안테나 실습 04 − 야기 안테나 설계, 제작 및 측정

1. 실습목적

ㅇ MWS 사용법 숙달

ㅇ Yagi 안테나 동작원리 학습

ㅇ Yagi 안테나 설계기술 습득

ㅇ Frequency Scaling 개념 실습

2. 야기 안테나 기초이론

ㅇ 야기 안테나: 1926년 일본과학자 Yagi와 Uda에 의해 발명

ㅇ 급전된 다이폴 주변에 급전되지 않은 다이폴 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 급전 다이폴은 중간을 절단하고 동축선으로 급전하나 기생 다이폴은 중간을 절단하지 않음.

ㅇ 용도: 30MHz - 3GHz 대역 무선통신, 위성통신, 방송수신, 표적추적

ㅇ 성능: 이득 4-20dB

ㅇ 다이폴을 이용한 야기 안테나 구조

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

(그림) 야기 안테나 구조

- 반사기: 1개 다이폴 또는 다수의 다이폴을 이용한 반사판 형태, 길이 약 0.48파장. 1개 다이폴을 사용하는 경우보다 다수 다이폴을 이용한 반사판을 사용할 경우 이득이 더 크다.

(그림) 다수 다이폴로 구성된 반사판이 사용된 야기 안테나

- 급전기: 반파장 다이폴, 길이 약 0.46 파장. 직선 다이폴 외에 folded dipole, bowtie dipole을 급전기로 사용하기도 한다.

(그림) Folded dipole이 급전기로 사용된 야기 안테나

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

- 반사기와 급전기: 약 0.20 파장

- 급전기와 지향기: 0.1 파장 − 0.40 파장 (설계에 따라 다름).

- 지향기 사이의 간격: 0.1 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 실물 사진

(그림) 야기 안테나 실물 사진

(그림) 원편파 야기 안테나 실물 사진. 두개 다이폴을 서로 직각이 되게 배치하고 90° 위상차로 급전.

(그림) 광대역 야기 안테나

(그림) 광대역 야기 안테나

ㅇ 방사패턴

- 아래 그림은 다이폴이 지면에 수직(vertical)인 경우 방사패턴이다.

- 다이폴과 평행한 면(이 경우 수직면)을 전계면(전기장이 이 면에 평행함)이라 하고 전계면에 수직이며 안테나 방사패턴 주 빔을 통과하는 면(이 경우 수평면)을 자계면이라 한다.

- 야기 안테나의 경우 전계면 패턴이 약간 더 첨예하다.

ㅇ 동작원리

- 급전기(exciter)에 전류 공급

- 지향기(Director를 타고 전파가 director 방향으로 진행

- Reflector는 전파가 director 반대방향으로 향하는 것을 방지

- 급전기 + 방사기

- 급전기 + 반사기 + 방사기

ㅇ 다이폴 외에 루프,

3. 야기안테나 설계프로그램

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

ㅇ 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

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

1) 설계 1

ㅇ [Task] → [Design Yagi]를 실행하라.

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

Frequency in MHz = 1575

Diameter of dipole bend mm = 10

Dipole gap at feed point mm = 2

Number of directors = 4

Cross-section of boom mm = 2.2 (www.yeeuntech.com YET-085/50-TP 사용)

Boom type: Round

Construction of directors/reflector:

Metal shape = Round

Director/Reflector mounting = bonded through metal boom

Diameter of element(mm) = 2.2 (www.yeeuntech.com YET-085/50-TP 사용)

Construction of Dipole
Metal shape = Round

Folded dipole mounting = Fully insulated

Diameter of element(mm) = 2.2(www.yeeuntech.com YET-085/50-TP 사용)

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

- 설계된 야기 안테나 특성: 1575MHz (파장 190m), 이득 11dBi, 소자 직경 2.2mm, 지지대 직경 2.2mm,

지지대와 반사기/지향기 비절연

- 치수

반사기: 길이 92.8, 지지대 한쪽 끝(z = 0)으로부터 위치 z = 3(프로그램에서는 30으로 나오나 boom 길이를 줄이기 위해 30 → 3로 변경)

