무선랜 안테나 만들기, Wireless Antenna from scratch

재미있는 글이 있어서 가져와 봅니다. 나중에 하나 만들어서 사용해봐야겠네요~

다음글은 네이버의 지식인에서 가져온 글임을 밝힙니다.

새로운 밀레니엄 시대는 바야흐로 유비쿼터스 시대이다. 거추장스러운 선은 사라지고 모든 것이 무선으로 연결된다. 꿈만 같은 얘기다. 하지만 현실로 서서히 실현되고 있다. 가장 가까운 예로 무선 네트워크를 보자. 불과 몇 년 전만 해도 무선랜은 생각하지도 못했다. 하지만 요즘은 어떠한가? 몇 만원만 투자하면 쉽게 무선 네트워크를 구축할 수 있다. 이는 가정에서도 마찬가지이다. 속도도 날로 향상하여 요즘은 몇몇 일부 제품에서 지원하는 터보 모드에 의해 108Mbps까지 구현되고 있다. 유선 못지않은 속도이다.

하지만 실제 무선 AP(값 비싼 기업용 AP는 예외로 하자) 등을 구입한 후 사무실에 가정에 설치, 사용하다 보면 무선 성능에 약간은 실망을 하게 된다. 802.11b/g 등의 규격에는 최대 500미터까지 가능하다고 나와 있지만 막상 해 보면 그렇지 않다. 벽 하나만 넘어가도 속도가 뚝뚝 떨어지고 접속도 떨어지는 등 문제가 발생한다. 그러나 여기에 만족할 수 없다. 지금부터 소개하는 자작 안테나를 이용하면 무선 성능을 상당히 올릴 수 있기 때문이다. 들어가는 비용도 거의 들지 않기 때문에 요즘 같이 경기가 어려운 시대에 참으로 유용한 팁이라 할 수 있다. 밑져야 본전이니 그간 무선랜의 성능에 불만이 많았던 사용자들은 한번 도전해 보도록 하자.

참고로 본 자작 안테나 기사는 네트워크 전문 기업인 랜스토리지(http://www.lanstory.co.kr)의 협조로 진행됨을 밝힌다.

 안테나는 전파를 주고 받기 위한 하나의 부품
안테나란 여러분이 잘 알고 있는 바와 같이 전파를 주고받는 하나의 전자적인 부품이다. 그리고 안테나는 흔히 역삼각형 모양의 기호로 표현된다.

AP를 비롯해 전파를 이용하는 모든 무선 기기에는 다양한 형태의 안테나가 장착되어 있으며, 사용 주파수에 따라, 그리고 사용 목적에 따라 상황에 최적화된 성능을 구현해 내기 위해 형태에 따른 다음과 같은 종류들의 안테나를 만나 볼 수 있다.

Dipole Antenna
가장 기본이 되는 안테나 중 하나이다. 두 개의 극이 서로 다른 도선을 구부려서 전체 길이를 λ(파장)/2가 되도록 만드는 것이 기본 구성이다. 특히 다이폴 안테나는 단일로 사용되는 것보다 여러가지 배열로 구성해 안테나를 구성하는 것이 일반적이다. 지금도 각 주택이나 아파트 등 옥상에 올려 사용하는 TV 수신용 안테나(야기-우다 안테나)가 바로 다이폴 안테나를 응용한 것이다.

Monopole Antenna

다이폴 안테나처럼 직선 형태로 되어 있지만, 한쪽 도체 대신 그라운드(접지)로 대치된 안테나이다. 때문에 다이폴 안테나보다 짧은 λ(파장)/4의 길이만 되도 안테나의 성능을 할 수 있게 된다. 안테나 길이가 보다 짧기 때문에 휴대형 장비 등에 많이 사용된다.

Patch Antenna

Microstrip 기판 위에 네모 혹은 원형 형태로 금속 패턴을 만든 안테나로 여러 가지 패턴 조합과 손쉬운 배열을 통해 다양한 특성을 이끌어 낼 수 있는 특징과 함께 초소형의, 그리고 초경량의 설계가 가능하기 때문에 다양하게 연구가 시도가 되고 있다. 비록 구조상으로 높은 전력 신호를 다루지 못하기 때문에 근거리 통신용으로 사용되며, 노트북용으로 주로 사용되는 PCMCIA 타입의 무선랜 카드에서도 일부 사용되고 있다.

