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안테나
안테나는 전기 신호를 전자기파 형태로 공기중에 방출하거나 공기중의 전자기파 신호를 받아서 전기 신호로 변환하는 장치이다. 안테나는 리버서블하기 때문에 신호를 받는 용도로 사용하면 수신 안테나가 되고, 신호를 보내는 용도로 사용하면 송신 안테나가 된다.
송신 안테나와 수신 안테나는 서로 특정 주파수의 비슷한 신호를 동시에 공기중에 내보내고 있는데 송신 안테나의 전자기파에 수신 안테나의 신호가 공명하여 동기화되면서 수신 안테나의 신호도 송신 안테나의 신호와 같아지는 원리로 통신한다.
공명하는 소리 굽쇠와 비슷한 원리이지만, 소리 굽쇠는 실제 물체가 진동하며 공명하는 것이고, 안테나는 물체가 진동하는 것이 아니고 안테나에 흐르는 전자기장이 진동하며 공명하는 것이다.
안테나 타입
안테나의 크기는 수신할 주파수의 파장과 직접적으로 관련이 있습니다. 무선 오디오 시스템에서 가장 일반적으로 사용되는 안테나 유형은 1/4 파장 및 1/2 파장 무지향성(Omnidirectional) 안테나와 단일지향성(Unidirectional) 안테나입니다.
무지향성 안테나
Unidirectional Antennas
1/4 파장 안테나의 크기는 원하는 주파수의 파장의 약 1/4이며, 1/2 파장 안테나는 파장의 절반에 해당합니다. 라디오 신호의 파장은 빛의 속도를 주파수로 나누어 계산할 수 있습니다.
안테나 길이는 대략적인 값이면 충분하며, 정확하지 않아도 됩니다. VHF 무선의 경우, 35-45cm 길이의 안테나는 1/4 파장 안테나로 적절합니다. UHF 밴드는 VHF보다 훨씬 넓은 주파수 범위를 포괄하므로, 1/4 파장 안테나는 7~15cm 범위의 길이가 될 수 있으며, 적절한 길이의 안테나를 사용하는 것이 좀 더 중요합니다. 예를 들어, 500MHz에서 작동하는 시스템의 경우, 1/4 파장 안테나는 약 15센티미터이어야 합니다. 동일한 상황에서 800MHz 시스템(약 7cm 길이)에 맞춰진 안테나를 사용하면 수신이 잘 되지 않을 것입니다.
다양한 튜닝 범위를 가진 수신기들이 공통 안테나를 공유해야 하는 애플리케이션을 위해 거의 전체 UHF 대역을 포괄하는 광대역 무지향성 안테나도 사용할 수 있습니다.
- C : 광속, C = 3 x 108m/s
- F : 주파수, F = MHz 단위
1/4 파장 안테나는 모노폴(Monopole) 안테나입니다. 따라서, 무선 수신기나 안테나 분배 시스템에 직접 장착할 수 있을 때만 사용해야 합니다. 이는 랙 이어(front-mounted antennas on the rack ears)에 전면 장착된 안테나도 포함됩니다. 모노폴 안테나는 적절한 수신을 위해 지면판(ground plane)이 필요합니다. 지면판은 안테나의 크기와 적어도 한 방향은 유사한 길이를 가진 반사 금속 표면입니다. 안테나의 베이스는 수신기에 전기적으로 접지되어야 합니다. 수신기(또는 분배 시스템)의 외장이나 랙이어가 지면판으로 작동합니다. 원격 안테나용으로는 지면판이 있어야 하는 1/4 파장 안테나를 사용하면 안됩니다.
1/2 파장 안테나는 다이폴(Dipole) 안테나입니다. 따라서, 지면판이 필요하지 않으므로, 어떤 위치에서도 원격 안테나 용도로 적합합니다.
광대역 무지향성 안테나의 경우, 이론적으로 1/4 파장 안테나보다 약 3dB의 이득이 있지만, 실제로는 이러한 이점이 거의 실현되지 않습니다. 따라서 원격 안테나가 필요한 애플리케이션이 아니라면 1/2 파장 안테나로 “업그레이드”할 이유는 없습니다.
