[논문]EBG(Electromagnetic Band-Gap) 접지면을 갖는 개선된 U-Slotted 패치 안테나의 설계

박종환; 임성빈; 최학근

doi:10.5515/kjkiees.2008.19.3.304

EBG(Electromagnetic Band-Gap) 접지면을 갖는 개선된 U-Slotted 패치 안테나의 설계
Design of Improved U-Slotted Patch Antennas with EBG Ground Plane 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.19 no.3 = no.130, 2008년, pp.304 - 310

박종환 (단국대학교 전자공학과) , 임성빈 (한국항공우주연구원) , 최학근 (단국대학교 전자공학과)

초록
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이동 통신용 안테나로 PEC(Perfect Electric Conductor) 접지면을 갖는 U-slotted 패치 안테나가 널리 이용되고 있으나, 이동 통신 능력을 확대하기 위하여 대역폭의 개선이 요구되어 왔다. 본 논문에서는 대역폭을 확대하기 위하여 EBG(Electromagnetic Band-Gap) 접지면을 갖는 U-slotted 패치 안테나를 제안하고, 그 복사 특성을 고찰하였다. 본 논문에서 제안한 EBG 접지면을 갖는 U-slotted 패치 안테나의 대역폭이 개선됨을 보이기 위하여 EBG와 PEC 접지면을 갖는 두 가지 형태의 U-slotted 패치 안테나를 설계 제작하고 복사 특성을 측정하였다. 측정결과, EBG 접지면을 갖는 U-slotted 패치 안테나가 PEC 접지면을 갖는 안테나보다 대역폭이 넓은 것으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Generally U-slotted patch antenna with PEC(Perfect Electric Conductor) ground plane is used for mobile telecommunication. However the improvement of the bandwidth is required to enlarge the capability of mobile telecommunication, In this paper, U-slotted patch antenna with EBG(Electromagnetic Band-Gap) ground plane is proposed to enlarge thr bandwidth and its radiation characteristics are investigated. To conform the bandwidth improvement, two kinds of U-slotted patch antennas with EBG and PEC ground plane are designed, fabricated, and radiation characteristics are measured. It is shown that the proposed antenna is wider than U-slotted patch antenna with PEC ground plane in bandwidth.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 광대역 안테나 중의 하나로 EBG 접지면을 갖는 U-slotted 패치 안테나를 설계하였다. 설계된 안테나는 프로브를 사용하여 급전한 직사각형의 패치에 U자 형태의 슬롯을 갖는 안테나의 소자와 정사각형 패치와 비아를 주기적으로 배열한 EBG 접지면으로 구성하였다.
이를 위하여 본 논문에서는 PEC 접지면 대신에 EBG(Electromagnetic Band-Gap) 접지면을 갖는 U slotted 패치 안테나를 설계하고 특성을 고찰한다. EBG 접지면은 메타머 터리 얼(metamaterial) 전송 선로 이론미을 바탕으로 한 구조를 가지며, 이를 이용한 안테나는 동일한 크기의 다른 안테나에 비해 넓은 대역폭을 갖는다는 장점이 있다.

