[논문]모멘트법과 기전력법을 적용한 계산가능 다이폴안테나의 안테나 인자 특성 비교

김기채; 김상명; 김기출; 권재용; 강태원; 김정환

doi:10.5515/kjkiees.2012.23.3.275

초록
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본 논문에서는 하이브리드 balun을 갖는 계산가능 다이폴안테나의 안테나 인자 특성을 모멘트법과 기전력법으로 계산하여 비교하고 있다. 안테나 인자의 표현식은 전력부정합손실의 개념을 적용하여 도출한 식을 사용하였으며, 안테나 인자의 계산에서 나타나는 안테나의 입력 임피던스 및 유효길이는 모멘트법과 기전력법을 적용하여 계산하고 있다. 그 결과, 모멘트법과 기전력법에 의한 입력 임피던스 특성은 최대 17 ${\Omega}$ 정도의 차이가 발생하지만, 안테나 인자 특성은 0.24 dB 이내에서 일치하고 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a comparison of antenna factor characteristics computed by the Method of Moments(MoM) and the electromotive force(EMF) method for a calculable dipole antenna with a hybrid balun. An expression for the antenna factor is formulated using the concept of power mismatch loss. The inpu...

This paper presents a comparison of antenna factor characteristics computed by the Method of Moments(MoM) and the electromotive force(EMF) method for a calculable dipole antenna with a hybrid balun. An expression for the antenna factor is formulated using the concept of power mismatch loss. The input impedance and effective length of the antenna, which are in the formula of the antenna factor, are calculated using the two methods. The results show that the antenna factors are agreed within 0.24 dB, although the maximum difference between the input impedances obtained from the two methods is about 17 ${\Omega}$.

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문제 정의

본 논문에서는 1～3 GHz 주파수 대역에서 사용하기 위한 계산가능 표준 다이폴안테나의 설계에 있어서, 안테나의 이론해석법이 계산가능 다이폴안테나의 안테나 인자 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 모멘트법(MoM: Method of Moments)^[11]과 기전력(EMF: Induced ElectroMotive Force)법^[12]을 적용한 계산한 결과를 비교 검토하였다.
본 논문에서는 다이폴안테나의 입력 임피던스를 모멘트법으로 계산하여 안테나 인자를 구하였다. 모멘트법에 의한 해석 결과와 비교하기 위하여 기전력법을 사용한 안테나 인자의 계산결과도 함께 검토하였다.
본 논문에서는 1～3 GHz 주파수 대역에서 사용하기 위한 계산가능 표준 다이폴안테나의 설계에 있어서, 안테나의 이론해석법이 계산가능 다이폴안테나의 안테나 인자 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 모멘트법과 기전력법을 적용한 계산한 결과를 비교 검토하였다.

제안 방법

안테나 인자의 계산에는 일반적으로 S-파라미터로 유도한 안테나 인자의 표현식을 사용하고 있으나, 본 논문에서는 안테나를 구성하는 각 접속부에서의 전력부정합손실을 적용한 안테나 인자의 표현식^[14]를 사용하여 안테나 인자 특성을 평가하였다.
는 이론해석을 통한 수치해를 사용한다. 본 논문에서는 다이폴안테나의 입력 임피던스를 모멘트법으로 계산하여 안테나 인자를 구하였다. 모멘트법에 의한 해석 결과와 비교하기 위하여 기전력법을 사용한 안테나 인자의 계산결과도 함께 검토하였다.

데이터처리

그러나, 표준 다이폴안테나의 설계에서는 보다 정확한 전류분포의 계산이 가능한 모멘트법을 적용하는 것이 바람직하다. 이론해석의 타당성을 검증하기 위해 실험결과와도 비교하였다.

이론/모형

로부터 안테나 인자를 계산할 수 있다. 본 논문에서는 전력부정합손실의 개념을 도입하여 유도한 안테나 인자 표현식을 사용한다^[14]～[16].

