안테나이론및설계

실습 04 − 야기안테나 설계 & 주파수 스케일링 실습

1. 실습목적

ㅇ MWS 사용법 숙달

ㅇ Yagi 안테나 동작원리 학습

ㅇ Yagi 안테나 설계기술 습득

ㅇ Frequency Scaling 개념 실습

2. 기초

ㅇ 야기 안테나: 1926년 일본과학자 Yagi와 Uda에 의해 발명

ㅇ 급전된 다이폴 주변에 급전되지 않은 다이폴을 기생소자(parasitic elements)를 설치하여 이득을 증가

ㅇ 기생소자: 직접 급전되지 않고 입사된 전자파(급전된 다이폴에 의한)에 의해 기생소자 전류가 유기되며 이 전류가 방사

ㅇ 구조

- 반사기(reflector) + 급전기(feeder, exciter, driver) + 지향기(director)

- 반사기: 1개 다이폴 또는 다이폴을 이용한 코너 반사경 형태, 길이 약 0.48파장

- 급전기: 반파장 다이폴, 다이폴 또는 folded dipole (종이 클립형 다이폴), 길이 약 0.46 파장

- 지향기: 갯수에 따라 이득 증가. 갯수가 증가함에 따라 이득 포화, 길이 약 0.40 파장

- 반사기와 급전기: 약 0.20 파장

- 급전기와 지향기: 0.075 파장 − 0.40 파장 (설계에 따라 다름). 균일 간격 또는 비균일 간격 적용

- 지지대(boom)의 영향: 내구성을 위해 금속 사용, 지지대 사용여부에 따라 소자길이 조정, 지지대가 있을 때 반사기와 지향기 크기 증가

- 소자와 지지대의 절연: 비절연, 절연

- 소자 직경: 기계적 강도를 고려하여 설정. 소자직경에 따라 소자길이 달라진다.

ㅇ 동작원리

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- 급전기(exciter)에 전류 공급

- 지향기(Director를 타고 전파가 director 방향으로 진행

- Reflector는 전파가 director 반대방향으로 향하는 것을 방지

- 급전기 + 방사기

File:Yagi en.svg

- 급전기 + 반사기 + 방사기

3. 야기안테나 설계프로그램

Yagi Calculator v.2.6.10 by John Drew (VK5DJ), http://www.vk5dj.com/yagi.html

스캔0014.tif

반사기(reflector)와 지향기(director)는 금속 지지대와 절연시키지 않아도 되나 급전기(exciter)는 반드시 절연시켜야 한다.

ㅇ 소자수에 따른 이득

이득 10dB: 반사기 1개, 급전기 1개, 지향기 3개

이득 15dB: 반사기 1개, 급전기 1개, 지향기 10개

이득 18dB: 반사기 1개, 급전기 1개, 지향기 21개

ㅇ 설계 예: 300MHz (파장 1m), 이득 10dB, 소자 직경 20mm, 지지대 단면 40x40mm

3.1) 지지대 미사용(치수 단위 mm). 치수 소숫점 이하 반올림

반사기: 길이 481, 지지대 한쪽 끝(z = 0)으로부터 위치 z = 30

급전기: 길이 456, 위치 z = 230

지향기 1: 길이 409, 위치 z = 305

지향기 2: 길이 403, 위치 z = 485

지향기 3: 길이 397, 위치 z = 700 (지지대의 다른 끝 z = 700+30)

3.2) 지지대 사용(소자 절연)

반사기: 길이 497, 지지대 한쪽 끝(z = 0)으로부터 위치 z = 30

급전기: 길이 456, 위치 z = 230

지향기 1: 길이 424, 위치 z = 305

지향기 2: 길이 418, 위치 z = 485

지향기 3: 길이 413, 위치 z = 700 (지지대의 다른 끝 z = 700+30)

3.3) 지지대 사용(소자 비절연)

반사기: 길이 513, 지지대 한쪽 끝(z = 0)으로부터 위치 z = 30

급전기: 길이 456, 위치 z = 230

지향기 1: 길이 440, 위치 z = 305

지향기 2: 길이 434, 위치 z = 485

지향기 3: 길이 428, 위치 z = 700 (지지대의 다른 끝 z = 700+30)

4. 실습

4.1) Yagi Calculator v.2.6.10 by John Drew (VK5DJ), http://www.vk5dj.com/yagi.html에서 야기 안테나 설계프로그램을 다운받아 설치하라.

4.2) 위 프로그램에서

ㅇ [Task] → [Design Yagi]를 실행하라.

ㅇ 다음과 같이 설정하라. 나머지는 default 값(원래 설정되어 있는 값)으로 하라.

Frequency in MHz = 300

Dipole gap at feed point mm = 10

Number of directors = 3

Cross-section of boom mm = 40

Construction of director/reflector:

Director/Reflector mounting = non metal boom (or standoffs)

Diameter of element(mm) = 20

Construction of Dipole

Diameter of element(mm) = 20

ㅇ 위와 같이 설정한 후 [Calculate] 버튼을 클릭하라. 위 3.1항과 같은 데이터를 얻는지 확인하라.

4.3) 소자직경을 6mm로 변경한 후 [Calculate] 버튼을 클릭하여 소자길이가 어떻게 변하는가 확인하라.

4.4) 위 3.1항의 경우를 Microwave Studio로 생성한 후 아래와 같이 simulation을 수행하라.

다이폴 축 x 방향, 지지대 축 z 방향으로 하라.

지지대의 한쪽 끝을 z = 0으로 하라.

지지대의 물질을 금속(PEC) 또는 공기로 함으로써 지지대의 효과를 확인할 수 있다.

위 3.1항의 경우는 지지대를 사용하지 않은 경우이다.

지지대 물질: 공기

반사기와 지향기: 직경 20mm solid metal

급전기: 직경 20mm solid metal을 프로그램에서 계산한 길이로 생성 후 중간에서 10mm 구간을 제거하고 discrete port로 급전

지지대: 단면 40mm x 40mm 길이 730mm, 좌표 원점 (z = 0)

해석주파수: 200−400MHz

이득계산 주파수: 300MHz

ㅇ 안테나 형상 생성 후 시뮬레이션을 수행하라.

ㅇ 안테나 구조를 도시하라. (10점)

ㅇ S11(dB)를 200−400MHz에 걸쳐서 도시하라. (10점)

ㅇ S11을 Smith Chart에 도시하라. (10점)

ㅇ 입력 임피던스를 사각형 그래프에 도시하라. (10점)

ㅇ 지향도 Dabs의 3차원 패턴을 도시하라. (10점)

ㅇ 지향도 Dabs의 전계면 패턴(phi = 0°, theta = 0°−360° 변화)을 polar plot으로 도시하라. (10점)

ㅇ 지향도 Dabs의 자계면 패턴(phi = 90°, theta = 0°−360° 변화)을 polar plot으로 도시하라. (10점)

4.5) 다음으로 지지대 재료를 금속으로 바꾼 후 급전기가 관통하는 boom 위치에 직경 30mm의 구멍을 생성하고 이 공간을 ABS 플라스틱(유전상수 2.7, 손실계수 0.007) 채운다. 다이폴 길이는 변화시키지 않고 simulation을 수행하라. 위 4.4항과 같이 결과를 정리하라. (70점)