단일지향성 안테나
Unidirectional Antennas
원격 장착에 적합한 두 번째 유형의 안테나는 야기 안테나1)나 로그 주기 안테나(log periodic)2)와 같은 단일지향성 안테나입니다. 두 종류 모두 수평 붐(horizontal boom)과 여러 개의 가로 요소로 구성되어 있습니다. 이러한 안테나는 1/4 파장 안테나보다 최대 10dB 더 많은 이득을 제공할 수 있으며, 다른 방향에서 오는 간섭 소스를 최대 30dB까지 차단할 수 있습니다. 야기 안테나는 대개 단일 TV 채널(6MHz)만을 수용할 수 있는 매우 좁은 대역폭 때문에 무선 마이크 응용 프로그램에서 거의 사용되지 않습니다.
로그 주기 안테나는 크기와 간격이 로그 비율로 변화하는 여러 개의 다이폴(dipoles)을 사용하여 더 넓은 대역폭을 달성합니다. 더 긴 붐과 더 많은 요소는 더 큰 대역폭과 방향성을 제공합니다. 일부 단일지향성 안테나는 긴 케이블로 인한 손실을 보상하기 위해 내장된 증폭기를 가지고 있습니다.
로그 주기 안테나
무선 마이크 응용 프로그램과 관련하여, 단일지향성 안테나는 일반적으로 UHF 시스템에서만 사용됩니다. 방향성 안테나는 주파수에 따라 다소 특화되어 있으므로 필요한 주파수를 커버할 적절한 안테나를 선택할 때 주의가 필요합니다. 방향성 VHF 안테나는 1~2m 너비로, 지붕에 장착된 TV 안테나와 비슷하게 기계적으로 다루기 어려운 작업이 됩니다. 이러한 안테나는 TV 응용 프로그램처럼 수평이 아닌 가로 요소를 수직 방향으로 장착해야 합니다. 이는 송신 안테나가 대개 수직으로 설치되기 때문입니다. 단일지향성 안테나는 주로 장거리 응용 프로그램에 사용됩니다. 송신기와 단일지향성 안테나 사이의 최소 거리는 15m를 권장합니다.
안테나 배치
대부분의 무선 수신기는 주 안테나 입력을 수신기 뒷면에 가지고 있습니다. 여기서는 주로 다이버시티 수신기(diversity receivers)가 논의되기 때문에, 수신기 후면 패널에는 A 안테나 입력과 B 안테나 입력이 모두 존재합니다. 안테나 입력에는 대부분 BNC 연결이 사용되지만, 일부 오래된 (주로 VHF) 시스템에서는 PL-259 커넥터가 사용될 수 있습니다. 랙 마운트 수신기는 안테나 연결을 전면으로 장착하기 위한 구멍이 뚫린 랙 이어(rack ears)를 제공하는 경우가 많습니다. 짧은 동축 케이블과 적절한 커넥터 타입을 가진 벌크헤드 어댑터만 있으면 안테나를 전면으로 이동시킬 수 있습니다.
안테나를 어디에 장착할지 결정할 때는 항상 수신 안테나와 송신 안테나 간의 시야를 유지하려고 노력해야 합니다. 예를 들어, 랙의 뒷면이 공연 지역을 향하고 있다면, 후면에 안테나를 장착하는 것이 더 나은 시야를 제공할 것입니다. 랙의 앞면이 공연 지역을 향하고 있다면, 전면에 장착하는 것이 더 나을 수 있습니다. 다만, 랙 앞문을 닫아야 하는 경우는 제외입니다. 금속 장비 랙은 내부에 장착된 안테나에 RF가 도달하는 것을 차단합니다. 금속 장비 랙 내부에서는 후면에 장착된 안테나가 작동하지 않을 수 있습니다. 수신기가 전혀 랙에 장착되지 않은 경우, 시야를 유지하기만 하면 됩니다. 즉, 수신 안테나는 송신 위치에서 직접 보일 수 있어야 합니다.
안테나 간격
안테나는 최소한 1/4 파장만큼 서로 떨어져 있어야 합니다. 이는 VHF 장치의 경우 약 40cm, UHF 장치의 경우 약 10cm에 해당합니다. 이렇게 하면 충분한 다이버시티 성능이 보장됩니다. 안테나 간격을 더 벌리면 다이버시티 수신 성능이 향상될 수 있지만, 한 파장을 넘어서면 그 이점이 거의 없어집니다. 그러나 더 큰 간격을 두면 더 전략적인 안테나 위치를 확보할 수 있습니다. 예를 들어, 방의 어느 위치에서도 최소한 하나의 안테나와의 시야를 확보하기 위해 간격을 넓히는 것이 유용할 수 있습니다.
