NEC2를 사용한 5요소 2m 야기 시뮬레이션

자르기 전에 시뮬레이션을 해야 하는 이유

야기용 알루미늄 튜브 커팅은 저렴합니다.잘못 절단해서 게인이 예상보다 1.5dB 부족하다는 것을 발견하고 전체를 재조립하는 것은 비용이 많이 들고 성가신 일입니다.EME (Earth-Moon-Earth Moonbounce) 를 하든 대류권 스캐터를 하든, 144MHz에서 약한 신호를 내는 작업의 경우 게인이 1dB 오차가 난다고 해서 학문적으로 문제가 되지는 않습니다.EME 경로 손실이 약 252dB에 달할 때는 모든 dB 하나하나가 중요합니다.노이즈 플로어에서 느낄 수 있습니다.

NEC2 (수치 전자기학 코드) 는 현재 약 40년 동안 와이어-안테나 시뮬레이터의 기준 역할을 해왔습니다.이 기술은 와이어 구조의 전류 분포에 대한 MoM (Method of Moments) 적분 방정식을 풀어 원거리 패턴, 게인, 전후방 비율 및 피드포인트 임피던스를 몇 초 만에 알아냅니다.안테나 심 도구 를 사용하면 NEC2를 브라우저에 바로 사용할 수 있습니다. 리눅스를 설치할 필요도, 고대 포트란을 컴파일할 필요도 없습니다.

디자인: 145MHz의 5-엘리먼트 야기

왜 원소가 3개가 아니라 5개일까요?2미터 길이의 3엘리먼트 야기는 일반적으로 약 7.5-8dB의 게인을 제공하며, 앞면과 뒷면의 비율은 20-22dB 정도입니다.로컬 SSB 작업에는 괜찮지만 붐 하나로 모든 dB를 짜야 하는 EME에서는 충분하지 않습니다.백 로브의 지면 소음이 시스템 소음 온도를 직접 높여 약한 신호를 들을 수 없기 때문에 전후방 비율도 중요합니다.

잘 최적화된 5-엘리먼트 설계의 경우 F/B가 26—28dB일 때 약 10dB의 게인이 발생합니다.이는 3요소 버전에 비해 2dB 이상 크게 개선된 것으로, 수신 시 전송 전력이 두 배 이상 증가하는 것과 같습니다.단일 Yagi 스테이션의 경우 그 차이는 엄청납니다.

시뮬레이션 입력

초기 모델을 위해 NEC2에 제공하는 내용은 다음과 같습니다.

엘리먼트 길이는 일반적인 야기 패턴을 따릅니다. 리플렉터는 가장 길고, 드리븐 엘리먼트는 약간 짧으며, 디렉터는 앞으로 갈수록 길이가 점점 줄어듭니다.직경 12mm는 일반적인 알루미늄 튜브 크기입니다. 쉽게 구할 수 있고, 2.3m의 붐을 견딜 수 있을 만큼 견고하며, 풍하중을 걱정할 필요가 없을 만큼 두껍습니다.

실제 지면 시뮬레이션을 위해 일반적인 토양을 모델링하는 지면 매개변수를 추가합니다.

이러한 지면 파라미터는 평균적인 토양을 나타내며, 최악의 경우도 아니고 최상의 경우도 아닙니다.해안 근처의 모래 토양에 있으면 전도도가 낮아질 수 있습니다.점토를 사용하는 경우 점토가 더 높을 수 있습니다.하지만 0.005 S/m은 대부분의 지역에서 적당한 중간 수준입니다.

여유 공간 결과

여유 공간에서 안테나를 먼저 가동하면 수치를 망가뜨리는 접지 효과 없이 깨끗한 기준선을 얻을 수 있습니다.NEC2는 다음과 같은 결과를 반환합니다.

47+ j3Ω의 피드포인트 임피던스는 기본적으로 직접 50Ω 동축 피드에 완벽하므로 매칭 네트워크가 필요 없고 발룬 손실에 대해 걱정할 필요가 없습니다.접힌 다이폴은 기생 부하 구동 소자의 낮은 방사 저항을 동축 임피던스 범위까지 자연스럽게 변환합니다.이것이 우리가 Yagis에 단순 쌍극자 대신 접힌 쌍극자를 사용하는 주된 이유 중 하나입니다.

