[논문]적층 세라믹 기판을 이용한 60 GHz WPAN총 2X4 배열 안테나

변우진; 김봉수; 강민수; 김광선; 김종면; 송명선

doi:10.5515/kjkiees.2008.19.12.1402

[국내논문] 적층 세라믹 기판을 이용한 60 GHz WPAN총 2X4 배열 안테나
Microstrip Patch Array Antenna Using Low Temperature Co-Fired Ceramic Substrates for 60 GHz WP AN Applications 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.1402 - 1409

변우진 (한국전자통신연구원 전파기술연구부) , 김봉수 (한국전자통신연구원 전파기술연구부) , 강민수 (한국전자통신연구원 전파기술연구부) , 김광선 (한국전자통신연구원 전파기술연구부) , 김종면 (한국전자통신연구원 전파기술연구부) , 송명선 (한국전자통신연구원 전파기술연구부)

초록
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본 논문에서는 상대 유전율이 큰 low temperature co-fired ceramic 기판을 이용한 안테나의 복사 성능을 높이고, 대역폭을 개선하기 위하여 low temperature co-fired ceramic cavity backed 안테나가 제안된다. Low temperature co-fired ceramic cavity는 각 층의 접지면을 다수의 비어로 연결하여 만들어진다. 그리고, cavity의 크기가 안테나의 복사 성능과 대역폭 성능에 미치는 영향을 보여준다. 제안된 $2{\times}4$ low temperature co-fired ceramic cavity backed 안테나의 크기는 $10{\times}20\;mm^2$이며, $57{\sim}64\;GHz$ 대역에서 이득 $11.8{\sim}14.1\;dBi$, 대역폭 13 %(7.9 GHz)을 가진다. 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 매우 잘 일치함을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a low temperature co-fired ceramic cavity backed antenna in order to improve the performances of radiation and bandwidth for the antenna with high relative dielectric constant is proposed. Low temperature co-fired ceramic cavity consisted of several ground planes with closely spaced metallic vias connected. It is shown that the size of a low temperature co-fired ceramic cavity has the effects on the performances of radiation and bandwidth for the antenna. The proposed 2x4 low temperature co-fired ceramic cavity backed antenna is $10{\times}20\;mm^2$ in size. Measured results show antenna gain of $11.8{\sim}14.1\;dBi$ and bandwidth of 13 %(7.9 GHz) in the $57{\sim}64\;GHz$ band.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 상대 유전율이 큰 LTCC 기판을 이용한 안테나의 복사 성능을 높이고, 대역폭을 개선하기 위하여 전통적으로 사용되었던 금속 cavity backed 안테나를 대체할 수 있는 LTCC cavity backed 안테나가 제안되었다. LTCC cavity는 접지면을 300 um 간격만큼 떨어진 다수의 금속 비어가 연결되어 만들어진다.
본 논문에서는 안테나의 복사 특성을 개선하기 위 하여 cavity backed 안테 나에 전통적으로 사용되 었던 금속 cavity 대신 LTCC cavity를 사용하고, 대역폭 특성을 만족시키기 위하여 적층 패치 안테나를 구성하며, 동축선 급전 대신 신호 비어에 의해 급전되는 2x4 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 구조가 제안된다. LTCC cavity는 각 층의 접지면을 밀접하게 위치시킨 다수의 금속 비어로 연결하여 만들어진다.

가설 설정

시뮬레이션 하였다. 여기서 LTCC cavity는 단순히 cavity의 효과를 구분하기 위하여 완전 도체 ca- vity를 가정하였으며, LTCC 기판의 크기는 10x10 mm로 정하였다. 그림 2는 시뮬레이션 파라메터 “2=4力i=400 um, 晶=2力i=200 um, Zi=650 urn, £2=100 um, 牌]二甲2늬 mm, 5i=0.