안테나 높이
수신기 안테나는 RF를 흡수할 수 있는 장애물, 특히 사람 몸으로부터 멀리 떨어져 있어야 합니다. 따라서 안테나를 “군중 수준”보다 높게 (바닥에서 2m) 배치하는 것이 항상 권장됩니다.
안테나 방향
수신기 안테나는 송신기 안테나와 동일한 평면에 배치되어야 합니다. 송신기 안테나는 일반적으로 수직 위치에 있기 때문에, 수신기 안테나도 수직으로 배치되어야 합니다. 그러나 핸드헬드 송신기 안테나는 라이브 공연자의 역동성 때문에 때때로 위치가 변할 수 있습니다. 이를 타협하여, 안테나를 수직에서 약 45도 각도로 배치할 수 있습니다. 또한, 절대 안테나를 수평으로 배치하지 마십시오! 이는 수신기가 장착된 장비 랙의 뒷면에 안테나를 설치할 때 수직으로 배치할 공간이 충분하지 않아 가끔 발생합니다. 이러한 상황이 발생하면, 안테나를 전면에 장착할 수 있는 필요한 부품을 얻거나, 랙 외부에 원격으로 장착하십시오 (안테나 원격 장착 참조). 안테나는 항상 금속 표면에서 최소 몇 인치 이상 떨어져 있어야 하며, 다른 수신 안테나와 접촉하거나 교차하지 않아야 합니다. 안테나 분배 시스템은 이러한 문제를 피하는 데 도움이 될 수 있습니다.
안테나 분배/결합
안테나 디스트리뷰션
적절한 안테나 분배는 동일한 환경에서 작동하는 여러 무선 시스템의 최적 성능을 달성하는 데 중요합니다. 무선 수신기를 쌓거나 랙에 장착하면 많은 안테나가 밀집하게 배치되는데, 이는 보기 흉하고 물리적으로 어려울 뿐만 아니라 실제로 무선 시스템의 성능을 저하시킵니다. 안테나가 1/4 파장 미만으로 간격을 두면 서로의 수신 패턴을 방해하여 불규칙한 커버리지를 초래합니다. 또한, 밀집된 안테나는 국부 발진기 누출을 악화시켜 가까운 수신기 간의 간섭을 유발할 수 있습니다. 마지막으로, 원격 안테나 애플리케이션의 경우, 원격 안테나와 동축 케이블의 수를 최소화하기 위해 안테나 분배가 필수적입니다. 안테나 분배는 하나의 안테나 쌍에서 나오는 신호를 여러 수신기에 공급하도록 분배함으로써 이러한 문제를 해결합니다. 분배는 패시브 또는 액티브로 할 수 있습니다.
패시브 스플리터
2개 이하의 수신기
패시브 스플리터는 저렴하며 작동을 위해 전원이 필요하지 않습니다. 패시브 스플리터를 사용할 경우, 분배할 때마다 약 3 dB의 신호 손실이 발생합니다. 일반적으로 안테나와 수신기 입력 간의 손실은 5 dB를 넘지 않아야 합니다. 이러한 이유로, 패시브 스플리터는 단일 분배(즉, 하나의 안테나를 두 수신기로 분배하는 경우)에만 사용해야 합니다. 패시브 스플리터를 사용할 때 추가로 고려해야 할 사항은 일부 수신기의 안테나 입력에 DC 전압이 존재할 수 있다는 점입니다. 이 전압은 일반적으로 수신기에서 직접 원격 안테나 증폭기에 전원을 공급하기 위해 존재합니다. 패시브 스플리터로 두 수신기를 연결하면, 각 수신기는 다른 수신기의 안테나 입력에서 전압을 “볼” 수 있습니다. 수신기의 설계에 따라 이는 문제가 될 수 있습니다. 잠재적인 손상을 피하기 위해, 전압을 차단하는 회로가 포함된 스플리터를 사용하거나, 외부 DC 차단기를 사용하거나, 적어도 하나의 수신기에서 전압을 차단해야 합니다.