여유 공간 게인은 붐 길이의 함수로 나타낸 야기 게인의 근사 공식을 따릅니다.

145MHz에서$L_\text{boom} = 2.3\,\text{m}$및$\lambda = 2.07\,\text{m}$을 사용하면$G \approx 10 \log_{10}(8.56) \approx 9.3\,\text{dBd}$이 나옵니다.이는 대략적인 추정치입니다.10.1dBd라는 NEC2 결과는 요소 간격과 길이를 더욱 정밀하게 최적화한 결과입니다. 이 공식에는 디렉터 간격을 사용하여 수행할 수 있는 미세 조정이 포함되지 않습니다.

빔폭 수치를 보면 안테나의 포인팅 정확도가 얼마나 좋은지 알 수 있습니다.38° E-플레인 빔폭은 3dB 아래로 내려가기 전에 약 ±19°의 기울기가 발생한다는 의미입니다.달을 추적하는 EME 작업의 경우 크기가 작지만 괜찮은 로테이터를 사용하면 관리가 용이합니다.어쨌든 대부분의 운영자는 신호를 수동으로 피킹하게 되죠.

리얼그라운드 vs 프리스페이스: 더 서프라이즈

이제 흥미로워지는 부분이 바로 여기입니다.시뮬레이션을 σ=0.005 S/m, εr = 13, 높이 6m (약 2.9) 의 안테나를 실제 지상으로 전환하면 그림이 크게 바뀝니다.

지면 반사는 낮은 고도각에서 약 3dB의 게인을 추가하는데, 이는 트로포스캐터와 EME 경로에 정확히 필요한 것입니다.중위도에서 접근할 수 있는 경우 일반적으로 달의 고도는 5~30°이므로 12°의 피크 게인 각도가 최적의 위치에 있습니다.이 그라운드 게인은 기본적으로 무료입니다. 안테나를 지상의 적절한 높이에 설치하기만 하면 얻을 수 있습니다.실제 지상에서 수평 안테나를 모델링할 때 수직면에 여러 개의 로브가 생기는 것과 같은 효과입니다.

실제 지면의 경우 F/B가 감소하는 이유는 백로브 지면 반사가 0을 부분적으로 채우기 때문입니다.전후방 간의 여유 공간 대비 손실은 약 7dB이지만, 대부분의 응용 분야에서는 19.8dB가 여전히 허용 가능한 수준 이상입니다.피드포인트 임피던스가 약간 변하기 때문에 몇 옴의 리액턴스를 받을 수 있지만 여전히 1. 15:1 VSWR 미만이므로 무시할 수 있는 수준입니다.

EME 사업자의 경우 12° 고도에서 유효 시스템 게인은 여유 공간인 10.1dBd가 아니라 13.4dBd라는 뜻입니다.이 3.3dB 차이로 인해 링크 마진 계산이 근본적으로 달라집니다.대부분의 사람들은 EME 스테이션을 계획할 때 이 사실을 잊어버리고 왜 계산이 현실과 일치하지 않는지 궁금해합니다.실제 피크 게인을 기반으로 하는 EIRP와 함께 RF 링크 예산 계산기 를 사용하여 전체 EME 경로 예산을 계산하십시오. 그렇지 않으면 성능이 저하됩니다.

이 높이의 3-El 대 5-El 비교

동일한 NEC2 설정 (1.0m 붐, 동일한 12mm 소자 직경) 에서 3-엘리먼트 버전을 실행하면 직접 비교할 수 있습니다.

5개 요소의 실제 경로 게인은 2.5dB이고 전후방 비율은 6dB만큼 유리합니다.EME를 시도하는 단일 Yagi 스테이션의 경우 5-엘리먼트를 사용하는 것이 가장 합리적인 선택입니다.대부분의 전문 EME 오퍼레이터는 이 중 4개 이상을 쌓아 어레이 게인을 6dB 더 늘리지만, 5엘리먼트 Yagi를 하나만 사용해도 괜찮은 프리앰프와 저소음 동축 케이블로 달에서 울려 퍼지는 소리를 직접 들을 수 있습니다.

