4NEC2 단축 엔드피드 안테나

이 글에서는 23미터 길이의 단축 엔드피드 안테나 즉 단축 제프 안테나 (끝 부분에 코일 로딩)를 만들고 시뮬레이션 한다.

임피던스 매칭을 위한 RLC(로딩, 트랩 등)을 묘사 할 수 있는 LD (Loading) 명령에 대한 사용법 으로 시작한다.

4NEC2 의 기본 사용법은 이전 글들을 참고한다.

LD 명령 카드는 첫번째 인수가 매우 중요한데 아래와 같다.

(LD 명령에 대한 자세한 설명은 이곳을 참고한다. http://www.nec2.org/part_3/cards/ld.html)

-1 : 정의된 모든 LD 명령의 무효화(단락시킴, 즉 통과)

0 : 직렬 R L C 정의(옴, 헨리, 패럿 단위)

1 : 병렬 R L C 정의

2 : 직렬 R L C (per meter, 미터당)

3 : 병렬 R L C (per meter, 미터당)

4 : 임피던스 생성(저항 및 리액턴스 값)

5 : 전도도 설정(mhos / meter, 즉 S/m Siemens / meter)

자주 사용되는 것은 5 번 conductivity 설정 이다.

정확한 손실을 계산하기 위해 안테나 엘레먼트의 재질(예컨데 동, 알루미늄 등)을 설정할 때 사용되는데 예시는 다음과 같다.

LD 5 0 0 0 2.4938E7

5 : 전도도 설정

0 : 와이어 식별(태그) 번호

0 : 적용할 시작 세그먼트 번호

0 : 적용할 끝 세그먼트 번호(시작 값보다 크거나 같아야 함)

※ 상기 3개 값이 모두 0 이면 전체 와이어와 전체 세그먼트에 적용됨

2.4938E7 : 사용된 재질의 전도도(아래 설명)

전도도는 저항의 역수(mho) 인데 각 금속의 전도도에 대한 값과 자세한 설명은 아래를 참고한다. https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity

※ 주로 사용되는 재질의 값은 아래와 같다.

6.2893E7 은(Silver)
5.8001E7 구리(Copper)
3.7665E7 순수 알루미늄(Pure Al)

3.0769E7 알루미늄 합금 6063 (6063-T832)
2.4938E7 알루미늄 합금 6061 (6061-T6)
1.5625E7 황동(Brass)
9.0909E6 인청동(Phosphor Bronze)
1.3889E6 스테인레스스틸 302(Stnlss Stl 302)

존경하는 W4RNL (세빅)오엠의 자료를 참고했으며 해당 재질로 만들어진 안테나의 손실은 아래를 참고한다.

http://www.antentop.org/w4rnl.001/wiresize.html

아래는 가장 많이 사용하는 직렬 R L C 를 설정하는 예시이다.

이 예시는 로딩 코일(저항 및 인덕턴스 값)을 지정한다.

LD 0 5 1 1 3.53 .00001293 0

0 : 직렬 R L C 사용

5 : 와이어 태그(식별) 번호

1 : 적용 시작 세그먼트

1 : 적용 끝 세그먼트

3.53 : 직렬 R 값 (3.53 옴, 코일의 저항)

.00001293 : 직렬 L 값(12.93uH, 코일의 인덕턴스)

0 : 직렬 C 값 (없음, 사용 안함)

※ LD 로 삽입되는 위치는 "세그먼트" 로 지정되므로 정확한 위치에 삽입 하려면 안테나 엘레먼트는 적절하게(여러 분할 길이 또는 세그먼트에 의해) 나눠져 있어야 한다.

아래부터는 실제 안테나 시뮬레이션 코드에 대해 설명한다.

시뮬레이션에 사용되는 안테나는 단축형 엔드피드로써 아래와 같은 구조이다.

카운터포이즈(또는 급전선) - 64:1 트랜스포머 ------------------------ 20.4 미터------------------- [110uH]------2미터-------

여기서 급전부 임피던스는 시뮬레이션에서 자동 계산되며 별도의 지정은 하지 않는다.

이 안테나는 3.5 메가 다이폴에서 한쪽을 로딩으로 단축한 형태이다.

즉, 3.5 메가에서는 전기적 길이가 3.5메가의 반파장(40m)으로 작동하여 전체를 다 사용하고

7 메가 부터는 그 위로는 사실상 앞부분의 20.4 미터만 쓴다. (아래 2.5 미터와 10 미터의 전류 분포 차이를 본다)

아래는 7 메가에서 로딩 + 2.5 미터

아래는 7 메가에서 로딩 + 10 미터 (전류는 거의 흐르지 않는다)

※ 따라서 끝부분 2.5 미터를 10미터로 늘리더라도 거의 이득이 없다.

110uH 로딩은 3.5 메가에서는 뒷부분의 엘레먼트와 직렬 공진하여 작동하므로 전류가 높게 흐르지만, 상위 밴드에서는 상당히 높은 리액턴스(110uH 영향)로 인해 끝부분으로 거의 전류가 흐르지 않는다. 즉, 특정 주파수의 트랩은 아니지만 비슷한 작동을 한다.

직접 작성한 시뮬레이션 코드는 아래와 같다.

CM Loading End fed antenna DS1ORJ 
CE 

SY	left=2.5
SY	right=20.4
SY	radial=2
SY	wire=0.001/2
SY	IND=110E-6
SY	high=10

GW	1	11	0	0	high	left	0	high	wire
GW	2	21	left	0	high	left+right	0	high	wire
GW	3	9	left+right	0	high	left+right+radial	0	high	wire
GE	1
LD	0	1	11	11	3.53	.00011	0
GN	2	0	0	0	13	0.005
EX	0	3	1	0	1	0	0	0
FR	0	0	0	0	7	0
EN

left 2.5 는 맨 끝의 2.5 미터

right 20.4 는 엘레먼트 20.4 미터

radial 은 카운터포이즈로 사용되는 2 미터 길이(또는 급전선이 이 역할을 한다. 임의 지정)

wire 는 엘레먼트 두께 1mm

IND 는 로딩코일(인덕터) 110uH

high 는 지상고 10m

GW 명령으로 1, 2, 3 세개의 와이어가 이어진다.

LD 에서는 left 와이어(1번, 2.5m 11 세그먼트) 의 11 번째 세그먼트(끝)에 110uH 코일을 삽입한다.

GN 에서는 평균지면을 설정한다.

아래는 지상고 10 미터에서 3.6, 7.05, 10 14 21 24 28 의 시뮬레이션 결과이다.

3.5 메가에서는 약 48.5% 의 방사효율이고 7 메가에서는 80% 정도이다.

※ 실제로는 여기에 임피던스 변환 트랜스포머(64:1 바룬이라 부르는 것)의 변환 손실이 추가된다.

※ 코일 저항을 3.53 옴에서 1옴으로 줄이면 3.5 메가는 55.7% 이고 7 메가는 변동이 없다.(코일을 사용하지 않으므로)

급전부의 임피던스는 7 메가의 배수에서는 어느정도 하이임피던스로 유지되지만 3.5 홀수배인 10, 24 에서는 로우 임피던스 이다. 따라서 3.5 메가(40미터) 가 아닌, 7 메가(20미터) 엔드피드로 작동한다는 것을 알 수 있다. (3.5 는 보너스 개념이다.)

※ 실제 임피던스는 카운터포이즈로 작동하는 급전선의 길이 또는 조건에 따라 변할 것이다.