4NEC2 안테나 설계 자동 최적화 기능

안테나의 작동은 눈에 보이지 않기 때문에 작동 방식에 대해 마음대로 상상하는 경우가 많다. 

이것은 안테나(혹은 급전선)의 작동 방식에 대한 이해의 어려움에서 비롯한다.  

이 어려움은 무선통신 초기부터 존재하였고, 이것을 극복하기 위해 많은 사람들의 노력이 있었다.

 

그 노력 중 가장 대표적인 것은 스미스 차트 이다.

수식과 숫자가 남발하는 수학을  "그림" 으로 바꿔 놓았고 이것은 엄청난 편리성을 제공한다. 

스미스차트는 기본적인 사용법만 숙지하면 초등학생도 임피던스 매칭을 할 수 있다.

 

https://ds1orj.tistory.com/184

임피던스 매칭 (2) 스미스차트 SimSmith

https://ds1orj.tistory.com/196

임피던스 매칭 (3) 안테나 아나라이저 사용

 

 

두번째는 이 글에서 설명할 안테나 시뮬레이션 툴인 NEC 이다. 

(아래는 무료인 4NEC2 이지만 상용버전인 EZNEC, MMANA 등의 다양한 NEC 계열 시뮬레이터가 있다)

https://ds1orj.tistory.com/180 

4NEC2 다이폴 안테나 만들기 1.

 

물론 더 많은 기능(그리고 엄청난 가격)의 프로그램들도 있지만 아마추어 용도를 벗어나므로 여기서는 다루지 않는다.

 

이러한 도구들의 핵심은 "시각화" 이다. 

즉, 수치를 그림으로 표현함으로써 수학에 대한 깊은 이해가 없어도 사용할 수 있다.

(한 눈에 결과를 이해 할 수 있다.)

 

그리고 가장 강력한 기능은  "cut and try" 를 맘껏 시도 할 수 있다는 점이다. 

즉, 조건을 변경해가며 최적값을 찾아 갈 수 있다. 예컨대 10m, 9m, 8m 등으로 줄여가며 결과를 미리 예상해 볼 수 있다. 

실제 안테나를 반복적으로 조정하는 것보다 시뮬레이션에서 값을 조정해가며 결과를 보는 것으로도 충분하지만 

인간은 반복 작업을 싫어하므로 이 과정마저도 자동화 시켰는데 이것이 아래 설명하는 4NEC2 의 자동 최적화 기능이다.

이 기능은 NEC 자체 기능이 아니고 4NEC2 에서 제공하는 자동화 시뮬레이션이다.

 

아래서 순서대로 설명한다.

 

1. VHF GP 안테나 최적화

2. 최적화 목표 값 설정

3. VHF 야기 안테나 최적화

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1. VHF GP 안테나의 최적화

 

최적화 기능을 사용하려면 먼저 NEC 파일에서 SY 명령으로 최적화 시킬 변수 값들을 미리 선언해놔야 한다. 

※ SY 명령은 4NEC2 고유 기능으로 nec2 연산 엔진과는 무관하다. 따라서 nec 기반의 다른 프로그램(eznec 등)에서는 SY 를 인식하지 못한다.  4NEC2 는 SY 명령 덕분에  활용 범위와 편의성이 매우 확장된다.

 

4NEC2 는 선택된 변수를 변경해 가면서 최상의 조건에 가장 가까운 값을 찾아간다.(이 때 사용되는 알고리즘은 여러가지가 있지만 기본 설정 알고리즘으로도 충분하다) 

※ 지정 할 수 있는 조건은 여러가지가 있는데,  예를 들면 SWR 이 최소가 되는 값,  이득이 최대가 되는 값 등이다.

 

아래는 최적화 테스트에 사용할 파일이다.

