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Lab-11 Yagi Antenna

I. 이론

1. Yagi Antenna Fundamentals

ㅇ 야기 안테나 기초

- 1926년 동경제국대학의 Shintaro Uda 교수에 의해 발명되고 Yagi에 의해 영문으로 발표됨.

- 반파장 다이폴 뒤에 반사기(reflector), 앞에 다수의 도파기(director)를 설치하여 이득 증가

- 급전된 반파장 다이폴 주변에 급전되지 않은 반파장 다이폴을 기생소자(parasitic elements)를

설치하여 이득을 증가

- 기생소자: 직접 급전되지 않고 입사된 전자파(급전된 다이폴에 의한)에 의해 기생소자 전류가

유기되며 이 전류가 방사

ㅇ 야기 안테나 구조

- 반사기(reflector) + 급전기(feeder, exciter, driver) + 지향기(director)

그림: 야기 안테나 구조

- 반사기: 1개 도선(길이 약 0.48파장) 또는 코너 반사기(wire 길이 0.6파장) 형태

- 급전기: 반파장 다이폴길이 약 0.46 파장, folded dipole (종이 클립형 다이폴), bowtie 안테나 사

용. 반사기와 지향기의 영향으로 혼자 동작할 때에 비해 공진저항이 감소한다.

- 지향기: 갯수에 따라 이득 증가. 갯수가 증가함에 따라 이득 포화, 길이 약 0.40 파장

- 반사기와 급전기 간격: 약 0.20 파장

- 급전기와 지향기 간격: 0.075-0.40 파장 (설계에 따라 다름). 균일 간격 또는 비균일 간격 적용

- 지지대(boom)의 영향: 내구성을 위해 금속 사용, 지지대 사용여부에 따라 소자길이 조정, 지

지대가 있을 때 반사기와 지향기 크기 증가

- 소자와 지지대의 절연: 비절연, 절연 모두 가능

- 소자 직경: 기계적 강도를 고려하여 설정. 소자 직경에 따라 소자 길이가 약간 달라진다.

ㅇ 기생소자

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- 지향기와 반사기처럼 직접 급전되지 않고 급전기와의 상호결합(mutual coupling)에 의해 전류

가 유도되는 소자를 기생소자(parasitic element)라 한다.

- 기생소자의 용도

이득 증대: 야기 안테나의 경우처럼 소자 간격과 소자 길이를 조정하여 급전소자의 전류와

기생소자의 전류의 방사가 합해져서 이득 증대

대역폭 증대: 급전소자 가까이 기생소자를 배치하여 급전소자의 동작 대역폭 증대. 보통 1-3

개 또는 2개의 기생소자 사용하며 기생소자가 급전소자와는 다른 주파수에 공진하게 대역폭

을 증가시킨다.

[1] V. Iyer et al., "Increasing the impedance bandwidth of dipole with monopole antennas with parasitic elements," EuCAP, 2016.

Figure: 16-element Yagi antenna with 15.5-dBi gain [Cisco]

2. 동작원리

1) 급전기+지향기 구조

급전기 전류: 01 1 jI e

지향기 전류: 1 0.5 jkdI e

- 앞쪽으로는 동일 위상으로 이득 증가

(0) 1 0.5 1.5 , | (0) | 1.5jkd jkd jkdE e e e E

- 뒤쪽으로는 역 위상으로 이득 감소

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2( ) 1 0.5 1 0.5 0.5 if 24

j kdE e kd d

- 임의 각도에서 전기장:

cos| ( ) | |1 0.5 |jkd jkdE e e

그림: 급전기와 지향기에 의한 패턴 형성

그림: 급전기와 지향기에 의한 방사패턴. 급전기 길이 0.47λ, 지향기 길이 0.42λ, 급전기-지향기

간격 0.20λ, 도선 직경 0.0085λ. 다이폴 단독 지향도 2.15dBi 가 5.5dBi 로 증가된다.

- 아래 그림과 같이 지향기와 급전기와의 간격과 지향기의 길이를 적절히 하면 지향기 전류의

위상을 필요한 값이 되게 할 수 있다.

- 위에서 설명한 이론에 의하면 급전기와 지향기 사이의 간격을 1/4 파장으로 하고 지향기

전류 위상이 급전기 전류 위상보다 90º 작게 하면 된다.

