1

Lab-07: Inverted-L Antenna (ILA)

I. Theory

1. Inverted-L Antenna 기초

ㅇ 주파수가 낮으면 모노폴의 높이가 과다할 수 있다. 이 경우 ILA를 사용한다.

ㅇ 수직 모노폴의 상부 80% 길이를 수평으로 휘어서 높이를 줄인 안테나

그림 1. 좌 = 모노폴 (높이 0.23 파장), 우 = 역 L형 안테나 (높이 0.06 파장, 수평길이

0.17파장) [Geyi, PIER 80, 123-160, 2008]

그림 2. 3.75MHz 아마추어 무선통신용 역 L형 안테나 [www.eham.net]

ㅇ 용도: HF 대역 통신, 단말기 내장 소형 안테나, 군용차량 탑재 안테나

ㅇ 상부장하 모노폴 (Top-loaded monopole)

- 모노폴의 높이를 줄이고 상부에 1선 장하(역L형 안테나), 2선 장하(T형 모노폴), 4선 장하, wire

disk 장하, umbrella wire 장하 등의 방법으로 공진 주파수를 낮춘다 (안테나 소형화 기법)

2

그림 3. 모노폴의 상부장하 [www.472khz.org]

2. Inverted-L Antenna 설계

ㅇ 참고문헌: Chen, MOTL, 26(1), 2000. 접지판 320*270mm, 도선직경 0.655mm

그림 4. 역 L형 안테나 설계 데이터 [Chen]

ㅇ 공진주파수: 동일 길이 수직 모노폴에 비해 약간 증가

3

ㅇ 공진저항: 높이가 감소하면서 감소.

0.25 파장 높이 모노폴: 공진저항 35Ω (50Ω 전송선로와 임피던스 정합 불필요)

0.05 파장 높이 역L형 안테나: 5Ω (50Ω 전송선로와 임피던스 정합 필요)

ㅇ Impedance formula: Miron, Small Antenna Design

2 2

in0.5

160rh t h

R Rt h

2

0in

2 ( )1,

2log 1 log

h t

h tX C

C h hh t

a a

ㅇ 방사패턴:

- 모노폴: 전기장 수직편파 성분만 존재

- 역 L형 안테나: 전기장 수직편파 및 수평편파 모두 존재

- 방사패턴 사례: 1.825MHz, H = 15m, L = 29m, 1/4파장 radial ground, 수직와이어 방향 z 축,

수평와이어 방향 x 축

수직편파: 전기장 z 축 방향, 영점 θ = 0°에서 발생

수평편파: 전기장 x 축 방향, 영점 +x 축 방향과 −x 축 방향에서 발생

(a) (b)

그림 5. 역 L형 안테나 방사패턴. (a) 방위각에 따른 이득, (b) 고각에 따른 이득 [Mansutti]. Total

field: Gabs, Horizontal pol.: Gphi, and Vertical pol.: Gtheta

4

II. Experiment

Important:

Maximum of number of mesh cells in CST Suite Student이 발생할 경우 메시를 다음과 같이 설정

[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. Project Template

Time Domain solver

mm, GHz

Fmin = 0.5GHz, Fmax = 1.5GHz

Monitors: Farfield

2. Geometry

Figure: Dimensions of the inverted-L antenna to be analyzed. g = 1, H = 20, L = 50 (unit: mm).

Ground plane: z = 0, infinite ground plane, PEC

Wire 1: PEC, square cyliner, z-directed; x = y = 0, z = from 1mm to 20mm, cross section = 2mm by 2 mm,

color = red

Wire 2: PEC, square cyliner, x-directed; y = 0, z = 19mm (cylinder center line), x = from 1mm to 51mm,

cross section = 2mm by 2mm, color = red

5

Source: x = y = 0, z = from 0 to 1mm, discrete port, Z0 = 50Ω

3. Results check

1) Antenna structure in a prespective view. The discrete port should be shown.

2) Z11-real, Z11-imaginary on a same plot. Put a marker on Z11-real and on Z11-imaginar at the resonant

frequency. Im(Z11) = 0 at resonance.

3) Resonant resistance = ( ) Ω. Hint: At the resonant frequency, Im(Z11) is zero.

Resonant length of H + L = ( ) wavelength

4) S11 on the Smith chart with a marker at the resonant frequency.

5) Directivity: Dtheta, 1GHz, 3D in a perspective view

6) Dtheta

Maximum value = ( ) dBi at theta = ( ) ° and phi = ( )°

7) Directivity: Dphi, 1GHz, 3D in a perspective view

8) Dphi

Maximum value = ( ) dBi at theta = ( ) ° and phi = ( )°

6

III. 역L형 안테나 사례

1. 2.45GHz 역 L형 안테나: 연구모델, Taguchi, ISAP 2009

2. 장갑차 탑재 HF 통신 안테나: Sanghai, IEEW T-AP, 65(11), 2017.

- 3MHz, 0.8% bandwidth; ka = 3

- 안테나: 높이 = 1/400 파장, 총길이 = 1/13 파장

- 탑재체(platform) 크기: 1/13 x 1/31 파장

- 이득: 최대 -14dBi, 수직방향 -20dBi

7

8

3. 아마추어 무선통신용 1.8, 3.5, 7MHz 다중대역 역 L형 안테나, Practical Wireless, Jan. 2005.

4. 아마추어 무선통신 안테나, 472-479kHz, Johnston, ARRL, Jan. 2016.

5. 항공기 탑재 HF 대역 역 L형 안테나, Park, Electronics Letters, 50(17), 2014.