Chapter 6. Wire antenna 도선안테나 - 알아볼내용 - 직도선형다이폴 V 자형다이폴 폴디드다이폴 야기우다배열 루프안테나 공진형안테나 전기전자공학과 1 안테나공학

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국진 여
5 years ago
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1 Chapter 6. Wire antenna 도선안테나 - 알아볼내용 - 직도선형다이폴 V 자형다이폴 폴디드다이폴 야기우다배열 루프안테나 공진형안테나 1 안테나공학

2 0. Wire antenna 개요 도선형안테나는역사가가장오래되었지만여전히가장널리사용되는안테나이다. 도선은선재나관재모양의도체를사용하고 Wire antenna 는상대적으로간단하고, 만들기쉬우며, 매우저렴하다. Wire antenna 의해석방법은 wire 의전류분포에대한적분방정식으로부터시작하고 Method of moment (MOM chapter 14) 등의수치해석법이나간단한근사해들이많이연구되어있다. Straight wire dipole, Vee dipole, Folded dipole, Yagi-Uda array, Loop antenna 등에대해알아본다. 안테나공학

3 3 안테나공학 1. Wire dipole antenna 3. 절의반파장 dipole 의확장으로임의길이 dipole 에대해서알아본다. 전류분포는사인파와안테나양단에서의제로전류조건을사용한다. 그러면 3. 절의계산에서안테나길이 λ/ 대신 L 을사용하면다음과같다. z I z I m b cos ) ( = q q b q b q p b wm q q w p m b q b b ˆ sin cos cos cos sin 4 ˆ sin ' ') ( 4 ˆ 'cos ø ö ç è æ - ø ö ç è æ = = = ò L L r e I j A j E dz e z I r e z A r j m z L L z j r j r r

4 Far field pattern 은안테나길이에따라다음과같이달라진다. 길이의증가에의해지향성 ( 이득 ) 이증가되는경향이있음에주목하라. r I m E = jwm b - jbr e 4p r æ bl ö æ bl ö cosç cosq - cosç sinq è ø è ø ˆ q sin q 4 안테나공학

5 그러면, λ/ dipole 의 Radiation power 는 far field 로부터다음과같이구해진다. 1 r r r 1 P = Re ( E H ) ds = òò h òò = 36.6 I m 따라서, λ/ dipole의방사저항 R r 은다음과같고, P Rr = = 73 W I m λ/ dipole의완전한입력임피던스는다음과같다. E q r sinqdqdf =...see text, Z A = 73+ j4.5 W 그외길이에대한 dipole 의임피던스는 표에정리하였다. 5 안테나공학

6 위와유사한계산에의하면, 안테나길이에따른 Radiation resistance 와 radiation reactance 는다음두그래프와같이나타난다. 6 안테나공학

7 완전한공진형안테나는공진주파수에서안테나의임피던스가 real 값만을갖는다. 반파장다이폴을완전한공진형으로만들기위해서는아래표와같이길이를약간줄여입력 reactance 를제거함으로써이룰수있다. 7 안테나공학

8 예제 1. 공진형 dipole 의길이단축과임피던스 jx=0 형태로실제적인반파장공진형안테나를만들려고한다. 다음각각의경우안테나의길이와임피던스를구하라. (1) 도선의반지름 a 가무한히작은경우, ()a=0.0005λ 인경우 (3)a=0.005λ 인경우 (1) Table 6- 에서길이단축은약 1% 이므로 L 0.495λ 이고임피던스는 table 6-1 의두번째공식을이용하면, R r.4 æ pl ö æ p 0.495l ö = 4.7ç = 4.7ç = 71. 3W è l ø è l ø.4 () Table 6- 에서 L/a=500 이므로약 4% 이므로 L 0.48λ 이다따라서, R r.4 æ pl ö æ p 0.48l ö = 4.7ç = 4.7ç = 66. W è l ø è l ø (3) L/a=50 의경우이므로, L 0.475λ 이고,.4 R r.4 æ pl ö = 4.7ç = è l ø.4 ( 0.475p ) = 64. W 8 안테나공학

9 그림과같이동일길이의안테나에서도선지름 a 가클수록길이단축효과로안테나의중심주파수 ( 공진주파수 ) 는하향하고, 대역폭은광대역화되는경향이있다. 이특성을이용하여광대역을위한 planar metal strip dipole 를 a=0.5w 의등가반지름을이용하여설계할수있다. 9 안테나공학

10 V 자형안테나 (Vee dipole) Vee antenna 의구조는그림과같이 V 자형을이루고 MoM 이용한경험식이최대지향성과그중심각 Υ 은아래와같이주어진다. 예 1) h/λ=1 이면 γ=88 D=4.1 예 ) h/λ= 이면 γ= 67 D=7.05 최대지향성은 Φ=90 방향에서일어나고 back lobe 은이보다약 db 작다. 직도선형에비해지향성이더크고부엽레벨이작다. 또, 입력임피던스는더작아진다. 왼쪽그림의안테나임피던스는 107+j17 이다. 10 안테나공학

The resulting far-field radiation pattern is nearly identical to the one for the single-wire dipole.

