안테나 설계

야기 안테나(Yagi Antenna)

I. 이론

1. 야기 안테나 개요

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

- 1GHz 이하에서는 도선으로 구현

- 1GHz 이상에서는 인쇄형으로 구현

- 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 다이폴 길이 약 0.46파장, 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 0.48파장) 또는 코너 반사기(wire 길이 0.6파장) 형태. 반사기와 급전기 간격 0.20파장

ㅇ 지향기(directors): 급전기 앞에 급전기보다 약 5% 잛은 연결된 도선. 갯수에 따라 이득 증가. 갯수가 증가함에 따라 이득 포화, 길이 약 0.40파장. 급전기와 지향기 간격: 0.075–0.40파장 (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.

ㅇ 참고문헌: V. Iyer et al., "Increasing the impedance bandwidth of dipole with monopole antennas withparasitic elements", EuCAP, 2016.

3. 야기 안테나 동작원리

1) 2-소자 안테나

그림: 2소자 배열 안테나. 소자간 거리d, 소자 전류

2소자 배열 안테나 원거리 전기장:

위상차 에 따른 이득이 최대가 되는 각도 :

Example:

그림: 일 경우 최대 이득 각도

Coupled antenna, antenna mutual coupling (상호결합):

Figure: Two dipole elements

(reciprocity, 가역원리)

(antenna 2 load impedance)

Antenna 2 terminal short-circuited (단자 단락)

When two dipoles are closely spaced,

Far field(원거리장):

Front-to-back ratio(전후방비):

: Element 2 is a director.

: Element 2 is a reflector.

Dipole 1 to dipole 2(shorted) distance: Fixed between 0.15 to 0.30 wavelength.

Change dipole 2 length for maximum radiation at .

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

ㅇ 위 그래프를 이용한 야기 안테나 동작원리

– 반파장 급전기: 길이 0.455λ, 전류크기 1, 위상 0°

– 지향기: 길이 0.40λ, 전류크기 1, 전류위상 226°

– 반사기: 길이 0.484λ, 전류크기 1, 전류위상 140°

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

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].

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

4. 야기 안테나 설계

ㅇ 인터넷 온라인 설계 프로그램 사용:

K7MEM: http://www.k7mem.com/Ant_Yagi_VHF_Quick.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 VK5DJ 야기 설계 프로그램에 의한 지향기 개수에 따른 이득 (반사기1개, 급전기 1개, 지향기 가변)

Number of elements	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

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 1-3dB 증대

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

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

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

표: 야기 안테나 설계치수(금속 지지대가 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 4mm[Cebik, http://on5au.be/content/a10/vhf/wu.html ]

5. 야기 안테나 사례

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

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

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

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

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

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

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

Figure: 435-MHz 9-element 12-dB crossed Yagi antenna[Grab CAD]

Figure: 144-MHz Yagi loop antenna

Figure: 2.4-GHz printed Yagi antenna[Turbo Future]

Figure: Monopole Yagi antenna[Antenna Magnus]