1.2GHz ANTENNA

[DS4OVT 유지홍]

1.2GHz, 2.4GHz 및 3.4GHz용 시가 안테나

Matjaz Vidmar, S53MV

3. 시가 안테나 설계

시가 안테나에서는 디스크 요소와 금속 캐리어(붐) 모두 중요한 전자기 기능을 가지고 있습니다. 복잡한 안테나 구조의 전자기 시뮬레이션은 많은 작은 와이어 세그먼트로 만들어질 수 있습니다. 시가 안테나를 시뮬레이션하려면 수천 개의 작은 와이어 세그먼트가 필요합니다. 동일한 수준의 정확도를 위해 일반적으로 금속 붐을 시뮬레이션하려면 디스크 요소보다 더 많은 와이어 세그먼트가 필요합니다.

이 기사에 제시된 디자인은 다양한 주파수 범위, 편파 및 요소 번호에 대해 웹 포럼 https://www.wifi-antennas.com 에 자세히 설명된 유명한 러시아 시가 안테나 "BDM-2"의 많은 힌트를 사용합니다. 나사형 로드에는 디스크와 스페이서가 모두 포함됩니다. 나사산 막대는 기계적 강도를 위해 스테인리스 조향 장치로 만들어졌습니다. 전기적 손실을 최소화하려면 디스크와 스페이서 모두 알루미늄(Al)과 같이 전기 전도성이 높은 재료로 만들어야 합니다. 전체 안테나는 스레드 로드의 양쪽 끝에 있는 너트 2개만으로 함께 고정됩니다. 디스크와 스페이서 사이의 전기적 접촉이 양호하도록 두 너트를 모두 조여야 합니다.

시가 피드에는 반사경 "R", 구동 요소 "S" 및 첫 번째 디렉터 "D1"이 포함됩니다. 다른 모든 디렉터 "D2-N"은 동일한 간격으로 동일한 크기를 가지며 인공 유전체 렌즈 역할을 하는 균일한 서파 구조를 형성합니다. "BDM-2" 시가는 주어진 안테나 붐 길이 "l"에 대해 높은 지향성과 큰 대역폭을 모두 얻기 위해 ~ 0.185λ에서 밀접하게 배치된 디렉터를 사용합니다. 요소 간격에는 스페이서 "d"와 디스크 두께가 모두 포함됩니다!

안테나의 임피던스는 구동 요소 "S" 직경과 급전점 편심률 "e"에 의해 제어됩니다. 피구동 요소 "S" 직경에 따라 주파수가 선택됩니다. 피드포인트 편심 "e"는 임피던스의 크기를 선택합니다. 원래 "BDM-2" 시가는 75Ω("F" 커넥터가 있는 저렴한 동축 케이블) 또는 그 이상에 대한 임피던스 일치를 위해 설계된 것 같습니다. 50Ω에 대한 임피던스 정합에는 "BDM-2" 시가에 대해 게시된 것보다 더 작은 공급점 편심 "e"가 필요합니다. 어쨌든 긴 시가 안테나와 같은 크고 복잡한 구조에 대한 컴퓨터 시뮬레이션은 피드 포인트 임피던스에 대해 부정확한 결과를 생성하는 경향이 있습니다.

설명된 시가 안테나의 임피던스 정합 대역폭은 일반적으로 저속파 구조 대역폭보다 좁습니다. 첫 번째 디렉터 "D1"은 일반적으로 임피던스 정합을 확장하는 데 사용됩니다. 구동 요소 "S"와 첫 번째 디렉터 "D1" 사이의 간격 "p"가 가깝기 때문에 후자가 안테나 방사 패턴과 지향성에 미치는 영향은 매우 작습니다. 반면, 구동 요소 "S"와 반사기 "R" 사이의 작은 간격 "p"는 임피던스 일치 대역폭을 감소시키지만 원치 않는 측면 로브를 줄여 지향성과 이득을 증가시킵니다.

제시된 피드는 단일 선형 편광을 생성합니다. 안테나 축을 중심으로 90° 간격으로 배치된 동일한 안테나에 장착된 두 개의 동축 커넥터를 사용하여 이중 직교 선형 편파를 얻을 수 있습니다. 원형 편광은 공급점에서 ±45°에 타원 축이 있는 타원형 구동 요소 "S"를 사용하여 얻을 수 있습니다. 타원의 주축 방향에 따라 RCHP 또는 LHCP가 선택됩니다.