Horn Antenna

도파관 형태의 안테나로써 도파관 마지막 부분이 사각형 또는 원형 모양의 깔때기 형태를 하고 있다. 안테나의 앞쪽 옆린 부분의 크기는 파장에 비례에 커지기 때문에 낮은 주파수에서는 개구면이 너무 커져서 사용이 곤란하다. 따라서 대개의 경우 GHz 대역에서 주로 사용하게 된다.

특성이 균일하고 이득이 높으며, 비교적 큰 전력의 신호까지 다룰 수 있기 때문에 대전력용으로 많이 사용된다.

Parabolic Antenna

이득이 상당히 높은 안테나로써 위성 통신용으로 많이 사용된다. 우리가 접시 안테나라고 부르는 것이 바로 파라볼릭 안테나이다. 안쪽으로 움푹 파인 파라볼릭 면에 수직으로 입사된 전자파는 반사되어 쌍곡선의 초점 부위에 모아지고, 초점 위치에 있는 LNB(Low Noise Block)에서 모여진 신호를 저잡음 증폭시키게 된다.

파라볼릭 안테나는 가운데 초점으로 전자파들이 모이도록 하는 기술이 가장 중요하기 때문에 파라볼릭면을 얼마나 정밀하게 가공하느냐 하는 것이 상당히 중요하다.

Helical Antenna

용수철 모양의 안테나이다. 직선으로 되어 있는 안테나를 둘둘 말아 용수철 모양으로 가공이 가능하기 때문에 안테나의 길이를 대폭 줄일 수 있는 장점이 있다. 그리고 둘둘 마는 방법과 같격에 따라 다양한 특성을 기대할 수 있다. 초소형 설계가 가능하기 때문에 이 역시 이동통신과 같은 모바일 기기에 많이 사용되며, 만드는 방법에 따라 다양한 특성이 나타나기 때문에 기타 여러가지 단말기나 라디오, 위성 통신 등 RF 전반에 걸쳐 다양하게 이용된다.

Slot Antenna

도파관 측면에 여러 가지 형태의 구멍을 뚫어서 구현시킨 안테나이다. 이 역시 큰 전력을 다룰 수 있어서 장거리 통신을 필요로 하는 해양 선박용이나 군사용으로 널리 이용된다. 측면에 뚫은 구멍(슬롯)의 갯수나 형태에 따라 다양한 특성을 구현해 날 수 있는 다양성을 갖추었다.

자! 이제는 직접 무선 안테나를 만드는 법을 소개해 보도록 하겠다. 다시 말하지만 여기서 소개하는 안테나는 누구나 쉽게 만들 수 있도록 구성되어 있으며, 재료 역시 우리 주변에서 큰돈 들이지 않고 쉽게 구할 수 있는 것으로 마련했다.

완성품을 보면 이게 과연 안테나로써 성능을 제대로 할까? 생각도 들겠지만 혹시나 하는 마음에 직접 만들어 사용해 본다면 그 성능에 놀랄(?)수도 있을 것이다. 시중에서 판매되는 대다수의 안테나도 여기서 소개하는 원리에 의해 설계, 제작되기 때문에 사실 화려한 겉모습을 뜯어내고 내부를 본다면 안테나라는 것이 그렇게 복잡한 부품들로 구성되는 것도 아니라는 것을 알 수 있다.

 재료 준비

 25장짜리 CD 케이스(Cake 통)

 못 쓰는 Press CD(일반 오디오 CD 등)

 RG-316 케이블 30cm

 2mm 타입 동선 30cm

 N형 커넥터(female형) RG-316 케이블 연결용

 그외 전기 인두 및 소량의 납, 글루건, 줄톱, 컷터 등

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CD 케이스 및 CD는 주위에 있는 것을 사묭하면 되며, 케이블은 전자재료 등을 파는 전문상가 등에서 쉽게 구입 가능(예를 들면 용산 전자랜드 광장층 등)하다. 커넥터는 자신이 사용하고 있는 AP의 안테나 커넥터에 맞추어 구입하면 된다.

