4NEC2, EZNEC 등이 무료이므로 이 프로그램들이 별거 아니라고 생각 할 수 있지만, 이런 도구 없이 안테나의 작동을 이해한다는 것은 넌센스다. (전파를 볼 수 있는 눈의 소유자가 아닌 이상)
아래는 2m 직경의 마그네틱 루프 안테나의 시뮬레이션 모습이다. (시뮬레이션 작동 주파수는 7MHz 이다)
※ 마그네틱 루프 안테나는 인터넷에 많은 자료가 있으므로 제작이나 원리에 대해 따로 설명하지 않는다.
시뮬레이션 코드는 4nec2 와 함께 배포된 Magnetic.nec (HFshort 폴더) 라는 파일이며 본문 맨 아래에 첨부된다.
이 안테나의 방사패턴은 원 중앙에서 널 포인트(방사 최소) 이고 바깥쪽(측면) 으로 최대 방사한다.
이 사실을 여러 곳에서 설명하고 있지만 아래 시뮬레이션에서 눈으로 확인 할 수 있다.
엘레먼트의 전류 분포를 보면 급전부(하단의 작은 원)는 매우 낮지만 안테나 자체(외부 원)는 매우 높은 전류가 흐르고 있음을 알 수 있다. (이 시뮬레이션은 100W 출력을 사용한다.)
최대값이 73A 이상이므로 이 안테나의 제작에는 두껍고 저항이 낮은 파이프가 요구된다. (주로 동파이프)
이 안테나의 급전 방식은 여러가지가 있지만 가장 일반적인 방식이 상기와 비슷한 마그네틱 커플링이다.
아래 부터는 안테나 주변의 근거리장 분석이다.
10cm 거리에서 H 필드(자기장-전류) 를 보면 아래와 같다.
5cm 거리에서 H 필드(자기장-전류) 를 보면 아래와 같다.
바깥쪽 엘레먼트 주변에 매우 강한 H 필드 방사를 볼 수 있다.
급전부의 커플링 루프는 방사에 거의 기여하지 않는다.
H 필드 분포를 3차원 높이로 보면 아래와 같다.
상당히 고른 분포.
아래는 E 필드(전기장-전압) 의 분포이다.
최대 4만V 까지 나타내는데 이것은 안테나를 구성하는 부품의 저항이 고려되지 않았으므로 사실상 무한대의 Q 이므로 가능한 값이다. 실제 안테나에서는 Q 가 낮아지므로 수Kv 부근 또는 그 이상이다.(이것을 계산해주는 프로그램들이 있다. 본문 끝에 설명)
아래 부분에 고전압이 형성되는 이유는 이 모델에서 공진 캐패시터가 아래 위치하고 있기 때문인데 급전부에 고전압 지점이 위치하는 것은 좋지 않으므로 대부분 캐패시터를 루프 위에 배치하고 하단에는 급전부를 배치한다.
3 차원 높이로 보면 캐패시터가 위치한 고전압 지점에서 E 필드 방사가 최대로 된다.
이 안테나를 만들어 보고 싶다면
1. Q 를 높이기 위해 저항이 최소인 엘레먼트 재질이 필요하다. (주로 동파이프)
2. 마찬가지로 Q 를 높이기 위해 RF 저항이 낮고 Q 가 높은 캐패시터(주로 진공 캐패시터)가 필요하다.
3. 크기 및 재질에 따른 대략적인 이득과 손실 등은 온라인 계산기(VK3CPU) 를 제공하는 아래 사이트를 참고한다.
https://miguelvaca.github.io/vk3cpu/magloop.html
VK3CPU Magnetic Loop Antenna Calculator
2D Chart Canvas
miguelvaca.github.io
아래 예시는 약 1.25 미터 지름에 10mm 파이프(구리나 알루미늄이나 큰 차이는 없음)로 구성한 경우인데
이 값으로 21MHz 에서 방사 효율은 90% 에 육박한다. 그러나 주파수가 낮아지면 효율이 극단적으로 하락한다. (지름을 키워야 한다)
7MHz 에서 비슷한 효율을 얻으려면 지름을 4미터 가까이 늘려야 하고 약 85% 부근의 효율을 보인다.
루프의 지름이 너무 커지면 마그네틱 루프로 작동하지 않는다. (원의 테두리 길이가 1/4 파장 부근이 한계)
아래는 NEC 코드이다.