11 I I I I. Folded dipole antenna A folded dipole is a half-wave dipole with an additional wire connecting its two ends. If the additional wire has the same diameter as the dipole, two nearly identical radiating currents are generated, which is antenna mode. The resulting far-field radiation pattern is nearly identical to the one for the single-wire dipole. For a fixed amount of power, the total radiating current is equal to twice the current in each wire and thus equal to twice the current at the feed point. P f = \ R A 1 R d I = 4R d 1 æ I ö = RAç è ø l dipole의 4배 사용치 : 75 Ω ⅹ4= 300 Ω 이론치 : 7 Ω ⅹ4= 88 Ω The folded dipole is therefore well matched to 300Ω balanced transmission lines. 11 안테나공학

12 Folded dipole 의길이에따른임피던스변화를 moment method 로 simulation 한결과를아래그래프에표시하였다. 공진점들의임피던스에주목하라. 1 안테나공학

13 두개의서로다른반지름의도선을이용한 folded dipole 의경우는다음식을이용하여임피던스를구할수있다. Folded dipole antenna 의장점은제작이용이하고 dipole 보다구조적으로견고하며대역폭이넓다. TV, FM 안테나, 야기우다안테나의급전안테나등에널리사용된다. 13 안테나공학

14 3. Dipole antenna with sleeve balun Dipole antenna 를 coaxial cable 로급전하면그림과같이동축선로의외부도체의바깥으로전류가흐를수있어서 Unbalanced Current ( 불평형전류 ) 가발생한다. λ/4 길이의 Sleeve 형태의 Balun (balanced to unbalanced transformer) 은이런불평형전류를제거할수있어서 dipole 이안정적으로동작할수있다. 14 안테나공학

15 4. Yagi Uda antenna Dipole type antenna 에서더큰이득을얻기위해서는 array configuration 이필요하다. 그중 Yagi Uda antenna 는배열소자중일부에만직접급전하고다른소자들은 Parasitic array 로서 near field coupling 에의해 feeding 되는 Parasitic array antenna( 기생배열안테나 ) 이다. 직접급전은 Driver( 여진기 ) dipole 에만이루어지고가까이있는 Parasitic array 는반대위상 (180 ) 으로여기된다. 이경우 end-fire 방사패턴을보인다 ( 예제 3-3, 그림 3-19). 이웃한 Parasitic array 는조금긴것은반사기로조금짧은것은도파기로동작하여 Reflector( 반사기 ) 길이 > driver( 여진기 ) 길이 > director( 도파기 ) 길이이다. 동일길이일때의방사패턴 길이가조금다를때의방사패턴 15 안테나공학

16 Reflector, Driver, Director 의구성에따른 ~3 소자야기우다안테나의방사패턴 ü 간격 =0.λ ü 반사기길이 = 0.48λ ü 여진기길이 = 0.47λ ü 도파기길이 = 0.44λ ü 도체반지름 = λ 16 안테나공학

17 일반적인 Yagi-Uda antenna 의모양은아래그림과같다. Reflector 의길이 : L R 0.5λ, Director 의길이 : L D = L 의 80%~90% depending on N D ( 도파기갯수 ) and S D. S D = 0.λ~0.3λ 반사기의추가보다는 Director 의수를증가시켜이득을키운다. 최대지향성은도파기 (director) 방향이다. 17 안테나공학

18 반사기와 driver 의간격에따른최대이득점을보여주는결과와총소자수에따른야기안테나의이득그래프는아래그림과같다. 18 안테나공학

19 Yagi-Uda 안테나의최적설계법 도선지름 λ 를사용할때의각소자의최적길이는아래표와같다. 19 안테나공학

20 도선지름을 λ 가아닌다른크기를사용할때는아래그래프로보정한다. 0 안테나공학

21 절연되지않은금속 boom( 중앙지지대 ) 을사용할때의각 element 길이는아래그래프를참조하여조금크게보정해준다. 1 안테나공학

22 잘설계된 7 개소자야기안테나의상대적인전류크기와 1 소자야기안테나의방사패턴을보여주고있다. Elements 수가늘어나면 Back lobe 이거의없다. 야기우다안테나는 HF-VHF-UHF 에널리사용되고이득이 9~1dB 로높고저가로제작가능하다. 대역폭은수 % 정도이나 folded dipole 안테나를 driver 로하여향상시킬수있다. HW : 교재의예제 6-1. TV 채널 1 소자야기안테나설계 안테나공학

