차량용 접지

차량안테나의 동작 원리 및 그라운드 설치방법 

무전기의 성능을 위해서는 무엇보다 접지에 신경 써야 한다                             

아래 내용은 2001년 6월호 일본  아마추어 햄 전문 월간지로

HF Mobile 안테나의 그라운드  

HF Mobile을 시작하는 사람들로부터, 안테나 조정이 잘 안 된다는 문의가 많이 옵니다. 여러 가지 이야기를 듣고 보면, 루프레일이라든가 루프캐리어에 브라켓을 장착한 경우에 문제가 많은 것 같습니다. 최근의 자동차에는 세단타입으로 트렁크릿드,  2 Box타입의 햇치백 자동차에는 리어게이트에 안테나를 장착할 수 밖에 없고 루프캐리어에 장착하거나 루프레일이 있는 차량에서는 이곳에 장착하기를 원하게 됩니다.

U/VHF 안테나에서는 문제가 없었는데 50MHz 이하의 주파수에서는 떨어지지 않는다는 고민을 자주 듣게 됩니다. 이것은 안테나의 문제가 아니고, 어스의 문제입니다. 어스라고 하더라도 전원의 흑색 케이블 쪽의 문제가 아니고, 안테나케이블의 외피측의 처리 문제입니다.

그러나 50MHz이하의 낮은 주파수의 모빌 안테나에서는 기본 구조로, 1/4파장의 접지형 수직 안테나이기 때문에 어스를 무시하면 전혀 성능을 발휘할 수가 없습니다. 안테나 브라켓)의 그라운드 측을 확실히 접지하든가 1/4파장의 래디얼을 붙이는 것이 기본입니다.

그러나 모빌에서는 지면으로부터 타이어에 의해 차체가 떠 있고, 차체의 크기도 대형 트럭이 아닌 한, 1/4파장도 아닙니다.

그렇다면 잘 조정된 모빌 HF안테나는 어떻게 하여 특성을 발휘하는 것일까요?

CQ HAM Radio지에 광고를 하고 있는 안테나 메이커인 ‘안테나테크놀러지’사의 Mr. Watanabe에게 전화를 해 보기로 했습니다. 안테나 브라켓의 어스측이 고주파적으로 차체에 충분히 접지되어 있는 경우는 그림1.과 같이 안테나가 동작하고 있다고 생각해도 좋다고 합니다. 안테나로부터 방사되는 고주파 전류의 일부는 직접 차체를 경유하여 브라켓의 그라운드 측으로부터 무전기로 되돌아 옵니다. 또 상당량은 지면을 경유하여 차체와 지면 사이에 있는 용량을 경유하여 차체로 되돌아와 기대의 그라운드 측으로부터 무전기로 되돌아 갑니다.

모빌안테나에서 중요한 것은 그림 1.의 핑크색의 고주파 전류의 흐름인 것 같습니다.

Mr. Watanabe의 충고가 그라운드가 안테나의 성능에 크게 영향을 준 다는 것이었으므로 이번에는 안테나의 브라켓과 차체와의 접지 부분을 중점적으로 실험을 통하여 알아 보기로 했습니다.

처음에는 루프레일과 같이 안테나를 달기에 조건이 나쁜 것이 아닌, 햇치백의 리어게이트의 상부에 직접 브라켓을 장착하는 것으로부터 시작하여 보기로 했습니다.

 ① 아무 주의도 기울이지 않고 브라켓을 장착하였였을 경우

구입한 브라켓에 케이블을 부착하고, 떨어 지지 않을 정도로 차체에 달아 보았습니다. 측정은 Kuranishi의 안테나아날라이져 BR200을 사용했습니다. 이것이라면 전파를 거의 발사하지 않고도 안테나의 특성을 측정할 수가 있습니다. 당사에서는 MFJ-259와 동일 모델인 일본 제품 BR-200와 UHF까지 가능한 BR-400 아날라이져 주문을 받고 있습니다.

안테나는 다이아몬드의 MD시리즈에 14MHz의 코일을 붙여서 측정했습니다. 이 안테나는 공진점을 조정하는 것이 가능하나 이번에는 설치 방법에 따라 공진점이 달라 지는 것도 알아 보고 싶었기 때문에, 도중에 안테나 본체의 조정은 하지 않는 것으로 했습니다.