CM Data for main loop:
CM Length L in mtr. = 0
CM Radius R1 in cm. = 100
CM Radius R2 in cm. = 100
CM Number of turns = 1
CM Segments per turn = 18
CM Rotate X, Y, Z = 90, 0, 0
CM Move X, Y, Z = 0, 0, 0
'
CM data for feed-loop:
CM Length L in mtr. = 0
CM Radius R1 in cm. = 20
CM Radius R2 in cm. = 20
CM Number of turns = 1
CM Segments per turn = 18
CM Rotate X, Y, Z = 90, 0, 0
CM Move X, Y, Z = 0, 0, dlt
CE
'
GW 1 1 1.0 .0 .0 .939693 .0 -.34202 .001
GW 2 1 .939693 .0 -.34202 .766044 .0 -.642788 .001
GW 3 1 .766044 .0 -.642788 .5 .0 -.866025 .001
GW 4 1 .5 .0 -.866025 .173648 .0 -.984808 .001
GW 5 1 .173648 .0 -.984808 -.173648 .0 -.984808 .001
GW 6 1 -.173648 .0 -.984808 -.5 .0 -.866025 .001
GW 7 1 -.5 .0 -.866025 -.766044 .0 -.642788 .001
GW 8 1 -.766044 .0 -.642788 -.939693 .0 -.34202 .001
GW 9 1 -.939693 .0 -.34202 -1.0 .0 .0 .001
GW 10 1 -1.0 .0 .0 -.939693 .0 .34202 .001
GW 11 1 -.939693 .0 .34202 -.766044 .0 .642788 .001
GW 12 1 -.766044 .0 .642788 -.5 .0 .866025 .001
GW 13 1 -.5 .0 .866025 -.173648 .0 .984808 .001
GW 14 1 -.173648 .0 .984808 .173648 .0 .984808 .001
GW 15 1 .173648 .0 .984808 .5 .0 .866025 .001
GW 16 1 .5 .0 .866025 .766044 .0 .642788 .001
GW 17 1 .766044 .0 .642788 .939693 .0 .34202 .001
GW 18 1 .939693 .0 .34202 1.0 .0 .0 .001
'
SY dlt = -.75 ' center feed loop .75 meter below center of main loop
GW 21 1 .2 .0 dlt+.0 .187939 .0 dlt-.068404 .001
GW 22 1 .187939 .0 dlt-.068404 .153209 .0 dlt-.128558 .001
GW 23 1 .153209 .0 dlt-.128558 .1 .0 dlt-.173205 .001
GW 24 1 .1 .0 dlt-.173205 .03473 .0 dlt-.196962 .001
GW 25 1 .03473 .0 dlt-.196962 -.03473 .0 dlt-.196962 .001
GW 26 1 -.03473 .0 dlt-.196962 -.1 .0 dlt-.173205 .001
GW 27 1 -.1 .0 dlt-.173205 -.153209 .0 dlt-.128558 .001
GW 28 1 -.153209 .0 dlt-.128558 -.187939 .0 dlt-.068404 .001
GW 29 1 -.187939 .0 dlt-.068404 -.2 .0 dlt+.0 .001
GW 30 1 -.2 .0 dlt+.0 -.187939 .0 dlt+.068404 .001
GW 31 1 -.187939 .0 dlt+.068404 -.153209 .0 dlt+.128558 .001
GW 32 1 -.153209 .0 dlt+.128558 -.1 .0 dlt+.173205 .001
GW 33 1 -.1 .0 dlt+.173205 -.03473 .0 dlt+.196962 .001
GW 34 1 -.03473 .0 dlt+.196962 .03473 .0 dlt+.196962 .001
GW 35 1 .03473 .0 dlt+.196962 .1 .0 dlt+.173205 .001
GW 36 1 .1 .0 dlt+.173205 .153209 .0 dlt+.128558 .001
GW 37 1 .153209 .0 dlt+.128558 .187939 .0 dlt+.068404 .001
GW 38 1 .187939 .0 dlt+.068404 .2 .0 dlt+.0 .001
GE 0
EX 0 25 1 00 1 0 ' Voltage source
SY cap=57.1 pf
LD 0 5 1 1 0 0 cap ' Capacitor 200 pF
FR 0 1 1 1 7.05 0 ' Frequency