붐 길이가 1.3m나 더 늘어난다는 것은 2.5dB에 지불하기에는 저렴한 가격입니다.기계적으로 보면 두 안테나 모두 풍하중은 비슷합니다. 붐 무게는 올라가지만 소자 수는 두 개만 늘어납니다.3-엘리먼트를 장착할 수 있다면 5-엘리먼트를 장착할 수 있습니다.

실용 빌드 노트: 시뮬레이션 표면

요소에서 붐까지의 단열재가 중요합니다. NEC2는 요소를 공간에 떠 있는 연속 와이어로 모델링합니다.알루미늄 요소를 전도성 알루미늄 붐에 직접 장착하는 경우 요소 중간점이 붐으로 짧아지고 어레이의 튜닝이 완전히 줄어듭니다.게인이 손실되고 피드포인트 임피던스가 이동하며 패턴이 왜곡됩니다.붐의 각 요소를 플라스틱 블록으로 절연시키거나 붐용 비전도성 유리 섬유 튜브를 사용하십시오. 시뮬레이션에서는 후자를 가정합니다.대부분의 건축업자들은 유리섬유를 사용합니다. 섬유유리는 여러 단열 하드웨어보다 단순하고 내후성이 뛰어나기 때문입니다. 구동 엘리먼트 클리어런스. 접힌 다이폴은 피드 갭 주위에 약 15mm의 클리어런스가 필요합니다.금속 마운팅 하드웨어로 가득 채우거나 동축 쉴드가 피드포인트에 너무 가까이 있는 엘리먼트에 닿게 하면 임피던스가 이동합니다.NEC2 모델은 얇은 와이어 근사치를 사용하며, 실제 요소 직경 효과는 세그먼트 직경 비율로 처리됩니다.모델에서 세그먼트 길이 대 직경 비율을 4:1 이상으로 유지하십시오. 이를 위반할 경우 시뮬레이션 도구에서 경고를 표시하지만 수동으로 확인하는 것이 좋습니다.

피드포인트의 내후성 시뮬레이션은 이상적인 조건에서 피드에서 47Ω을 제공합니다.실제로, 피드포인트에 5~10mm의 수분 침투로도 2~5Ω의 저항 손실이 추가될 수 있습니다.시뮬레이션에서는 보이지 않지만 겨울철 F/B 성능 저하에서는 매우 두드러집니다.동축 커넥터나 접힌 쌍극자 피드포인트 주변에 물이 들어가면 성능이 저하됩니다.자체 융합 테이프로 제대로 밀봉하고 열을 수축시키거나 적절한 내후성 인클로저를 사용하십시오.이는 대부분의 사람들이 왜 안테나가 9월에 비해 잘 작동하지 않는지 알아내려고 할 때 건너뛰고 나중에 후회하는 부분 중 하나입니다. 붐이 처지고 소자가 처집니다. 2.3m 붐은 자체 무게와 부품 무게로 인해 처질 수 있습니다. 특히 알루미늄을 사용하는 경우 더욱 그렇습니다.시뮬레이션에서는 완벽하게 직선인 요소가 완벽하게 정렬되어 있다고 가정합니다.실제로 몇 밀리미터의 붐 처짐이나 엘리먼트 드롭으로 성능이 저하되지는 않지만, 10~20mm 정도면 패턴이 바뀌고 게인이 감소하기 시작합니다.충분히 단단한 붐을 사용하거나 트러스를 추가하여 모든 것이 똑바로 유지되도록 하세요.

먼저 시뮬레이션하고 두 번째로 시뮬레이션하세요.안테나 심 툴 을 사용하면 게인, 패턴, 임피던스, 고도 플롯과 같은 전체 NEC2 결과를 1분 이내에 확인할 수 있습니다.이는 잘못 절단된 붐이나 생각했던 곳에서 공명하지 않는 소자 세트보다 훨씬 저렴합니다.요소 길이를 조정하고, 간격을 조정하고, 효과를 즉시 확인할 수 있습니다.시뮬레이션에서 게인 및 임피던스 목표에 맞는 설계를 만든 다음에는 금속을 절단합니다.

NEC2로 야기 시뮬레이션