설계도

CD로 만드는 Quad 케이스의 대략적인 설계도. 좌측의 원형 모양이 CD 케이스이며, 내부의 마름모꼴 형태는 2mm 타입 동선을 이용해 제작하게 된다. 안테나 제작에서는 파장에 따른 안테나의 길이가 상당히 중요하기 때문에 위의 그림에서 나타나는 각종 치수를 중요하게 눈여겨 보아야 한다.

 CD 케이스로 만드는 Quad 안테나 제작 방법

 준비된 2mm 두께의 동선을 이용해 다음 그림과 같이 한변의 길이가 32mm가 되도록 90도씩 꺽어 두개의 마름모 형태를 만든다. 두 개의 마름모가 맞닿는 부분 아래쪽에는 두 개의 동선이 서로 연결될 수 있도록 남떔질을 해주며, 위쪽에는 동선을 연결할 것이기 때문에 중간에 납을 살짝 뭍혀 주면 좋다.

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 그리고 CD 케이스 하단부에 CD를 뒤집어(반사면이 위를 향하도록) 붙인다. 이때 글루건 등을 사용하면 손상없이 단단히 고정된다. 부착된 CD는 반사면을 통해 전파가 특정 방향으로 모여지는 Reflector 역할을 하게 된다.

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 위의 1번 단계에서 만들어 놓은 동선을 CD 케이스에 고정시키기 위해 줄톱 등을 이용, 다음 사진과 같이 십자 형태로 홈을 만들어 놓는다.

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 위의 1단계에서 만든 동선에 RG-316 케이블과 N형 커넥터를 각각 연결한다.

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 CD케이스 하단에 Reflector 역할을 하게 될 뒤집어 부착한 CD와 마름모 형태의 동선의 간격이 18mm 되도록(위의 설계도 참조) 맞추고, 글루건으로 단단히 고정한다. 또한 케이블은 이에 앞서 CD 케이스의 중심축에 있는 구멍을 통해 케이스 뒤편으로 빼 낸 다음, 동선을 케이스에 고정한 다음, 케이스 뒷면의 케이블 고정을 위해 글루건을 사용한다.

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 케이블과 동선이 단단히 고정되었다면 CD 케이스의 투명한 뚜껑을 덮는다. 이로써 CD 케이스를 이용한 Quad 안테나 제작은 완료되었다.  보기에는 허접해 보이지만 CD의 반사면을 이용해 전파를 모은 다음 동선을 통해 AP에 전달되기 때문에 상당히 효율적인 지향성 안테나를 구현할 수 있게 된다.

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 완성된 CD 케이스를 활용한 Quad 안테나

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완성된 CD 케이스를 활용한 Quad 안테나

 

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CD 케이스 반사면이 Reflector 기능을 하며, 동선을 통해 모여진 전파를 전달하게 된다.

 

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케이스 뒷면으로 케이블 및 커넥터를 뽑아내 사용한다.

 

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필요시 사진과 같은 스탠드를 이용하면 멋진 지향성 안테나가 완성된다.

이번에 만들어 볼 안테나는 흔히 TV 수신 안테나로 많이 알려진 야기 안테나이다. 일본의 Yagi와 Uda라는 두 학자에 의해 개발되었기 때문에 Yagi-Uda 안테나라고 하는데 일반적으로 야기 안테나로 많이 불려진다.

 8 element Yagi 안테나의 구성

 

Element	Element 길이(mm)	간 격(mm)	비 고
1	61	0	reflector
2	2×30	19	driven Element
3	56	26	director 1
4	55	40	director 2
5	53	60	director 3
6	53	84	director 4
7	52	112	director 5
8	52	144	director 6

8 element Yagi 안테나는 위의 그림에서 보는 바와 같이 중앙의 축을 중심으로 8개의 막대 모양을 한 element를 조합하여 사용한다. 위의 그림에서 우측에서 6개의 element는 director라 하여 전파의 수신을 유도하는 역할을 하게 되며, 좌측 맨 끝에 있는 element는 reflector 기능을 밭고 있다. 여기서 실제 전파를 송수신하는 것은 좌측에서 두 번째의 Driver element이다.

