안테나가 운용 시스템에 적합한지를 판단하기 위한 파라미터는 무엇이 있을까

안테나 Bandwidth

안테나에 가장 중요하고 기본적인 파라미터로는 대역폭(Bandwidth)이 있다.
안테나가 동작할 수 있는 주파수가 내가 원하는 시스템의 운용 주파수와 맞아 떨어지는지 확인해야 된다.
안테나에서 Bandwidth는 기본적으로 보통 반사계수 $\Gamma$에 의해 결정이 된다.(임피던스 매칭이 얼마나 되냐, Gain, 방사효율, polarization 등... 다른 파라미터도 영향을 주긴하지만 가장 기본은 반사계수!)

그것을 보기 위해 반사계수를 보통 측정한다.
공진형 안테나의 경우 반사계수가 아래와 같이 표현되는데

반사계수가 낮을 수록 좋다.
낮은 주파수에서는 안테나가 전기적으로 작기 때문에 capacitive한 에너지들이 안테나 주위에 저장이 되고 방사를 하지 못한다.
반면에 높은 주파수에서는 inductive한 reactance가 높아서 inductive한 소자에 의해 방사를 하지 못하는데, 두개가 캔슬링 되는 공진 주파수 $f_c$가 존재를 한다.
이 안테나의 공진주파수가 시스템의 공진 주파수와 맞아야 한다.

이 BW를 판단할때 반사계수 어느정도 이하는 안테나의 동작 주파수다라고 이해한다.
보통 -10dB이하의 주파수 대역을 본다.
(10dB BW가 의미하는 것은 power가 10%만 반사하고 90%는 안테나로 갔다라는 것을 의미 )

안테나 방사 특징

안테나는 어느 방향으로, 얼마나 효율적으로 에너지가 나가는지를 보기 위해 안테나 패턴을 많이 봄

Poynting vector를 통해 파워가 전달되는 방향을 나타낼수 있고
$P=E \times H$ 로 나타낼 수 있다.

• Dipole안테나
• phased array : 각각 element 들의 phase를 다르게 해서 빔 조향이 일어남, 원하는 방향으로 beam steering 가능해짐

안테나 방사 패턴

보통 power pattern, gain pattern 이라고 하는데 해석을 위해 3d패턴을 2d로 잘라서 보여주는 경우가 많다. array 안테나들의 방사패턴을 보면 아래와 같다.

Beamwidth와 관련된 파라미터 (각도와 관련)

• Half-Power Beamwidth : peak 대비 3dB되는 부분(50%의 파워가 되는 부분)의 빔폭을 확인하기 위해 사용
  $HPBW = |\theta_{HPleft} - \theta_{HPright} |$
• First Null Beamwidth : 처음으로 null 일어나는 point 들간의 각도 차이
  $FNBW = |\theta_{FNleft} - \theta_{FNright} |$
  

Side-Lobe Level과 관련된 파라미터

• Side-Lobe Level : peak 대비 첫번째 side lobe와의 간격
  $SLL_{dB} = 10log{P(side-lobe)\over P(max)}$
  빨간색이 side lobe level이 더 작고 초록색이 side lobe level이 더 크다
  (+ 빨간색은 uniform array, 녹색은 chebychev polinomial 이용해서 side lobe 레벨 낮춤)

Far-field Radiation Pattern 관련 파라미터

논문마다 안테나 패턴을 아래 세가지 용어로 혼용해서 사용하기 때문에 정리해보았다.

• Azimuth vs Elevation plane pattern
  azimuth: $\phi$ 방향 , elevation은 $\theta$ 방향

• H-plane vs E-plane pattern
  안테나 polariation 측정해야하는데, z 방향에 맞춰져 scan한 elevation 패턴이 E-plane, E-plane 에 수직으로 교차하는 방향으로 H-plane

• yz-plane vs xz-plane pattern
  yz 평면으로 cut하거나 xz 평면으로 cut한 방향