제안 방법

하지 만, LTCC 기판을 이용한 평 면형 안테 나의 경우 높은 상대 유전율 때문에 안테나의 대역폭이 제한되며 기판의 높이가 높아지면서 surface wave에 의한 영향으로 인하여 안테나의 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 이와 같은 평면형 안테나의 복사 성능을 개선하기 위하여 완전한 금속 cavity를 이용하여 동축선으로 급전된 cavity backed 안테나와 같은 고전적 인 방식"뿐만 아니라, photonic bandgap圆이나 electromagnetic bandgap网을 이용한 구조가 제안되었다. 또한, 최근에는 60 GHz 대역에서 LTCC 기판의 접지면과 금속띠를 접지 비어로 연결하여 만든 arti ficial soft surfaces을 이용하여 단일 슬롯 결합 안테나의 이득을 개선시키기 위한 논문이 발표되었다가 하지만, 10 dB 임피던스 대역폭이 3.
Cavity의 크기를 제외한 안테나 패치의 크기, 기판 높이 및 신호 비어의 급전 위치 등의 파라메터를 그림 2에서 주어진 값으로 결정한 후 LTCC cavity가 안테나의 임피던스 대역폭에 미치는 영향을 분석하기 위하여 그림 3에서 정의된 입력 임피던스 Z;*을 cavity의 크기를 변화하면서 시뮬레이션 하였다. 그림 4는 cavity의 크기 S” 를 변화시키면 얻어진 LTCC cavity backed 안테나의 입 력 임 피던스를 보여준다.
LTCC cavity의 효과를 분석 하기 위 하여 L i과 林2에 대한 초기값을 이용하여 LTCC cavity가 있는 경우와 없는 경우에 대한 안테나의 복사 특성을 시뮬레이션 하였다. 여기서 LTCC cavity는 단순히 cavity의 효과를 구분하기 위하여 완전 도체 ca- vity를 가정하였으며, LTCC 기판의 크기는 10x10 mm로 정하였다.
첫째, 근사식을 이용하여 패치의 크기에 대한 초기값을 구하고, 둘째, 상용 수치 해석 도구인 CST를 이용하여 급전 위치와 대역폭 규격을 만족시키기 위한 기판의 높이를 결정한 후 셋째, LTCC cavity의 크기를 결정한다. 그리고, 구해 진 단일 LTCC cavity backed 안테나의 설계 파라메터를 이용하여 60 GHz WPAN 규격인 대역폭 7 GHz, 안테나 이득 10 dBi 이상의 성능을 얻기 위한 배열 안테나를 설계한다. 안테나의 이득과 대역폭은 각 단일 안테나와의 간격에 많은 영향을 받기 때문에 상용 툴을 이용하여 최적화하였다.
것이다. 복사 패턴 측정은 한국전자통신연구원에서 보유하고 있는 18-110 GHz 대역까지 측정 가능한 near field 안테나 측정 시스템을 이용하였다. 안테나 측정 알고리즘은 (주)MTG에서 제공한 것이며, 사용한 프로브는 WR-15 도파관 안테나로써 50-75 GHz 대역에서의 이득 범위는 4.
그리고, 구해 진 단일 LTCC cavity backed 안테나의 설계 파라메터를 이용하여 60 GHz WPAN 규격인 대역폭 7 GHz, 안테나 이득 10 dBi 이상의 성능을 얻기 위한 배열 안테나를 설계한다. 안테나의 이득과 대역폭은 각 단일 안테나와의 간격에 많은 영향을 받기 때문에 상용 툴을 이용하여 최적화하였다.
직사각형 패치의 크기에 대한 초기값은 다음 근 사 식으로부터 얻어지고向, 상용 수치 해석 도구인 CST를 이용하여 최적화한다.
첫째, 근사식을 이용하여 패치의 크기에 대한 초기값을 구하고, 둘째, 상용 수치 해석 도구인 CST를 이용하여 급전 위치와 대역폭 규격을 만족시키기 위한 기판의 높이를 결정한 후 셋째, LTCC cavity의 크기를 결정한다. 그리고, 구해 진 단일 LTCC cavity backed 안테나의 설계 파라메터를 이용하여 60 GHz WPAN 규격인 대역폭 7 GHz, 안테나 이득 10 dBi 이상의 성능을 얻기 위한 배열 안테나를 설계한다.

대상 데이터

002, 각 층의 기판 두께는 100 um이다. 그리고 사용된 금속 도체는 금과 은이며, 안테나의 복사면은 금(3x10, s/m)으로 도금되었고, 나머지 비어와 금속면은 은(4x1/ s/m)이다.
제안된 구조로부터 얻어질 수 있는 부가적인 장점은 급전부가 안테나의 복사 면과 반대편에 위치하므로, 송수신 모듈과 안테나 상호 간의 신호 결합에 의한 복사 특성 및 송수신기 성능에 영향을 주지 않기 때문에 안테나와 송수신 모듈과의 집적화에 훨씬 더 유리하다는 것이다. 사용된 LTCC 기판은 Ferro A6S이며, 상대 유전율 5.9, 상대 투자율은 1, 60 GHz에서 loss tangent 0.002, 각 층의 기판 두께는 100 um이다. 그리고 사용된 금속 도체는 금과 은이며, 안테나의 복사면은 금(3x10, s/m)으로 도금되었고, 나머지 비어와 금속면은 은(4x1/ s/m)이다.
5 GHz에는 미치지 못하지만 매우 비슷한 결과를 보여준다. 측정은 Anritsu 벡터 네트워크 해석기(37397C)를 이용하였다.

