[논문]광대역 특성을 갖는 U-슬롯 마이크로스트립 안테나

홍재표; 이광호; 김종규; 이창순

광대역 특성을 갖는 U-슬롯 마이크로스트립 안테나
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홍재표 (경일대학교 전자정보공학과) , 이광호 (경일대학교 전자정보공학과) , 김종규 (경북대학교 대학원) , 이창순 (경산대학교 정보과학부)

본 논문에서는 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 개선하기 위하여 개구 결합된 U-슬롯 마이크로스트립 안테나를 설계하였다. 개구 결합을 이용하여 마이크로스트립 급전선로와 복사소자인 마이크로스트립 패치를 결합하였다. 이 결합구조는 급전선로가 복사소자로 동작되는 의사복사를 제거할 수 있는 장점이 있으며 복사면과 급전면이 분리되어 패치와 급전선로를 독립적으로 설계할 수 있는 구조이다. 또한 U-슬롯 구조의 공진 특성과 패치 자체의 공진 특성을 동시에 이용하여 광대역 특성을 가지도록 U-슬롯을 갖는 안테나를 설계하였다. 설계 제작된 안테나로부터 궤환손실, VSMR, 복사패턴 및 이득을 측정하였다. 그 결과 안테나의 임피던스 대역폭(VSWR$\leq$2)은 2.35GHz에서 6.4%로 나타났고, 안테나의 평균이득은 5.3dBi로 나타났다.

In this paper, the aperture-coupled U-slot microstrip patch antenna is studied for the bandwidth improvement. The aperture is used as a mechanism for coupling the radiating element to the microstrip feedline, and the aperture-coupled configuration provides the advantage of isolating spurious feed radiation by the use of common ground plane. Experimental results such as return loss, VSWR, radiation pattern and gain measurements are presented on the aperture-coupled U-slot microstrip patch antenna. The impedance bandwidth (VSWR≤2) of the antenna is 6.4% centered at 2.35GHz, and the average gain is 5.3 dBi.

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문제 정의

본 논문에서는 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 개선하기 위하여 개구결합된 u-슬롯 마이크로스트립 안테나를 설계하였다. 개구 결합을 이용하여 마이크로스트립급 전선로와 복사소자인 마이크로스트립 패치를 결합하였고, 광대역 특성을 갖기 위하여 복사 패치에 U-슬롯을 갖는 u-slot 안테나를 설계하였다.
본 논문에서는 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 개선하기 위해 개구로 결합하며 급전선로와 패치를 결하하였고, 패치에는 U-슬롯을 갖는 안테나를 제작하여 실험하였다. 안테나의 최대 개구 효율을 얻기 위해 개구의 형태는 모래시계 모양으로 하였고, 안테나의 대역폭이 최대가 되도록 U-슬롯의 길이와 스터브의 급전부 길이를 조절하였다.

제안 방법

본 논문에서는 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 개선하기 위하여 개구결합된 u-슬롯 마이크로스트립 안테나를 설계하였다. 개구 결합을 이용하여 마이크로스트립급 전선로와 복사소자인 마이크로스트립 패치를 결합하였고, 광대역 특성을 갖기 위하여 복사 패치에 U-슬롯을 갖는 u-slot 안테나를 설계하였다.
그러므로 본 논문에서는 (c)에서 보는 바와 같이 개구의 모양이 모래시계인 개구를 사용하여 패치를 급전하였다.
<그림 l>(b)는 정면에서 본 그림인데, 그림에서와 같이 접지면의 아랫면에는 50J2을 갖는 마이크로 스트립급전선로가 있고, 그 접지면에는 급전선로와 패치 사이를 결합하기 위해 개구가 있다. 그리고 광대역 특성을 구현하기 위해 기판 윗면에는 foam이 존재하고, 제일 윗면에는 U-슬롯을 갖는 복사 패치를 위치시켰다.
그리고 실험적인 방법을 통하여 안테나의 대역폭과 이득 및 안테나의 복사 패턴을 측정하여 비교 분석하였다. 실험에 사용되 유전체는 비유전율이 2.
제안된 U-슬롯 개구급전된 안테나에서 공진주파수는 패치의 크기에 따라 결정되고, 대역폭은 U-슬롯의 길이와 급전 부 스터브의 길이에 따라 결정됨을 실험적으로 확인하였다. 따라서 U-슬롯의 길이와 급전 부 스터브의 길이를 적절히 조절하여 양호한 대역폭 특성을 나타내도록 안테나의 파라미터를 구하였다.
본 논문에서는 개구 결합을 이용하여 급전구조이므로 급전점은 패치의 중심에서 약 5mm 아래에 위치함을 확인하였다.
본 논문에서는 여러 가지의 개구 모양 중에서 개구 효율이 양호한 모래시계형 개구를 결합구조로 선택하였다. 선택된 구조에서 모래시계 모양의 최대 크기는 25x15 mm2이었다.
본 논문에서는 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 개선하기 위해 개구로 결합하며 급전선로와 패치를 결하하였고, 패치에는 U-슬롯을 갖는 안테나를 제작하여 실험하였다. 안테나의 최대 개구 효율을 얻기 위해 개구의 형태는 모래시계 모양으로 하였고, 안테나의 대역폭이 최대가 되도록 U-슬롯의 길이와 스터브의 급전부 길이를 조절하였다.
제안된 U-슬롯 개구급전 안테나를 제작하여 회로망 분석기 HP-8753C을 사용하여 궤환손실(Return Loss)과 스미스도표(Smith Chart) 및 전압 정재파비(VSWR)을 측정하였다.
제작된 안테나의 복사 패턴을 측정하기 위해 스펙트럼 분석기 HP-8595E를 사용하였고, 실험은 반사파의 영향을 최소화하기 위해 전파 무반 사실에서 측정하였다. 그리고 측정된 안테나의 복사 패턴을 도시하면 그림 5와 같다.

