이 안테나의 정식 명칭은 Coaxial Collinear 라고 하고 줄여서(속칭) COCO ( COaxial COllinear ) 라고도 한다.
인터넷에는 이론상으로는 완벽하지만 실제로는 기대 만큼 작동하지 않는 것들이 대부분이므로 최소한의 시뮬레이션 데이터를 통해 어떻게 작동하는지 분석해본다.
이 안테나는 아래와 같은 형식으로 만들어진다.
https://discussions.flightaware.com/t/coco-coaxial-collinear-antenna-tips-tricks/69144/4
Coco (Coaxial Collinear) Antenna - Tips & Tricks
Some of the Large number of Flavours of Coco Found on the Web This drawing does not cover all configurations of Coco available on web/ youtube. Lot of configurations on web / youtube do NOT use sleeve balun at feed point of Coco. I have made this drawing i
discussions.flightaware.com
정말 쉬워 보인다.
코리니어 안테나가 제 성능을 내려면 각 단이 "동일한 위상" 으로 급전 되어야 한다.
전통적으로는 아래와 같이 페이즈 스텁(또는 코일)을 이용하여 위상을 정렬하는 방식을 주로 사용한다.
아래 보는 바와 같이 반대 위상은 분기 도체 를 통해 우회하고 동위상에서만 방사하도록 한다.
결과는 이득의 상승.
동축 구조를 사용하여 이 효과를 달성하려면 1/2 파장 길이(위상이 반전되는 지점)마다 중심도체와 외부도체를 교차시키면 이론상 작동한다. 그러나 동축 케이블의 표면과 내부는 전파의 진행속도가 서로 다르기 때문에 동축 케이블을 사용하면 동위상 급전이 제대로 되지 않는다. 즉, 내부도체는 단축률(Velocity Factor) 의 영향을 받으므로 진행이 느려지지만 바깥(실드)쪽은 내부 도체 만큼 영향을 받지 않으므로 내부와 외부가 바뀔 때마다 위상차가 발생하며 완벽한 동위상 급전이 되지 않는다.
이 문제에 대한 것은 이미 존경하는 VK1OD Owen Duffy 오엠이 시뮬레이션과 함께 기술하였다.
https://owenduffy.net/blog/?p=5053
Yet another dodgy coax collinear II – owenduffy.net
At Yet another dodgy coax collinear I wrote about a design published recently in QST. More recently, a ‘design’ has emerged in eHam forums that appears to be identical. These antennas are intended to be some number of close spaced co-phased half waves
owenduffy.net
https://owenduffy.net/antenna/scc/index.htm
Silicon Chip Collinear
Silicon Chip Collinear *** DRAFT *** (Tester 2013) described a coaxial collinear array for VHF/UHF. Tester describes the antenna a collinear is a vertical antenna whose resonant elements are connected along a common line (ie co-linear) so that each element
owenduffy.net
개인적으로 급전선 외피에 일정 유전율을 가하여 VF 를 중심도체와 비슷하게 만들면 가능하지 않을까 생각했는데 이미 비슷한 아이디어를 누군가 제공한거 같다. owen duffy 의견에 따르면 외부도체에 동일한 단축률을 제공하는 것은 가능하지만 실현하기는 어렵다.
https://owenduffy.net/blog/?p=16560
Coaxial Collinear – dielectric loading the outer conductor – owenduffy.net
Recent discussion with a correspondent about the design issue of the so-called Co-Co collinears, vertical collinears made with alternating sections of common coax ranged onto the conflict between the phase velocity of the wave on the inside of the coax and
owenduffy.net
이 안테나가 완벽하게 작동하기 위한 조건은 아래와 같다.
1. 내 외부가 동일한 단축률을 갖는 VF 가 1.0 동축 케이블 (이론상 가능)
2. 완벽한 밸런스 급전 (이 안테나는 밸런스 안테나로 작동한다, 레디얼을 사용할 수 없으므로 바룬이 필요함. )
3. 임피던스 매칭
아래부터는 시뮬레이션 데이터를 본다.
1. RG-6 8 단 동축 코리니어 시뮬레이션
인터넷 포럼에 시뮬레이션 데이터가 올려 있는 것을 발견했으므로 어떻게 작동하는지 직접 실행 해본다.
※ 참고로 이 안테나는 ADS-B (항공기 정보) 수신용으로 디자인된 것이다.
CoCo Antenna - 2, 4, 6, 8 & 12 Elements - Simulation Results - Flightradar24 Forum
Alternative receivers, antennas, amplifiers, connectors, adapters and general technical matters. No Flightradar24 issues.
forum.flightradar24.com
4NEC2 5.9.3 과 신버전의 NEC 엔진을 사용한다.
아래처럼 이득은 그럭저럭 나오는 것 같다.
아래는 위상 분포, 정렬이 되지 않고 엉망인 모습.
예상대로 대부분 동위상 급전이 안되고 있기 때문에 8 단이나 쌓았는데도 이득이 8dBi 정도 나온다.
