Antenna Design

Lab 04 - Small Dipole Antenna

I. Simulation

Make the antenna structure

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

Design frequency: f ₀ = (300 + PIN/10000) MHz

실습조교 PIN = 0000

Dipole end-to-end length: L = 0.1 λ

Dipole diameter: d = L/20

Dipole feed gap at the dipole center: g = d

Frequency of analysis: Centered at f₀

Dipole axis: In z direction

Dipole material: Copper (conductivity = 5.8 × 10⁷ S/m)

Source: Discrete port

1. Plot the antenna structure in 3D.

2. Plot the reflection coefficient |S11| (dB) of the antenna.

3. Plot Z11 of the antenna on a Smith chart. Mark the impedance

4. Plot Z11 of the antenna on a Cartesian graph. Mark the impedance at f₀.

5. Plot 3D directivity patterns at f₀.

1) Dabs

2) Dtheta

3) Dphi

6. Plot polar directivity patterns at f₀.

1) Dabs in the E-plane. The electric field of the antenna is parallel to the E-plane. Mark the 3-dB beamwidth.

2) Dabs in the H-plane. The magnetic field of the antenna is parallel to the H-plane.

II. Discussions

1. Find the minimum distance from the antenna for the far field region.

R =

2. What is the 3-dB beamwidth of the antenna?

q_3dB =

3. Find the input impedance of the antenna at f₀ from the simulation result.

R = Re(Z11) =

X = Im(Z11) =

4. Find the input impedance of the antenna at f₀ from the theory.

R =

X =

5. Calculate the antenna efficiency from the theory.

e =

6. Find the series inductance value for cancelling the reactance of the antenna at f₀. Use the simulated reactance.

L =

7. Find the quality factor of the antenna at f₀ from the simulation result.

Q =

8. Find the impedance bandwidth of the antenna from the simulation result.

Δf =

Sample Lab Report

I. Simulation (60 points)

1. Plot the antenna structure in 3D.

2. Plot the reflection coefficient |S11| (dB) of the antenna.

3. Plot Z11 of the antenna on a Smith chart. Mark the impedance

4. Plot Z11 of the antenna on a Cartesian graph. Mark the impedance at f₀.

5. Plot 3D directivity patterns at f₀.

1) Dabs

2) Dtheta

3) Dphi

6. Plot polar directivity patterns at f₀.

1) Dabs in the E-plane. The electric field of the antenna is parallel to the E-plane. Mark the 3-dB beamwidth.

2) Dabs in the H-plane. The magnetic field of the antenna is parallel to the H-plane.

II. Discussions (80 points)

1. Find the minimum distance from the antenna for the far field region.

R = 2λ = 2 m

2. What is the 3-dB beamwidth of the antenna?

q_3dB = 88.2°

3. Find the input impedance of the antenna at f₀ from the simulation result.

R = Re(Z11) = 1.71 W

X = Im(Z11) = -650 W

4. Find the input impedance of the antenna at f₀ from the theory.

R = 1.984 W

X = -762 W

5. Calculate the antenna efficiency from the theory.

6. Find the series inductance value for cancelling the reactance of the antenna at f₀. Use the simulated reactance.

7. Find the quality factor of the antenna at f₀ from the simulation result.

8. Find the impedance bandwidth of the antenna from the simulation result.

CST Simulation 방법

목 차

A. 시작

B. View 설정

C. 구조 만들기 및 시뮬레이션

D. 결과확인

E. Far-field 설정 및 주파수 확인 대역 설정

F. 폰트변경/라인굵기설정

A. 시작

1. CST 실행 후 Antennas 클릭

2. Wire 클릭 후 Next

3. Time Domain 클릭 후 Next

4. 주파수 범위 = 0.2~0.4 GHz

E-field, H-field, Far-field 클릭(0.3GHz)

B. View 설정

1. Boundary Box, Working Plane 없애기

- Boundary Box 클릭하여 표시되지 않게 설정

- Working Plane 클릭하여 표시되지 않게 설정

->이 사항은 원하는 경우에만 해당

- 다음 그림과 같이 표현됨

2. 이동, 회전, 확대

- 아래 그림은 확대, 이동, 회전을 나타냄

- 원하는 경우 여기서 마우스 조절 가능

- Ctrl 클릭과 동시에 마우스 움직이면 화면 회전함

3. Cutting Plane

- 때때로 구조가 잘려서 나오는 경우 이것으로 해결가능.

