고주파 대역용 고성능 액티브 안테나

이 논문 소개는 "Defence Science and Technology Group"에서 발행한 "A High Performance Active Antenna for the High Frequency Band" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 제목: A High Performance Active Antenna for the High Frequency Band
• 저자: Wayne Martinsen
• 발행 연도: 2018년 8월
• 저널/학회: Defence Science and Technology Group
• 키워드: 안테나 설계, 고주파, 왜곡, 낙뢰

2. 초록:

이 논문은 저주파(LF)에서 고주파(HF)까지 작동하는 액티브 안테나의 설계를 제시하며, 상호변조 왜곡(inter-modulation distortion)의 주요 원인을 파악하고 이를 최소화하기 위한 권장사항을 제공합니다. 안테나 내부에서 발생하는 다양한 노이즈 원인과 이들이 출력에서 총 노이즈에 미치는 영향을 상세히 분석하며, 낙뢰 보호 방안도 논의합니다. 완성된 설계는 수직 E 필드 강도 측정, 일반 감시 및 HF 대역 신호 지리적 위치 추적에 적합한 소형의 모듈식 수신 전용 안테나입니다.

3. 서론:

논문 "A High Performance Active Antenna for the High Frequency Band"는 전방향 감시, HF 사이트 노이즈 측정 및 방향 탐지 배열에 사용되는 광대역 수직 모노폴 안테나의 설계를 다룹니다. 이러한 안테나는 일반적으로 DC 저항이 낮아 노이즈가 적지만, 강한 RF 신호, 특히 AM 방송국 신호로 인한 상호변조 왜곡에 취약합니다. 이 연구는 왜곡과 노이즈를 최소화하고 효과적인 낙뢰 보호를 보장하여 안테나 성능을 최적화하는 것을 목표로 합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

액티브 안테나는 넓은 주파수 대역을 커버할 수 있어 HF 응용 분야에서 중요하지만, 강한 신호로 인한 상호변조 왜곡과 내부 노이즈로 인해 감도가 제한될 수 있습니다. 안테나 이득, 전자적 이득 및 노이즈 성능 간의 균형이 필요하며, 특히 높은 RF 간섭 환경에서 중요합니다. 낙뢰 보호는 LF에서 HF 대역에서 유도된 전압으로부터 안테나를 보호하기 위해 필수적입니다.

기존 연구 현황:

이전 설계에서는 U310 JFET가 액티브 안테나의 성능으로 인해 자주 사용되었으며, 이는 "Low-Noise JFETs-Superior Performance to Bipolars" [Ref. 1]에서 언급되었습니다. 문헌에서는 고출력 AM 방송국에서 발생하는 상호변조 왜곡 문제와 저노이즈 부품의 필요성을 강조했으며, 이는 "Designing with Field-Effect Transistors" [Ref. 2]에서 논의되었습니다. 그러나 노이즈와 왜곡을 동시에 최적화하면서 강력한 낙뢰 보호를 통합한 연구는 제한적입니다.

연구 목적:

이 연구는 상호변조 왜곡을 최소화하고, 내부 노이즈를 줄이며, 효과적인 낙뢰 보호를 포함하는 고성능 HF 액티브 안테나를 설계하는 것을 목표로 합니다. E 필드 측정 및 신호 지리적 위치 추적을 위한 소형의 모듈식 솔루션을 제공하며, 신호 반사를 줄이고 시스템 성능을 향상시키기 위해 광대역 50옴 출력 임피던스를 우선시합니다.

핵심 연구:

이 연구는 U310 JFET를 사용한 입력 단계, 출력 버퍼 단계 및 낙뢰 보호 메커니즘을 상세히 설명하며, 수신 전용 액티브 안테나의 설계에 초점을 맞춥니다. JFET의 트랜스컨덕턴스 변동으로 인한 상호변조 왜곡 원인을 분석하고, 왜곡 제품을 줄이는 방법을 제안합니다. 노이즈 원인을 정량화하고 다양한 환경에서 성능을 최적화하기 위한 설치 권장사항을 제공합니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

이 연구는 안테나 로드에서 출력 버퍼 단계까지 체계적으로 액티브 안테나를 설계하고 테스트하는 접근 방식을 채택했습니다. 왜곡을 최소화하기 위해 공통 드레인 JFET 구성을 사용하고, 광대역 50옴 임피던스를 위해 푸시-풀 출력 버퍼를 포함합니다. 외부 전자기장을 차단하기 위해 스크린 룸에서 테스트하고, 실제 환경 검증을 위해 안테나 테스트 사이트에서 평가했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

주파수 응답, 출력 인터셉트 포인트, 안테나 팩터 및 노이즈 피겨를 측정하여 데이터를 수집했으며, Figure 4.1(a) 및 (b)에 표시된 설정을 사용했습니다. 노이즈 및 왜곡 제품은 +30 dB 테스트 증폭기를 사용한 스펙트럼 분석기로 측정되었으며, Figure 3.9 및 Figure 4.3에 나타납니다. 노이즈(Equation 3.5, 3.19, 3.20) 및 안테나 팩터(Equation 4.2) 계산은 EXCEL 스프레드시트로 분석되었습니다.

