하기 위해 개활지 환경에 설치하였다. 설치 지면은 다짐토와 일부 초지와 나무로 구성되어 있었으며, 측정 영역 내 지형은 비교적 평탄하였다. 측정 당시 지표면은 건조한 상태였고, 측정 전 유의미한 강우는 없었다. 토양의 전기적 특성은 직접 측정하지 않았으므로, 해석에서는 중간 도전율 지반 조건을 가정하여 측정 결과와 비교하였다.

그림 8. 나비형상을 한 광대역 다이폴 안테나 설치 사진

Fig. 8. Installation of a Butterfly-Shaped Broadband Dipole Antenna

또한, 본 안테나는 전체 길이 76 m, 폭 45 m의 확장된 구조를 가지며, 이는 2 MHz에서의 이론적 반파장(약 75 m)을 초과하는 값으로, 철탑과 연결된 3방향 지선까지의 거리 및 구조적 배치를 반영한 결과이다. 두 철탑 간 이격 거리는 56 m로 설정되어 방사 패턴의 균형과 구조적 안정성을 동시에 고려하였으며, 철탑 높이 18 m는 지면 영향 최소화 및 효율적인 복사 특성 확보를 위한 설계 변수로 작용한다. 이러한 종합적인 설계는 기계적 지지 구조와 전기적 성능을 통합적으로 최적화한 HF 대역 광대역 안테나를 구현하였다.

그림 9는 BBD 안테나의 측정된 VSWR 특성이다. 2MHz에서부터 30MHz 주파수 대역에서 2.5:1 이하를 만족하는 특성을 나타내고 있다. 안테나의 반사계수는 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 측정하였다. 측정 전 동축 급전선 말단에서 1-port 보정을 수행하여 측정 기준면을 안테나 입력 단자로 설정하였다. 안테나는 16m 길이의 300 Ω 평행급전선과 50:300[Ω] 임피던스 변환기를 통해 측정 장비에 연결하였다. 측정된 VSWR는 이상적인 지반 조건을 적용한 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 시뮬레이션 결과와 측정 결과의 차이는 이상적인 전자기 해석 모델과 실제 설치 환경 사이의 차이에 주로 기인한다. 측정 부지의 다짐토는 전기적으로 균일한 매질로 보기 어렵고, 토양의 밀도 및 함수율 변화는 유효 유전율과 도전율을 변화시킬 수 있다. 이러한 변화는 다이폴 안테나의 이미지 전류, 지면 반사계수, 입력 임피던스 및 방사 효율에 영향을 준다. 또한 안테나 설치 부지 주변에는 약 5–10 m 높이의 나무들이 약 5m 간격으로 비균일 분포로 배치되어 있다. 주변에 철구조물이 존재하지 않더라도, 식생은 수분 함량과 유한한 도전성으로 인해 HF 대역에서 손실성 유전체로 동작할 수 있다. 이는 특히 나무 간격이 파장의 무시할 수 없는 비율이 되는 HF 상위 대역에서 추가적인 유전체 부하, 산란 및 손실을 유발할 수 있다. 또한 실제 측정 결과는 급전선 배치, 발룬 또는 임피던스 변환기 특성과 같은 측정 구성 요소의 영향을 받을 수 있다. 따라서 이상적인 균일 지반 및 개활지 조건을 가정한 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과 사이에는 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 정해진 규격 내에 성능이 만족하는 것을 목표로 설계한다.

그림 9. 나비형상을 한 광대역 다이폴 안테나의 VSWR특성

Fig. 9. VSWR of a Butterfly-Shaped Broadband Dipole Antenna

6. 결 론

본 연구는 HF대역의 2MHz에서 30 MHz까지 전 대역에서 운용 가능한 나비형상을 한 광대역 다이폴 안테나를 대상으로, 제한된 설치 높이 조건에서도 광대역 정합 특성과 안정적인 방사 성능을 확보할 수 있는 구조적 설계 방법을 제시하였다. 제안 구조는 복사 소자 수의 확장을 통해 유효 도체폭과 전기적 길이를 동시에 보상함으로써, 기존 고설치형 안테나에서 요구되던 물리적 높이를 감소시키면서도 낮은 주파 영역의 임피던스 열화를 완화하였다. 특히 300 Ω 평형 급전 구조와 임피던스 변환기의 결합은 HF 대역에서 기계적 신뢰성과 전기적 정합을 동시에 만족시키는 실용적 해법으로 평가된다. 해석 결과와 측정 결과를 종합하면, 제안하는 안테나는 전 대역에서 요구 VSWR 기준을 충족하였으며, 높이 감소에 따른 성능 저하를 소자 배열 최적화로 보완할 수 있음을 확인하였다. 또한 주파수 상승에 따라 복사패턴의 다중 로브 특성이 심화되는 HF 광대역 안테나의 일반적 경향 속에서도, 추가 소자 구조가 패턴 안정성과 운용 유연성 측면에서 유의한 개선 효과를 제공하였다. 따라서 본 논문은 HF 광대역 와이어 안테나 설계에서 형상, 급전, 설치 제약을 통합적으로 고려한 공학적 설계 사례로서 의미가 있다.