측정 결과는 SWR 1.5정도이면서, 측정기의 바늘이 흔들려 잘 측정할 수가 없었습니다. 역시 그냥 안테나를 장착하는 것 만으로는 안 되는 것 같습니다.

② 브라켓을 고정하는 피스를 리어게이트의 뒷 면에 상처가 나도록 죄어 본다.

SWR은 1.4정도입니다. 측정기의 바늘도 흔들리지 않고 안정되어 있는 것 같이 되었습니다. 먼저보다 50kHz정도 높은 곳에서 맞는 것 같습니다. 주파수는 엘레멘트의 길이 등으로 조정 가능합니다만, 밴드 내에 들어 오게 하지 않고 이대로 측정을 계속 하기로 했습니다. 이 때의 인피던스는 75Ω입니다.

③   브라켓 부분의 어스 측과 차체 사이를 두꺼운 선으로 연결해 본다.

사진 3.과 같이 길이가 45cm의 동축케이블의 편조선 양단에 압착단자를 붙인 접지선을 만들어, 한 쪽 끝은 차체의 볼트 부분에, 반대 쪽은 안테나의 브라켓의 그라운드 부분에 붙여 봅니다.

SWR은 1.2, 주파수는 또 15kHz 위로 이동해 있지만 점점 좋은 방향으로 변하고 있습니다. 인피던스는 68Ω입니다.

④   전의 실험에서 연결했던 그라운드 선을 더욱 짧게 하여 본다.

가능한 한 그라운드선은 짧게 해야 좋다고 하기에 브라켓과 차체를 연결한 와이어를 최단으로 연결하여 봅니다. 겨우 연결할 수 있는 15cm의 본딩와이어를 만들어 바꾸어 붙여 봅니다. SWR이 조금 더 떨어져 1.15 정도, 주파수도 20kHz정도 위로 이동해 있습니다. 인피던스는 60Ω. 상당히 만족할 수 있는 수치입니다. 이것으로 안테나 엘레멘트의 길이를 조정하면 충분히 실용적인 수치라고 말할 수 있습니다.

⑤   햇치백의 리어게이트의 굽혀지는(힌지) 부분 두 곳을 차체의 본딩와이어로 연결한다.

안테나 브라켓이 붙어 있는 리어게이트와 차체는 두 곳의 힌지로 차체에 연결되어 있습니다. 이 부분의 인피던스(고주파적인 저항)를 낮추기 위하여 본딩와이어로 차체와 연결하여 봅니다.  SWR이 1.1에서 더 내려와 1.08 정도까지 내려 옵니다. 이 때의 인피던스는 55Ω.

⑥ 리어게이트를 고주파적으로 차체에 더욱 깊게 결합시키기 위하여 알미늄테이프로 컨덴서를 형성.

리어게이트를 보다 차체에 고주파적으로 결합시켜 보기로 합니다. 이것은 이전 Comet Antenna가 제품화했던 Magic Earth라고 하는 제품의 아이디어를 좀 차용하기로 했습니다. 원리적으로는 그림 2.에 표시한 대로, 도어와 차체의 고주파적 결합을 조금이라도 늘리기 위하여 알미늄 테이프와 차체에 컨덴서를 형성시켜, 테일게이트와 차체간에 고주파 전류를 흘리기 쉽게 합니다. 결과는 실험 ⑤보다 SWR이 떨어진 것 같은 느낌이 듭니다. 인피던스도 변하지 않았습니다만, 최대 양호한 주파수는 30kHz정도 위로 올라가 있었습니다.

◈드디어 루프레일

다음으로 HF안테나에서는 조정이 어려운 루프레일 브라켓에서 시험을 해 보기로 했습니다. 루프레일이나 루프캐리어에 브라켓을 장착하면 HF에서는 SWR이 전혀 떨어 지지 않는다는 이야기를 자주 듣습니다. 다소 떨어 진다 해도 사용할 정도는 못 된다든지 오토튜너의 튜닝이 전혀 듣지 않는다든지, 어쨌든 고생하는 사람들이 많은 것 같습니다.

①   그냥 단순히 루프레일에 기대를 붙인다.

