안테나 설계

L07 - 야기 안테나 (Yagi Antenna)

I. 이론

1. 야기 안테나 개요

ㅇ Yagi-Uda 안테나라고도 함.

ㅇ 1926년 동경제국대학의 Shintaro Uda 교수에 의해 발명되고 Yagi에 의해 영문으로 발표됨.

ㅇ 구조가 단순한 5-18 dBi 이득의 안테나

ㅇ 야기 안테나의 특성 항목: 이득, 빔폭, 전후방비, 대역폭

ㅇ 야기 안테나 용도

- HF 대역 아마추어 무선 (beam 안테나라고도 함)

- VHF/UHF 대역 지상파 TV 수신용 (91XG가 가장 유명)

ㅇ 야기 안테나 변형

- 기본형을 중심으로 광대역, 다중대역, 이중편파, 원편파, 배열 형식 등 변형된 형태 사용

- 지향기를 코너/평면 반사기로 변형

- 광대역 특성을 얻기 위해 급전기와 지향기의 형상 변형

- 3 GHz 이하에서는 도선을 이용하여 구현하기에 적합

- 1 GHz 이상에서는 인쇄형으로 구현하기에 적합

- 기본 소자로서 다이폴이 아닌 루프, 모노폴, 패치 등을 사용

2. 야기 안테나의 구조

그림: 야기 안테나 구조 [Wikipedia]

ㅇ 급전기 (driven element): 다이폴 1 개로 급전. 반파장 다이폴길이 약 0.46 파장, folded dipole (종이 클립형 다이폴), bowtie 안테나 사용. 반사기와 지향기의 영향으로 혼자 동작할 때에 비해 공진저항이 감소한다.

ㅇ 반사기 (reflector): 급전기 뒤에 급전기보다 5% 긴 도선. 중간이 끊기지 않고 연결된 도선. 1개 도선(길이 약 0.48 파장) 또는 코너 반사기(wire 길이 0.6 파장) 형태

ㅇ 지향기 (directors): 급전기 앞에 급전기보다 약 5% 잛은 연결된 도선. 갯수에 따라 이득 증가. 갯수가 증가함에 따라 이득 포화, 길이 약 0.40 파장

ㅇ 반사기와 급전기 간격: 약 0.20 파장

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

ㅇ 지지대(boom)의 영향: 내구성을 위해 금속 사용. 금속 지지대는 야기 안테나의 동작 주파수가 약간 변하게 함. 지지대가 있을 때 반사기와 지향기 길이 증가

ㅇ 소자와 지지대의 절연: 비절연, 절연 모두 가능

ㅇ 소자 직경: 기계적 강도를 고려하여 설정. 소자 직경에 따라 소자 길이가 약간 달라진다.

ㅇ 기생소자: 지향기와 반사기처럼 직접 급전되지 않고 급전기와의 상호결합 (mutual coupling)에 의해 전류가 유도되는 소자를 기생소자 (parasitic element)라 한다. 급전기에 의해 기생소자에 전류가 적적한 위상으로 유도되어 지향기 방향으로 지향성 있게 방사가 일어난다.

ㅇ 기생소자의 용도

- 이득 증대: 야기 안테나의 경우처럼 소자 간격과 소자 길이를 조정하여 급전소자의 전류와

기생소자의 전류의 방사가 합해져서 이득 증대

- 대역폭 증대: 급전소자 가까이 기생소자를 배치하여 급전소자의 동작 대역폭 증대. 보통 1-3

개 또는 2 개의 기생소자 사용하며 기생소자가 급전소자와는 다른 주파수에 공진하게 대

역폭을 증가시킨다.

- 참고문헌: V. Iyer et al., "Increasing the impedance bandwidth of dipole with monopole antennas with

parasitic elements", EuCAP, 2016.