설명된 시가 안테나의 세 가지 다른 버전이 시뮬레이션되었으며 각각 여러 샘플을 제작하고 테스트되었습니다. 1.3GHz 버전은 약 4λ의 붐 길이에 23개의 요소를 가지고 있습니다. 2.4GHz 버전은 약 6λ의 붐 길이에 33개의 요소를 가지고 있습니다. 3.4GHz 버전은 약 10λ의 붐 길이에 58개의 요소를 가지고 있습니다. 제안된 붐 길이는 사용 가능한 1m 길이의 나사형 로드와 일치하도록 선택되었습니다. 세 가지 버전 모두의 기계적 데이터는 다음 표에 나와 있습니다.

모든 디렉터 "D1-N"은 1mm 두께의 알루미늄 시트로 만들어졌습니다. 모든 반사경 "R"은 기계적 강도를 위해 더 두꺼운 1.5mm 알루미늄 시트를 사용합니다. 1.3GHz 및 2.4GHz용 구동 요소 "S"는 디렉터와 마찬가지로 1mm 두께의 알루미늄 시트로 만들어지며 N 커넥터가 제공됩니다. 3.4GHz용 구동 요소 "S"는 0.5mm 두께의 황동(Ms) 시트로 제작되어 SMA 커넥터를 피드 포인트에 연납땜할 수 있습니다. 전체 황동 디스크는 알루미늄과의 갈바니 반응을 피하기 위해 주석 도금 처리되어 있습니다.

모든 프로토타입의 임피던스 정합과 방사 패턴을 주의 깊게 측정했습니다. 임피던스 정합은 추적 발생기가 있는 스펙트럼 분석기에 연결된 30dB 이상의 지향성을 갖는 방향성 결합기를 사용하여 측정되었습니다.

방사 패턴은 지상 약 1.5m 높이, 수평 거리 약 9m에서 측정되었습니다. 후자는 3.4GHz 시가 안테나에 대한 레일리 원거리장 조건을 충족하는 데 거의 충분하지 않았습니다. 원치 않는 반사를 최소화하기 위해 다른 모든 장애물은 멀리 유지되었습니다.

정확한 결과를 위해 테스트된 모든 안테나는 위상 중심을 중심으로 대략 회전되었습니다. 테스트된 모든 안테나는 무선 링크의 수신측에 있었으며 통과 대역 필터와 안테나에 직접 설치된 다이오드 감지기가 장착되어 있었습니다. 노트북 컴퓨터가 안테나 포지셔너를 조종하고 잠금 수신기로부터 데이터를 수신하고 있었습니다.

무선 링크의 반대편에는 약 10dBi의 지향성을 갖는 이중 편파 상업용 안테나가 +10dBm 변조 송신기에 연결되었습니다. 후자는 긴 동축 케이블을 통해 잠금 수신기를 동기화했습니다. 로컬 휴대폰 타워로부터의 간섭을 피하기 위해 잠금 주파수는 10.2kHz로 신중하게 선택되었습니다. 반대 방향에서는 송신측의 노트북 컴퓨터에서 USB 연장 케이블을 통해 송신 주파수와 출력 전력을 설정했습니다.

모든 선형 편파 프로토타입의 방사 패턴은 전기장 평면 E와 자기장 평면 H의 두 평면에서 각각 측정되었습니다. 송신기의 편파 전환은 이중 편파 기준 안테나의 두 케이블을 교체하는 것으로 구성되었습니다. 테스트 중인 수신 안테나의 편파 전환은 시가 피드를 90° 회전시키는 것으로 구성되었습니다.

지파 구조 안테나의 가장 중요한 설계 매개변수는 주파수의 함수로 표시된 지향성입니다. 후자는 다양한 주파수에서 E와 H 평면 모두에서 측정된 방사 패턴으로부터 계산되었습니다. 시가 안테나의 높은 방사 효율로 인해 이득과 지향성의 차이는 임피던스 불일치에 의해서만 발생할 수 있습니다.

비, 눈 및/또는 얼음이 안테나에 쌓이면 서파 구조의 최적 주파수가 감소합니다. 따라서 거의 모든 지파 구조 안테나는 건조 시 공칭 작동 주파수보다 높게 설계되었습니다. 넓은 대역폭 덕분에 시가 안테나는 비에 거의 영향을 받지 않습니다. 시가는 막대, 십자가, 루프 또는 나선과 같은 와이어 저파 구조를 갖춘 안테나만큼 눈 및/또는 얼음에 훨씬 덜 민감합니다. 그러므로 시가에는 레이돔이 거의 필요하지 않습니다!

[이철민 6L5TSF]

너무 신기해요!!!!!