안테나 실습: 다이폴
1. 이론
- RF 설계 툴인 독일 CST사의 Microwave Studio(MWS) 사용법 학습
- 다이폴 특성 이해
2. 실습
1) 다이폴 형상 생성
ㅇ 아래 그림과 같이 좌표 원점을 다이폴 중심에 두고 z축이 다이폴 축과 일치하도록 MWS를 이용하여 다음 치수의 다이폴 형상을 생성하라.
d = 0.5mm (브레드 보드 결선용 리드선 직경. 나중에 다이폴 제작측정 예정)
L = λ/2 @ 1.575GHz
= 95.2mm
g = 0.5 mm
ㅇ 이 경우 전계면(E-plane, 전계강도가 평행한 면)은 자표계 zx- 또는 yz-평면이되며 자계면(H- plane,
자계강도가 평행한 면)은 xy-평면이 된다.
2) 시뮬레이션
ㅇ 전원으로 MWS의
discrete port (delta-gap source라고도 부름) 사용. 이 경우 자동적으로 전원의 임피던스는 50Ω로 설정되며 이를 변경할 수 있다.
ㅇ 해석 주파수 범위를 0.2-3.2GHz로 설정
ㅇ 위 치수로 계산하면 다이폴의 공진 주파수가 1.46GHz가 될 것이다. 공진 주파수를 1.575GHz로 하려면 다음 식을 적용한다. L1
= 95.2mm, f1
= 1.46GHz
위 원리를 frequency scaling이라 한다.
ㅇ 다이폴의 길이를 88.2mm 변경한 후에 다시 시뮬레이션한다.
3) 시뮬레이션 결과분석
3.1) 반사계수 |S11|(dB)를
0.2-3.2GHz 도시하라. 그림 파일을 MS Word에 삽입하고 '반사계수'라는 제목을 붙여라. 반사계수는 다이폴에 입사된 전압의 크기로 반사된 전압의 크기로 나눈 값이다.
3.2) 다이폴의 입력 임피던스를 스미스 도표에 표시하라. 공진점(X = 0이 되는 주파수)을 마커로 표시하라.
3.3) 입력 임피던스를 0.2-3.2GHz에서 rectangular plot으로 도시하라. 정밀하게 분석해 보면 입력 임피던스 계산결과가 1GHz 이하에서는 부정확하다.
3.4) 입력 임피던스 계산 정확도를 높이기 위해 다음과 같이 MWS의 기본설정을 변경한다.
'Solve'
- 'Transient Solver Parameters' menu. 'Accuracy'에서 값을 -30dB에서 -60dB로 변경.
이 경우 다음과 같은 오차 없는 매끈한 그래프를 얻는다. 위 결과와 비교해 보면 정확도의 차이를 확인할 수 있다.
3.5) 다음과 같이 다이폴 상의 전류분포를 animation하여 확인하라.(주파수 1.575GHz)
3.6) 아래 그림과 같이 다이폴 주변의 전계강도 분포를 animation하여 확인하라. (주파수 1.575GHz)
3.7) 아래 그림과 같이 다이폴 주변의 자계강도 분포를 animation하여 확인하라. (주파수 1.575GHz)
3.8) 안테나 상의 전류의 크기와 위상분포를 아래와 같이 확인하라. (주파수 1.575GHz)
3.9) 주파수에 따른 지향도와 이득을 아래 그림과 같이 확인하라.
3.10) 총이득(Gabs)의 이득패턴을 아래와 같이 확인하라. (주파수 1.575GHz)
a) 삼차원 이득패턴
b) 이차원 이득패턴
c) Polar 패턴, 방위각 방향
d) Polar 패턴, 고각방향
3.11) Theta 성분 이득(Gtheta)의 이득패턴을 아래와 같이 확인하라. (주파수 1.575GHz)
a) 삼차원 이득패턴
b) 이차원 이득패턴
c) 고각방향 패턴
d) 방위각방향 패턴
3.12) Phi 성분 이득(Gphi)의 이득패턴을 아래와 같이 확인하라. (주파수 1.575GHz)
a) 삼차원 이득패턴
b) 이차원 이득패턴
c) 고각방향 이득패턴
d) 방위각방향 이득패턴