제안 방법

5 mm, 직사각형 패치와 U-slot의 간격( *0 9 mm로 각각 결정하였다. EBG 접지면은 앞에서 언급한 EBG 접지면의 구조와 참고문헌 [4], [6]을 통해 근사값을 도출한 후, 해석 툴을 사용하여 패치의 길이(a), 패치간의 간격(g) 등을 결정하고, 접지면의 크기는 패치의 수에 따른 대역 저지 특성을 확인하여 결정하였다. 그림 4는 결정된 U-slotted 패치와 구조 파라미터의 변화에 따른 안테나의 반사 손실을 보여주고 있다.
폭(X。16 mm, U-slot의 가로 두께(Xj 7.5 mm, U-slot의 높이 ( Kj) 48 mm, U-slot의 세로 두께( K2) 4.5 mm, 직사각형 패치와 U-slot의 간격( *0 9 mm로 각각 결정하였다. EBG 접지면은 앞에서 언급한 EBG 접지면의 구조와 참고문헌 [4], [6]을 통해 근사값을 도출한 후, 해석 툴을 사용하여 패치의 길이(a), 패치간의 간격(g) 등을 결정하고, 접지면의 크기는 패치의 수에 따른 대역 저지 특성을 확인하여 결정하였다.
이는 프로브를 사용하여 급전한 직사각형 패치에 U자 형태의 슬롯을 갖는 안테나의 소자와 정사각형 패치와 비아를 주기적으로 배열한 EBG 접지면을 기본 구조로 한다. 그림에서 접지면의 패치 길이 a 패치 간의 간격 g, 접지면과 안테나 소자 사이의 폼(foam substrate) 높이 久 및 프로브 위치 probe_position 등을 변화시키면서 반사 손실을 계산하고, 그것을 설계에 이용하였다. 안테나 성능은 CST사의 MWS 2006B 를 사용하여 계산하였다.
안테나의 설계는 접지면의 패치 길이, 패치 사이의 간격, 접지면과 안테나 소자 사이의 폼 높이 및 프로브 위치에 따른 안테나 특성을 도출하여 그것을 이용한다. 또한, EBG 접지면을 갖는 안테나의 성능을 평가하기 위하여 PEC 접지면을 갖는 안테나를 제작하고, 각각에 대한 측정 결과를 비교하여 나타낸다.
본 논문에서 제안하고 있는 안테나는 정사각형 형태의 EBG 접지면을 갖는 U-slotted 패치 안테나로서 프로브(probe)를 사용하여 급전한 직사각형의 패치에 U자 형태의 슬롯을 갖는 안테나 소자와 정사각형 패치와 비아(via)를 주기적으로 배열한 EBG 접지면을 기본 구조로 갖는다. 안테나의 설계는 접지면의 패치 길이, 패치 사이의 간격, 접지면과 안테나 소자 사이의 폼 높이 및 프로브 위치에 따른 안테나 특성을 도출하여 그것을 이용한다.
설계하였다. 설계된 안테나는 프로브를 사용하여 급전한 직사각형의 패치에 U자 형태의 슬롯을 갖는 안테나의 소자와 정사각형 패치와 비아를 주기적으로 배열한 EBG 접지면으로 구성하였다. 안테나는 접지면의 패치 길이, 패치 간의 간격, 접지면과 안테나 소자 사이의폼 높이 및 프로브 위치 등을 변화시키면서 반사 손실을 계산하고, 그 결과를 이용하여 설계하였다.
설계된 안테나는 프로브를 사용하여 급전한 직사각형의 패치에 U자 형태의 슬롯을 갖는 안테나의 소자와 정사각형 패치와 비아를 주기적으로 배열한 EBG 접지면으로 구성하였다. 안테나는 접지면의 패치 길이, 패치 간의 간격, 접지면과 안테나 소자 사이의폼 높이 및 프로브 위치 등을 변화시키면서 반사 손실을 계산하고, 그 결과를 이용하여 설계하였다. 제작된 EBG 접지면 U-slotted 패치 안테나는 같은 크기로 제작된 PEC 접지면 안테나와 비교할 때 복사 패턴은 서로 유사하고, 정재파비는 2:1 이하인 영역에서의 대역폭이 약 100 MHz 이상 개선되었음을 확인하였다.

대상 데이터

6 mm) 기판을 사용하였고, 직사각형 패치에 비아를 뚫어 아랫면의 기판에 접속하였다. 또한, 제안된 안테나와의 성능 비교를 위해 제작된 PEC 접지면을 갖는 안테나는 동일한 높이를 만들기 위해 접지면을 FR-4 양면 기판을 사용하였다.

이론/모형

그림에서 접지면의 패치 길이 a 패치 간의 간격 g, 접지면과 안테나 소자 사이의 폼(foam substrate) 높이 久 및 프로브 위치 probe_position 등을 변화시키면서 반사 손실을 계산하고, 그것을 설계에 이용하였다. 안테나 성능은 CST사의 MWS 2006B 를 사용하여 계산하였다.