23 5. Loaded wire antenna( 부하도선안테나 ) Wire antenna 의특성은 lumped( 집중형 ) 또는 distributed( 분포형 )RLC 를도선에추가함으로써달라질수있는데, 이를 loaded wire antenna 라고한다. R 의추가는대역폭을넓히는데도움은주지만효율이나빠지므로잘사용되지않는다. 부하 (loading) 에의한특성변화는주로 (1)multiband( 다중대역 ) 특성구현, () 전류분포의변화에의한 radiation pattern( 방사패턴 ) 의변화, (3) 안테나의물리적길이의소형화를위해서사용한다. 다중대역동작 (1) 의예는, 아래그림과같은 dual band 모노폴로서, High band 에공진주파수가 tuned 된 trap(parallel resonator) 를 loading 하는것이다. 이 trap 은 low band 에서는거의 short ( 직렬 L) 로보이나 high band 에서는 open 으로보여결국이안테나는 개의동작 band 를갖는다. Y LC = jwc + 1 jwl 3 안테나공학

24 () 전류분포의변화에의한 radiation pattern( 방사패턴 ) 의변화의예로는그림과같은직렬부하를갖는 3λ/4 의 loaded monopole 이다. 앞서살펴본대로길이의증가에의해지향성 ( 이득 ) 이증가됨을이용하는것으로서실제로는길이의증가를최소화시키기위해, 접힌구조의 stub 나이를대치할 inductor L 을주로사용한다. 직렬 inductor L 은대개임피던스정합특성을좋게하는경우가많다. 3λ/4 의 loaded monopole 은모노폴보다이득이 3dB 이상좋아져서약 8~9dB 가된다. 4 안테나공학

25 (3) 안테나의물리적길이의소형화를위한 loaded wire antenna 의예로는그림의 capacitive plate monopole 이있다. 앞 chap. 3 에서살펴본대로원판형이나도선형의 loading 은안테나높이 h 를줄이고전류분포를 ideal monopole 과거의유사하게한다. ideal monopole 과유사한큰방사저항을얻을수있다. Z A æ h ö = 40p ç è l ø ideal monopole 5 안테나공학

26 Fractal antenna, Distributively loaded antenna Distributively loaded antenna( 분포부하안테나 ) 의대표적인예는 Fractal antenna 다. Fractal structure 는기본적인생성자 (a successively iterative generator) 를 self-similarity( 자기유사성 ) 을가지게반복하여만들어진다. 그림과같이 Koch( 코흐 ) fractal 과 Sierpinski gasket( 시어핀스키개스킷 ) fractal 형태가있다. Koch( 코흐 ) fractal 은직렬의 distributed inductance 를추가시켜짧은길이로도동일한안테나를만들수있게한다 (a). Sierpinski gasket 의 Self-similarity 는여러공진대역을만들어 multi-band antenna 가되기도한다 (b). 여기서, 가장큰삼각형과가장작은삼각형이최저와최고동작주파수를결정한다. Fractal 은소형화와다중대역동작의좋은특성을보이지만, 자동적으로다른구조보다최적화되는것은아니다. 6 안테나공학

27 6. Corner reflector antenna 코너반사판안테나는 Image theory와 array antenna이론으로해석할수있다. 반파장다이폴 (.16dB) 로 9~1dB의이득을얻을수있다. 90 코너반사판이가장일반적이고표준적인것이다. L s : 주빔이나빠지지않을반사판의크기 H=1.L~1.5L : 후방방사를최소화. 무한반사판이면 s=0.5λ에서최대지향성이고 Z A =15Ω, s=0.35λ에서 Z A =70Ω정도 7 안테나공학

28 7. Large loop antenna( 대형루프안테나 ) Large loop antenna 는 Loop 의둘레길이 L>λ/10 인루프안테나를말한다. Loop 의모양은원형과정사각형에서성능은거의변화가없다. Small loop 안테나는 z 축으로 null-radiation 이지만, 한파장이상의 large loop 는 z 축방향의지향성을갖는다. 첫공진은 L= 1.0λ~1.1λ 에서일어나고이때임피던스는실수값을갖는다. 한파장의사각공진 ioop 의해석은 4 개의전류에대해 wire 안테나식을합하여쉽게구할수있다.(Text 6.8 절참고 ) 한파장 loop 의 Gain 은도선의두께와 loop 의모양에따라 3~4dB 정도이고, 임피던스는 10~150Ω 이다. z 8 안테나공학

29 Large loop antenna 는 Loop 의둘레길이 L 에따른임피던스의변화곡선. 9 안테나공학

Microsoft Word - lab-16-yagi-antenna.doc

Microsoft Word - lab-16-yagi-antenna.doc Lab-11 Yagi Antenna I. 이론 1. Yagi Antenna Fundamentals ㅇ야기안테나기초 - 1926년동경제국대학의 Shintaro Uda 교수에의해발명되고 Yagi에의해영문으로발표됨. - 반파장다이폴뒤에반사기 (reflector), 앞에다수의도파기 (director) 를설치하여이득증가 - 급전된반파장다이폴주변에급전되지않은반파장다이폴을기생소자