실습-04 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

3) 접지면 크기에 따른 특성변화[Zivkov]

ㅇ 실제로 무한히 큰 접지면을 사용할 수 없다.

ㅇ 입력임피던스: 원형디스크 접지면 상의 1/4-파장 가는 모노폴

- 접지판 크기에 따라 입력 임피던가 변한다.

그림: 원형 디스크 접지판 면적에 따른 1/4-파장 모노폴 입력 임피던스 변화

ㅇ 방사패턴: 원형디스크 접지면 상의 1/4-파장 가는 모노폴

- 접지판이 매우 크더라도 접지판 아래 공간으로의 전자파 방사를 완전히 제거하기 어렵다.

- 이유: 접지판 모서리에서의 전자파 회절(diffraciton)

그림: 원형 디스크 접지판 반경 a에 따른 1/4-파장 모노폴 방사패턴 변화. (a) a = 1λ, (b) a = 2λ, (c) a = 6λ, (d) a = 10λ, (e) a = 20λ

4. 모노폴의 종류 및 응용

ㅇ 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

ㅇ 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

ㅇ 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]

(a)

(b)

(c)

그림: Umbrella top loading. (a) 개념도, (b) AM 방송 송신 안테나, (c) 100kHz LF 대역 Loran-C 송신 안테나

그림: MF 대역 AM 방송 송신안테나 시스템 [Trainotti]

- 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

ㅇ Yagi-Uda array of monopoles [Gandhi]

그림: 야기 모노폴 안테나[Ganhi]

ㅇ Wideband monople with parasitic elements

4) 역 L형 안테나(inverted-L antenna)

- 모노폴의 높이를 감소시키기 위해 도선 중간을 90º 꺽은 안테나

그림: 역 L형 안테나

5) 역 F형 안테나(inverted-F antenna)

- 역 L형 안테나를 소형화하고 임피던스 정합을 위한 단락 stub 적용

(a) (b) (c)

그림: 역 F형 안테나. (a) 기본형, (b) 나선형 MIMO 안테나, (c) USB 동글용 미앤더 형

그림: 차량탑재형 역 F형 안테나 ZCG CT400. L21cm W6cm H6cm, 400-420MHz, 2.1dBi, 1.5:1, 100W

6) 평판 모노폴(plate monopole)[Liang]

- 모노폴 wire를 평판으로 변형

- 광대역()에서 동작

- 수평 접지면: 접지면과 모노폴 평면이 수직. 동축선 급전

- 수직 접지면: 접지면과 모노폴 평면이 평행. Microstrip 또는 coplanar waveguide 급전

그림: 수평 접지면 평판 모노폴

그림: 수직 접지면 평판 모노폴

7) Blade antenna

- 평판 모노폴을 변형하여 높이 감소

- 유선형으로 하여 항공기 비행시 공기저항 감소

그림: 항공기용 블레이드 안테나

8) 3D monopole

- 모노폴 wire를 3차원 형상으로 변형

- 광대역 특성

- 상한 주파수에서 이득패턴의 회전대칭성 확보를 위해 3차원 구조 적용

(a) (b) (c) (d)

그림: 3차원 모노폴. (a) 구형, (b) 원뿔-원통형, (c) 물방울형, (d) 십자형

9) Low-profile wideband monopole

- 낮은 높이(low profile) 모노폴: 광대역 특성, 모노폴의 높이 감소

(a) Liu antenna, 425-615MHz, D=91mm/H=60mm (b) Elsherbini antenna, 0.9-6GHz, D=120mm, H=17.5mm

(c) Goubau antenna, 430-900MHz, D=123mm/H=43mm

(d) Nakano antenna, 1-15GHz, D=40mm/H=10mm (e) Best antenna, 0.55-1.27GHz, D=123mm/H=43mm

(f) Friedman antenna, 325-625MHz, , D=184mm/H=65mm

(g) Ravipati, 0.5-2.7GHz, D=123mm/H=43mm

그림: 높이가 작은 3차원 모노폴

ㅇ Conical monopole/Monocone antenna

그림: 2-14MHz HF대역 통신용 원뿔 모노폴[Ma & Spies(]. l = 30.6m, a = 0.001m, θ0 = 45º,

그림: 1.6-30MHz HF monocone antenna, ASC Signal Type 1794 Series GRANGER^TM. 2:1, 40kW-avg, 160kW-peak. Long-range communication via skywave. Short-range communication via groundwave. Low-angle radiation patterns

10) Discone 안테나: disc + cone

- Disc는 접지면 역할, cone은 모노폴 역할

- 크기가 큰 경우 (저주파용) 무게를 줄이기 위해 금속면을 wire로 대체

- LF 대역(3-30kHz) 대역에서는 지면에 설치

(a) Zhang, 3-10GHz (b) HYS Co., 0.1-1.1GHz, D=960mm/H=1230mm

(c) Satimo Co., 100-500MHz, D=750mm/H=700mm (d) Telewave Co., 118-2300MHz, D=724mm/H=1092mm

(e) AOR Co., 0.7-6GHz, D=133mm/H=232mm

그림: 디스콘 안테나

- VLF, LF 대역 송신 안테나: 장거리 지표면파 통신, 지상-선박/지상-잠수함 통신, Loran-C 항법

그림: VLF 송신 안테나

- 다이폴과 discone 안테나의 결합

(a) Apex Radio Co., 70-3000MHz, D=630mm/H=1040mm (b) Vimer Co., 25-3000MHz, D=840mm/H=1700mm

(c) Discone(10-30MHz) + cage dipole(3-12MHz) on the USS Iowa

그림: 디스콘과 다이폴이 결합된 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

1. 요약

ㅇ 무한접지면 + 수직 1/4 파장 모노폴

ㅇ 무한접지면 + 역 L형 안테나

ㅇ 무한접지면 + 역 F형 안테나

ㅇ 특성확인: 반사계수, 입력임피던스, 이득패턴, 편파특성

2. 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