CM VHF GP Antenna author DS1ORJ.
CE 

SY	center=0.491
SY	radial=0.55
SY	angle=45
SY	wire=0.001/2
SY	high=5

GW	1	21	0	0	high	0	0	high+center	wire
GW	2	5	0	0	high	radial*cos(0)*sin(angle)	radial*sin(0)*sin(angle)	high-radial*cos(angle)	wire
GW	3	5	0	0	high	radial*cos(90)*sin(angle)	radial*sin(90)*sin(angle)	high-radial*cos(angle)	wire
GW	4	5	0	0	high	radial*cos(180)*sin(angle)	radial*sin(180)*sin(angle)	high-radial*cos(angle)	wire
GW	5	5	0	0	high	radial*cos(270)*sin(angle)	radial*sin(270)*sin(angle)	high-radial*cos(angle)	wire
GE	1
EK
GN	2	0	0	0	13	0.005
EX	0	1	1	0	1	0	0	0
FR	0	1	0	0	145	1
EN

 

파일을 부른다음 계산기 버튼으로 시뮬레이션 해보면 SWR 은 1.6 이 표시된다.

아래와 같이 옵티마이저 버튼을 누르거나 F12 를 누른다. 

변경할 변수 "radial=0.55" 를 선택한다. 

무엇을 기준으로 할 것인가는 SWR 을 100% 로 선택한다. (마우스로 클릭하면 0 에서 100 을 오간다)

다 됐으면 start 를 누른다.   이제 4NEC 는 SWR 이 최소로 되는 radial 길이를 찾아간다. 

(짐작 했겠지만 이득이나 방사효율 등 다른 조건을 선택할 수 있고 백분율을 지정하여 여러개를 쓸 수도 있다)  

 

수십개의 시뮬레이션이 돌아가고 난 후에 최적 값이 맨 아래 표시된다. 

결과는 radial 이 0.4806 미터 이면 SWR 은 1.0202 가 되는 것을 알 수 있다.

 

 

Update NEC-file 을 누르면 결과를 파일로 저장 할 수 있다.

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2.  최적화 목표 값 설정

 

SWR 외에 사용 가능한 참조 값은 여러가지가 있는데 마우스로 클릭하면 백분율을 설정할 수 있다. 

 

또한 목표값 은 마우스로 우클릭해서 아래 그림처럼 "Set target" 을 선택하면 위와 같이 입력 가능하다.

(SWR 의 경우 1.0 일 것이다)

 

SWR :   SWR 이 최소가 되는 값을 찾아간다.  기본 목표값 1.0 

Gain :  전방 이득이 큰 값이 되는 값을 찾아간다.  기본 목표값 99 

F/B : 전후방비 (전, 후방 각도 지정 가능),  기본 목표값 99

F/R : 전후방비 (전방은 각도 지정, 후방은 평균), 기본 목표값 99 

R-in : 임피던스의 실수부, 기본 목표값 50 (옴)

X-in : 임피던스의 허수부(리액턴스), 기본 목표값 0 (옴)

Eff : 효율 (안테나 자체의 손실만 고려됨, 지상 또는 공간과 상호작용하는 "방사효율"이 아님)  기본 목표값 100 (%)

 

상기에서 Gain F/B  F/R  3종 세트는  아래의 추가 파라미터를 사용한다.

 

Theta (세타)  : Z 수직에서의 각.  수직 안테나 일 때 하늘 방향 0 도, 측면 방향에서 90 도.

Phi (피,화이,파이-원주율의 파이가 아님-)  :  XY 평면에서 각. 수평안테나 일때 안테나 전방 0도, 후방 180도.

이 각도 값들은 Gain 과 F/R 에서는 전방에 대해서만 지정하지만 F/B 의 경우에는 후방에 대해서도 지정 할 수 있다.

※ 단, 실제 각도는 안테나가 X, Y, Z 중 어느 축과 방향을 기준으로 모델링 되었느냐에 따라 다를 수 있다. 

 

※ 상기에서 지정된 각도를 포함한  "각도 범위" 를 지정하고 싶다면 아래와 같이 설정한다. 

 

Resolution 이 0 이면 Theta 와 Phi 로 지정된 각도에 대해서만 이득을 계산한다.(계산상 d-Thet, d-Phi 가 0 이라도 무시될 것이다) 

 

Resolution 이 0 이 아니면 아래의 d-Thet, d-Phi(Delta Theta, Delta Phi) 범위를 Resolution 단위로 평균화 한다.

즉, Theta - d-Thet 부터 Theta + d-Thet 까지 Resoultion 각도 단위로 평균한다. 같은 식으로 Phi 에도 적용된다.