연구 주제 및 범위:

이 연구는 LF에서 HF 주파수 대역(10 kHz ~ 100 MHz)을 다루며, 안테나 설계, 상호변조 왜곡, 노이즈 분석 및 낙뢰 보호에 초점을 맞춥니다. U310 JFET 성능, 출력 버퍼 설계 및 원치 않는 공진을 억제하기 위한 설치 방법을 다룹니다. E 필드 측정, 감시 및 HF 신호 지리적 위치 추적 응용 분야를 포함합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 안테나는 HF 대역에서 -6.4 dB의 전진 이득을 달성했으며, Figure 4.2에 나타난 바와 같습니다. 안테나 팩터는 12.8 dB로 측정되었습니다(Figure 4.8).
• 3차 및 2차 출력 인터셉트 포인트(OPIp3 및 OPIp2)는 각각 +39.6 dBm 및 +79.5 dBm로 측정되었습니다(Figures 4.6, 4.7).
• 계산된 초과 노이즈는 15.5 MHz에서 6.01 dB이며(Figure 3.11), 측정된 6.5 dB와 밀접하게 일치합니다(Figure 3.10).
• 3 kHz 대역폭에 대한 안테나의 노이즈 피겨와 스퓨리어스 프리 다이내믹 레인지(SFDR)는 상용 HF 수신기와 경쟁력 있는 성능을 보여줍니다(Figure 4.10).
• 낙뢰 보호는 실버 마이카 커패시터와 가스 방전 튜브를 사용하여 유도된 전압에 대한 견고성을 보장합니다(Section 2.2.7).
• RF 전류 초크를 포함한 설치 권장사항은 6.5 MHz 이하의 원치 않는 전류를 억제합니다(Figures 2.27, 2.28).

Figure 이름 목록:

• Figure 2.3: Variation in transconductance with I_D for the U310 JFET
• Figure 2.4: Test setup and equivalent models for JFET measurements
• Figure 2.5: Variation in voltage gain with two load resistances
• Figure 2.6: Variation in r_ds resistance over g_ds range
• Figure 2.8: Input circuitry of the active antenna
• Figure 2.9: Output Buffer circuitry
• Figure 2.10: Measured return loss at the output terminal
• Figure 2.11: Output buffer circuitry test setup
• Figure 2.12: Frequency response of the output buffer circuit
• Figure 2.13: Measured input impedance of RGS EK890 receiver
• Figure 2.14: Output buffer circuit with 1.8 ohm impedance
• Figure 2.15: Phase and magnitude response with 50 ohm receiver input
• Figure 2.16: Phase and magnitude response with 21 ohm receiver input
• Figure 2.17: Phase and magnitude response with 50 ohm output buffer
• Figure 2.18: Final circuit of the active antenna
• Figure 2.19: Point to point wiring of the active antenna
• Figure 2.20: View showing the recessed BNC connector
• Figure 2.21: Assembled antenna with rod
• Figure 2.22: Recommended installation for a given mast height
• Figure 2.23: Recommended lengths of ground radials
• Figure 2.24: Recommended installation for an active antenna
• Figure 2.25: Construction details of current choke
• Figure 2.26: RF current choke housed in a small metal box
• Figure 2.27: Active antenna response with no RF current chokes
• Figure 2.28: Active antenna response with co-axial current chokes
• Figure 2.29: Active antenna response from 10 kHz to 6 MHz
• Figure 2.30: Maximum response at 38 MHz
• Figure 3.1: The three sources of noise in the Active Antenna
• Figure 3.2: Input circuit with 7 uH inductor
• Figure 3.3: Simplified input circuit and Colpitts oscillator
• Figure 3.4: Measured peak in antenna noise floor at 12.26 MHz
• Figure 3.6: Simplified buffer amplifier output circuit
• Figure 3.7: Noise generated by the effective input resistance of the buffer
• Figure 3.8: Noise generated by the FET appearing at the buffer input
• Figure 3.9: Calculated internally generated noise at -88.0 dBm
• Figure 3.10: Measured internally generated noise at -87.5 dBm
• Figure 3.11: Calculated excess noise of 6.01 dB
• Figure 4.1: Two possible methods of connecting to the active antenna
• Figure 4.2: Active antenna output showing forward gain of -6.4 dB
• Figure 4.3: Test set-up for two tone test signal
• Figure 4.4: Two tone test, 8 MHz and 11 MHz
• Figure 4.5: Two tone test set-up for intermodulation products
• Figure 4.6: Third order tone at 5 MHz
• Figure 4.7: Second order tone at 3 MHz
• Figure 4.8: Measured antenna factor
• Figure 4.9: Calculated antenna noise figure
• Figure 4.10: Calculated 3rd and 2nd order SFDR
• Figure 4.11: Calculated strengths of two equal magnitude E fields

7. 결론:

이 논문은 JFET 선택과 출력 버퍼 구성을 통해 상호변조 왜곡을 최소화한 고성능 HF 액티브 안테나 설계를 성공적으로 제시합니다. 낮은 노이즈 피겨와 견고한 낙뢰 보호를 달성하여 E 필드 측정, 감시 및 HF 신호 지리적 위치 추적에 적합합니다. 모듈식 소형 설계와 설치 권장사항은 다양한 환경에서의 실용적인 배포를 보장합니다.

