심심해서 FM 라디오 안테나 만들기

심심하다기 보다는 프로토타입입니다

혼자서 하는 프로젝트인데, VHF Collinear 안테나 만들기와 UHF Collinear 안테나 만들기 입니다. 알고보니 제가 사용하던 다이아몬드 안테나의 상당수가 VHF 대역에서 collinear 형태로 만들어진 것이었더군요. 저도 그건 만들어보고 싶다는 생각이 들었습니다. 

기본적인 설계 계획은 PDF로 만들어 두었습니다. 악필이라 읽기 어려울 수 있지만 도움이 되시면 좋겠습니다. 

VHF / UHF 안테나 설계도

배경 및 요구사항

제가.. Sangean WR-15BT라는 라디오가 있습니다. 혼자 있는 시간이 많다보니 심심할때 들으려고 샀는데요, 교신을 하려고 기다리다보면 아무리 CQ를 내도 응답이 없는 일이 많지요. 그때 라디오나 들으려고 생각했습니다. 

이 라디오는 내장 안테나 또는 외장 안테나를 사용하도록 되어 있고, 우리가 사용하는 아마추어 무선장비와는 다르게 F 타입 커넥터를 사용하고 75 Ω 입니다. 또한 한국의 FM 라디오 대역은 88 ~ 108 ㎒ 입니다. 대역폭이 20 ㎒ 나 되기 때문에 실제로 모든 주파수 대역에 완벽하게 맞는 안테나를 만들기는 어렵겠지만 가급적 해당 주파수 대역에 가깝게 공진을 맞추면 상대적으로 더 높은 신호대 잡음비(SNR)를 얻을 수 있을 것이라 생각했습니다. 

제작과정

중심이 되는 케이스는 64 x 58 x 35mm의 알루미늄 방수 케이스를 선택했습니다. 다른 이유는 아니고 제가 금속을 좋아하니까요. 

케이스는 도색이 되어 있는 상태이고 네 개의 볼트와 실리콘 실링이 함께 들어 있습니다. 

우선 직경 14mm, 내경 10mm의 PTFE 튜브를 자릅니다. 알루미늄 케이스에 알루미늄봉을 그대로 연결하면 절연이 되지 않기 때문에, 그리고 지지대가 불안정하기 때문에 이 튜브를 사용하기로 했습니다. 

길이 3㎝ 으로 절단했습니다. 절단은 매우 쉽습니다. 실톱만 있으면 간단하게 잘리고 이후 사포로 절단면을 갈아내주면 됩니다. 

주의 : 실제 제작후 알게된 것인데 지지용 PTFE 튜브의 길이는 9~12㎝는 되어야 한다는 사실을 알았습니다. 그렇지 않으면 지지력이 너무 약합니다.

구멍은 총 세 개를 뚫어야 합니다. 16mm 구멍은 SO-239 또는 N 타입 리셉터클을 위한 구멍이고, 14mm 구멍은 PTFE 튜브와 안테나가 들어갈 곳입니다. 

구멍을 뚫었으면 깨끗하게 관통면을 정리해 준 후, 안테나 접점을 만들어 보겠습니다. 

조금 다른 사진이긴 한데.. 어차피 똑같으니 이걸 보여드리겠습니다. 
C1100 순동 구리판입니다. 그걸 잘라서 모서리를 다듬은 후 요렇게 만들었습니다. 

핸드시머라는 무시무시한 집게와 힘으로! 알루미늄 봉을 감싸서 꽈악 죄여줍니다. 가능하면 빡빡하게 끼는 형태가 되어야 합니다. 
이후 평평한 부분에 드릴로 구멍을 내어 볼트와 너트를 넣을 수 있게 해 줍니다. 

이제 준비가 모두 되었으니 가조립을 해 봅니다. 

네, 대략 위와 같습니다. 사진을 보시면 이해가 쉽습니다. 가운데에 있는 작은 PTFE 조각은 두 안테나 사이에 쇼트가 나지 않도록 임시로 넣어 봤습니다. 

다음 단계로 알루미늄 케이스에 절단한 PTFE 튜브를 끼우고 에폭시 고정을 진행합니다. 

PTFE 튜브의 노출부위와 케이스의 하단을 비닐 절연테이프로 감아줍니다. 이런 절연테이프는 표면 에너지가 낮아 에폭시와 거의 결합되지 않습니다. 