성능/효과

그 결과, 모멘트법으로 계산한 안테나의 공진길이는 기전력법에 의한 계산결과와 거의 동일하지만, 입력 임피던스는 최대 17 Ω 정도의 차이가 발생하고 있으며, 안테나 인자는 최대 0.24 dB 정도 차이가 발생하고 있음을 확인할 수 있었다.
전력부정합손실의 개념을 도입하여 도출한 안테나 인자의 표현식인 식 (4)로 계산한 안테나 인자는 NPL에서 도출한 안테나 인자 표현식으로 계산한 안테나 인자와 같은 값을 갖는다는 것을 확인하였다.
모멘트법으로 계산한 공진시의 입력저항은 기전력법으로 계산한 입력저항보다 낮은 주파수에서 10 Ω 정도, 높은 주파수에서 17 Ω 정도 크게 나타났다.
그 결과, 모멘트법으로 계산한 공진길이는 기전력법으로 계산한 공진길이와 거의 동일하지만, 안테나의 입력저항은 기전력법으로 계산한 입력저항보다 10～17 Ω 정도 크게 나타났다.
그 결과, 모멘트법으로 계산한 공진길이는 기전력법으로 계산한 공진길이와 거의 동일하지만, 안테나의 입력저항은 기전력법으로 계산한 입력저항보다 10～17 Ω 정도 크게 나타났다. 또한, 모멘트법으로 계산한 안테나 인자는 기전력법으로 계산한 안테나 인자와 비교하여 최대 0.24 dB 정도 작은 값을 가지며 큰 차이가 없다는 것을 확인할 수 있었다. 기전력법은 간편하게 closed-form의 해를 얻을 수 있는 장점이 있으나, 표준 다이폴안테나의 설계에서는 보다 정확한 전류분포의 계산이 가능한 모멘트법을 적용하는 것이 바람직하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	계산가능한 다이폴안테나의 기본 개념은 무엇인가?	계산가능한 다이폴안테나의 기본 개념은 안테나 소자에 대한 이론계산 결과(입력 임피던스, 유효길이)와 안테나 소자를 제외한 balun 부분의 S-파라미터 측정 결과를 결합하여 안테나의 특성(안테나 인자)를 결정하는 것이다.
	계산가능 다이폴안테나는 어떻게 사용되는가?	계산가능 다이폴안테나(calculable dipole antenna)는 안테나 인자의 교정과 안테나시험장 또는 EMC 시험 야외시험장의 적합성 평가에 사용된다. 이러한 계산가능 다이폴안테나에 대한 연구는 30～1,000 MHz의 주파수 대역에 걸쳐 안테나 인자의 교정 및 안테나시험장 평가용으로 사용되고 있으며[1]～[10], 최근에는 1～2.
	본 연구에서 안테나 인자 특성을 평가한 결과 어떤 것을 확인할 수 있는가?	그 결과, 모멘트법으로 계산한 안테나의 공진길이는 기전력법에 의한 계산결과와 거의 동일하지만, 입력 임피던스는 최대 17 Ω 정도의 차이가 발생하고 있으며, 안테나 인자는 최대 0.24 dB 정도 차이가 발생하고 있음을 확인할 수 있었다. 기전력법은 직선 형상에만 적용할 수 있는 단점을 가지고 있지만, 간편하게 closed-form의 해를 얻을 수 있는 장점이 있어서 안테나의 임피던스 계산에는 많이 사용되어 왔다.

참고문헌 (16)

CISPR 16-4(2002-05), "Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods, Part 4: Uncertainty in EMC measurements", IEC, Geneva.
ANSI C63.5: 1998, "American national standard for electromagnetic compatibility-radiated emission measurements in electromagnetic interference(EMI) Control- calibration of antennas(9 kHz to 40 GHz)", (The methods of antenna calibration are unchanged from C63.5:1988), ANSI, Washington, DC.
M. J. Salter, M. J. Alexander, "EMC antenna calibration and the design of an open-field site", Jnl. of Phys. E, Meas. Sci. Technol., pp. 510-519, Feb. 1991.
M. J. Alexander, M. J. Salter, "Low measurement uncertainties in the frequency range 30 MHz to 1 GHz using a calculable standard dipole antenna and national reference ground plane", IEE Proc. Sci. Meas. Technol., vol. 143, no. 4, pp. 221-228, Jul. 1996.

상세보기
M. J. Alexander, M. Salter, M. Loader, and B. D. Knight, "Broadband calculable dipole reference antennas", IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 44, no. 1, pp. 45-58, Feb. 2002.

상세보기
B. G. Loader, M. J. Alexander, "A calculable dipole antenna to cover the frequency range 850 MHz to 2.2 GHz", 2004 Conference on Precision Electromagnetic Measurements Digest, pp. 194-195, Jun. 2004.
M. Sakasai, A. Suzuki, T. Sugiyama, K. Koike, H. Masuzawa, and K. Fujii, "Trial model of calculable dipole antenna for the frequency range from 1 to 6 GHz", National Convention Records of the IEICE, Communications(1), B-4-12, Mar. 2006.
조원서, 안테나 교정 야외시험장 평가 기술에 관한 연구, 산업기술평가원, Nov. 2006.
A. Kazemipour, X. Begaud, "Calculable dipole antenna for EMC measurements with low-loss wideband balun from 30 MHz to 2 GHz", Electromagnetics, vol. 25, issue 3, 2005.

상세보기
T. Morioka, "Uncertainty of free-space dipole antenna factor from 1 GHz to 2 GHz", IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. IM-58, no. 4, pp. 1135-1140, Apr. 2009.

상세보기
R. F. Harrington, Field Computation by Moment Methods, IEEE Press, New York, 1993.
P. S. Carter, "Circuit relations in radiation systems and applications to antenna problems", Proc. IRE, vol. 20, pp. 1004-1041, Jun. 1932.

상세보기
R. W. P. King, Tables of Antenna Characteristics, Plenum Press, 1971.
K. -C. Kim, S. -M. Kim, J. -Y. Kwon, T. -W. Kang, and J. -H. Kim, "The design of calculable standard dipole antennas in the frequency range of 1-3 GHz", Proceedings of ISAP 2011, SE10-1006, Oct. 2011.
W. S. Bennett, "Properly applied antenna factors", IEEE Trans. Electromag. Compat., vol. EMC-28, no. 1, pp. 2-6, Feb. 1986.
김기채, 김상명, 조병호, 서재본, 1-3 GHz 주파 수 범위의 표준 다이폴안테나 설계 및 제작 기술, 한국표준과학연구원 연학협동연구보고서, 2011년 10월.

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