Antenna Design

Lab 05 - Coupling Between Two Half-wave Dipoles

I. Simulation (70 points)

Make the antenna structure

Dipole #1:

Antenna type: A center-fed dipole with a circular cylindrical conductor

Design frequency: f ₀= (1000 + PIN/10) MHz

실습조교 PIN = 0000

Dipole end-to-end length: L = 0.47 λ

Dipole diameter: d = L/15

Dipole feed gap at the dipole center: g = d

Frequency of analysis: Centered at f₀

Dipole axis: In z direction

Dipole material: PEC

Source: Discrete port (source impedance = 50 ohms)

Frequency range: 0.5f₀ to 1.5f₀

Dipole #2: Same as Dipole #1

Dipole arrangement: d_x = 1 wavelength at f₀, d_y = 0

1. Plot the antenna structure in 3D.

2. Plot the reflection coefficient |S11|, |S12|, |S21|, |S22| (dB) of the antenna on a same graph from 0.5f₀ to 1.5 f₀.

3. Plot R11, R21, R12, R22 of the antenan on a same graph from 0.5f₀ to 1.5 f₀.

4. Find R11, R21 at f₀ using markers to read values.

5. Plot X11, X21, X12, X22 of the antenna on a same graph from 0.5f₀ to 1.5 f₀.

6. Find X11, X21 at f₀ using markers to read values.

II. Discussions (30 points)

1. |S11|, |S12|, |S21|, |S22| (dB) 그래프에서 |S12| = |S21|이 최대가 되는 주파수와 최소가 되는 주파수가 일치하는 지 확인하라.

2. Find the input impedance of the Dipole #1 using

Z_1,in = V₁/ I₁ = Z₁₁ - (Z₁₂)² / (Z₂₂ + Z₂^g)

Z₂^g = 50 W

3. Find the antenna power transfer ratio at f₀ using

G_T = |S₂₁|²

|S₂₁| (dB) = 20 log₁₀ |S₂₁|

4. 두 안테나가 서로 원거리에 있을 때 다음과 같은 Friis 전송방정식을 사용하여 안테나간의 전달전력을 구할 수 있다. 다음 식을 사용하여 안테나 간의 전력전달계수를 구하고 3에서의 값과 비교하라.

G_T = P₂ / P₁ = (λ / 4πR)² G₁G₂

R : 안테나간 거리

G_T (dB) = 10 log₁₀G_T

G₁ = D₁ (1 - |S₁₁|²) : 안테나 1의 이득

G₂ = D₂ (1 - |S₂₂|²) : 안테나 2의 이득

D₁, D₂ : 두 안테나의 지향도

D₁ = D₂ = 1.6 (half-wave dipole gain)

Sample Lab Report

I. Simulation (70 points)

1. Plot the antenna structure in 3D.

2. Plot the reflection coefficient |S11|, |S12|, |S21|, |S22| (dB) of the antenna on a same graph from 0.5f₀ to 1.5 f₀

3. Plot R11, R21, R12, R22 of the antenna on a same graph from 0.5f₀ to 1.5 f₀

4. Find R11, R21 at f₀ using markers to read values.

R11 = 95.1 W

R12 = 17.5 W

5. Plot X11, X21, X12, X22 of the antenna on a same graph from 0.5f₀ to 1.5 f₀.

6. Find X11, X21 at f₀ using markers to read values.

X11 = 49.1 W

X12 = 17.1 W

II. Discussions (30 points)

1. |S11|, |S12|, |S21|, |S22| (dB) 그래프에서 |S12| = |S21|이 최대가 되는 주파수와 최소가 되는 주파수가 일치하는 지 확인하라.

|S12|는 |S11|이 최소가 되는 주파수 부근에서 최대가 된다.

2. Find the input impedance of the Dipole #1 using

Z_1,in = V₁/ I₁ = Z₁₁ - (Z₁₂)² / (Z₂₂ + Z₂^g)

Z₂^g = 50 W

R11 = R22 = 95.1 W

R12 = R21 = 17.5 W

X11 = X22 = 49.1 W
X12 = X21 = 17.1 W

Z1,in = (R11 + j X11) - (R12 + j X12)² / (R22 + j X22 + Z2g)

= (95.1 + j 49.1) - (17.5 + j 17.1)² / (95.1 + j 49.1 + 50) = 93.7 + j 45.4 W

3. Find the antenna power transfer ratio at f₀

G_T = |S₂₁| (dB) = -19.5 dB at 1 GHz

4. 안테나 간의 전력전달계수

R = 1 λ

D₁ = D₂ = 1.6

|S₁₁| = |S₂₂| = -7.5 dB = 10⁽^-^7.5/20) = 0.421

G₁ = G₂ = 1.6 (1 - 0.421²) = 1.31

G_T = (λ / 4πR)² G₁G₂ = (1 / 4π)²×1.31×1.31 = 0.0109

G_T (dB) = 10 log₁₀G_T = 10 log₁₀ 0.0109 = -19.6 dB

3의 값과 잘 일치한다.

