[논문]1~3 GHz 대역용 계산가능 다이폴안테나의 접지판 위 안테나 인자 특성

임성민; 김상명; 정성우; 김기채

doi:10.6109/jkiice.2015.19.9.1991

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본 논문은 하이브리드 발룬을 갖는 계산가능 다이폴안테나가 접지판 위에 수평 및 수직으로 놓여 있을 경우의 안테나 인자 특성을 모멘트법으로 검토하고 있다. 안테나 인자의 표현식은 전력부정합손실의 개념을 적용하여 도출한 식을 사용하였으며, 안테나 인자의 계산에서 나타나는 안테나의 입력 임피던스 및 유효길이는 모멘트법을 적용하여 계산하고 있다. 그 결과, 접지판 위에서의 안테나 인자 특성은 안테나의 편파상태에 따라 달라지며 자유공간 안테나 인자와는 최대 ± 0.14 dB 의 차이가 발생함을 알 수 있었다. 또한, 수평편파인 경우의 안테나 인자 변동폭이 수직편파인 경우보다 0.2 dB 정도 더 크다는 것도 확인할 수 있었다.

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This paper presents the antenna factor characteristics of a calculable dipole antenna with a hybrid balun, installed above ground plane vertically and horizontally, using Method of Moments (MoM). An expression for the antenna factor is formulated using the concept of power mismatch loss. The input i...

This paper presents the antenna factor characteristics of a calculable dipole antenna with a hybrid balun, installed above ground plane vertically and horizontally, using Method of Moments (MoM). 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 MoM. The results show that the antenna factors above a ground plane are agreed with the free space antenna factors within ± 0.14 dB. The horizontal antenna factors are varied more by 0.2 dB than the vertical antenna factors.

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문제 정의

본 논문에서는 자유공간에서 설계된 계산가능 다이폴안테나가 접지판 위에 놓여질 때 접지판 위에서 안테나 인자가 어떻게 변하는지를 수평편파 및 수직편파에 대하여 모멘트법 (MoM, Method of Moments)을 적용하여 계산한 결과를 비교 검토하였다. 그 결과, 접지 판 위에서의 안테나 인자 특성은 안테나의 편파상태 (수평편파 및 수직편파)에 따라 달라지며 자유공간 안테나 인자와는 최대 ± 0.
자유공간에서 설계된 다이폴안테나가 접지판 위에 수평 또는 수직으로 놓여 지면 안테나 인자의 특성이 변하게 되는데, 본 논문에서는 접지판 위의 안테나 높이에 따른 안테나 인자의 변화 특성을 모멘트법으로 검토하였다. 그 결과, 안테나 높이에 따라 안테나 인자는 주기적인 변동을 하며 수평편파인 경우의 변동폭은 0.

제안 방법

그림 1에서 안테나 소자에 입사하는 전기장의 세기 와 측정기에서 측정되는 전압 로부터 안테나 인자를 계산할 수 있으며, 본 논문에서는 전력 부정합손실의 개념을 도입하여 유도한 안테나 인자 표현식을 사용하며[7, 8, 13], 최종적인 표현식은 다음과 같다.

대상 데이터

단자로 구성 (50 Ω이 연결된 Σ 단자는 내장되어 있음)된 Picosecond Pulse Labs, Inc.사의 Model 5310A- 104 Phase-Matched Balun (4 MHz∼6.5 GHz)을 사용하였다[15].
안테나인자를 계산하기 위해서는 다이폴안테나의 입력임피던스뿐만 아니라, 유효길이도 계산하여야 한다[8]. 또한, 본 논문의 계산에 사용한 안테나는 자유공간에서 공진하는 반파장 공진 다이폴 안테나를 사용하였다[7].

데이터처리

14 dB 의 차이가 발생함을 알 수 있었다. 이론해석의 타당성을 검증하기 위해 실험 결과와도 비교하였다.

이론/모형

전류분포에 관한 적분방정식 (2)의 해는 구분적정현함수를 사용한 Galerkin의 모멘트법으로 해석하였으며 [14], 구체적인 정식화 과정의 기술은 생략하기로 한다. 안테나인자를 계산하기 위해서는 다이폴안테나의 입력임피던스뿐만 아니라, 유효길이도 계산하여야 한다[8].