시판의 루프레일용 브라켓에는, 논래디얼 안테나 이외에는 사용하지 못한다고 써 있듯이 보통의 상태로 붙여진 루프레일용 브라켓에서는 SWR수치도 5 ~ 무한대로 미터의 바늘이 붙어 버려, 측정기로는 도저히 측정불능 상태입니다. 그라운드측이 직류적으로도 완전히 치체로부터 절연되어 있으므로 당연한 것이겠지요.

수지제의 루프레일에 안테나 기대를 붙이고, 기대의 그라운드측이 차체로부터 떠 있는 상태로 해 본 경우에는 이 경우, 무전기에 되돌아가야 할 전류의 경로가 차단되어져 버리는 것을 알게 됩니다. 실제로는 이 경우에도 파랗게 그려진 용량 분이 억지로 고주파 전류를 흘려서, 다소의 전파는 공중에 방사하게 됩니다.

② 브라켓의 그라운드와 차체를 두꺼운 선으로 연결하여 본다.

다음으로 차체의 일부(브라켓에 가장 가까운 위치의 볼트부분은 리어게이트 힌지였음)와 브라켓의 그라운드를 본딩와이어로 연결하여 보았습니다. 본딩와이어는 아무리 짧게 하여도 45cm정도가 필요하였습니다.

테스터로 체크하여 보니, 직류저항은 거의 없을 정도로 접지가 되어 있었습니다. 단지 차체측의 보디에는 납땜을 할 수 없어서 전선을 늘여서 도아의 힌지의 볼트까지 끌고 갔습니다.

측정 결과는 SWR 1.2로 인피던스는 63Ω. 전의 측정 불능의 상태와 비교하면 천양지차입니다. 45cm의 본딩와이어를 연결한 것 만으로 전혀 사용할 수 없었던 상태로부터 사용할 수 있는 상태로 변한 것입니다.

③ 기대에 가까운 부분의 지붕에 동판을 깔고, 브라켓의 그라운드와 접지시켜 보다.

리어게이트에 붙인 기대에 본딩와이어가 짧은 것이 결과가 좋았던 점을 알았으므로 어떻게 해서든 본딩와이어를 짧게 해 보려고 생각해 보았습니다. 기대의 가까운 부분의 지붕의 도장을 벗겨내고 그라운드를 납땜한다든가, 지붕에 구멍을 내고 볼트를 채워 넣는다든가 하면 간단히 그라운드를 할 수 있지만, 이렇게 할 수 있는 사람은 많지 않겠지요? 그래서 직접 연결은 하지 못해도 고주파적으로는 연결하여 놓은 듯하게 하는 것을 생각해 보았습니다.

고주파전류는 코일에서는 흐름이 방해를 받지만, 콘덴서는 통과하는 성질을 가지고 있습니다. 그래서 기대의 그라운드부와 차체를 컨덴서로 결합하면 좋으리라 생각하였습니다. 컨덴서의 구조는 그림 4.와 같이, 2매의 금속 간격이 좁을수록, 용량이 커져서 고주파전류는 잘 흐르게 됩니다. 이 경우, 컨덴서는 인피던스를 갖게 됩니다만, 주파수에 의존하게 됩니다.

차체의 지붕 위에 금속판을 깔고, 그 속판에 브라켓의 그라운드 측을 접속합니다. 차체의 도장을 사이에 두고 금속으로 이루어진 차체와 지붕 위의 금속판 사이에 컨덴서를 형성시켜 고주파전류를 흘리는 발상입니다.

이 발상은 아파트 베란다에 금속판을 깔고 콘크리트 내의 철근과의 사이에 컨덴서를 형성시킨다고 하는, JJ1VKL Mr. Haraoka가 CQ HAM Radio지에 연재한 기사라든가 ‘아파트맨 햄 핸드북’에 발표된 내용과 동일한 발상입니다. 아파트 베란다에 까는 경우보다, 금속간의 간격이 좁아, 좁은 면적에서도 커다란 용량을 얻을 수 있습니다.

0.1mm두께로 365mm x 600mm의 동판에 리드선을 납땜하여 지붕 위에 양면 접착테이프로 붙여 봅니다. 리드선은 기대의 그라운드부에 접속합니다.