에폭시를 조심조심 부어 위와 같이 만들었습니다. 이제 약 24시간을 기다립니다. 
대략 8시간 정도 지나면 흘러내리지 않을 정도로 단단해지니 뒤집어 반대편에도 동일하게 처리하면 됩니다. 

예쁘게 되었군요. 이제..... 알루미늄 케이스의 도색을 일부 제거해야 합니다. 
당연한 것이지만 도색이 되어 있으면 전기가 통하질 않고 그러면 케이스 자체가 공중에 뜬 금속물체가 되기 때문에 RF에 영향을 끼칠 것이니까요. 

죽어라 문지릅니다. 헥헥...

사포를 바꿔가며 열심히 갈아내어 이렇게 되었습니다. 커넥터의 접지면이 여기와 연결이 되어야 하니까요. 

자아.. 이제 불필요한 쇼트를 막기 위해 뚜껑과 바닥에 실리콘 시트를 붙입니다. 

위의 가조립 사진을 보시면 이해가 될 것인데, 구리 접점이 돌아가 알루미늄에 닿지 않기 위해서 한 처리입니다. 꼭 필요하지는 않습니다. 

이제... 직경 8mm 알루미늄 봉을 양쪽 PTFE 튜브를 통해 삽입합니다. 삽입할 때에는 방수와 고정을 위해 PTFE 튜브와 연결되는 부위에 에폭시를 발라 삽입해야 합니다. 주의할 것은 안쪽 구리 접점이 될 곳에는 절대 에폭시가 묻으면 안된다는 것입니다. 

알루미늄 봉을 삽입 후 또 24시간 기다립니다. 이때 안테나 봉이 밑으로 처지지 않도록 주의합니다. 

그 사이 에나멜 코팅선을 준비해 볼트와 고정합니다. 

알루미늄 봉이 완전히 고정이 되었다면 조심조심 커넥터의 리셉터클과 안테나를 연결합니다. 

다 되었습니다! 
모든 부속을 단단하게 연결했고, 중간에는 혹시 모를 사고를 막기 위해 실리콘 시트를 접어 끼웠습니다. 

공진주파수 튜닝을 했더니 꽤 줄어들었습니다. 양쪽을 각각 11 ㎝ 정도 잘랐습니다.

일단 공진은 98 ㎒ 에 맞췄습니다. 88 ㎒ 와 108 ㎒ 에서 SWR은 3:1이 나왔고 이건 안테나의 손실면에서 보면 1.25 ㏈ (약 25%) 손실 감소입니다.
하지만.... 일반적인 안테나 분석기는 50 Ω 으로 맞춰진 장비이고, 자유공간에서의 다이폴 안테나의 임피던스는 73 Ω 정도이고, 동축 케이블 자체도 라디오와 75 Ω 을 사용해야 하니... 실제 SWR은  2 : 1 정도 아닐까 생각합니다. 
다시말해 방송국에서 송출하는 출력을 거의 대부분 손실 없이 수신할 수 있게 되었다는 뜻입니다. 

우스운 것은, 우리나라 FM 방송국의 출력은 어마어마합니다. 그러니 사실 이런 으리으리한 안테나는 오버킬 (과잉 설계)라고 할 수 있겠지요. 

그냥 만들어 본 것입니다. 

후기

두 가지 문제점을 발견했습니다. 

1. 알루미늄 안테나봉을 지지하기 위한 PTFE 튜브의 길이는 9 ~ 12 ㎝ 정도 되어야 하는 것 같습니다. 그래야 접촉면적이 넓어 알루미늄봉을 제대로 고정해 줄 수 있더군요. 
2. 케이스에 에폭시를 부을 때 뚜껑을 고려하지 않았습니다. 어찌어찌 닫기는 했는데 안쪽으로 들어가게 에폭시를 도포해야 할 것 같습니다. 뚜껑이 닫힐 수 있도록 말입니다.

향후 계획

원래 계획은 라디오 안테나를 만드는 것이 아니라 송신용 안테나를 만드는 것이었으니 그걸 해야겠지요. 
우선 베란다 난간에 안테나를 설치할 수 있는 지지대를 먼저 설치할 것입니다. 그리고 이후에 제작한 VHF 안테나를 collinear 방식으로 설치해 볼 생각입니다.