Lab-06: Monopole Antenna I. Theory 1. 모노폴안테나개요ㅇ구조 - 다이폴안테나의변형 - 다이폴안테나의 1개도선은유지하고나머지 1개도선은접지판 ( 지면 / 수면, 금속 / 도선접지면, 장치케이스, 인쇄회로기판접지면등 ) 으로대체 그림 : (a) 반파장다이폴안테나, (b) 1/4- 파장모노폴안테나 ㅇ용도 - 통신, 방송, 전파항법, 전파비컨, 전파방향탐지 ㅇ모노폴의도선형태 - 도선 (wire; straight or helical)/wire cage/steel truss, 수직평판 (plate; 역삼각형, 원형 / 타원형, 사각형 ), 수평평판, 3 차원형상 ( 역원뿔, 구, 타원구 ) ㅇ모노폴접지면형태 - 모노폴과동일평면 / 직각평면 - Solid metal/wire grid/raidal wires - Device chassis/vehicle (airplane, ship) body 2. 모노폴안테나의특성 1) 입력임피던스 - 모노폴입력임피던스 = 다이폴임피던스의절반 - 모노폴의경우절반의전압을인가하여동일한전류를흐르게할수있다. 1
그림 : 모노폴과다이폴의임피던스관계 Z in,monopole 1 Z 2 in,dipole 2) 모노폴의지향도 ( 이득 ) - 다이폴지향도 ( 이득 ) 의 2 배 - 모노폴의경우하부반구공간으로전자파가방사되지않는다. 그림 : 다이폴방사패턴 ( 좌 ), 모노폴방사패턴 ( 우 ) D monopole 2D 3.3 5 db dipole 3) 모노폴공진길이 h a 0.24 ( a 0.05 ) h: 모노폴높이 a: 모노폴도선반경 - 도선직경이증가하면공진주파수약간감소 2
4) 대역폭 - 모노폴 VSWR < 2 대역폭 : 10-40% ( 도선직경에따라 ) - 모노폴도선직경이클수록대역폭이크다 - 예 : h = 90mm 5) 접지면크기에따른모노폴입력임피던스 / 이득패턴변화 [Zivkov] ㅇ실제로무한히큰접지면을사용할수없다. ㅇ입력임피던스 : 원형디스크접지면상의 1/4-파장가는모노폴 - 접지판크기에따라입력임피던가변한다. 그림 : 원형디스크접지판면적에따른 1/4- 파장모노폴입력임피던스변화 ㅇ방사패턴 : 원형디스크접지면상의 1/4- 파장가는모노폴 - 접지판이매우크더라도접지판아래공간으로의전자파방사를완전히제거하기어렵다. 3
- 이유 : 접지판모서리에서의전자파회절 (diffraciton) 그림 : 원형디스크접지판반경 a 에따른 1/4- 파장모노폴방사패턴변화. (a) a = 1λ, (b) a = 2λ, (c) a = 6λ, (d) a = 10λ, (e) a = 20λ 4
II. Experiment Important: Maximum of number of mesh cells in CST Suite Student이발생할경우메시를다음과같이설정 [Simulation] [Global properties] [Hexahedral] Cells per wavelength: 5 Cells per max model box edge: 5 Minimum cell: Absolute value in x, y, z: 5 1. Monopople on an infinite ground plane 1) Project settings Frequency Min.: 500MHz Frequency Max.: 4000MHz Solver: Time domain transient Field monitor: Farfield 2) Geometry Ground plane: Infinite PEC. At z = 0 plane Monopole wire diameter (mean): 6.75mm, Material = PEC Ground-to-monopople top end: 67.5mm Ground-to-monopole base (feed gap): 6.75/2=3.375mm 3) Simulation Discrete port, 50-ohm 4) Results check. Make a report on a MS word document a) Geometry in a perspective view. Remove the grid and the bounary box. Show the coordinate axes. 5
b) S11, db, Cartesian plot c) Z11 imaginary, Cartesian plot. Find the first resonant frequency. d) Z11 real, Cartesian plot. Find the first resonant resistance. e) Z11 on Smith chart. Place a marker at the first resonant frequency. f) Gabs 3D at the first resonant frequency. 2. Monopole on a finite ground plane 1) Geometry Ground plane: Material = PEC, Top surface z = 0mm, Bottom surface at z = -1mm, Width = 67.5mm, Length = 67.5mm Monopole: Same as before (SAB) 2) Simulation: SAB 3) Results check: SAB 3. Disk monopole on a finite ground plane 1) Geometry Change the monopole wire into a disk: Disk thickness = 1mm, Disk diameter = 67.5, Feed gap = 6.75/2mm, Disk plane = Perpendicular to the ground plane 6
2) Simulation: SAB 3) Results check: SAB 7
III. 모노폴안테나사례 1. Whip Antenna - 모노폴높이를감소시키기위해도선을용수철모양으로감은안테나 - 수직모드헬리컬안테나 (normal mode helical antenna) 라고도함. ㅇ무선통신단말기안테나 (a) (b) (c) 그림 : 휩안테나. (a) 315/433MHz 근거리통신용, (b) 46/49MHz 무선전화기용. (c) Walkie talkie radio antenna: Kenwood CTCSS/DCS UHF VHF 128 ch, 136-174MHz, 400-480MHz (a) (b) 그림 : 이동전화기내장안테나. 모노폴의일종인 IFA 와 PIFA 가사용됨. (a) RIP Palm mobile phone antenna, (b) Samsung smartphone Galaxy S9 antenna 8
그림 : 434MHz 단거리통신장치용 whip antenna [RFM] ㅇ Whip antenna on a vehicle roof ㅇ소형 whip antenna 입력저항 : Baharin(17, APMC) - 임의크기접지판영향반영복잡. 접지판없이자유공간에서방사할경우기준입력저항 Rin Rd RL Rc R d 2 h 20 : radiation resistance due to monopole-mode current 4 2 8 3 A 2 D 2 20 2 RL N N 3 2 2 : radiation resistance due to loop mode current, D: helix diameter N ( D ) S Rc Rs, R f s : ohmic loss resistance of the conductor, a: wire radius, S: helix pitch 2 a 9
2. Monpole with Radial Wire Ground ㅇ접지용도체평판을도선으로대체 ㅇ적게는 3-4 개 (HF, VHF 대역 ), 많게는 30-120 개 (VLF, LF 대역 ) 사용 그림 : Radial (4 선, 3 선, 길이 0.25 파장 ) 동축선급전 VHF 대역모노폴 그림 : AM 방송송신안테나. 지면에 radial ground 매설. 0.53-1.6MHz, 50-1500kW 10