8. 참고문헌:

• [1] "Low-Noise JFETs-Superior Performance to Bipolars" (10-Mar-97), Siliconix application note AN108.
• [2] Applications Engineering Staff, Siliconix, Inc. (1990), revised by Ed Oxner, "Designing with Field-Effect Transistors", Mcgraw-Hill, Inc., ISBN: 0-07-053737-1.
• [3] Edwin S. Oxner, (1989), "FET Technology and Application, an introduction", Marcel Dekker, Inc., ISBN: 0-8243-8060-7.
• [4] ARRL (2007-2009), "The ARRL Antenna Book 21" edition", ARRL, ISBN: 0-87299897-6
• [5] Stephen J. Ersi, (1984), "Receiving Systems Design", Artech House Inc, ISBN: 0-89006-135-1)
• [6] Recommendation ITU-R PL372-6, Radio Noise (1994)
• [7] Noll, Edward M., (1975), "FET principles, experiments and projects" ISBN: 0-67221167-X
• [8] Vishay data sheet for U310 FET, Vishay Siliconix Document Number: 70237-550149-Rev. H, 24-Jan-2005
• [9] Martin A. Uman, (2001), "The Lightning Discharge", Dover Publications, Inc., Mineola, New York, ISBN: 0-486-71403-9
• [10] F. R. Connor, (1973), "Noise", Edward Arnold (Publishers) Ltd., 25 Hill Street, London, W1X8RL, ISBN: 0-7131-3066-6

9. 저작권:

• 이 자료는 "Wayne Martinsen"의 논문입니다. "A High Performance Active Antenna for the High Frequency Band"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: DOI 제공되지 않음(원문에서 DOI 미제공).
• 이 자료는 위 논문을 기반으로 요약되었으며, 상업적 목적으로의 무단 사용은 금지됩니다.
• Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.

논문 요약:

"Defence Science and Technology Group"에서 2018년 8월 발행된 Wayne Martinsen의 논문 "A High Performance Active Antenna for the High Frequency Band"는 LF에서 HF 응용을 위한 소형 수신 전용 액티브 안테나 설계를 상세히 설명합니다. U310 JFET의 트랜스컨덕턴스 변동을 상호변조 왜곡의 주요 원인으로 식별하고, 공통 드레인 구성과 푸시-풀 출력 버퍼를 사용하여 광대역 50옴 임피던스를 달성하여 왜곡과 반사를 줄입니다. 6.01 dB의 계산된 노이즈 피겨(Figure 3.11)와 견고한 낙뢰 보호는 E 필드 측정, 감시 및 신호 지리적 위치 추적에 적합하게 합니다.

연구에 대한 주요 질문과 답변:

Q1. 액티브 안테나에서 상호변조 왜곡의 주요 원인은 무엇인가요?

A1. 주요 원인은 U310 JFET의 트랜스컨덕턴스(g_ds)가 드레인 전류에 따라 변동하는 것으로, "A High Performance Active Antenna for the High Frequency Band"의 Section 2.2.5 및 Figure 2.3에서 설명됩니다.

Q2. 안테나는 어떻게 광대역 50옴 출력 임피던스를 달성하나요?

A2. 매칭된 트랜지스터와 50옴 종단 저항을 사용하는 푸시-풀 출력 버퍼 구성을 통해 광대역 50옴 출력 임피던스를 보장하며, 이는 Section 2.3 및 Figure 2.9에 설명됩니다.

Q3. 안테나를 낙뢰로부터 보호하기 위해 어떤 조치가 취해졌나요?

A3. 두 개의 220 pF 실버 마이카 커패시터, 가스 방전 튜브 및 4 M7 저항을 사용하여 정전하를 방전함으로써 낙뢰 보호를 구현하며, Section 2.2.7 및 Figure 2.8에 설명됩니다.

Q4. 안테나의 측정된 안테나 팩터는 무엇이며, 어떻게 검증되었나요?

A4. 측정된 안테나 팩터는 12.8 dB로, Equation 4.2를 사용해 계산되었으며, Rohde & Schwarz HE010 시스템을 통한 현장 실험으로 검증되었습니다(Section 4.3, Figure 4.8).

Q5. 안테나의 노이즈 피겨는 상용 HF 수신기와 어떻게 비교되나요?

A5. 15.5 MHz에서 6.01 dB의 계산된 초과 노이즈는 일부 아마추어용 상용 HF 수신기와 비슷하지만, 군용 등급 수신기는 추가 증폭이 필요할 수 있습니다(Section 3.4, Figure 3.11).

Q6. 안테나 성능을 최적화하기 위해 어떤 설치 방법이 권장되나요?

A6. 지상 레벨의 금속 매트 설치, 금속 폴을 사용한 고가 설치 또는 그라운드 래디얼을 포함한 설치가 권장되며, RF 전류 초크를 사용하여 6.5 MHz 이하의 원치 않는 전류를 억제합니다(Section 2.6, Figures 2.22–2.28).