각 평균 과정에서 반복 시뮬레이션 되어야 하므로 Resoultion 을 낮추거나 Delta 값을 키우면 느려진다. 

 

※ Gain F/B  F/R  에서 이득(게인) 기준으로 사용되는 값들은 아래와 같다.

 

Vert-gain : 수직 이득,  만약 프로그램의 Settings 에서 Circulra-Polar(원평광) 이 지정되면 RCP(우회전파 RHCP)  

Hor-gain : 수평 이득,  만약 프로그램의 Settings 에서 Circulra-Polar(원평광) 이 지정되면 LCP(좌회전파 LHCP) 

Tot-gain : 수직+수평 모두 포함

E-Theta : E (전기장) 필드 Theta 이득(수직편파에 해당) 

E-Phi : E (전기장) 필드 Phi 이득(수평편파에 해당)

 

※ Surf-wave at distance (표면파 거리, 또는 ground wave 지상파 거리)

기본적으로 NEC 는 공간파와 지상 반사파만 원거리장(Far-field) 계산에 사용하지만 이 기능을 선택하면 표면파(surface wave) 도 포함한다.  이 기능을 사용하려면 계산에 필요한 최대 높이와 거리를 설정해야 하는데 여기서는 거리만 설정한다. (보통 1km 지정). 이 기능에 대한 상세 설명이 없으므로 추정하건데, RP 명령과 관련이 있어 보인다.(공간파에 지상파 포함)

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3.  VHF 야기 안테나 최적화 

 

야기 안테나의 반사기 길이를 F/B 기준으로 최적화 하는 예시이다 (즉, 전방으로 최대이고 후방으로 최소인  값을 찾는다)

 

아래는 최적화에 사용될 수평 3소자 야기 안테나이다.

CM VHF 3 ELE Yagi DS1ORJ.

CM REF : Reflector (position 0)
CM POS1: Position 1 
CM RAD : Radiator
CM POS2: Position 2
CM DIR : Director
CM DIA : Element diameter
CE

SY	REF=1.049
SY	POS1=0.480
SY	RAD=0.981
SY	POS2=0.850
SY	DIR=0.889
SY	DIA=0.0032/2
SY	high=2

GW	1	5	0	0	high	REF	0	high	DIA
GW	2	21	0	POS1	high	RAD	POS1	high	DIA
GW	3	5	0	POS2	high	DIR	POS2	high	DIA
GE	

EK
LD	5	0	0	0	3.7665E7
EX	0	2	11	0	1	0	0	0
FR	0	1	0	0	145	1
EN

 

최적화전 이득 7.32 dBi

 

아래 그림처럼 반사기 REF=1.049(아래는 최적화가 끝난 관계로 1.0383 이다) 를 선택한다.

그리고 오른쪽에 F/B(전후방비) 를 100 으로 지정하고 Start 를 누르면 최적화가 시작된다.

 

최적화 후 길이가 REF 가 1.049 에서 1.0383 으로 바뀌고 게인은 7.32 -> 7.43 으로 오른 것을 볼 수 있다.

SWR 값은 1.032 에서 1.0431 로 조금 오른다.

 

 

"Update NEC-file" 을 눌러서 파일 저장하고 다시 불러온다. 

이번엔 방사기 RAD=0.981(아래는 최적화가 끝나서 0.9796 이다) 를 선택하고 SWR 을 최적화 한다.

 

최적화가 끝나면 Update NEC-file 로 저장한다. 

※ 참고로 여기서는 F/B 와 SWR 을 나눠서 진행했지만, 동시에 여러가지 조건을 주고 진행 할 수도 있다.

 

최종적으로 나온 결과를 보면 SWR 1.02 , 이득 dBi 7.43 이다. ( 초기값 SWR 1.03  dBi 7.32 )

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상기에서 설명한대로 안테나 시뮬레이션 툴을 사용하면 수십번(혹은 수백번) 이상의 반복 작업을 한번의 클릭으로 끝낼 수 있다.  이  "최적화 기능" 하나만으로도 4NEC2 가 충분히 가치가 있음을 알 수 있다.