2. 야기 안테나 동작원리

1) 배열 안테나

그림: 안테나의 원거리 전기장 계산

- 원점에 있는 소자 A의 원거리 전기장

- 점 B에 있는 소자 B의 원거리 전기장

- 원거리 특정 방향에서 두 배열소자의 전파가 합쳐지려면 그 방향으로 동일위상으로 방사해야 한다.

그림: 2 소자 배열

왼쪽 소자 위상: 0 (radian)

오른쪽 소자 위상: (radian)

2) 야기 안테나 동작원리

ㅇ 급전기+지향기 구조

급전기 전류:

지향기 전류:

- 앞쪽으로는 동일위상으로 전파가 합해짐.

- 뒤쪽으로는 역위상으로 전파가 빼짐

- 임의 각도에서 전기장:

그림: 급전기와 지향기 1 개로 구성된 야기 안테나

그림: 급전기와 지향기에 의한 패턴 형성

- 아래 그림과 같이 지향기와 급전기와의 간격과 지향기의 길이를 적절히 하면 지향기 전류의 위상을 필요한 값이 되게 할 수 있다.

- 위에서 설명한 이론에 의하면 급전기와 지향기 사이의 간격을 1/4 파장으로 하고 지향기 전류 위상이 급전기 전류 위상보다 90º 작게 하면 된다.

- 아래 그림에서 급전기와 지향기 간격이 0.2 λ일 때 지향기 길이기 0.40 λ이면 지향기의 위상이 급전기의 위상보다 약 60° 작게 된다.

그림: 급전 다이폴과 평행한 기생 다이폴의 길이와 간격에 따른 기생 다이폴 전류 위상 [Millian]

- 아래 그림은 급전기와 지향기의 위상차에 의해 전방향으로 전파가 합쳐지고 후방향으로는 빼지는 것을 보인 것이다.

File:Yagi en.svg

그림: 급전기와 지향기에 의한 패턴 형성 [Wikipedia]

그림: 급전기와 지향기에 의한 방사패턴. 급전기 길이 0.47 λ, 지향기 길이 0.42 λ, 급전기-지향기 간격 0.20 λ, 도선 직경 0.0085 λ. 다이폴 단독 지향도 2.15 dBi가 5.5 dBi로 증가된다 [Stutzman].

ㅇ 반사기+급전기 구조

그림: 급전기와 지향기로 구성된 야기 안테나

반사기 전류:

급전기 전류:

- 앞쪽으로는 동일위상으로 전파가 합쳐짐:

- 뒤쪽으로는 역위상으로 전파가 빼짐:

- 임의 각도에서 전기장:

그림: 급전기와 지향기에 의한 방사패턴. 급전기 길이 0.47λ, 반사기 길이 0.482λ, 급전기-반사기 간격 0.20λ, 도선 직경 0.0085λ. 다이폴 단독 지향도 2.15dBi가 6.4dBi로 증가된다 [Stutzman]

ㅇ 반사기+급전기+지향기 구조

그림: 반사기, 급전기, 지향기로 구성된 야기 안테나

반사기 전류:

급전기 전류:

지향기 전류:

- 앞쪽으로는 동일위상으로 전파가 합쳐짐:

- 뒤쪽으로는 역위상으로 전파가 빼짐:

- 임의 각도에서 전기장:

그림: 반사기+급전기+지향기 구조의 방사패턴. 급전기 길이 0.47 λ, 반사기 길이 0.482 λ, 지향기 길이 0.442 λ 도선간 간격 0.20 λ, 도선 직경 0.0085 λ. 다이폴 단독 지향도 2.15 dBi가 9.6 dBi로 증가된다 [Stutzman].