차체와 동판의 사이의 정전용량을 멀티미터에 부속되어 있는 간이용량계로 재어 봅니다. 수치가3.7nF (3,700pF)입니다. 간이 계측기이고, 리드선의 용량도 있으므로 어디까지나 개략적인 수치이나, 오차는 500pF이내일 것입니다. 최초로 전화로 상담한 Mr. Watanabe의 이야기로 수백pF이상 필요하다고 했었으므로, 용량으로는 문제 없을 것 같습니다.

안테나를 달고, 아날라이져로 특성을 확인하여 봅니다. SWR은 1.15로 인피던스는 60Ω입니다. 실용상 충분하다고 할 수 있는 특성입니다.

테스터로 차체와 기대 사이의 직류저항을 재어 보았는데 무한대입니다. 이것은 직접은 그라운드 되어 있지 않다는 말입니다. 그래서 물리적으로 차체에 직접 리드선을 연결하지 않아도 그라운드가 될 수 있음을 말하는 것입니다.

◈지붕용 대용량 컨덴서의 제작

지붕 위에 양면테이프로 동판을 붙인 상태는 다소 어색해 보이며, 양면테이프를 붙여 버리면 간단히 떼어 내기도 힘듭니다. 그래서 붙이고 떼기가 비교적 간단하고, 효과가 큰 방법을 생각해 보기로 했습니다.

대형 홈센터(가정용 DIY)에서 재료를 찾아 보기 시작했습니다. 고무판매점에서 고무자석을 말아서 판매하는 것을 발견했습니다. 폭이 70cm로 원하는 만큼 잘라서 판매를 합니다. 우선 1m를 잘라서 2000엔에 사 왔습니다. 이 자석면에 알미늄 호일을 붙여서, 차의 지붕에 놓아 보았습니다. 처음에는 간격이 있었습니다만, 기온이 올라가 차체가 뜨거워지자 고무가 부드러워 지며 딱 달라 붙었습니다. 보통의 주행이라면 떨어질 리 없을 것으로 보입니다. 고속주행의 경우 다소 염려는 됩니다만, 걱정이 된다면 떼어내 차내에 보관하면 되니까 사용할 수 있을 것으로 생각됩니다.

정전용량을 재어 보니 94~92nF(94,000~92,000pF), 거의 0.1μF정도입니다. 동판을 양면테이프로 붙였을 때와 비교하여, 면적이 넓어 진 것과 차체에 완전히 밀착되어진 때문이라고 생각합니다.

다음으로 알미늄 호일로부터 리드선을 빼 내는 방법을 연구하여 봅니다. 납땜은 무리이므로 처음에는 와셔를 넣은 피스와 너트로 리드선을 고정시키려고 해 보았으나 이 부분이 차체에 상처를 낼 것 같아 최종적으로는 주방에서 방수에 사용되는 0.1mm두께의 접착제가 붙어 있는 스테인레스 판을 4cm정도의 폭으로 잘라, 우선 고무자석에 붙이고 그것을 끝에서 말아서 리드선으로 합니다. 그 위에 전면 알미늄 호일을 붙입니다. 사진4 참조

완성된 마그네트 시트 그라운드(본인 마음대로 붙인 명칭)를 지붕 위에 설치하고 브라켓에 안테나를 부착한 다음 특성을 재어 봅니다.

SWR은 1.05, 인피던스는 55Ω, 대성공, 만세입니다

그러면 실제로 교신 가능한가를 시험해 보기로 했습니다. 밴드는 7MHz, 안테나를 7MHz용으로 했습니다. SWR을 재어 보니 7.2MHz근처에 중심이 있습니다. 조정 후, 7.045MHz부근에서 SWR이 1.1이 되었습니다.

어스 효과는 7MHz에서도 변함 없었습니다.

마침 가지고 있던 QRP Rig를 연결하여 보았습니다. 오전 중이기는 했지만 마침 Golden Week(4월말-5월초에 걸쳐 있는 일본의 황금연휴를 이렇게 부른다. 역자 註)라 많은 국들이 온에어하고 있었습니다. 노이즈도 거의 없이 깨끗이 들려 옵니다. 5W SSB라고 하는 것을 생각하여 CQ를 내는 국을 찾아 콜을 해보았습니다만 받아 주지 않았습니다. 역시 모빌에서 5W는 너무 약한 것일까, 약 한시간을 매달려 보았으나 결국 QSO는 하지 못했습니다. 유감스럽게도 다음 기회에 파워를 높여 다시 시도해 보고자 합니다.

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