실습-02 반파장 다이폴(Half-wave Dipole)

I. 구조

ㅇ 아래 그림과 같이 길이 L이 동작 주파수에서 1/2 파장에 가까운 가는 도선의 중간을 자르고 작은 공극(gap)을 만들고 공극에 전원을 인가

L : 다이폴 도선 길이

d : 다이폴 도선 직경

g : 다이폴 도선 중간 간극

그림: 반파장 다이폴 구조

II. 동작원리

ㅇ 다이폴 길이 L을 적당한 값으로 하여 입력 임피던스의 허수부가 0이 되게(이를 '공진'이라 함) 한다.

ㅇ 공진시 가는(d << L) 반파장 다이폴의 입력 임피던스는 72Ω이다.

ㅇ 72Ω은 특성 임피던스가 50–75Ω인 동축선을 이용하여 효율적으로 급전할 수 있는 값이다.

ㅇ 중앙 급전 다이폴 전류

그림: 다이롤 전류(출처: Stutzman)

ㅇ 원거리 방사패턴

그림: 다이폴 길이에 따른 방사패턴(출처: Stutzman)

ㅇ 입력 임피던스

: infinitely thin, L = λ/2, 완전도체

: thin, resonant ( L = λ/2–Δ), 완전도체

: 방사저항

: 도체손실 저항,

그림: 다이폴의 주파수에 따른 입력 임피던스 (L = 88.2mm, d = 0.5mm, g = 0.5mm, delta-gap source)

ㅇ 다이폴의 지향도와 빔폭

III. 실습

1. Thin Dipole 해석

1, Thin half-wave dipole 1

L = 95.2mm, g = 0.5mm, d = 0.5mm

- 좌표 원점을 다이폴 중심에 두고 z축이 다이폴 축과 일치하도록 다음 치수의 다이폴 형상을 생성하라.

- 치수: d = 0.5mm (브레드 보드 결선용 리드선 직경), L = λ/2 @ 1.575GHz = 95.2mm, g = d = 0.5 mm

- 도선 전도도: 완전도체(PEC), 도선저항이 방사저항에 비해 매우 작으므로 구리 전도도 를 넣어도 별 차이가 없다.

- 이 경우 전계면(E-plane, 전계강도가 평행한 면)은 자표계 zx- 또는 yz-평면이되며 자계면(H-plane, 자계강도가 평행한 면)은 xy-평면이 된다.

- 전원으로 MWS의 discrete port (delta-gap source라고도 부름) 사용. 이 경우 자동적으로 전원의 임피던스는 50Ω로 설정되며 이를 변경할 수 있다.

1) 안테나 형상

2) 반사계수 크기: 0.3–3.3GHz, -30 to 0dB, 반사계수가 최소가 되는 주파수 수직 마커로 표시

(주의) 'Solve' - 'Transient Solver Parameters' menu. 'Accuracy'에서 값을 –30dB에서 –60dB로 변경

3) 스미스 도표: 위 3항에서 구한 반사계수가 최소가 되는 주파수를 스미스 도표 궤적 상에 표시

2. Frequency scaling:

- 주파수 스케일링: 주파수 f₁에서 동작하는 안테나를 주파수 f₂에서 동작하게 하는 방법

- 주파수의 역비로 안테나의 모든 치수를 변환한다: scaling 작업

Frequency(GHz)	L(mm)	d(mm)	g(mm)
1.59

- 1.59GHz에서 동작하는 thin dipole 해석

1) 안테나 형상

2) 반사계수 크기: 0.3–3.3GHz, -30 to 0dB

(주의) 'Solve' - 'Transient Solver Parameters' menu. 'Accuracy'에서 값을 –30dB에서 –60dB로 변경

3) 입력 임피던스: 0.3–3.3GHz, Cartesian(=rectangular)

4) 다이폴 상의 전류벡터: 1.575GHz

5) 다이폴 측면 주변의 전기장 벡터: 1.575GHz

6) 다이폴을 둘러 싸는 자계장 벡터: 1.575GHz

7) 안테나 상의 전류의 크기와 위상분포: 1.575GHz

8) 주파수에 따른 지향도(directivity) D와 이득(gain) G: 0.3–3.3GHz, Cartesian, 동일 그래프에 D와 G 도시

9) 삼차원 이득패턴: 1.575GHz, Gabs, Gtheta, Gphi

10) 이차원 이득패턴: 1.575GHz, Gabs, Gtheta, Gphi, phi = 0º to 360º, theta = 0º to 180º

11) Gtheta 1차원 패턴: 1.575GHz, 전계면 패턴(phi = 0º), 자계면 패턴(theta = 90º)

2. Thick Dipole 해석

ㅇ Thick half-wave dipole: , 광대역

ㅇ 다이폴의 직경 증가시 대역폭 증가, 방사패턴은 thin dipole과 동일

ㅇ 다음 구조 형상 작성

L = 88.2mm, d = 8.8mm, g = 4mm

해석 주파수: 0.3–3.3GHz

1) 반사계수 해석: 0.3–3.3GHz

2) 입력 임피던스 해석: 0.3–3.3GHz

IV. 보고서 작성

1. Thin Dipole 해석

1) 안테나 구조 도시(좌표축 포함)

2) 반사계수 |S₁₁|(dB) 도시: 0.3–3.3GHz. 반사계수는 다이폴에 입사된 전압의 크기로 반사된 전압의 크기로 나눈 값이다.

