소형 루프 안테나 설계: 방사 저항, 게인 및 대역폭 설명

소형 루프 안테나를 자세히 살펴봐야 하는 이유

마그네틱 루프라고도 하는 소형 루프 안테나는 HF 안테나 설계에서 흥미로운 틈새 시장을 차지합니다.소형이고 실내 또는 제한된 공간에 장착할 수 있으며 신중하게 설계하면 놀라울 정도로 우수한 성능을 제공합니다.문제는 무엇일까요?방사 저항이 매우 낮기 때문에 도체 손실과 튜닝 대역폭이 중요한 설계 매개변수가 됩니다.

안테나 크기가 파장의 상당 부분을 차지하는 쌍극자 또는 1/4파 수직파장과는 달리 작은 루프의 둘레는 “MATHINLINE_13"보다 훨씬 큽니다.따라서 폐쇄형 방정식으로도 분석을 쉽게 처리할 수 있지만, 이는 밀리옴의 손실 저항도 중요하다는 의미이기도 합니다.이것이 바로 신뢰할 수 있는 계산기를 사용하는 것이 매우 중요한 이유입니다. [루프 안테나 계산기 열기] (https://rftools.io/calculators/antenna/loop-antenna/) 를 따라 해보세요.

계산기 뒤에 숨겨진 주요 방정식

“MATHINLINE_15"인 주파수에서 작동하는 원주 “MATHINLINE_14"의 원형 루프의 경우 복사 저항은 다음과 같이 계산됩니다.

“매스블록_0"

여기서 “MATHINLINE_16"은 지름이 “MATHINLINE_17"인 루프 영역이고 “MATHINLINE_18"은 자유 공간 파장입니다.이는 보통 다음과 같이 동일하게 쓰여집니다.

“매스블록_1”

네 번째 전력이 전기적 크기 “MATHINLINE_19"에 의존한다는 점에 주목하세요.고정 주파수에서 루프 직경을 두 배로 늘리면 방사선 저항이 16배 증가합니다.이것이 작은 루프가 비효율적인 근본적인 이유입니다. “MATHINLINE_20"은 루프가 파장에 비해 축소됨에 따라 급격히 떨어집니다.

손실 저항 “MATHINLINE_21"은 주로 도체의 옴 저항에서 비롯되며, 이는 표면 깊이 “MATHINLINE_22", 도체 둘레 및 도체 직경 “MATHINLINE_23"에 따라 달라집니다.

“매스블록_2"

여기서 “마틴라인_24"는 전도체 물질의 전도도입니다 (구리의 경우 “마틴라인_25" s/m).도체 직경이 클수록 “MATHINLINE_26"이 감소합니다. 이는 전류가 튜브 둘레를 중심으로 더 크고 깊이가 높은 “스트립”으로 흐르기 때문입니다.

등방성 라디에이터 대비 안테나 게인 (8자리 패턴의 소형 루프의 경우) 은 다음과 같습니다.

“매스블록_3"

또는 dBi 기준:

“매스블록_4"

1.5 (1.76dBi) 의 인수는 작은 루프의 지향성으로, 짧은 쌍극자와 동일합니다.“MATHINLINE_27"의 효율이 설계의 성패를 좌우합니다.

실제 사례: 14MHz의 1미터 루프

루프 직경이 1미터이고 도체 직경이 22mm인 20미터 대역 (14MHz) 용 구리 루프 안테나를 설계해 보겠습니다 (일반 구리 튜브).

1단계 — 파장 및 둘레:

“매스블록_5"

“매스블록_6"

전기적 크기는 “MATHINLINE_28"이며, 이는 “MATHINLINE_29"의 소형 루프 임계값보다 약간 낮지만 여전히 이러한 근사치가 합리적인 수준에 속합니다.

2단계 — 방사선 저항:

“매스블록_7"

9200밀리옴입니다. 작지만 희망이 없는 것은 아닙니다.

3단계 — 손실 저항:

14MHz에서의 구리 표면 깊이: “마틴라인_30".

“매스블록_8"

4단계 — 효율성 및 이득:

“매스블록_9"

“매스블록_10"

사실 소형 안테나로는 꽤 괜찮은 편입니다.22mm 구리 튜빙은 손실 저항을 “MATHINLINE_31"보다 훨씬 낮게 유지합니다.

5단계 — 대역폭:

튜닝된 소형 루프의 “MATHINLINE_32"dB 대역폭은 로드된 Q에 의해 제어됩니다. 높은 Q 진공 또는 공기 간격 커패시터의 경우 대역폭은 대략 다음과 같습니다.

“MATHBLOCK_11"

우리의 루프인 “MATHINLINE_33"의 경우 다음과 같은 결과를 제공합니다.

“매스블록_12"

이 좁은 대역폭은 마그네틱 루프의 특징입니다. 대역을 가로질러 약 10kHz 이상 이동할 때는 다시 조정해야 합니다.컴팩트한 크기에 비해 단점인 셈이죠.

염두에 두어야 할 디자인 트레이드오프

루프 직경 대 주파수: 동일한 1미터 루프를 사용하여 3.5MHz (80m) 까지 내려가면 “MATHINLINE_34"가 대략 “MATHINLINE_35"만큼 떨어집니다.루프를 크게 확장하지 않으면 효율성이 떨어집니다. 일반적으로 80m 작동 시 직경이 2~3미터입니다. 도체 직경은 매우 중요합니다. 22mm 튜빙에서 2mm 와이어로 전환하면 “MATHINLINE_36"이 약 두 배로 증가하여 “MATHINLINE_37"이 이미 미미한 수준인 하위 밴드에서 절삭 효율이 향상됩니다.항상 감당할 수 있는 가장 두꺼운 도체를 사용하십시오.

튜닝 커패시터 손실은 기본 모델에서는 캡처되지 않지만 실제로는 지배적일 수 있습니다.등가 직렬 저항 (ESR) 이 20밀리옴에 불과한 커패시터는 “MATHINLINE_38”에 큰 도움이 됩니다.바로 이러한 이유로 송신 루프에는 고전압 진공 가변 커패시터가 선호됩니다. 더 높은 주파수 (28MHz 이상) 에서는 동일한 1미터 루프가 전기적으로 커지며 (“MATHINLINE_39") 방사선 저항이 빠르게 증가합니다.전도체가 양호하면 효율이 90% 이상에 육박하므로 10미터에서는 소형 루프가 매우 실용적입니다.

HF 대역 간 비교

*직경 1m 루프, 22mm 구리 컨덕터에 대한 값*

표를 보면 알 수 있습니다. 1m 루프는 10m에서는 훌륭하고, 20m에서는 양호하고, 40m에서는 미미한 수준이며, 80m에서는 확장하지 않고는 사실상 사용할 수 없습니다.

시도해 보세요

자체 루프 크기와 목표 주파수를 연결하여 효율성 곡선의 어느 지점에 도달했는지 정확히 확인하세요.[루프 안테나 계산기] (https://rftools.io/calculators/antenna/loop-antenna/) 를 열고 다양한 도체 크기와 루프 직경을 실험해 보세요. 다음 마그네틱 루프 구축을 위한 크기 제약과 성능 사이의 최적의 지점을 찾는 가장 빠른 방법입니다.