Flower Pot 화분 안테나 성능 시뮬레이션

화분 안테나의 제작은 아래 글에 설명되어 있다.

https://ds1orj.tistory.com/143

Flower Pot Antenna (화분 안테나) 제작

 

따라서 만든 경우가 많은거 같은데 원리나 동작에 대해서 제대로 설명된 글이 없으므로 여기서 기술한다.  

 

※ 이 글의 내용을 인용할 생각이라면 반드시 출처를 밝히기 바란다.  

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1.  1/2 파장 화분 안테나

 

먼저 이 안테나에 사용되는 초크가 과연 효과가 있는지 궁금할 수 있다. 

이 초크 코일은 LC 공진 회로를 형성한다. 

 

아래 자체 공진 코일 수식을 이용해서 계산한 결과를 보면 직경 23~26mm 사이로 9.1~7.5 턴을 붙여서 감으면 L 은 0.8uH 이고 분포용량 C 는 1.5pF 부근이다. 이 값은 대략 145MHz 부근에서 LC 공진을 하는 값이다. 

따라서 단순한 리액턴스 초크가 아니라 이전 글에서도 설명했다시피 트랩으로 작동한다.

이 때 저항은 이론상 무한대에 가깝다. (공식 상으로는 695~710 Kohm 사이)

공식대로만 작동한다면 CMC 는 효과적으로 차단된다. 

LC 공진에 실패할 경우 0.8uH  L 값으로 추정 가능한 리액턴스는 약 728 옴 이다.

CMC 차단에는 너무 낮은 값이고 , 비공진 초크로 작동시키려면 최소한 3000 옴 이상의 리액턴스가 필요하며 이 값은 145MHz 에서 3.3uH 부근이다.  코어가 25mm 직경일 경우 최소 20턴 이상 감아야 한다.

 

 

1/2 화분 안테나의 자유공간 시뮬레이션 이득은 2.41 dBi 이고 다이폴 같은 8자 지형성이다.

 

평균 지면 지상고 2 미터 상에서  80도 (지면에서 10도) 에서 3.73 dBi 이득이 나온다.

 

다이폴과 동일하게 3 차 고조파로 구동 시킬 수 있으므로 435MHz 로 구동시키면 아래와 같다.

SWR 은 2 부근에서 맞지만 거의 대부분 하늘로 쏘므로 실제 교신에는 그다지 효용성이 있지는 않다.

(이 글 마지막에 설명할 듀얼 밴드를 참고)

 

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2.  5/8 파장 화분 안테나

 

평균 지면 지상고 2미터,  방사각 50도 (지면에서 40도) 에서  이득은 5.57 dBi 이다.   분명히 1/2 파장 보다는 이득이 +2 dB 가까이 나오지만 방사각이 높아서 효용성이 떨어진다. 

 

혹시 기울이면 어떻게 될까. 

 

하늘방향을 0 도로 했을 때, 약 30 도를 기울이고 (20 에서는 거의 효과가 없고, 45 도가 넘어서면 이득이 크게 감소한다)

수직 이득과 수직 방사 패턴을 보면 아래와 같다.  

이 값은 3.86 으로 1/2 파장 안테나와 비슷한 이득이므로 5/8 라는 이점이 사라진다. 

 

중앙의 스텁은 임피던스 매칭 섹션으로 작동한다. 이것을 떼내면 패턴이 약간 변경되고 SWR 이 17 이상 상승하므로 사용 할 수 없다. 

 

435 MHz 에서는 SWR 이 7 이상 올라가고 하늘로 쏜다. 사용 불가.

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3. 1/2  파장 듀얼 밴드 화분 안테나

 

이 안테나를 맨 마지막으로 만들고 현재도 설치되어 있는데 의외로 쓸만했다. 

 

평균지면에서 2 미터 지상고,  80 도(지면에서 10도) 이득 3.82 dBi

오히려 1/2 버전보다 0.1 dBi 더 나오지만 이 정도 차이는 시뮬레이션 오차범위이다.

 

 

재밌는 것은  U 밴드의 성능인데 중간 슬리브가 생각보다 꽤 잘 작동하는 것으로 보인다. 

매우 낮게 깔리고(지면에서 5 도)  이득 또한 6.62 dBi 로 오히려 V 밴드보다 더 높다.

이 구조는 보통 sleeve 라고 부르는 것으로 이 안테나에서는 원통 형태를 사용하지만 단순히 와이어를 근접 배치하여 동일하게 작동 시킬수도 있다.(와이어를 사용할 경우 open sleeve 라고 한다.) 

오픈 슬리브 형태의 멀티밴드 구현 기술은 야기 안테나 또는 HF 안테나에서도 사용된다.

 

이 시뮬레이션에서도 아래와 같이 오픈 슬리브 형태로 구현되었다.  (아래는 구조와 전류분포)

길이는 이론상 1/2 파장 다이폴과 같을 것이지만 단독으로 구동되는 것이 아니고 주방사 엘레먼트와 결합하므로 상호 작용이 발생한다.  간격과 두께 등 설치 형상에 따라 필요한 길이가 변화(주방사 엘레먼트 및 슬리브 모두) 하므로 조정이 필요하다. 

 

아래는 자유공간에서의 방사패턴 이다.  슬리브로 인해 중앙으로 주 방사가 발생하는 것을 볼 수 있다.

물론 SWR 도 내려간다.

 

만약 슬리브를 제거하면 전형적인 3차 고조파 삼지창 모양의 방사 패턴이 발생한다. 

 

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여기까지 정리하자면.. 

 

1. 효용성 측면에서 볼 때 듀얼밴드 1/2 파장 화분 안테나가 제일 쓸만하다.

   (1/2 파장 안테나 중심에 슬리브만 추가하면 바로 듀얼밴드로 된다)

 

2. 5/8 파장은 이득이 있지만 방사각이 높으므로 낮은 지대에서 높은 곳으로 쏴야 할 때는 유리하지만 일반적으로는 불리할 것이다. (특히 SOTA 등의 높은 지대에서 사용시)