[논문]평판형 메타 물질로 구성된 상부 덮개를 갖는 와이브로 기지국용 고 이득 Fabry-Pérot 공진기 안테나

김동호; 최재익

doi:10.5515/kjkiees.2008.19.12.1367

평판형 메타 물질로 구성된 상부 덮개를 갖는 와이브로 기지국용 고 이득 Fabry-Pérot 공진기 안테나
High-Gain Fabry-Pérot Cavity Antenna with Planar Metamaterial Superstrate for Wibro Base Station Antennas 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.19 no.12 = no.139, 2008년, pp.1367 - 1374

김동호 (한국전자통신연구원) , 최재익 (한국전자통신연구원)

초록
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음의 유전율 및 투자율을 갖도록 고안된 메타 물질을 안테나 상부 덮개(superstrate)로 사용한 와이브로(Wibro: wireless broadband internet) 기지국용 고 이득 Fabry-$P{\acute{e}}rot$ 공진기 안테나를 제안한다. 안테나의 상부 덮개로 사용된 새로운 메타 물질은 기존의 PCB 기술로 쉽게 제작 가능하도록 평판형으로 설계되었으며, 와이브로 서비스 주파수 대역 근방에서 음의 굴절률 및 '1'보다 작은 저 굴절률 값을 갖는다. 안테나의 이득 증대 효과를 유효매질 관점에서 추출된 메타 물질의 저 굴절률 특성과 Fabry-$P{\acute{e}}rot$ 공진기의 공진 조건이라는 두 가지 측면에서 분석하였다. 단일 정사각형 패치 안테나가 공진기 내부의 신호 피더로 사용되었으며, Fabry-$P{\acute{e}}rot$ 공진 조건을 충족시키기 위해 피더와 메타 물질 상부 덮개 사이의 이격 거리는 유전체 층을 포함한 접지면의 반사 위상과 메타 물질 상부 덮개의 반사 위상을 함께 고려하여 설정하였다. 시뮬레이션을 통한 예측 특성과 실험 결과가 잘 일치하였으며, 이를 통하여 본 논문에서 제시한 설계 방법이 타당함을 입증할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A new high-gain Fabry-$P{\acute{e}}rot$ cavity antenna for wireless broadband internet(Wibro) base station antennas, which is covered with metamaterial superstrate presenting simultaneous negative values of permittivity and permeability, is proposed. To facilitate the fabrication process using the printed circuit board(PCB) technology of today, a new planar-type metamaterial superstrate is designed, which shows negative and low positive values of a refractive index near the Wibro service frequency band. And the principle of antenna gain enhancement is analyzed from the two different view points of effectively low refractive index and of the Fabry-$P{\acute{e}}rot$ resonance condition. Single square patch antenna is used as a feeder. The separation distance is determined by considering the reflection phases of the metamaterial superstrate and the substrate satisfying Fabry-$P{\acute{e}}rot$ resonance condition, respectively. Comparison between the prediction and the measurement shows good agreement, which verifies the validity of our design approach.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 사용된 상부 덮개의 메타 물질 셀은 0 굴절률과 원하는 Fabry-Perot 공진 특성이 안테나에 미치는 영향을 최대한 유사한 주파수 대역에서 함께 보기 위한 목적으로 설계되었다. 따라서 그림 9에 보인 약 14.
본 논문에서는 음의 굴절률을 나타내는 평판형메타 물질과 이 메타 물질을 상부 덮개로 갖는 패치안테나 피더로 구성된 2.3 GHz 대역을 사용하는 와이브로 기지국용 공진기 형태의 안테나를 제안하였다. 비교적 얇은 메타 물질의 두께 방향으로 진행하는 평면파에 대하여 제안된 메타 물질은 음의 굴절률을 나타냄을 확인할 수 있었으며, 굴절률이 거의 F'에 가까운 대역에서 이득이 높지는 않지만 예측했던 대로 빔이 집중되는 현상을 확인할 수 있었다.
본 절에서는 Fabry-Perot 공진 특성을 이용하여 높은 이득을 갖는 안테나를 설계한다. 공진기 안테나의 구조는 앞서 보인 그림 5와 동일하며, 접지면은 상부 덮개와 동일한 크기를 갖는다.
이러한 안테나는 상부 덮개와 접지면의 반사 위상 및 거리 d가 공진기의 공진 조건을 만족시킬 때, 높은 이득을 나타내는 특성이 있다. 이러한 고 이득 특성은 다음 절에서 살펴보기로 하고, 여기서는 우선 이러한 Fabry-Perot 공진 특성을 없애 굴절률이 거의에 근접하는 메타 물질의 특성이 안테나에 미치는 영향에 대하여 살펴보겠다.