액티브 안테나 분배 시스템
3개 이상의 수신기
만약 두 개 이상의 시스템에 대해 분배가 필요하다면, 액티브 안테나 분배 시스템을 권장합니다. 액티브 스플리터는 작동을 위해 전원이 필요하지만, 하나의 안테나에서 여러 개의 분배로 인해 발생하는 추가적인 손실을 보상하기 위해 메이크업 게인을 제공합니다. 일반적인 액티브 시스템은 4-5개의 안테나 출력을 가질 수 있습니다. 많은 액티브 안테나 분배 시스템은 수신기에 전원 분배 기능도 제공합니다. 필요한 경우 더 많은 출력이 필요하면 여러 액티브 분배 시스템을 함께 사용할 수 있지만, 이는 신중히 진행되어야 합니다. 이론적으로 완벽한 분배 시스템은 입력부터 출력까지 유니티 게인을 제공할 것입니다. 하지만 실제로는 액티브 시스템의 안테나 출력은 최대 1.5 - 2 dB의 게인을 가질 수 있습니다. 라디오 신호의 과도한 증폭은 원치 않는 부작용을 초래할 수 있으며, 이는 간섭 생성물의 악화와 라디오 “노이즈” 증가로 나타날 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 두 개 이상의 꼬리말 안테나 분배 시스템을 연속해서 사용하지 않는 것이 강력히 권장됩니다. 더 나은 방법은 “마스터” 안테나 분배 시스템을 사용하여 신호를 “슬레이브” 분배 시스템의 두 번째 계층으로 분배하는 것입니다. 그러면 모든 수신기가 “마스터” 또는 “슬레이브” 분배 시스템에 연결됩니다. 이러한 방식으로 수신기를 연결하면 모든 수신기가 순수한 안테나 신호에 더 가깝게 유지됩니다.
안테나 분배 시스템의 주파수 대역폭에 유의하세요. 일반적으로 와이드밴드(wideband)와 나로우밴드(narrowband) 유형으로 제공됩니다. 와이드밴드는 일반적으로 수백 메가헤르츠의 넓은 주파수 범위를 통과할 수 있는 장치를 의미합니다. “나로우밴드” 장치는 20 또는 30MHz를 초과하지 않을 수 있습니다. 이 장치들은 액티브 장치이기 때문에 분배 시스템의 대역폭을 벗어나는 주파수는 수신기에 전달되지 않습니다.
안테나 컴바인
멀티 룸 안테나 셋업
여러 객실을 커버하기 위해 패시브 콤바이너를 사용하세요. 전력이 필요 없으며 일반적으로 소형이기 때문에 필요한 곳 어디에나 배치할 수 있습니다. 패시브 콤바이너는 일반적으로 최소 3 dB의 손실이 발생하므로 케이블 손실을 계산할 때 이 숫자를 반드시 포함해야 합니다. 더 많은 위치를 커버해야 할 경우 추가적인 손실을 보상하기 위해 충분한 증폭이 제공될 수 있도록 여러 개의 콤바이너를 직렬로 연결할 수 있습니다. 수신기나 안테나 분배 시스템으로 효과적으로 전원을 공급할 수 없는 상황에서는 추가적인 바이어스 “Tee” 전원 어댑터를 사용해야 합니다. 이 어댑터는 안테나 케이블에 바이어스 전압을 주입할 수 있게 해줍니다. 잠재적인 위상 취소를 최소화하기 위해 여러 안테나가 공통 수신기 입력을 공급할 때 서로 격리된 상태를 유지하는 것이 중요합니다. 이는 신호 감쇠가 발생할 수 있는 잠재적인 위상 취소를 최소화하기 위함입니다. 어떤 수신기 설계는 이 상황을 처리하는 데 더 적합할 수 있지만, 이는 무엇보다도 중요한 예방 조치입니다.
무선 인이어 안테나 컴바이너
무선 인이어 시스템에서 최적의 RF 성능을 얻기 위해 안테나 결합은 중요합니다. 여러 개의 근접하게 배치된 고출력 송신기는 종종 과도한 상호 변조 (추가 주파수를 생성하는 송신기 상호 작용) 문제를 겪습니다. 이 경우 두 개의 송신기만 결합하기 위해 패시브 컴바이너를 사용해야 합니다. 그러나 두 개 이상의 송신기를 결합해야 할 경우, 액티브 컴바이너가 권장됩니다. 액티브 안테나 컴바이너는 일반적으로 4개에서 8개의 송신기를 결합할 수 있습니다. 대규모 설정을 위해 여러 개의 액티브 안테나 분배 시스템을 함께 연결할 수 있는 반면, 액티브 안테나 결합기는 절대로 연속해서 사용해서는 안 됩니다. 모든 송신기를 결합하기 위해 두 개 이상의 컴바이너가 필요한 경우, 패시브 컴바이너를 사용하여 두 개의 액티브 결합기를 연결해야 합니다. 항상 패시브 컴바이너로 인한 추가 손실에 주의해야 합니다. 액티브 안테나 분배 시스템과 유사하게, 액티브 컴바이너도 특정 주파수 대역을 가지고 있습니다. 주어진 송신기 주파수에 적합한 적절한 대역폭을 선택해야 합니다.
