실습-01 소형 다이폴(Short Dipole)

I. 소형 다이폴 구조

ㅇ 파장 λ에 비해 길이 L이 매우 작은 (0.1파장 이하) 금속도선 중간 갭에 시변 전압원(전류원)을 인가

ㅇ 다이폴은 가장 기본적인 안테나 구조

ㅇ 낮은 주파수(예: 1MHz)에서 파장에 비해 매우 작은(예: 1m) 도선의 중간에 신호를 인가하면 을 소형 다이폴로 동작

L : 다이폴 도선 길이

d : 다이폴 도선 직경

g : 다이폴 도선 중간 간극(gap)

(a) (b)

그림: 소형 다이폴. (a)구조 및 좌표계. 중간 gap에 전원(discrete port) 인가. (b) 전류분포

II. 소형 다이폴 동작원리

ㅇ 다이폴 중간 갭에 시변(예: 정현파) 전압원 또는 전류원을 인가하면 도선에 시변 전류가 흐르고 이로부터 주변으로 전파가 방사됨.

ㅇ 도선 상의 전류분포는 삼각형

ㅇ 원거리 영역에서의 전자기장: 각도에 따른 변화는 이다.

ㅇ 원거리(far field) 영역의 조건

r : 안테나 중심으로부터 관측점까지의 거리

λ : 파장

ㅇ 원거리 영역: 안테나로부터 충분히 떨어진 거리에서는 저장된 전자기장 에너지는 0이 되고 안테나로부터 방사되는 에너지가 주가 된다.

ㅇ 원거리 전기장 및 자기장

- 전기장:

- 자기장:

: 위상정수 = 전파상수

: 파장

: 다이폴 입력전류, 다이폴 길이

: 공기의 고유 임피던스

ㅇ 방사전력 밀도: 안테나로부터 공간으로 방사되는 전자파의 단위면적당 전력

ㅇ 입력 임피던스: 다이폴 단자에서의 전압을 전류로 나눈 값

: 입력 임피던스

: 방사저항

: 도선저항

: 표면저항

: 진공의 투자율

: 도선의 전도도

: 도선 간 커패시턴스에 의한 리액턴스 (근거리에 저장된 전기장 에너지)

d : 다이폴 도선의 직경

ㅇ 방사전력: 안테나로부터 방사된 총 전자파 전력. 방사전력 밀도를 원거리에서 구면을 따라 적분하여 구한다.

ㅇ 손실전력: 도선의 저항에 의해 발생

ㅇ 안테나 효율: 방사전력을 총 소모전력(=방사전력+손실전력)으로 나눈 값

ㅇ 방사패턴: 지향도 패턴, 이득 패턴, 정규화 패턴

- 각도에 따른 안테나의 방사특성 변화 도시

- 3차원, 2차원, 1차원 그래프로 표시

- 지향도: 모든 각도 방향으로 균일하게 방사하는 경우 대비 특정 방향으로 방사하는

전력밀도 비

- 이득: 지향도에 안테나 효율(총방사전력을 총 입력전력으로 나눈 값)을 곱한 값

- 전계면 패턴: 원거리 전기장이 이 면에 평행, z 방향 다이폴의 경우 z 축과 평행한 평면

(구좌표계에서: )

- 자계면 패턴: 원거리 자기장이 이 면에 평행. z 방향 다이폴의 경우 xy 평면

(구좌표계에서:

III. 소형 다이폴 실습

1. 형상 생성

CST Microwave Studio를 이용

도선의 축방향을 z축과 일치

도선길이 = 10cm, 도선직경 = 5mm, 도선 중간갭 = 5mm

도선 전도도 = 5.8 × 10⁷ S/m (구리)

전원 = discrete port (내부 임피던스 50Ω)

2. 시뮬레이션

3. 결과 확인

1) 안테나 구조

2) 반사계수 크기: 200-400MHz

반사계수: 안테나로부터 반사되는 전압 페이저를 입사되는 전압 페이저로 나눈 값. 복소수

3) 스미스도표: 200-400MHz

스미스 도표: 반사계수(입력 임피던스에 관계됨) 복소수 평면에 입력 임피던스를 도시한

그래프. 입력 임피던스 파악과 임피던스 정합에 편리하다.

4) 입력 임피던스: 300MHz

5) 3차원 방사패턴: 300MHz

a) Gabs

b) Gtheta

c) Gphi

6) Gtheta 1차원 방사패턴: 300MHz

a) 전계면 패턴(phi = 0º)

b) 자계면 패턴(theta = 90º)

IV. 고찰

실습한 안테나에 관하여

1) 원거리 영역이 시작되는 최소 거리를 구하라.

2) 고각 방향(theta 방향)으로 방사전력 밀도(전기장의 제곱에 비례)가 최대에서 1/2로 감소하는 양쪽의 각도(안테나 빔폭)은 몇 도인가?

3) 다이폴 입력 임피던스 시뮬레이션 값과 계산 값을 비교하라.

4) 다이폴의 효율을 계산하라.

5) 입력 임피던스 허수부(시뮬레이션 값)가 0이 되게 하기 위해 아래 그림과 같이 직렬로 연결할 인덕터의 인덕턴스 값을 구하라.

6) 이 경우 Q 값을 구하라. Q 값으로부터 아래 식을 이용하여 안테나의 대역폭을 구할 수 있다.