성능/효과

안테나의 VSWR 측정 결과이다. 그림에서 VSWR 이 2:1 이하인 영역은 PEC 접지면의 경우 주파수 범위 1, 715~2, 185 MHz이며, EBG 접지면의 경우 1, 611 -2, 185 MHz 범위로 나타났으며, 계산된 VSWR과 비교하여 PEC와 EBG 접지면을 갖는 안테나 모두 약 50 MHz 정도의 대역폭이 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한, 측정된 결과에서 EBG 접지면을 갖는 안테 나의 VSWRe PEC 접지면을 갖는 안테 나보다 약 100 MHz 이상 대역폭이 확대되었음을 알 수 있다.
그림에서 VSWR 이 2:1 이하인 영역은 PEC 접지면의 경우 주파수 범위 1, 715~2, 185 MHz이며, EBG 접지면의 경우 1, 611 -2, 185 MHz 범위로 나타났으며, 계산된 VSWR과 비교하여 PEC와 EBG 접지면을 갖는 안테나 모두 약 50 MHz 정도의 대역폭이 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한, 측정된 결과에서 EBG 접지면을 갖는 안테 나의 VSWRe PEC 접지면을 갖는 안테 나보다 약 100 MHz 이상 대역폭이 확대되었음을 알 수 있다. 그림 8은 EBG와 PEC 접지면을 갖는 안테나의 복사 패턴을 나타낸다.
안테나는 접지면의 패치 길이, 패치 간의 간격, 접지면과 안테나 소자 사이의폼 높이 및 프로브 위치 등을 변화시키면서 반사 손실을 계산하고, 그 결과를 이용하여 설계하였다. 제작된 EBG 접지면 U-slotted 패치 안테나는 같은 크기로 제작된 PEC 접지면 안테나와 비교할 때 복사 패턴은 서로 유사하고, 정재파비는 2:1 이하인 영역에서의 대역폭이 약 100 MHz 이상 개선되었음을 확인하였다.

후속연구

본 논문에서 보여주고 있는 EBG 접지면을 갖는 U-slotted 패치 안테나는 광대역 특성이 요구되고 있는 분야에 충분히 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

참고문헌 (9)

위상혁, 김우태, 홍영표, 육재림, 육종관, '폭이 좁아진 주 패치와 U자 형태의 기생패치를 이용한 소형화된 광대역 패치 안테나 설계', 한국전자파학회논문지, 18(4), pp. 389-497, 2006년 4월

원문보기 상세보기
Kin-Lu Wong, Compact and Broadband Microstrip Antennas, John Wiley & Sons, New York, 2002
성원모, '새로운 Metamaterial 전송 선로 구조 설계', 단국대학교, pp. 4-16, 2006년
Nader Engheta, Richard W. Ziolkowski, Metamaterials: Physics and Engineering Explorations, Ch. 11-12, IEEE Press, John Wiley & Sons, Inc., May 2006
Long Li, Xiao-Jie, Chang-Hong Liang, 'Analysis and design of waveguide slot antenna array integrated with electromagnetic band-gap structures', IEEE Antennas and Wireless Propagation Letter, vol. 5, pp. 111-115, 2006

상세보기
Fan Yang, Yahya Rahmat-Samii, 'Reflection phase characterization of the EBG ground plane for low profile wire antenna application', IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 51, no. 10, pp. 2691-2703, Oct. 2003

상세보기
Fan Yang, Yahya Rahmat-Samii, 'A low-profile circularly polarized curl antenna over an electromagnetic band-gap(EBG) surface', Microwave and Optical Technology Letters, vol. 31, no. 4, pp. 264-267, Nov. 2001

상세보기
Dan Sievenpiper, Lijun Zhang, and Jimenez Broas, 'High-impedance electromagnetic surface with a forbidden frequency band', IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 47, no. 11, pp. 2059-2074, 1999

상세보기
X. L. Bao, M. J. Ammann, 'Dual-band GPS patch antenna based on dual-band Fractal EBG technique', LAPC, pp. 53-56, Apr. 2006

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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