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문제 정의
- 본 논문은 2.635~ 2.655 [GHz] 대역을 사용하는 차량용 위성 DMB 단말기 의 수신 안테나에 대하여 차량에 설치가 용이 하고 유지보수가 간편한 구조로 설계하기 위하여, 이득과축비가우수하며 단일급전 방식인 거의 정사각형인 마이크로스트립 원 편파 패치 안테나와 매우 양호한 임피던스 정합으로 안테나와 결합하는 고 이득특성과 양호한 잡음지수를 갖는 2단 LNA를 개발하여 결합하였고, 실제 제작하여 측정한 결과 S-DMB 단말기의 수신용 안테나 구조로 사용할 수 있음을 보여주었다.
제안 방법
- 2.6[GHz]대 역에서 적절한 대역폭과 고 이득을 갖는2 단LNA를 설계할 때 우선 선형 라이브러리를 이용하여 S-파라미 터 로 설계 한 후 Single ended typm의 증폭기 를 설계하여 최적의 잡음지수를 구현하며, 전치 증폭기의 선형성을 해석한다. 이러한 구조는 입력단의 반사손실 특성과 잡음지수특성이 만족할 수 있도록 입력 정합회로를 설계하여야 하며, 완벽하지 않아도 출력 단의 반사손실 또한 다음 단을 위하여 고려하여야 한다.
- S-DMB 대역을 사용하는 차량용 위성 DMB 단말기의 수신용 안테나로서 거의 정사각형인 단일급전 원편파마이크로스트립 패치 안테나를 해석, 설계 및 제작하였고, 또한 안테나와 매우 양호한 임피던스 정합 특성으로결합하는 고 이득 특성 그리고 양호한 잡음지수를 갖는 2단LNA를 설계 및 제작하였다. 제작된 패치 안테나와2 단 LNA를 각각 측정 하였으며, 안테나는 2.
- Tre Infineon 사의 BFP620이다. SPICE 파라미 터들과 Tr의 패키지 등가회로와 이에 따른 소자 값들은 제조회사에서 제공하므로 이를 참고하였다.
- 이때 패치 안테나의 급전점과 LNA의 입력단자는 피더를 통해서 직접 결합하므로 안테나 구조를 설계할 때 패치 안테나의 특성의 변화가거의 없는 급전 점의 위치를 적절하게 결정해야 한다. [그림 1]과 같은 구조는 노이만(Neumann) 경 계조건과 Rayleigh-Ritz 방법을 이용하여 유한한 갯수의 고유 값과고유함수로 표현된 행렬 방정식으로부터 퍼텐셜을 구하여 해석하고同, 이로부터 원편파를 얻기 위하여 크기는 같고 위상차가 90°인 두 개의 우세모드(dominant modes)를 구하여 안테나의 급전 점의 위치, 패치의 크기, 변형된 패치의 폭 그리고 원 편파 발생 주파수를 구하였다. [표 1]은 무한 접지 면일 때 패치안테나의 구조를 이론적 으로 구한 값이다.
- 사실은 잘 알려져 있다. 따라서 [표 1]의 치 수를 바탕으로 유한한 접지 면을 갖는 유전체 층의 폭과 길이가 LxL=40x40{mm] 일 때 안테 나의 특성을 살펴 보았다. 정사각형 패치 안테나의 길이와 폭은 W=37.
- 6 [GHz] 대역에서 제작한안테나의 입력 반사손실이 -10[dB]이하로 특성이 매우양호함을 관찰할 수 있었다. 시뮬레이션 결과와 실험결과의 차이는 가장자리에서 프린징 필드와 급전 점에서임피던스 정합의 변화 등에 의해서 생겼으며 이와 같은효과들을 고려하여 설계 및 제작하였다.
- 안테나의 특성을 보완하기 위하여 고이득 특성을 갖는 2단LNA를 제 작하여 입/출력단의 반사손실, 이득, 잡음지수 등을 측정하여 [그림 8]-12에 도시하였다. 2.
- 제조회 사에서 제공하는 파라미 터 들과 ADS 2004A 프로그램을 이용하여 적절한 대역폭과 고 이득 그리고 저잡음 특성을 갖도록 각 단에서 임피던스 정합이 유지되는 시뮬레이션 회로도를 작성하여 [그림 5]에 도시하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서 제안한 적절한 대역폭과 고 이득 특성을 갖는 2단 저 잡음 증폭기를 시뮬레 이 션 할 때 사용한 고주파용 Tre Infineon 사의 BFP620이다. SPICE 파라미 터들과 Tr의 패키지 등가회로와 이에 따른 소자 값들은 제조회사에서 제공하므로 이를 참고하였다.
- 안테나를 도시하였다. 이때 안테나의 [mm]인 테플론 기판을 사용하였고, LNA는 Rogers 사의 R04003 기판 G=3.38, t=20mil)을 사용하여 제작하였다. 기판의 전체적인 치수는LxL=X)x40回间로 고정하였다.