이 길이는 VHF 2 미터 기준으로 8미터(실제로는 단축율로 짧아진다)에 가까운 길이이다.
방사효율이 102.4% 를 넘어갔으므로 AGT (Average Gain Test 평균이득테스트, 영점을 잡아야 할 때 사용한다) 를 수행한다. AGT 를 수행해서 이득이 더 나오면(1.0 기준값), 시뮬레이션 이득에서 빼야한다.(최소한의 보상)
AGT 를 반영하면 7.48 dBi 의 이득이 나온다. (다이아몬드 3단 GP 안테나의 VHF 이득이 8.3 dBi 이고 길이가 5.2 미터 이다. 그래도 좋은 소식은 안테나가 작동 한다. )
2. VHF 4 단 수직 코리니어 GP 시뮬레이션 (동축 케이블이 아님, 코일 사용)
아래는 개인적으로 모델링한 VHF 2M 용 수직 코리니어 (4단) 이다.
위상 반전은 코일을 사용한다.
AGT 테스트에서 -0.3 dB 가 나왔으므로 7.75 dBi 의 이득을 갖을 것으로 예상한다.
4 단 이지만 상기 8 단과 비교했을 때 이득차이가 별로 없다.
아래 보는 바와 같이 위상은 비교적 잘 정렬된다. (실제로는 약간 회전한다)
3. 동축 케이블 VF 1.0 코리니어 4 단 시뮬레이션
유천체를 전혀 사용하지 않는 VF 1.0 동축 구조를 가상으로 만들고 시뮬레이션 했으나 결과적으로 0.9 정도의 단축률이 발생했다. 이 정도는 파이프를 이용하여 실제로 "구성" 가능하다.
AGT 테스트에서 +0.35 가 나왔으므로 시뮬레이션상 실제 이득은 6.07 dBi 를 예상한다.
맨아래 엘레먼트에서 다소 심한 위상변화가 있지만 전반적으로 양호하다.
전술한대로 실제 설계값은 1GHz 였지만 공기임에도 불구하고 약 0.9 부근의 단축률이 발생하였다.
외부 직경은 10mm 길이는 150mm 이다. (실제로 케이블 사용하지 않고 동파이프 등으로 이 방식의 안테나를 만들기도 한다)
VHF 2 미터 밴드용으로 만들면 0.9 x 4 소자로 약 3.6 미터가 될 것으로 예상한다.
3. VF 0.7 동축 코리니어 4 단 시뮬레이션
위와 완전히 동일한 치수와 구조에서 중심도체 단축률(유전율)을 약 0.7 (VF 속도계수 0.7) 로 지정한 것이다.
최대 이득 주파수는 약 710MHz 까지 내려간다. 물리적 길이는 그대로이지만 주파수가 내려갔으므로 이득의 감소는 예상할만 하지만 패턴의 예리함 역시 사라진다. 최종 이득은 1 dB 가까이 하락한다.
아래는 VF 0.9 와 VF 0.7 의 비교이다.
AGT 는 0.57 dB 가 나왔으므 5.64 - 0.57 로 이득은 약 5.07 dBi 이다.
VHF 2 미터 밴드용으로 만들면 0.7 x 4 소자로 약 2.8 미터가 될 것으로 예상한다.
전류 분포를 보면 (물론 이것은 시뮬레이션에 의존한 해석이다) 대부분 중심도체에 전류분포가 몰려 있는 것으로 보이는데 아마도 외부 도체가 여러개의 도선으로 구성되어 전류가 분산되므로 발생한 착시인 것으로 보인다.
여기까지 정리하자면..
1. COCO 안테나가 비슷한 단수의 수직 안테나 (예를 들면 3단 GP 같은)와 같은 이득을 낼 것이라고 생각하면 오산이다.
2. 급전부에 바룬을 사용하지 않으면 제 성능을 낼 수 없다.
3. 급전부에 임피던스 매칭 회로가 필요할 것이다.
4. 동축 케이블의 특성 임피던스는 중요치 않으며 Vf 가 주요 변수이다.
5. 가능한 VF 가 높은 저손실 케이블을 사용한다. (VF 0.67 RG-58 의 경우 비추천)
6. 단수를 늘려도 기대하는 만큼 이득을 얻기는 힘들지만 어쨌건 이득은 있다.
자유공간 시뮬레이션 각각의 이득
동축 8단 RG-6 7.48 dBi
동축 4단 VF 0.9 6.07 dBi
동축 4단 VF 0.7 5.07 dBi
GP 안테나 약 2 dBi
상업용 3단 GP 안테나 8.3 dBi
2단 수직 코리니어(코일 사용) 4.9 dBi - 동축 4단 VF 0.7 과 비슷
4단 수직 코리니어(코일 사용) 7.75 dBi - 동축 8단 RG-6 와 비슷.
※ 도체 및 유전체 손실은 고려되지 않았으며 단축율만 고려된 수치.