Lab-03-Theory - Antenna E-field, H-field, Surface Current and Far Field Patterns

I. 요약

- 안테나 주변의 전기장 분포, 자기장 분포 계산 및 결과 확인

- 안테나 금속표면의 전류밀도 분표 계산 및 결과 확인

- 안네나의 원거리 지향도(directivity)/이득(gain) 계산 및 결과확인

- 다이폴 안테나를 이용하여 CST Studio 사용법 학습

II. 이론

1. Antenna's E-field, H-field, Surface Current Plot

ㅇ 안테나의 동작원리 이해: 특히 안테나 표면의 전류밀도를 관측함으로써 복잡한 구조의 안테나 동작원리를 이해할 수 있다.

ㅇ 안테나가 예상대로 동작하는 지 확인: 도체가 연결되지 않고 미세한 gap이 있는지 안테나 표면 전류밀도로 확인 가능

ㅇ 안테나에서 방사되는 전기장/자기장의 공간상 분포 확인: 어느 방향으로 전력이 방사되는지 확인 가능

그림: 반파장 다이폴 안테나의 전기장 세기 분포

그림: 스트립선로 단면 상에서의 전기장 벡터 분포

그림: 마이크로스트립 선로 단면상에서의 자기력선 분포

2. 도체면 상의 전기장, 자기장, 전류밀도의 거동

ㅇ 안테나 상의 전기장/자기장 분포를 이해하려면 도체면 상에서 전기장/자기장의 경계조건을 알아야 한다.

ㅇ 완전도체면 상의 경계조건: Boundary conditions on PEC (perfect electric conductor) surfac

- 완전도체: 전도도가 무한히 큰 물체

- 전기장 벡터는 도체면 상에서 수직방향이며 그 크기는 표면전하밀도에 비례

: 도체면 상에서 전기장 벡터의 도체면 접선방향 성분은 0

: 도체면 상에서 전기장 벡터의 도체면 수직방향 성분은 전하밀도를 유전율로 나눈 값과 동일

- 자기장 벡터는 도체면 상에서 수평방향이며 그 크기는 표면전류밀도와 동일. 자기장벡터의 방향과 전류의 방향은 오른손 법칙 적용 (엄지: 전류방향, 나머지 손가락: 자기장 방향)

: 도체면 상에서 자기장 벡터의 도체면 수직방향 성분은 0

: 도체면 상에서 자기장 벡터와 전류밀도와의 관계 (오른손 법칙)

ㅇ 완전도체 내부에서의 전기장과 자기장은 0

3. Antenna's Far Field Patterns (원거리 방사패턴)

ㅇ 안테나 원거리 방사패턴 표현 시 구좌표계 이용

ㅇ 구좌표계

: 전기장을 직각좌표계로 표현한 경우

: 전기장을 구좌표계로 표현한 경우

ㅇ 안테나 종류에 관계없이 안테나로부터 멀리 떨어진 위치에서는 전기장과 자기장의 theta 성분과 phi 성분만 존재.

: 전기장과 자기장의 r 방향 성분은 0

ㅇ 전기장과 자기장의 비율은 매질(공기)의 고유임피던스와 동일

: 전기장 크기와 자기장 크기의 비

ㅇ 전기장, 자기장, 전파의 진행방향은 서로 수직

: r 방향

ㅇ 안테나 원거리 패턴의 종류

- Directivity pattern: 지향도 패턴, 안테나의 beam sharpness 그래프. 안테나 손실(효율)에 무관

- Gain (IEEE) pattern: 지향도에 안테나 내부물질에 의한 손실율 (무손실 1, 전손실 0)을 곱한 값. 지향도보다 작거나 같다.

- Realized gain: 지향도에 안테나 내부물질에 의한 손실율, 임피던스 부정합 손실율 (1−|S11|^2)을 곱한 값. 지향도보다 작거나 같다.

- E-plane pattern: 전계면 패턴, 전기장에 평행면에서의 패턴, 도선이 z-축 방향인 다이폴의 경우 z축을 포함하는 평면 (phi = 일정인 평면). 수직방향 다이폴 안테나의 수직면

- H-plane pattern: 자계면 패턴, 전기장에 평행면에서의 패턴, 도선이 z-축 방향인 다이폴의 경우 z축을 포함하는 평면 (phi = 일정인 평면). 수직방향 다이폴의 경우 수평면

- Gabs pattern: , 총전기장(전기장의 theta 성분과 phi 성분의 벡터합)을 기준으로 한 이득

- Gtheta pattern: , 전기장의 theta 성분을 기준으로 한 이득

- Gphi pattern: , 전기장의 phi 성분을 기준으로 한 이득

- 원거리 패턴 표현방식: Polar, Cartesian, 2D, 3D

Polar: 원형 극좌표 그래프

Cartesian: 직각 그래프

2D: 평면 color coded graph

3D: 삼차원 color coded graph

그림: Far-field pattern in a polar form

그림: Far-field pattern in a Cartesian form

그림: 2D far-field pattern

그림: 3D far-field pattern