제안 방법

것이다. Fabry-Perot 공진 특성을 없애고, 메타 물질 상부 덮개의 영향만을 보기 위해서 패치 안테나의 크기는 동일하게 유지하면서 접지면의 면적을 상부 덮개 면적의 약 1/24 크기로 축소하였다. 그리고 상부 덮개와 패치 안테나 사이 거리를 2 mm 거리로 밀착시켰다.
우선, 2 GHz 대역에서 음의 유전율, 투자율 및 굴절률을 동시에 갖는 평판형 메타 물질을 새롭게 제안한다. 그리고 이 메타 물질이 갖는 두 가지 서로 다른 즉특성, 즉, 굴절률이 거의 '0'에 근접하는 특성과, Fabry- Perot 공진 특성을 유도할 수 있는 반사 위상 특성 이 각각 안테나의 이득 향상에 미치는 영향을 구분하여 분석하였다. 설계 대상 안테나는 와이브로(Wibro: Wireless broadband internet) 주파수 대역(2.
실험을 위하여 X 방향으로 10개의 메타 물질 셀을 붙이고, z 방향으로는 경사를 갖도록 맨 왼쪽에 20개의 셀을 쌓고, X 방향으로 가면서 셀을 2개씩 빼면서 결과적으로 그림 4 와 같은 프리즘 형태를 만들었다. 명확한 굴절 특성관찰을 위해 프리즘 부분을 제외한 나머지 부분은 도체로 막아 y 방향 편파를 갖는 평면파가 프리즘 부분으로만 입사되도록 하였다. 프리즘의 경사 각도는 약 16.
및 결과를 보인 것이다. 실험을 위하여 X 방향으로 10개의 메타 물질 셀을 붙이고, z 방향으로는 경사를 갖도록 맨 왼쪽에 20개의 셀을 쌓고, X 방향으로 가면서 셀을 2개씩 빼면서 결과적으로 그림 4 와 같은 프리즘 형태를 만들었다. 명확한 굴절 특성관찰을 위해 프리즘 부분을 제외한 나머지 부분은 도체로 막아 y 방향 편파를 갖는 평면파가 프리즘 부분으로만 입사되도록 하였다.
우선, 2 GHz 대역에서 음의 유전율, 투자율 및 굴절률을 동시에 갖는 평판형 메타 물질을 새롭게 제안한다. 그리고 이 메타 물질이 갖는 두 가지 서로 다른 즉특성, 즉, 굴절률이 거의 '0'에 근접하는 특성과, Fabry- Perot 공진 특성을 유도할 수 있는 반사 위상 특성 이 각각 안테나의 이득 향상에 미치는 영향을 구분하여 분석하였다.

대상 데이터

9. Gain and directivity properties of the Wibro antenna(d=72mm, wg=242 mm, θ=∅=0).
그림 5. 공진기 안테나 및 피더로 사용된 패치 안테나 구조(rv=1.0mm, yo=4mm,h2=1.52mm, wa=32.5mm, wg=262mm, εr1=6.15, εr2=3.5).
이격 거리가 10 mm인 경우, 다른 주파수 대역에서의 이격 거리가 구현 불가능한 음수의 값을 가지며, 안테나의 상부 덮개에 적용한 결과 적절한 이득을 얻을 수 없었다. 따라서 본 논문의 안테나에서는 72 mm의 이격 거리를 사용하였다.
내부의 '須자 모양 형태 구조와 외부의 정사각형 루프로 구성되어 있으며, 유전체의 양면에 동일한 구조가 에칭되어 있다. 사용된 유전체는 타코닉(Taconic)사의 RF-60A 기판으로 10 GHz에서 상대유전율은 6.15, 손실 탄젠트(loss tan- gent)는 약 0.0018의 값을 갖는다.
그리고 이 메타 물질이 갖는 두 가지 서로 다른 즉특성, 즉, 굴절률이 거의 '0'에 근접하는 특성과, Fabry- Perot 공진 특성을 유도할 수 있는 반사 위상 특성 이 각각 안테나의 이득 향상에 미치는 영향을 구분하여 분석하였다. 설계 대상 안테나는 와이브로(Wibro: Wireless broadband internet) 주파수 대역(2.3 ~2.4 GHz) 에서 동작하는 고이득 기지국용 안테나이다. 이 안테나는 기존 PCB 공정으로도 제작이 용이한 평판형메타 물질 구조를 안테나의 상부 덮개로 갖는 Fa- biy-Perot 공진기와 신호 피더로 구성된다.
실험은 참고문헌 [6] 에서 사용된 것과 유사한 방법을 통하여 이루어졌다. 측정에는 ETS-Lin- dgren 사의 ETS-3U5 광대역 표준 혼 안테나가 사용되었다.
9 人)씩 붙여 만들어졌으며, 패치 안테나로부터 거리 d만큼 이격되어 있다. 패치 안테나는 Taconic 사의 RF-35 기판으로 제작되었다. 제안된 안테나는 그림 5(b)와 같이 상부 덮개와 유전체로 덮인 접지면이 Fabry-Perot 공진기를 이루고 있으며, 이 공진기 내부에 패치 안테나가 신호를 공급하고 있다.

