안테나설계 실습 - 모노폴 안테나(Monopole Antenna)

I. 이론

ㅇ 모노폴: 안테나 소형화를 위해 다이폴의 길이를 절반으로 줄이고 접지면을 사용

ㅇ 지면, 장비/휴대폰의 금속 케이스/기판이 접지면 역할

1. 모노폴의 구조

ㅇ 모노폴(monopole) 구조: 아래 그림과 같이 길이 L/2 동작 주파수에서 1/4 파장에 가까운 가는 도선을 완전도체(PEC) 접지판에 수직으로 설치하고 간극(gap) g/2 사이에 전원 인가

L/2 = 모노폴 도선 길이, d = 모노폴 도선 직경, g/2 = 모노폴과 접지판 간극

D = 접지판 직경, t = 접지판 두께

그림: 모노폴 구조

2. 동작원리

ㅇ 모노폴과 접지면 사이에 전원 인가: 모노폴 = 양극, 접지면 = 음극

ㅇ 모노폴과 접지면에 전류가 흐름 → 전자파 방사

그림: 모노폴의 동작원리

3. 이론

1) 영상이론(image theory)

그림: 영상이론

- 접지면(지면) 위에서 동작하는 안테나에 적용되는 이론

- 무한히 큰 완전도체 접지평면 위의 전류: 영상이론을 적용하여 무한접지면을 제거하고 원전류와 영상전류(image current)에 의한 방사를 분석

접지면 위의 전자기장: 원래의 전자기장과 동일

접지면 아래의 전자기장: 0 (무한접지면에 의해 전자기장의 완전히 차폐됨)

2) 모노폴과 다이폴과의 관계

- 입력 임피던스: 모노폴 입력 임피던스 = 다이폴 임피던스의 절반

(증명) 모노폴의 경우 절반의 전압을 인가하여 동일한 전류를 흐르게 할 수 있다.

그림: 모노폴과 다이폴의 임피던스 관계

- 모노폴의 지향도(이득): 다이폴 지향도(이득)의 2배

(증명) 모노폴의 경우 하부 반구 공간으로 전자파가 방사되지 않는다.

(a) 왼쪽: 다이폴 방사패턴, 오른쪽: 모노폴 방사패턴

(b) 왼쪽: 다이폴 지향도, 오른쪽: 모노폴 지향도

그림: 다이폴과 모노폴의 방사패턴과 지향도. (a) 방사패턴, (b) 지향도

4. 모노폴의 종류 및 응용

4.1 Monpole with radial ground

- 접지용 도체 평판을 도선으로 대체

- 적게는 3-4개(HF, VHF 대역), 많게는 30-120개(VLF, LF 대역) 사용

그림: Radial (4선, 3선, 길이 0.25파장) 동축선 급전 VHF 대역 모노폴

그림: AM 방송 송신 안테나. 지면에 radial ground 매설. 0.53-1.6MHz, 50-1500kW

4.2 Whip antenna

- 모노폴 높이를 감소시키기 위해 도선을 용수철 모양으로 감은 안테나

- 수직모드 헬리컬 안테나(normal mode helical antenna)라고도 함.

(a) (b)

그림: 휩안테나. (a) 315/433MHz 근거리 통신용, (b) 46/49MHz 무선전화기용

4.3 Top-loaded monopole

- 상부에 wire 또는 plate를 연결(top loading)하여 안테나의 유효 높이 증대

- Top-loading 구조: plate (disc), umbrella, T, L

- LF 대역(30-300kHz) 대역 모노폴: 지면 위에 radial 접지 사용

그림: 모노폴 top-loading 방식[Volakis]

- T-antenna

- 상부에 T형으로 loading하여 안테나의 유효 높이 증가

- VLF, LF, MF 대역에서 사용

그림: T-antenna [Balanis]

ㅇ Foled monopole

그림: Folded-monopole [Gandhi]

ㅇ Shunt-fed grounded monopole

그림: 병렬급전 접지 모노폴

4.4 역 L형 안테나(inverted-L antenna)

- 모노폴의 높이를 감소시키기 위해 도선 중간을 90º 꺽은 안테나

그림: 역 L형 안테나

4.5 역 F형 안테나(inverted-F antenna)

- 역 L형 안테나를 소형화하고 임피던스 정합을 위한 단락 stub 적용

(a) (b)

(c) (d) (e)

그림: 역 F형 안테나. (a) 도선형, (b) 평판형(PIFA), (c) Meander 형, (d) 핸드셋용 Plate 형, (e) Ceramic 칩 안테나

II. 연습문제

1. 수직 다이폴을 이용하여 영상이론을 설명하라.

2. 수평 다이폴을 이용하여 영상이론을 설명하라.

3. 1/2-파장 다이폴과 1/4-파장 모노폴에 대해

1) 구조와 급전점 도시

2) 입력 임피던스 비교

3) 지향도 비교

4. 무한 평면 접지면 위에서 동작하는 모노폴 안테나와 유한 평면 접지면 위에서 동작하는 모노폴의 방사패턴을 비교하라.

5. 다음 안테나 형상을 도시하라.

1) Monopole with radial ground

2) T-antenna

3) Inverted-L antenna

4) Inverted-F antenna

5) Plate monopole

III. 실습

2.1 준비

1) 안테나 구조

그림 L4.20 (a) 수직 모노폴, (b) 역 L형 안테나, (c) 역 F형 안테나 실습 구조

(치수: d = 4mm, H = 30mm, L = 60mm, S = 4mm(가변), g = 1mm, Discrete port (= delta gap source) 전원 사용

2) 공진주파수 계산

- 다이폴 기준으로 길이 대 직경 비: 2×(30+60)/4 = 45

- 다이폴 공진길이는 아래 표로부터 0.475λ: 2×(30+60) = 0.475λ → λ = 379mm, f = 792MHz

표 L4.1 다이폴 공진길이 [Stutzman]

- 해석 주파수 결정: 400-1200MHz

2.2 시뮬레이션

1) 다이폴

그림 L4.20(a)의 수직 모노폴에 대응되는 다이폴을 그리고 시뮬레이션하라. 다이폴 중심축을 z 축에 일치

a) 안테나 형상

b) 반사계수 plot: Cartesian plot, 400-1200MHz, -30dB to 0dB

c) 중심주파수 = ( )MHz, 대역폭 = ( ) MHz

d) 입력 저항/리액턴스 plot

e) 공진주파수 = ( ) MHz, 공진시 저항 = ( )Ω

f) Gtheta 3D plot (공진 주파수에서)

g) max(Gtheta) = ( )dBi

h) Gphi 3D plot (공진 주파수에서)

i) max(Gphi) = ( )dBi

2) 수직 모노폴

그림 L4.20(a) 수직 모노폴에 대해 위 과정 반복

3) 역 L형 안테나

그림 L4.20(b) 역 L형 안테나에 대해 위 과정 반복

4) 역 F형 안테나

그림 L4.20(c) 역 F형 안테나에 대해 S = 2, 4, 8mm인 경우

a) 안테나 형상

b) 반사계수 plot: 동일 그래프에 Cartesian plot, 400-1200MHz, -30dB to 0dB

2.3 결과요약

Antenna f(MHz) for min (S11) Δf(MHz) for |S11| < -10dB max(Gabs)(dB) R_in(ohm) at resonance

Have-wave dipole

Quarter-wave monopole

Inverted-L antenna