50MHz 3el. Yagi Design & Simulation with EZNEC 6.0 50MHz(6m) Yagi

지난 주말, 6/20~21양일간 6M6M운용을 남한산성 중계기사이트에서 했다. 지난 2년간의 운용과 다르게 유럽과, 북미 신호는 들을 수 없었고, JA신호조차 아주짧은시간 간간히 수신할 수 있었다. 50MHz  DX를 몇십년 한 사람의 말로는 올해 처럼 50MHz상태가 좋지않은 해는 첨음이라는 이야기 까지 한다. 

24절기 중 하지 전후로 6m의 원거리 패스가 열리는 것이 일반적인데, 올해는 그 강도가 많이 약한 느낌이고, 그렇다면 Es를 만들어내는 에너지가 여러날로 넓게 퍼져있을 것이라는 기대와 함께  7월까지 매 주말, 조용히 안테나 하나 무전기 하나들 들고 좋은 QTH로 나가, 무전기를 켜 놓고 낮잠을 즐기는 생각을 해 본다. 

혼자서 가볍게 설치할 수 있는 3소자야기 안테나를 5미터 정도의 지상고에 올려놓을 생각으로 안테나를 설계하고, 시물레이션 해 봤다. 이번에는 20옴내외의 급전 임피던스의 안테나를 헤어핀 매치를 사용해 매칭할 예정이고, 매칭 과정까지 EZNEC 6.0프로그램을 사용해 완성시켰다. 실제 이 데이터를 가지고 나가서 안테나를 조정하면 거의 오차없이 잘 맞는다.

혹자는, 시물레이션소 프트웨어와 실제 안테나 조정은 많이 다른 결과가 나온다고 말하기도 한다. 하지만 내가 보기엔 정교한 시물레이션을 해 보지않고, 하는 이야기 인것 같다. 아주 간단하고 허술해 보이는 EZNEC만 가지고도 거의 실제에 가까운 설계 결과를 얻을 수 있다.


설계 목표

공진주파수 : 50.150MHz
전방이득 : 8dBi
전후방비 : 15dB이상


3소자이지만 가능한한 최대 이득을 얻을 수 있는 설계이며, 따라서 붐 길이가 일반 3소자에비해 조금 길어진다. 매칭방법은 베타매칭 방법을 사용할 것이고 베타배칭 섹션에 의한 손실이 일부 발생하지만, 감마 매치등의 불평형 급전에서 발생할 수 있는 손실에 비해 훨씬 안정적이라는 판단에서 베타매치를 선택했다.  설계 과정은 EZNEC 6.0버전을 사용해서 진행하겠다.

EZNEC 6.0 S/W의 메인 윈도우이다. 주파수를 50.15MHz 으로 정하고 1개의 RF소스(급전부), 1개의 로드(베타,헤어핀매치의 단순화)가 보인다. Wire Loss에는 이미 정해져 있는  Aluminium 6061소재를 선택함으로써 실제 제작 소재와 맞춘다. 치수의 단위는 mm이다.



각 소자의 길이와 소자간의 간격을 위와같이 정한다. No.123이 Reflector, No.456이 Radiator, No.789가 Director이다. 각 소자는 15파이 1.5t 알미늄파이프 1미터에 12파이 1t알미늄파이프를 넣어서 구성하며 대략 3미터에 가깝다. X축이 각 소자의 위치를 나나타내는데, Ref 와 Rad 의 간격은 650mm,  Ref와 Dir의 간격은 1740이 된다.  Z축을 보면 안테나 높이는 5000mm에 이다.


Sources윈도우에서  급전점을 설정하며 급전부는 5번 와이어(15파이 1미터길이)의 50%위치에 있도록 한다. 일반적으로 생각하는 3소자 야기의 급전부 위치이다.


위와같이 모든 값을 입력하고, 자유공간에서의 안테나의 특성을 확인해 보자, 전방이득 8.04dBi, 전후방비 20.11dB인것을 확인할 수 있으며 3dB 빔 폭은 62.8도 인것을 확인 할 수 있다. 이정도며 3소자 안테나로서는 최상의 상태라고 판단한다. 

** 최대 이득을 뽑아내기위해, 위의 Wires윈도우에서 오랜시간 값을 변경 해 보고 나온 결과이다. 그 과정을 대신해 주는 옵티마이저도 있으니 사용해 보면 편리하다.

이 상태에서 VSWR을 확인해 보자. 50.15주파수에서 임피던스를 확인해 보면 "16.16 - j21.16 Ω" 이며 헤어핀 매치가 가능한 조건이다. 베타매칭(헤어핀매칭)을 적용하려면, 매칭부를 제거한 상태에서 실수부 25옴이하, 허수부는 -(마이너스) 용량성을 띠도록 해야하며, 현재 안테나의 상태가 그 조건에 맞게 되어있다. 