- 아래 그림에서 급전기와 지향기 간격이 0.2λ일 때 지향기 길이기 0.40λ이면 지향기의 위상이

급전기의 위상보다 약 60 도 작게 된다.

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그림: 급전 다이폴과 평행한 기생 다이폴의 길이와 간격에 따른 기생 다이폴 전류 위상

2) 반사기+급전기 구조

반사기 전류: 1 0.5 jkdI e



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(0) 0.5 1 1.5, | (0) | 1.5jkd jkdE e e E


2( ) 0.5 (0.5 1) 0.5 if 24

jkd jkd jkd j kd jkdE e e e e e kd d


cos| ( ) | |1 0.5 |jkd jkdE e e

그림: 급전기와 지향기에 의한 방사패턴. 급전기 길이 0.47λ, 반사기 길이 0.482λ, 급전기-반사기

간격 0.20λ, 도선 직경 0.0085λ. 다이폴 단독 지향도 2.15dBi 가 6.4dBi 로 증가된다.

ㅇ 반사기+급전기+지향기 구조

그림: 반사기, 급전기, 지향기로 구성된 야기 안테나

반사기 전류: 1 0.5 jkdI e


지향기 전류: 1 0.5 jkdI e

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(0) 0.5 1 0.5 2, | (0) | 2jkd jkd jkd jkdE e e e e E


2( ) 0.5 1 0.5 0 if 24

jkd jkd j kdE e e e kd d


cos cos| ( ) | |0.5 1 0.5 |jkd jkd jkd jkdE e e e e

그림: 반사기+급전기+지향기 구조의 방사패턴. 급전기 길이 0.47λ, 반사기 길이 0.482λ, 지향기

길이 0.442λ 도선간 간격 0.20λ, 도선 직경 0.0085λ. 다이폴 단독 지향도 2.15dBi 가 9.6dBi 로

증가된다.

II. 야기 안테나 설계

1) 야기 안테나 설계방법

ㅇ 인터넷 온라인 설계 프로그램 사용:

K7MEM: http://www.k7mem.com/Electronic_Notebook/antennas/yagi_vhf.html

ㅇ 인터넷에서 무료 설계 프로그램을 구해서 사용:

Yagi Calculator v.2.6.10 by John Drew (VK5DJ), http://www.vk5dj.com/yagi.html

ㅇ 문헌 상의 설계 그래프와 표 사용

ㅇ 다른 사람의 설계 값 사용: 주파수 변경 → 치수를 주파수에 반비례하여 변경

ㅇ 최적화 설계: 기본 설계 = 기본형, 최적화 설계 = 주어진 길이의 야기 안테나에서 최적화

알고리즘을 적용하여 소자간격과 소자길이를 모두 다르게 조정. 기본형보다 이득 1-3dB

증대

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ㅇ 소자수에 따른 이득

그림: 도선간격이 0.15λ 로 균일할 경우 야기 안테나 소자 수에 따른 이득[Green]

ㅇ VK5DJ 야기 설계 프로그램에 의한 지향기 개수에 따른 이득: 반사기 1 개, 급전기 1 개,

지향기 가변

Number of elements 3 4 5 6 10 14 18 22 24 32 42

Gain(dBi) 6.9 8.6 9.9 11.0 13.9 15.7 16.9 17.9 18.2 19.4 20.4

E-plane BW(deg) 37 30.5 24

H-plane BW(deg) 41 33 24.5

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표: 야기 안테나 설계치수[Viezbicke], 금속 지지대(boom)이 없는 경우.

ㅇ 최적화 설계 사레

- NEC2 와이어 안테나 해석 프로그램과 C++로 작성한 최적화 프로그램 연동

- 15 소자 야기 안테나 이득 최적화 결과: G. Sachdeva, "IRBBO for gain maximization of fiftteen-

element Yagi-Uda antenn," Int Jour Comp Appl, 68(9), 2013.