ㅇ 소자 상의 전류분포

- 반사기가 없고 급전기 1개, 지향기 19개인 경우

그림: 20-소자 야기 안테나 구조, 소자 전류 크기, 소자 전류 위상 [R. W. P. King, G. J. Fikioris, and R. B. Mack, Cylindrical Antennas and Arrays 2nd Ed, Cambridge University Press, 2002]

3. 야기 안테나 설계

1) 야기 안테나 설계방법

ㅇ 인터넷 온라인 설계 프로그램 사용:

K7MEM: http://www.k7mem.com/Electronic_Notebook/antennas/yagi_vhf.html

ㅇ 인터넷에서 무료 설계 프로그램을 구해서 사용:

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

ㅇ 문헌 상의 설계 그래프와 표 사용

ㅇ 다른 사람의 설계 값 사용: 주파수 변경 → 치수를 주파수에 반비례하여 변경

ㅇ 최적화 설계: 기본 설계 = 기본형, 최적화 설계 = 주어진 길이의 야기 안테나에서 최적화 알고리즘을 적용하여 소자간격과 소자길이를 모두 다르게 조정. 기본형보다 이득 1-3 dB 증대

2) 미국 NIST 연구소(구 NBS) 설계 데이터 [P. P. Viezbicke (1976), NBS Tech Note 688]

그림: 반사기+급전기 구조에서 도선간격에 따른 이득 (S_R = 0.15 λ, 도선직경 0.005 λ) [Viezbicke]

그림: 도선간격이 0.15 λ로 균일할 경우 야기 안테나 소자 수에 따른 이득 [Green]

ㅇ VK5DJ 야기 설계 프로그램에 의한 지향기 개수에 따른 이득 (반사기 1개, 급전기 1개, 지향기 가변)

Number of element	3	4	5	6	10	14	18	22	24	32	42
Gain (dBi)	6.9	8.6	9.9	11.0	13.9	15.7	16.9	17.9	18.2	19.4	20.4
E-plane BW (deg.)					37	30.5			24
H-plane BW (deg.)					41	33			24.5

표: 야기 안테나 설계치수 (금속 지지대 (boom)이 없는 경우) [Viezbicke]

그림: 도선 직경에 따른 야기 안테나 도선 길이 보정 [Viezbicke]

그림: 금속 지지대 직경에 따른 야기 안테나 도선 길이 보정 [Viezbicke]

3) 기존 설계 데이터

그림: Folded dipole에 의해 급전된 야기 안테나. 최대 이득 12 dBi [Kraus and Marhefka (2010)]

그림: RSGB 야기 안테나 설계. 소자 직경 4 mm [Cebik, http://on5au.be/content/a10/vhf/wu.html ]

4. 야기 안테나 사례

그림: Astron 220-6 6소자 야기 안테나. 215-225 MHz 9 dBi

그림: RFI YB815 700-850 MHz 15 dBi. 급전기로 루프 안테나 사용

그림: 17개의 지향기, 4개 와이어 코너 반사기를 이용한 야기 안테나 [Pinterest]

그림: 광대역 급전기와 지향기를 사용한 야기 안테나. Xtreme Signal HDB91X, 450-900 MHz, 13.5-23 dBi, F/B 21-27.5 dB, V 60º H 60º, 51 x 222 x 52 cm

그림: 광대역 야기 안테나. MaxMost Moxa OnCell 5004 5104 HSPA 800-1900 MHz, 18 dBi

그림: 이중대역 야기 안테나. Cushcraft A270-10S, VHF 144-148 MHz, UHF 430-450 MHz, 10 dBd

20m monoband Yagi antenna 3el. PA14-3-6

그림: HF 대역 3소자 야기 안테나 Antenna Amplifiers PA14-3-6, 14-14.35 MHz, 7.2 dBi (free space), 11.7 dBi (20 m above ground)

그림: 다중 대역 야기 SP7GXP의 7중대역 야기 안테나. 7, 10, 14, 18, 21, 24, 28 MHz; 14-28 MHz 3소자, 7-10 MHz 2소자, 이득: 3.9 dBd @ 7 MHz, 4.1 dBd @ 10 MHz, 8.0-8.5 dBd @ 14-28 MHz