헤어핀은 L(Inductor) 에 해당하며 헤어핀으로 추가된 L이 용량성 허수부를 상쇄하며, 50옴 임피턴스를 만드는것이 안테나 매칭의 목표이다. 다시말하면 16.16-j21.16 Ω 을 50+j0 Ω으로 만드는 과정이라고도 할 수 있다. 간단하고도 복잡한 몇개의 계산으로 매칭 과정을 시뮬레이션 해 보자.

δ = SQRT( Rs / Rl -1 ) = SQRT( 50 / 16.16 - 1) = 1.45

Xl = Rs / δ = 50 / 1.45 = 34.48 Ω  


위의 34.48 Ω이 헤어핀으로 추가해야할 유도성 임피던스의 성분이 된다. 그렇다면 "실제 헤어핀은 어떻게 만드냐고?" 하는 질문이 나올 수 있다. 헤어핀은 앞에서 말했듯이 단순한 L이니까. 해당주파수에서 Xl이 34.48Ω이 나오는 L을 만들면 된다.


Xl = 2πfL

L = Xl / 2πf 

L = 34.48 / (2π * 50150000) = 34.48 / 314942000 = 0.00000010948048 H = 109 nH   


L  이 109 nH 가 나오도록  만들면 되겠다. 코일 형태로 만들던지, 우리가 하려는 헤어핀 모양으로 만들던지 방법은 여러가지 이지만 109nH만 나오면 되는것이다. 그것을 급전부에 병렬로 붙이면 매칭이 된다고 이해하면 된다. 나는 109nH를 아래 사진처럼 헤어핀 모양으로 만들었다.




EZNEC에서 헤어핀을 예쁘게 와이어로 그려서 시뮬레이션 하는방법도 있지만, UVH가 공간감각이 없어서 그리기가 좀 힘들기 때문에, 간단한 등가회로를 부가하는것으로 처리하기로 했다. 그 방법은 Load를 추가하는 방법이며,  Xl성분의 34.48 Ω을 병렬로 추가하는것으로 단순화 시켜봤다. 34.48 반올림해서 Xl  = 34 Ω을 Rad 5의 50% 지점, 앞에서 급전부를 지정했던곳에 Par(병렬)로 설정했다.


위에서 Load를 병렬로 추가함으로써 헤어핀 매치를 적용했다. 그 결과 VSWR은 1.023:1 (48.97+j0.4506) 으로 잘 된것 같으나 공진주파수가 50.05MHz에서 보인다. 약간의 공진 주파수 조정을 통해 50.15MHz으로 공진주파수를 올려 보겠다.


공진 주파수 조정은 누구나 다 아는 그 방법이다. 다이폴 안테나 주파수 조정하듯이, 공진주파수를 올려야 하기때문에 Ref, Rad,Dir 모두 4mm 줄였다. 그 결과 아래와 같은 VSWR을 얻게 되었다.


VSWR 1.028:1, Z = 50.08 + j1.168, 이 정도면 거의 완벽에 가까운 매칭이 된 상태이며, 결벽증이 있는사람들은 각 소자를 0.1mm 단위로 조정해서 더 좋은 수치를 볼 수 있지만, 실제 안테나 제작시에 0.1미리가 컨트롤이 된다는 말인가? 적당히 넘어가야할 부분은 여기다.


최종 조정후 안테나의 특성을 확인하면 전방이득 8dB, 전후방비 17.95dB 제일처음 설계값보다 전후방비가 약간 저하되었다. 이것을 다시 올리기위해서는 소자의 길이 비율을 조금 조정해야하는데, 여기서 "FB를 조정하면 Gain이 변하고, Gain을 조정하면 VSWR이 변하고" 한다는 안테나 제작 딜레마에 빠지게 되는데, 여기서도 적당히 각자의 성격에 맞게 마치고, CQ를 내는것이 더 좋아보인다.





지상고 5미터에서 Elevations 패턴을 확인해 보자 오른쪽에 두 개의 로브가 보이고 아래쪽16도 부근과 56도 부근에서 많은 에너지가 방사된다고 볼 수 있다. 이것은 안테나 지상고를 높이면 더 낮아지게 되며, 24미터 이상 지상고를 올리면 메인로브가 거의 3도 가까이에 형성되며 DX에 적합한 안테나가 될 수 있다.

실제로 1st로브와, 2nd로브를 통해 교신이 이루어지며, 1st로브의 이득 13dBi는  Ground Gain이라 불리는 +5dB가 추가된 값을 확인 할 수 있다. 자유공간에서의 안테나 이득 은 8dB인데 실제 사용시는 방사된 전파의 일부가 지면에 반사되어 합성되므로 이득이 더 증가한다. 



이제 만들어야지!!! 



"시뮬레이션은 시뮬레이션일 뿐이라고? 천만의 말씀! 내가 시뮬레이션에 들인 노력만큼 실제에 가깝게 나온다. 응? 응? 응?" 


덧글

  • 쿠닝 2017/05/26 10:43 # 삭제 답글

    정말 잘보고 갑니다.
  • sojubox™ 2017/07/14 15:45 #

    잘 봐 주셔서 고맙습니다.
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