안테나 원격 연결
일부 설치에서는 안테나를 수신기 케이스에서 분리하여 다른 위치에 설치하여 시야에 장애물 없이 작동할 수 있도록 해야 합니다. 안테나는 마이크 스탠드, 벽 거치대 또는 다른 적합한 장치에 설치할 수 있습니다. 이전에 언급했듯이, 수신기는 1/4파 안테나 또는 1/2파 안테나 중 하나가 포함되어 공급될 수 있습니다. 1/4파 안테나는 수신기 케이스가 접지면 역할을 하지 않으면 효과가 감소할 수 있습니다. 따라서 안테나를 원격으로 설치할 때는 1/2파 안테나를 사용해야 합니다. 이는 수신기가 제공하는 접지면이 필요하지 않기 때문입니다. 방향성 안테나는 명백히 원격으로 설치할 수 있도록 설계되어 있습니다.
RF 손실 문제로 인해 적절한 저손실 동축 케이블을 사용하는 것이 중요합니다. 무선 마이크 응용에서는 일반적으로 50 옴 저손실 케이블이 사용됩니다. 75 옴 케이블 사용은 임피던스 불일치로 인해 추가적인 손실이 발생할 수 있지만, 일반적으로 이 손실은 1 dB 미만으로 설치에 치명적이지 않을 수 있습니다. 제조업체의 케이블 사양은 각 주파수에서의 100 피트(30m) 당 손실을 dB로 나타내야 합니다. 이 값을 사용하여 원하는 케이블 길이의 수신기에서 예상 손실을 계산할 수 있습니다. 신호 강도 손실이 3에서 5 dB 사이인 것은 허용되는 수준으로 간주됩니다. 케이블 길이에 따른 손실이 5 dB보다 크면, RF 성능 저하를 피하기 위해 액티브 안테나 증폭기를 사용해야 합니다. 이러한 액티브 증폭기는 선택 가능한 증폭량을 제공할 수 있습니다. 전원은 수신기의 안테나 입력 또는 안테나 분배 시스템에서 공급됩니다. (참고: 모든 무선 마이크 수신기가 이 전압을 지원하지는 않습니다. 사전에 사양을 확인하십시오.) 케이블 손실에 따라 적절한 증폭기 설정을 결정합니다. 증폭기는 안테나에 설치되며, 일반적으로 벽에 부착하거나 스탠드에 설치됩니다. 극단적인 경우에는 두 개의 증폭기를 직렬로 연결하여 더 긴 길이를 가능하게 할 수 있습니다. 수신기나 안테나 분배 시스템이 여러 안테나 증폭기에 충분한 전류를 공급할 수 있는지 확인하십시오.
마지막으로, 액티브 분배 시스템과 마찬가지로 안테나 증폭기도 밴드별로 특정되며, 넓은 밴드 또는 좁은 밴드로 사용할 수 있습니다. 또한 두 개의 케이블 부분 사이의 각 연결은 커넥터에 따라 추가 신호 손실이 발생할 수 있습니다. 신뢰성을 높이기 위해 안테나에서 수신기로 이어지는 케이블은 하나의 연속된 길이로 사용하는 것이 좋습니다. 안테나 증폭기를 사용할 경우, 첫 번째 증폭기의 입력에 직접 안테나를 설치하고, 증폭기에서 두 번째 증폭기(필요한 경우)로 이어지는 케이블을 하나 사용하며, 그리고 두 번째 안테나 증폭기에서 수신기로 이어지는 케이블을 사용하세요.
다이버시티
Diversity
안테나 다이버시티는 두 개 이상의 안테나를 활용하여 무선 연결의 신뢰성을 향상시키는 방법이다. 선택할 수 있는 안테나가 여러 개 있으므로 송수신기는 끊김이나 간섭이 거의 없는 강력한 무선 연결을 거의 항상 제공합니다.
Reference