소자직경: 0.0068 파장, 급전기 길이대 직경 = 70; 1 번=지향기, 2 번=급전기, 3 번-15 번=급전기,

파장으로 표현한 소자길이와 소자간격

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- 설계 1: 이득 18.4dBi

Number 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Length 0.4840 0.4647 0.4458 0.4294 0.4172 0.4126 0.4065 0.4051 0.3995 0.3998 0.4008 0.3963 0.4008 0.4032 0.4127

Spacing - 0.2818 0.1856 0.3512 0.4541 0.4135 0.4611 0.4377 0.4973 0.4573 0.4411 0.4677 0.4693 0.4535 0.4245

- 설계 2: 이득 18.3dBi

Number 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Length 0.4855 0.4557 0.4399 0.4311 0.4259 0.4215 0.4043 0.4054 0.4033 0.4094 0.4028 0.4074 0.3936 0.3955 0.4142

Spacing - 0.2397 0.2810 0.3688 0.3881 0.3873 0.4850 0.4712 0.4845 0.4144 0.4614 0.4580 0.5157 0.4537 0.4317

- 설계 3: 이득 13.8dBi

S. Singh, "Yagi-Uda antenna design optimization for maximum gain using different BBO migration variants," Int Jour Comp Appl, 58(5), 2012.

Number 1 2 3 4 5 6

Length 0.4832 0.4794 0.4410 0.4273 0.4205 0.4294

Spacing - 0.2011 0.2347 0.3741 0.4205 0.3824

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II. Experiment

1. Driver element design

Make a dipole and find its resonant frequency.

No PEC ground plane

Dipole center at (x, y, z) = (0, 0, 0mm)

Dipole arm in z direction.

Dipole length = one arm's end-to-the other arm's end = L = 142mm

Dipole feed gap = g = 2mm

Dipole wire cross section: square, W x W = 2 x 2 mm

Find the far-field pattern at the resonant frequency.

Report:

1) 3D perspective view of the antenna structure

2) Plot R11 and X11 on a same graph.

3) Find the resonant frequency fr.

4) Plot |S11|(dB) Cartesian.

5) Gabs(realized) 3D perspective view at the resonant frequency.

2. 2-element (reflector + driver) Yagi antenna design

Antenna geometry:

Dipole arm: z-directed

Frequency = fr obtained in 1.

Driver element at (x, y, z) = (0, 0, 0)

Reflector wire cross section: square, W x W = 2 x 2 mm

Choose the driver-reflector spacing.

Adjust the reflector length for a maximum gain.

Report:

1) 3D perspective view of the antenna structure. Use 'Array Wizard' in CST Studio to construct the array

structure.



3. 2-element (driver + director) Yagi antenna design

Antenna geometry:

Dipole arm: z-directed

Frequency = fr obtained in 1.

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Driver element at (x, y, z) = (0, 0, 0)

Director wire cross section: square, W x W = 2 x 2 mm

Choose the driver-director spacing.

Adjust the director length for a maximum gain.

Report:


structure.



4. 3-element (reflector + driver + director) Yagi antenna design

Combine 3 and 4 to obtain a 3-element Yagi antenna.

Report:


structure.



6. 16-element (a reflector + a driver + 14 directors)

Add 13 directors to obtain a 16-element Yagi antenna.


structure.



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III. 야기 안테나 사례

그림: Astron 220-6 6 소자 야기 안테나. 215-225MHz 9dBi

그림: RFI YB815 700-850MHz 15dBi. 급전기로 루프 안테나 사용

그림: 17개의 지향기, 4개 와이어 코너 반사기를 이용한 야기 안테나

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그림: 광대역 급전기와 지향기를 사용한 야기 안테나. Xtreme Signal HDB91X, 450-900MHz, 13.5-

23dBi, F/B 21-27.5dB, V60º H60º, 51 x 222 x 52cm

그림: 광대역 야기 안테나. MaxMost Moxa OnCell 5004 5104 HSPA 800-1900MHz, 18dBi

그림: 이중대역 야기 안테나. Cushcraft A270-10S, VHF 144-148MHz, UHF 430-450MHz, 10dBd

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그림: HF 대역 3소자 야기 안테나 Antenna Amplifiers PA14-3-6, 14-14.35MHz, 7.2dBi (free space),

11.7dBi (20m above ground)

그림: 다중 대역 야기 SP7GXP의 7중대역 야기 안테나. 7, 10, 14, 18, 21, 24, 28MHz; 14-28MHz

3소자, 7-10MHz 2소자, 이득: 3.9dBd @ 7MHz, 4.1dBd @ 10MHz, 8.0-8.5dBd @ 14-28MHz

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