 Yagi 안테나 디자인

야기 안테나는 앞서 진행한 Quad 안테나보다 다소 복잡한 요소로 구성되어 있기 때문에 약간의 설계 과정이 필요하다. 주파수나 element의 두께 등에 따라 각각 element의 길이와 간격이 결정되기 때문이다. 다행히도 인터넷에 자바 애플릿으로 구현된 야기 모델러가 있으니 이를 이용하면 주파수나 element 지름 등 몇 가지 값만 입력하면 되기 때문에 보다 자신있는 회원들의 경우 변형된 자기만의 안테나를 직접 디자인하여 제작할 수 있을 것이다. 물론 이러한 것에 자신이 없다면 위의 표에 나와 있는 각 element들의 길이와 간격 등을 이용해 제작해도 된다.

 Java applet Yagi Modeler

 

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위의 링크를 통해 접속하면 자바 애플릿으로 되어 있는 야기 모델러를 쉽게 사용할 수 있다.

 

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주파수와 element 의 두께 등을 지정하기만 하면 각 element 길이와 간격 등을 자동으로 계산해 보여준다.

 필요한 재료들

 1cm*1cm 두께의 사각 20cm 아크릴 막대

 2mm 동선

 RG316 케이블 15cm

 n형 female 커넥터(RG316 케이블 연결용)

 그 외 전기 인두, 약간의 납, 글루건, 드릴, 자, 컷터 등 필요

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주된 준비물로 시각 아크릴과 동선이 필요하며, 동선은 위의 야기 안테나 구성 도표에 있는 수치를 참고해 미리 잘라 놓는다. 그리고 사포를 이용, 각각의 동선을 깔끔하게 마무리한다.

 제작 방법

 준비한 사각 형태의 아크릴 막대에 동선(elemen)이 끼워질 위치를 상단의 야기 안테나 구성 도표에 있는 값을 참고해 표시를 하고, 드릴을 이용, 구멍을 뚫는다.

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 준비된 2mm 두께의 동선을 위의 안테나 구성 도표에 있는 수치에 따라 정확한 길이만큼 잘라 낸 다음 해당 위치에 순서대로 아크릴 막대에 끼워 넣는다(Driven element 제외). 그리고 글루건을 이용, 고정시킨다.

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 Driven element는 위의 도표에 나온 바와 같이 동선을 30mm 길이로 잘라 두개를 만든다. 그리고 다음 사진과 같이 RG316 케이블을 각각의 동선 끝에 연결한 다음, 반대편 RG316 케이블에 n형 female 커넥터를 연결한다.

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 위 단계에서 만들어진 Driven element를 사각 아크릴의 해당 위치에 글루건으로 고정하면 끝이다. 생긴 모습이 TV 안테나와 거의 비슷하다.

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 완성된 8 element Yagi 안테나

 

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완성된 8 element Yagi 안테나를 망가진 USB 선풍기에 연결한 모습. 8 element Yagi 안테나 역시 지형성의 특성을 가지고 있기 때문에 사진과 같은 스탠드가 필요하다.

 

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8 element Yagi 안테나는 8개의 동선으로 구성된다.

 

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RG316 케이블과 연결된 Driven element

 

 

 8 element Yagi 안테나의 변형 모델

위에서 설명한 야기 안테나는 기장 기본적인 형태의 driven element를 사용하고 있다. 하지만 같은 야기 안테나라도 driven element의 형태와 구조에 따라 다른 특성을 기대할 수 있으며, 여러 가지 모양의 안테나를 제작할 수 있다. 여기서는 folded dipole와 rectangle dipole 형태의 야기 안테나를 잠시 살펴보도록 하겠다.

 folded dipole 야기 안테나

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두 개의 평행 다이폴 양 끝을 서로 연결해 좁은 도선 루프를 형성한 형태의 folded dipole 야기 안테나

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완성된 folded dipole 야기 안테나

 rectangle dipole 야기 안테나

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직사각형 형태의 도선 루프 다이폴

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완성된 rectangle dipole 야기 안테나

깡통으로도 안테나를 만든다고?