성능/효과

이득과 마찬가지로 그림 6에서 보이는 것처럼 안테나의 복사 패턴을 측정하기 위하여 금속 기구물을 사용한 것이며, 시뮬레이션 결과도 기구물을 고려한 것이다. 60 GHz 대역에서 측정된 결과와 시뮬레이션 결과는 주 빔 방향에서 좋은 일치를 보여준다. H plane의 3 dB 빔 폭의 경우 시뮬레이션 결과는 19도, 측정 결과는 17도이며, E plane의 3 dB 빔 폭은 시뮬레이션 결과는 29.
그림 4는 cavity의 크기 S” 를 변화시키면 얻어진 LTCC cavity backed 안테나의 입 력 임 피던스를 보여준다. 공진 주파수는 60 GHz 근처에서 얻어졌으며, cavity의 크기가 증가하면서 임피던스 궤적 루프가작아짐을 확인할 수 있다. 이로부터 cavity의 크기는 LTCC 기판의 층 수와 더불어서 임피던스 대역폭 규격을 만족시키 기 위 한 중요한 설계 파라메터 라는 것을 알 수 있다.
1 dBi。] 며, 이는 60 GHz WPAN 규격에 충분히 만족함을 알 수 있다. 그리고, LTCC cavity가 없는 경우에 비하여 이득 개선 효과가 매우 크다는 것을 확인할 수 있다.
수 있다. 그리고, cavity를 사용함으로써 복사 패턴의 왜곡이 개선될 수 있음을 또한 확인할 수 있다. 하지만 E-plane 패턴의 모양에 대칭성이 없는 이유는 전송선에 의한 복사가 영향 때문인 것으로 판단된다.
LTCC cavity는 접지면을 300 um 간격만큼 떨어진 다수의 금속 비어가 연결되어 만들어진다. 그리고, cavity의 크기는 안테나의 복사성능 개선뿐만 아니라 대역폭 성능에도 매우 많은 영향이 있음을 확인하였다. 제안된 2x4 LTCC cavity backed 안테나의 크기는 10x20 mm², 이득 11.
9 GHz로 60 GHz WPAN 응용을 위한 요구 규격을 만족한다. 그리고, 측정 결과와 시뮬레이션 결과는 매우 잘 일치함을 보여준다. 향후 60 GHz WPAN용 송수신 모듈과의 집 적 화를 통한 소형의 송수신 모듈에 충분히 응용이 가능하다.
그리고, cavity의 크기는 안테나의 복사성능 개선뿐만 아니라 대역폭 성능에도 매우 많은 영향이 있음을 확인하였다. 제안된 2x4 LTCC cavity backed 안테나의 크기는 10x20 mm², 이득 11.8〜 14.1 dBi, 대역폭 7.9 GHz로 60 GHz WPAN 응용을 위한 요구 규격을 만족한다. 그리고, 측정 결과와 시뮬레이션 결과는 매우 잘 일치함을 보여준다.
1 dBi의 이득이 측정되었으며, 60 GHz WPAN 응용에 적합함을 보여준다. 제안된 구조로부터 얻어질 수 있는 부가적인 장점은 급전부가 안테나의 복사 면과 반대편에 위치하므로, 송수신 모듈과 안테나 상호 간의 신호 결합에 의한 복사 특성 및 송수신기 성능에 영향을 주지 않기 때문에 안테나와 송수신 모듈과의 집적화에 훨씬 더 유리하다는 것이다. 사용된 LTCC 기판은 Ferro A6S이며, 상대 유전율 5.
LTCC cavity는 각 층의 접지면을 밀접하게 위치시킨 다수의 금속 비어로 연결하여 만들어진다. 제안된 안테나는 선형 편파 특성을 가지며 60 GHz 대역에서 13 %(7.9 GHz)의 대역폭과 최대 11.8-14.1 dBi의 이득이 측정되었으며, 60 GHz WPAN 응용에 적합함을 보여준다. 제안된 구조로부터 얻어질 수 있는 부가적인 장점은 급전부가 안테나의 복사 면과 반대편에 위치하므로, 송수신 모듈과 안테나 상호 간의 신호 결합에 의한 복사 특성 및 송수신기 성능에 영향을 주지 않기 때문에 안테나와 송수신 모듈과의 집적화에 훨씬 더 유리하다는 것이다.

후속연구

그리고, 측정 결과와 시뮬레이션 결과는 매우 잘 일치함을 보여준다. 향후 60 GHz WPAN용 송수신 모듈과의 집 적 화를 통한 소형의 송수신 모듈에 충분히 응용이 가능하다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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