성능/효과

계산한 결과를 비교 검토하였다. 그 결과, 접지 판 위에서의 안테나 인자 특성은 안테나의 편파상태 (수평편파 및 수직편파)에 따라 달라지며 자유공간 안테나 인자와는 최대 ± 0.14 dB 의 차이가 발생함을 알 수 있었다. 이론해석의 타당성을 검증하기 위해 실험 결과와도 비교하였다.
그림 3으로부터 알 수 있는 것처럼, 안테나 높이가 h=1 m, 2 m, 3 m, 4 m에서 계산한 안테나 인자의 주파수 특성은 거의 같은 값을 가진다. 또한, 그림 4에서 보는 것처럼, 접지판 위의 안테나 높이에 따라서 안테나 인자는 주기적으로 변동하는 특성을 가지는데 변동의 폭은 최대 0.28 dB (주파수 1 GHz의 1 m에서 최대변동 폭을 가짐)이내로서 매우 작다는 것을 알 수 있다.
또한, 그림 6에서 보는 것처럼, 접지판 위의 안테나 높이에 따라서 안테나 인자는 주기적으로 변동하는 특성을 가지는데 변동의 폭은 최대 0.11 dB (주파수 1 GHz의 1 m에서 최대 변동폭을 가짐)이내로서 무시할 수 있을 정도로 작다는 것을 알 수 있다.
그 결과, 안테나 높이에 따라 안테나 인자는 주기적인 변동을 하며 수평편파인 경우의 변동폭은 0.28 dB이내이며, 수직편파인 경우의 변동폭은 0.11 dB이내임을 알 수 있었다. 안테나 높이가 접지판에서 멀어질수록 안테나 인자는 자유공간 안테나 인자로 수렴함을 확인할 수 있었다.
11 dB이내임을 알 수 있었다. 안테나 높이가 접지판에서 멀어질수록 안테나 인자는 자유공간 안테나 인자로 수렴함을 확인할 수 있었다. 또한, 수평편파는 수직편파보다 접지판과의 결합이 강하므로 수평편파인 경우의 안테나 인자 변동폭이 수직편파인 경우보다 0.
안테나 높이가 접지판에서 멀어질수록 안테나 인자는 자유공간 안테나 인자로 수렴함을 확인할 수 있었다. 또한, 수평편파는 수직편파보다 접지판과의 결합이 강하므로 수평편파인 경우의 안테나 인자 변동폭이 수직편파인 경우보다 0.2 dB 정도더 크다는 것도 확인할 수 있었다.

참고문헌 (15)

ANSI C63.5:1998, "American National Standard for Electromagnetic Compatibility—Radiated Eission 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.
CISPR 16-4 (2002-05), "Specification for Radio Disturbance and Immunity Measuring Apparatus and Methods, Part 4: Uncertainty in EMC Measurements," IEC, Geneva.
M.J. Salter and 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.

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M.J. Alexander and 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, July. 1996.

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

상세보기
B.G. Loader and 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, June 2004.
K.-C. Kim, S.-M. Kim, J.-Y. Kwon, T.-W. Kang, 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.
K.-C. Kim, S.-M. Kim, K.-C. Kim, J.-Y. Kwon, T.-W. Kang, J.-H. Kim, “A Comparison of Antenna Characteristics for a Calculable Dipole Antenna by MoM and EMF Method”, KJKIEES, vol.23, no. 3, pp. 275-282, Mar. 2012.
M. Sakasai, A. Suzuki, T. Sugiyama, K. Koike, H. Hasuzawa, 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.
W.-S. Jo, “Study on the evaluation techniques of Antenna calibration open area test site”, KEIT, Nov. 2006.
A. Kazemipour and X. Begaud, “Calculable Dipole Antenna for EMC Measurements with Low-Loss Wide- Band 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, April 2009.

상세보기
W.S. Bennett, “Properly applied antenna factors,” IEEE Trans. Electromag. Compat., vol. EMC-28, no.1, pp.2-6, Feb. 1986.

상세보기
R.F. Harrington, “Field computation by Moment Methods, IEEE Press, New York, 1993.
Picosecond Pulse Labs, Inc., www.picosecond.com.

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