앞서 소개한 Quad 안테나 및 야기 안테나 외에 자작용으로 흔히 제작되는 또 하나의 안테나가 바로 깡통 안테나이다. 캔테나(Cantenna)라고도 하며 저렴한 가격과 적은 수고에 비해 높은 성능을 기대할 수 있기 때문에 인터넷 상에는 이러한 깡통 안테나를 제작할 수 있는 방법에 대해 소개된 사이트가 상당수 있다.

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가장 널리 사용되는 깡통 안테나는 우리 주위에 널린 감자칩 과자인 프링글스 캔이다. 일부 해커들은 자동차를 타고 다니며 프링글스 캔으로 만든 안테나를 이용, 반경 4km(엄청나다)까지의 AP를 검색해 해킹의 대상으로 삼는다는 보고가 들어온 바 있다. 다음은 프링클스 캔을 이용해 안테나를 만드는 법과 그 사례들을 보여주는 몇몇 해외 사이트들의 링크이다.

 

http://me.jeremiahwhite.com/pringles.html

http://www.turnpoint.net/wireless/has.html

http://www.radio-active.net.au/web/80211/pringles.html

 

 

깡통으로 만드는 안테나는 수신 주파수에 따라 캔의 지름이나 깊이, 동선의 길이 등이 결정된다. 다음은 해외 사이트에 소개된 주파수 및 캔의 지름에 따른 패널 마운드의 위치나 동선의 길이 등을 자동으로 계산하여 주는 프로그램이다.

 

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간단히 설명을 하면 f값으로 802.11g/b가 사용하는 주파수인 2.4GHz 값을 입력하고 D에는 만들고자 하는 깡통의 지름을 입력한다. 그리고 하단의 Calculate 버튼을 누르면 하단에 계산된 값이 출력된다. 출력된 값을 바탕으로 깡통에 적절한 위치(깡통 안쪽으로부터 Lg/4)에 커넥터를 장착하고, Lo/4 길이만큼 동선을 세우면 된다.

 

 

 PC 카드 타입의 무선랜 카드 수신률 향상시키기

PCMCIA 규격으로 만들어진 노트북에 사용되는 PC카트 형태의 무선랜카드는 패치형 또는 기타 초소형의 안테나를 사용하고 있어 수신율이 저조한 편이다. 하지만 약간의 땜질 지식만 갖추고 있다면 이 또한 수신율을 대폭 향상시킬 수 있다. PCB 위에 안테나 연결을 위한 커넥터를 장착한 다음, 앞서 제작한 자작 안테나나 시중에 판매되는 기타 안테나를 연결하면 된다. 그러면 그동안 사용했던 무선랜카드의 성능이 대폭 향상된 것을 볼 수 있을 것이다.

 

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노트북에 사용되는 PC카트 형태의 무선랜카드는 패치형 또는 기타 초소형의 안테나를 사용하고 있어 수신율이 저조한 편이다.

 

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외장 안테나 연결을 위한 커넥터를 장착하면 사용자가 원하는 경우 외장형 안테나를 연결하여 무선랜의 성능을 대폭 향상시킬 수 있다.

 

 

이상으로 자작 안테나의 시계에 대해 알아보았다. 완성된 모습이 워낙에 허접(?)하여 반신반의하는 생각이 들지 모르겠으나 안테나라는 것이 기본적인 이론에 의해서 설계 제작되기 때문에 특별한 부품이나 재료가 필요치 않다. 공중에 떠 도는 수많은 전파 중에 자신이 원하는 주파수만 골라 최적의 상태로 모은 다음, 전달해 주면 그만이기 때문이다.

이번 시간에는 주로 야기 안테나와 CD 케이스를 이용한 Quad 안테나에 대해 살펴보았는데 추후 또 시간을 마련하여 기타 자작 가능한 안테나에 대해 알려드릴 수 있도록 하겠다.