대상 데이터

그리고 U-슬롯을 갖는 패치의 폭과 길이는 63x49mmm2이고, 재질은 얇은 동판이다. 또한 두께가 인 foam (비유전율÷1.1)을 사용하여 패치를 고정하였고, 급전선로가 존재하는 유전체는 비유전율 2.2, 두께 1.59mm인 RT Duroid-5880 기판을 사용하였다. 안테나의 접지판의 크기는 80X이고, 높이는 11.
이 중심을 직각 좌표계 의 원점으로 잡을 때 마이크로 스트립급전선 개방 단 끝점으로부터의 거리는 20 mm이다. 복사소자인 U-슬롯을 갖는 패치는 얇은 동판조각으로 폭 및 길이가 63 x 49mm2으로 선택하였고, 두께가 인 foam (비유전율 M1.1)을 사용하여 패치를 고정하였다.
그리고 실험적인 방법을 통하여 안테나의 대역폭과 이득 및 안테나의 복사 패턴을 측정하여 비교 분석하였다. 실험에 사용되 유전체는 비유전율이 2.2, 두께가 1.59 mm인 RT Duroid-5880 기판을 사용하였다.
여기서 U-슬롯이 있는 접지판의 크기는 80X 10mm² 이었다. 여기서 급전선로를 갖는 유전체는 비유전율이 2.2이고, 두께가 1.59 mm인 RT Duroid-5880 기판을 사용하여 구현하였다.
제작된 안테나의 모래시계형 개구의 크기는 25×15mm2이고, u-슬롯의 폭 2mm이다. 그리고 U-슬롯을 갖는 패치의 폭과 길이는 63x49mmm2이고, 재질은 얇은 동판이다.
그리고 급 전부의 아래는 약 2mm 간격을 두었고, 반사판을 부착한 Tri-plate 형태로 만들었다. 제작된 안테나의 총 높이는 11.5mm이다. 이는 기존의 3-차원(3-D) 변위(transition) 형태의 급전형 안테나의 높이가 약 15.

성능/효과

0dBi 향상된 결과 이임을 알았다. 그리고 Tri-plate 구조를 이용하여 작은 접지면으로 백로브를 효과적으로 감소시킬 수 있음을 확인하였다
또한 마이크로스트립 안테나의 접지판의 크기를 크게 하면 이득이 7~8dBi까지 증가함을 확인하였다. 아울러 패치와 개구 및 슬롯을 정교하게 제작하고, 다양한 유전체를 사용하면 안테나를 구현하면 보다 향상된 대역폭을 얻을 수 있으리라 생각된다.
또한 안테나의 이득은 공진주파수 2.35GHz에서 약 5.3dBi로 나타났고, 이는 약 2.14dB인 다이폴 안테나보다 3.3~4.0dBi 향상된 결과 이임을 알았다. 그리고 Tri-plate 구조를 이용하여 작은 접지면으로 백로브를 효과적으로 감소시킬 수 있음을 확인하였다
4% 비대역폭을 갖는 양호한 결과를 얻었다. 이 결과는 기본 마이크로스트립 안테나의 비대역폭이 2~3% 정도인데 비해 대역폭이 개선된 양호한 결과임을 알 수 있었다.
또한 Tri-plate가 없는 경우에는 백로브(backlobe)가 약 13dB 정도로 매우 크게 나타났다. 이는 상대적으로 이득이 약 2.14dB인 다이폴안테나보다 3.3~4.0dBi가 높게 나타났으나, 적절하게 Tri-plate를 부착함으로써 백로브를 줄이고, 안테나의 이득을 다이폴에 비해 약 두 배 정도 증가시킬 수 있었다.
제안된 U-슬롯 개구급전된 안테나에서 공진주파수는 패치의 크기에 따라 결정되고, 대역폭은 U-슬롯의 길이와 급전 부 스터브의 길이에 따라 결정됨을 실험적으로 확인하였다. 따라서 U-슬롯의 길이와 급전 부 스터브의 길이를 적절히 조절하여 양호한 대역폭 특성을 나타내도록 안테나의 파라미터를 구하였다.
최적 설계된 안테나의 대역폭은 약 150MHz로 나타났으며, 6.4% 비대역폭을 갖는 양호한 결과를 얻었다. 이 결과는 기본 마이크로스트립 안테나의 비대역폭이 2~3% 정도인데 비해 대역폭이 개선된 양호한 결과임을 알 수 있었다.

후속연구

앞으로의 과제로는 반사판이 없는 경우에 백로브를 감소시키는 방법이고, 또한 다양한 형태의 슬롯에 대한 최적 안테나를 구현하는 것이다

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