CST Studio Simulation 방법

I. Simulation (70 points)

Make the antenna structure

Dipole #1:

Antenna type: A center-fed dipole with a circular cylindrical conductor

Design frequency: f ₀= (1000 + PIN/1000) MHz=1GHz

실습조교 PIN = 0000

Dipole end-to-end length: L = 0.47 λ=141mm

Dipole diameter: d = L/15=9.4 mm

Dipole feed gap at the dipole center: g = d=9.4mm

Frequency of analysis: Centered at f₀

Dipole axis: In z direction

Dipole material: PEC

Source: Discrete port (source impedance = 50 ohms)

Frequency range: 0.5f₀ to 1.5f₀

ㅇ 다이폴 #1 치수 계산

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

Dipole axis: In y direction

PIN = 0000

f ₀= (1000 + PIN/1000) MHz = 1GHz

λ = 300/1 = 300 mm

L = 0.1 λ = 0.47*300 = 141 mm

d = L/15 = 9.4 mm

g = d= 9.4mm

ㅇ 프로젝트 template 생성

ㅇ 다이폴 #1 구조 그리기: 다이폴 원통 전체를 만든 후, 급전 간극 (feed gap)을 제거한다.

a) Modeling, Cylinder 아이콘 선택, ESC 키, Name: solid1, Orientation: Y

b) Feed gap 생성

Modeling, Cylinder 아이콘 선택, ESC 키, Name: solid1, Orientation: Z

Shape intersection: Cut away highlighted shape

ㅇ 다이폴 #2 구조 그리기: 다이폴 #1을 복사한다.

Dipole #2: Same as Dipole #1

Dipole arrangement: d_x = 1 wavelength at f₀, d_y = 0

d_x = λ = 300/1 = 300 mm

a) Select the dipole1

b) Choose the Modeling, Transform

X: 300

Y: 0

ㅇ 다이폴 급전 포트 설정

Modeling, Pick Points, Pick Face Center, gap 한면에 마우스 위치후 더블클릭

Pick Points, Pick Face Center, gap 한면에 마우스 위치후 더블클릭

Simulation, Discrete Port

키보드 A를 누르고 중앙 선택

- 아래와 같이 점이 생성됨

- 위와 같은 방식으로 반대쪽에도 점 생성

- [Simulation]-[Discrete Port] Click

- 아래와 같은 창이 생성됨

- OK Click

- 반대쪽도 똑같이 생성해주면 된다.

- 유의할 점은 포트의 방향은 같아야 한다는 것.

ㅇ 시뮬레이션 설정

주파수 설정:

Simulation, Frequency, Min. frequency: 0.5, Max. frequency: 1

필드 모니터 설정:

Simulation, Field Monitor, E-field, Frequency, Frequency:1, Apply

Simulation, Field Monitor, H-field and Surface current, Frequency, Frequency:1, Apply

Simulation, Field Monitor, Far field/RCS, Frequency, Frequency:1, Apply

1. Plot the antenna structure in 3D.

2. Plot the reflection coefficient |S11|, |S12|, |S21|, |S22| (dB) of the antenna on a same graph from 0.5f₀ to 1.5 f₀

Navigation Tree, 1D Results, S-Parameters

RESULT TOOLS - 1D Plot, dB

S1,1과 S2,2는 동일하므로 겹쳐서 그려짐.

S1,2와 S2,1은 동일하므로 겹쳐서 그려짐.

3. Plot R11, R21, R12, R22 of the antenna on a same graph from 0.5f₀ to 1.5 f₀

Navigation Tree, 1D Results, Z-Parameters,

Select All

1D Plot, Real

4. Find R11, R21 at f₀ using markers to read values.

- 마우스 우클릭, [Add Curve Marker]

- 이후 원하는 선에 더블 클릭해주면 마커가 생성됨

- 마커를 더블 클릭하면 원하는 주파수 선택가능

R11 = 95.1 W

R12 = 17.5 W

5. Plot X11, X21, X12, X22 of the antenna on a same graph from 0.5f₀ to 1.5 f₀.

Navigation Tree, 1D Results, Z-Parameters,

Select All

1D Plot, Imaginary

6. Find X11, X21 at f₀ using markers to read values.

X11 = 49.1 W

X12 = 17.1 W