C. 구조 만들기 및 시뮬레이션

1. Modeling->원통 클릭, ESC

2. 원통실린더 제작

-원통 실린터 형상

재질 : copper(PEC 아님)

- Material에서 [Load from Material Library…] 클릭

- Copper 검색

- Copper (annealed) -> 실습에서 활용할 재질

-Load를 클릭하거나 Enter

- 이후 원통 실린더 제작 창에서 OK 클릭

<만들어진 다이폴의 일부>

3. 복사

- 도형 마우스 우클릭

- Transform 클릭

- 아래 창이 뜸

- Rotate(회전)

- Copy(안 눌러주면 복사되지 않고 이동함)

- X 축으로 180도 회전

- Apply 후 화면에 표시가 되는지 확인 후 진행

4. 포트설정

- a(키보드) 클릭 후 실린더의 중앙을 클릭(반대쪽 실린더도 해당)

- Discrete Port 클릭

- OK 클릭

<생성된 Discrete Port >

5. 시뮬레이션

- Setup Solver 클릭

- Start 클릭

D. 결과확인

1. 구조

- 정면

- 측면

2. S-parameter

- 이번 실습에서는 주파수 동작이 하지 않는 것을 확인하는 작업이므로 -10dB이하로 내려가지 않아도 상관없다.

- 마우스 우클릭, [Add Curve Marker]

- 이후 원하는 선에 더블 클릭해주면 다음과 같이 생성

- 마커(1)를 더블 클릭하면 원하는 주파수 선택가능

S-parameter at 0.3GHz= -0.003494dB

3. Smith-Chart

- S-parameter에서 이어짐

- 마크(1)가 선택된 상태에서,

- 상단에서 1D Plot, Smith Chart 클릭

- Smith Chart 결과

Z11 Impedance : (1.77, -663.03) Ohm

4. Z-parameter

- 좌측 트리에서 Z Matrix 클릭

- 상단에서 Real/Img 클릭

- 다음 그림이 생성됨

- 마우스 우클릭, [Add Curve Marker] or [Axis Marker]

- 원하는 선에 더블 클릭하면 생성됨

- 마커(1, 2)를 더블 클릭하면 원하는 주파수를 설정가능

<Add Curve Marker>

<Axis Marker>

Re = 1.77Ohm

Im = -663.23 Ohm

5. 3D pattern

- 좌측 트리에서 Farfield 클릭

- Abs, Theta, Phi에서 확인가능

Abs

Theta

Phi

6. Polar

- 3D pattern에서 마우스 우클릭 후 [Farfield Plot Properties] 클릭

- 아래 화면과 같이 지정

(3D -> Polar로 변경, Ok)

- 위와 같은 형태가 됨.

- 마우스 우클릭 후 [Plot Properties] 클릭

- 아래와 같이 설정

- 결과(E-Plane)

- 3D pattern에서 마우스 우클릭 후 [Farfield Plot Properties] 클릭

- 아래 화면과 같이 지정

(Theta->Phi, OK)

-결과(H-Plane)

E. Far-field 설정 및 주파수 확인 대역 설정

1. Farfield 설정

- 만약 초기에 Far field를 포함한 다른 설정을 하지 않았다면?

- Field Monitor 클릭

- E-field, H-Field, Far-Field에 주파수(0.3GHz) 입력 후 Apply

- Apply 클릭하는 이유 : 그대로 OK를 누르면 다음 필드 생성시에 다시 들어가야 하기 때문

- 이후 왼쪽 트리를 보면 3개의 필드가 생성된 것을 확인할 수 있다.

2. 주파수 확인 대역 설정

- 만약 초기에 주파수 대역을 설정하지 않았다면?

- Frequency 클릭

- 최소/최대 주파수 설정, OK

F. 폰트변경/라인굵기설정

1. 폰트변경

- 글자가 작다고 느껴진다면 변경할 수 있다.

- 아래는 변경 전 그림(Font Scale = 10)

- 마우스 우클릭, [Plot properties] 클릭

- 아래 화면 생성되면 [Font]를 들어가서 조정 가능

- 기본 10으로 설정되어 있음

2. 라인굵기설정

- 마우스 우클릭, [Plot properties] 클릭

- 아래 화면 생성되면 [Curve Style]을 들어가서 조정 가능

- 위 그림에서 선 굵기, 선 타입, 색 조정 가능