급전기: 다이폴 사용(folded dipole 사용하지 않음). 길이 88.4, 위치 z = 31

지향기 1: 길이 80.9, 위치 z = 55.3

지향기 2: 길이 79.9, 위치 z = 89.6

지향기 3: 길이 78.9, 위치 z = 130.5

지향기 4: 길이 78.0, 위치 z = 178.1

2) 위 설계 1에서 다음과 같이 변화를 주면서 결과를 관찰하라

- Directors/Reflector mounting: non metal boom

- Construction of directors/reflector: Diameter of element (mm) = 4.0

- Construction of Dipole: Diameter of element (mm) = 4.0

위 경우 모두 급전기, 지향기, 반사기의 길이만 변경됨을 알 수 있다.

3) 위 설계 1에서 다음과 같이 지향기 수 16까지 증가시키며 지향기 수에 따른 이득을 확인하라.

1: 6.9dBi

2: 8.6dBi

3: 9.9dBi

4: 11.0dBi

8: 13.9dBi

12: 15.7dBi

16: 16.9dBi

4.3. 위 설계 1의 치수를 Microwave Studio로 생성한 후 아래 그림을 참고로와 같이 simulation을 수행하라.

4

ㅇ 다이폴 축 x 방향, 지지대 축 z 방향으로 하라.

ㅇ 지지대의 한쪽 끝을 z = 0으로 하라.

지지대 물질: PEC (완전전기도체 = 금속)

반사기와 지향기: 직경 2.2mm solid metal

급전기: 직경 2.2mm solid metal을 프로그램에서 계산한 길이로 생성 후 중간에서 2mm 구간을 제거하고 discrete port로 급전, 지지대로부터 1mm 위로 띄움.

지지대: 직경 2.2mm 길이 180mm, 좌표 원점 (z = 0)

해석주파수: 1000-2000MHz

이득계산 주파수: 1575MHz

급전기 소자 외에 지향기와 반사기는 지지대(boom)에 접촉시킨다.

ㅇ 안테나 형상 생성 후 시뮬레이션을 수행하라.

ㅇ 안테나 구조를 도시하라(10점)

ㅇ |S₁₁|(dB)를 1000−2000MHz에 걸쳐서 도시하라(10점)

ㅇ S₁₁을 1000−2000MHz에 걸쳐서 Smith Chart에 도시하라(10점)

ㅇ 입력 임피던스를 1000−2000MHz에 걸쳐서 사각형 그래프에 도시하라(10점)

ㅇ 1575MHz에서 지향도 D_abs의 3차원 패턴을 도시하라(10점)

ㅇ 1575MHz에서 지향도 D_abs의 전계면 패턴(phi = 0°, theta = 0°−360° 변화)을 polar plot으로 도시하라(10점)

ㅇ 1575MHz에서 지향도 D_abs의 자계면 패턴(phi = 90°, theta = 0°−360° 변화)을 polar plot으로 도시하라(10점)

5. 제작 및 측정

5.1 위 그림을 참고로 설계 1의 야기 안테나를 제작하라. 제작사진을 보고서에 첨부하라(50점)

5.2 제작된 안테나의 반사계수를 1000-2000MHz에서 측정하라(20점)

- |S₁₁|(dB)를 rectangular plot으로 도시하라.

- S₁₁을 스미스 도표에 도시하라.

5.3 제작된 안테나의 이득을 측정하라(30점)

6. 참고자료

ㅇ 1575MHz 6-소자 야기 다이폴 안테나 설계도면

ㅇ 야기안테나 공부자료

WW4GW: Yagi antennas

Kathrein: VHF-TV Yagi antenna, 174-216MHz, circularly polarized

Klitzing: Building UHF Yagis

HDTV Primer: http://www.hdtvprimer.com/antennas/types.html

UHF wideband Yagi: http://imageevent.com/holl_ands/yagis/91xg