- 패치 안테나는 x-y 평면에 위치하며, 유한한 접지 면을 갖는 유전체 층의 폭과 길이는 각각 LxL=40x40[mm]로정하고, 이때 유전체 층의 두께는 t=0.787[mm], 상대 유전율은 j =2.2 인 테플론 기판을 사용하였다. 정사각형 패치의 폭과 길이는 W이고, 변형되는 패치의 폭과 면적은 각각 dW, dS(=dWxw)이다.
성능/효과
- 2.6 [GHz] 대역에서 매우 양호한 특성들을 확인할 수 있었다. f=2.
- 측정하여 [표 3]에 나타내었다. 2.6 [GHz] 대역에서 이득과 축비가 매우 우수함을 관찰할 수 있었다. 결론적으로 거의 정사각형인 패치 안테나는 S-DMB 수신용 단일급전 원 편파 패치 안테나로서 매우 유용하게 사용할 수있음을 확인할 수 있었다.
- 실험결과를 나타내었다. 2.6 [GHz] 대역에서 제작한안테나의 입력 반사손실이 -10[dB]이하로 특성이 매우양호함을 관찰할 수 있었다. 시뮬레이션 결과와 실험결과의 차이는 가장자리에서 프린징 필드와 급전 점에서임피던스 정합의 변화 등에 의해서 생겼으며 이와 같은효과들을 고려하여 설계 및 제작하였다.
- 6 [GHz] 대역에서 이득과 축비가 매우 우수함을 관찰할 수 있었다. 결론적으로 거의 정사각형인 패치 안테나는 S-DMB 수신용 단일급전 원 편파 패치 안테나로서 매우 유용하게 사용할 수있음을 확인할 수 있었다.
- 그러므로 고 이득 2단 LNA를 결합한 단일급전 원편파 패치 안테나 구조는 S-DMB 단말기의 수신용 안테나구조로 매우 유용하게 사용할 수 있음을 보여주었다. 향후 단말기 에 직접 결합될 때 공진주파수, 입력 반사손실과 복사특성 등의 다양한 변화에 대하여 연구가 필요하다.
- 54[dB]가 되어 고 이득 특성을 갖는 2단 LNA로서 매우 유용하다고 생각된다. 따라서 거의 정사각형의 패치 안테나와 2단 LNA를 결합하면 f=2.642 [GHz] 에서 총 이 득은 30.64 [dB]로 S-DMB 수신용 패치 안테나로서 유용하게 사용할 수 있음을 확인하였다.
- 보어 사이트(fere-si앙it)에서 양호한원 편파 특성이 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 유한한접지 면으로 인해 패치 안테나 뒤 쪽으로도 복사하므로 무한 접지 면보다 더욱 복사 각이 커짐을 알 수 있고 3 는 실제 사용할 때 보다 유용하게 사용할 수 있음을 관찰할 수 있었다.
- 복사패턴이다. 보어 사이트(fere-si앙it)에서 양호한원 편파 특성이 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 유한한접지 면으로 인해 패치 안테나 뒤 쪽으로도 복사하므로 무한 접지 면보다 더욱 복사 각이 커짐을 알 수 있고 3 는 실제 사용할 때 보다 유용하게 사용할 수 있음을 관찰할 수 있었다.
- 따라서 [표 1]의 치 수를 바탕으로 유한한 접지 면을 갖는 유전체 층의 폭과 길이가 LxL=40x40{mm] 일 때 안테 나의 특성을 살펴 보았다. 정사각형 패치 안테나의 길이와 폭은 W=37.4 [mm], 변형되는 패치의 폭은 dW=0.5 [mm], 급전 점의 위치는 (, xo, yo) =(3.8, -3.5)일 때 HFSS 프로그램으로 설계하여 시뮬레이션 결과 원 편파 발생주파수는f=2.418 [GHz]로 이론적으로 구한 결과보다 낮은 주파수에서 발생함을 관찰할 수 있었다. 이는 유한한 접지 면과 패치 사이의 fringing 효과가 고려 된 결과이다.
- 설계 및 제작하였다. 제작된 패치 안테나와2 단 LNA를 각각 측정 하였으며, 안테나는 2.6 [GHz[ 대 역에서 이득과 축비의 값이 매우 우수하였고, 2단 LNA의 입/출력 반사손실과 이득, 잡음지수의 값도 매우 양호함을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 642 [GHz]일 때 계산한 값이다. 표에서 보듯이 바이 어스 전압이 5[VT일 때 입/출력 단에서 임피던스 정합, 이득과잡음지 수가 양호하므로 2. 6 [GHz] 대 역 에서 우수한 2단 LNA를 제작할 수 있을 것이다.
- 보여주었다. 향후 단말기 에 직접 결합될 때 공진주파수, 입력 반사손실과 복사특성 등의 다양한 변화에 대하여 연구가 필요하다.
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