이론/모형

본 논문에서는 e - 顽인 시간 의존성이 사용되었다.
이 안테나는 기존 PCB 공정으로도 제작이 용이한 평판형메타 물질 구조를 안테나의 상부 덮개로 갖는 Fa- biy-Perot 공진기와 신호 피더로 구성된다. 본 논문의 시뮬레이션은 CST Microwave Studio를 이용하여 수행되었다.

성능/효과

있었다. 3 dB 빔 폭이 E, H 평면에 대하여 약 30° 정도로 국한되어 안테나 하나만으로는 방위 각(azimuth) 에 해당하는 전 방향을 커버할 수는 없지만, 단일 패치 안테나라는 단순한 피딩 구조만으로도 비교적 높은 이득을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
그리고 실제 응용 가능한 고이득 안테 나의 설계를 위하여 메타 물질 상부를 덮개로 갖는 Fabry-Perot 공진기 타입의 안테나를 제안하였으며, 와이브로 전주 파수 대역에서 약 11 dB 이상의 실현 이득을 얻을 수 있었다. 3 dB 빔 폭이 E, H 평면에 대하여 약 30° 정도로 국한되어 안테나 하나만으로는 방위 각(azimuth) 에 해당하는 전 방향을 커버할 수는 없지만, 단일 패치 안테나라는 단순한 피딩 구조만으로도 비교적 높은 이득을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
E, H 평면에 대해 주 빔 방향으로 유사한 패턴을 나타내며, 주 빔은 약 30° 내외의 3 dB 빔 폭을 가진다. 그림 9와 그림 10에 주어진 안테나 이득의 측정 결과들은 시뮬레이션을 통한 예측치와 매우 잘 일치하며, 이는 본 논문에서 사용된 해석 및 설계 방법이 유효함을 증명한다.
1 dB이며, 패치 안테나만 사용하였을 경우에 비해 약 10 dB 정도의 이득증가 효과가 있었다. 또한, 약 2.3~2.4 GHz 대역에서 실현 이득이 11 dB 이상으로, 와이브로 서비스 대역 전체를 커버하고 있음을 볼 수 있다. 그림 9에서 목표로 한 와이브로 대역을 제외한 주파수 대역에서 지향성(directivity)과 실현 이득 사이에 많은 차이가 있음을 볼 수 있는데, 이는 안테나의 전체 효율(total efficiency)이 2.
본 논문에서는 안테나의 중심 주파수를 와이브로 대역의 중심인 2.35 GHz로 설정하였으며, 그림 8에서 보인 바와 같이 그 중심 주파수에 해당하는 적절한 이격 거리 0)가 약 10 mm와 72 mm임을 확인할 수 있다. 이격 거리가 10 mm인 경우, 다른 주파수 대역에서의 이격 거리가 구현 불가능한 음수의 값을 가지며, 안테나의 상부 덮개에 적용한 결과 적절한 이득을 얻을 수 없었다.
3 GHz 대역을 사용하는 와이브로 기지국용 공진기 형태의 안테나를 제안하였다. 비교적 얇은 메타 물질의 두께 방향으로 진행하는 평면파에 대하여 제안된 메타 물질은 음의 굴절률을 나타냄을 확인할 수 있었으며, 굴절률이 거의 F'에 가까운 대역에서 이득이 높지는 않지만 예측했던 대로 빔이 집중되는 현상을 확인할 수 있었다.
등을 나타낸 것이다. 안테나의 최대 실현이득은 2.35 GHz에서 약 14.1 dB이며, 패치 안테나만 사용하였을 경우에 비해 약 10 dB 정도의 이득증가 효과가 있었다. 또한, 약 2.
Fabry-Perot 공진 조건을 다른 주파수 대역에서는 만족하지 못하는 것이 또 다른 이유이다. 하지만 실현 이득이 안테나의 소스 부와 안테나 사이의 부정합, 복사 효율(radiation efficiency), 안테나의 손실 저항 등을 모두 포함하는 최종 이득임을 감안하면, 목표 주파수 대역에서 지향성(directivity)과 거의 유사한 값을 보이는 것은 제안된 안테나의 전체 효율(total efficiency)이 매우 좋음을 의미한다.

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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