수직범위: 최대 0dB, 최소 –25dB, 그리드 5dB

수평범위: 최소 0.3GHz, 최대 3.3GHz, 그리드 0.3GHz

그래프 글자 폰트 크기: 14 pt

마커 선 표시: 수직축 측정마커 1개 = –10dB에 표시, 수평축 측정마커 2개 = 수직축 마커와 –10dB에서 만나는 위치

그래프 title: 제거

수직축 label: Reflection (dB)

수평축 label: Frequency (GHz)

ㅇ 반사계수가 –10dB 이하인 주파수 범위(이를 임피던스 대역폭 또는 간단히 대역폭이라 함)를 기록하라.

3) 입력 임피던스 도시(Accuracy = –30dB): 0.3–3.3GHz, Cartesian(=rectangular) plot

4) 입력 임피던스(Accuracy = –60dB): 1차 공진 주파수와 2차 공진 주파수를 수직선 마커(총 2개)로 표시하고 기록하라. 1차 공진 주파수가 반파장 다이폴이 동작하는 주파수이다. 2차 공진 주파수에서는 다이폴이 1 파장 다이폴 모드로 동작한다.

a) 그래프 도시(Accuracy = –60dB): 0.3–3.3GHz, Cartesian(=rectangular) plot

b) 1차 공진 주파수, 2차 공진 주파수에서 입력저항 기록

5) 다이폴의 입력 임피던스 스미스 도표 도시: 0.3–3.3GHz, 1차 공진점 (X = 0이 되는 주파수)을 마커로 표시

6) 다이폴 상의 전류벡터 분포 animation: 주파수 1.575GHz, 전류가 최대가 되는 시점에서 정지후 전류벡터 분포 도시. 좌표축, legent, scale marker 표시

7) 다이폴 측면 주변의 전기장 벡터 분포 animation: 주파수 1.575GHz, 전기장이 최대가 되는 시점에서 전기장 벡터 분포 도시. 좌표축, legent, scale marker 표시

8) 다이폴을 둘러 싸는 자계장 벡터 분포 animation: 주파수 1.575GHz, 자기장이 최대가 되는 시점에서 자기장 벡터 분포 도시. 좌표축, legent, scale marker 표시

9) 다이폭 표면 전류(다이폴 축방향 성분)의 크기와 위상분포 도시: 주파수 1.575GHz

횡축:–50 to 50

종축: –50 to 60

10) 주파수에 따른 지향도(directivity)와 이득(gain) 도시

수직축: 최대 6dB, 최소 0dB, 그리드 2dB

수평축: 최대 3.3GHz, 최소 0.3GHz, 그리드 0.5GHz

그래프 title: Half-wave Dipole

수직축 label: Directivity / Gain (dB)

수평축 label: Frequency (GHz)

그래프 글자 폰트 크기: 18 pt

11) 삼차원 이득패턴: 1.575GHz

a) Gabs

b) Gtheta

c) Gphi

12) 이차원 이득패턴: 1.575GHz

a) Gabs

b) Gtheta

c) Gphi

13) Gtheta 1차원 패턴: 1.575GHz

a) 전계면 패턴(phi = 0º)

b) 자계면 패턴(theta = 90º)

2. Thick Dipole 해석

1) 반사계수:

a) |S₁₁|(dB)를 0.3–3.3GHz 도시하라(Cartesian plot).

b) 수직선/수평선 마커를 이용하여 반사계수가 –10dB 이하인 대역폭을 구하라.

c) Thin half-wave dipole의 대역폭과 비교하라.

2) 입력 임피던스:

a) 입력 저항과 입력 리액턴스를 Cartesian plot으로 도시하라. 1차 공진 주파수와 2차 공진 주파수를 수직선 마커(총 2개)로 표시

b) Thin/thick half-wave dipole의 1차/2차 공진 주파수, 공진 시 입력저항 비교하라.

V. 고찰

실습한 안테나에 관하여

1) Thin half-wave dipole의 임피던스 그래프 상에서 2차 공진 주파수로부터 1.575GHz에서 2차 공진이 일어나기 위한 다이폴의 길이 L₂(mm)를 구하라.

2) Thick half-wave dipole의 임피던스 그래프 상의 1차 공진 주파수로부터 thick half-wave dipole이 1.575GHz에서 공진하기 위한 길이 L₁(mm)를 구하라.

3) Thick half-wave dipole의 임피던스 대역폭(%)을 구하라.