본 논문은 원형 슬롯 UWB 안테나를 소형화한 반원모양의 UWB 안테나를 설계하였다. 전자기장 분석을 통해, 기존의 원형 슬롯 UWB 안테나는 슬롯 방사체에서 $TE_n$ 모드에 기초한 일련의 방사 극점(radiation poles)을 가지고 있으며, 완전자계벽의 성질을 갖는 대칭축이 존재한다는 것을 확인하였다. 이를 이용하여 소형화된 반원형 슬롯 UWB 안테나를 설계하고, 광대역 안테나 특성이 유지되는 것을 확인하였다. RF-60A(t=0.64 mm, ${\varepsilon}_r=6.15,\;tan\;{\delta}=0.0025$)의 기판으로 제작하여 측정한 결과, 기존의 원형 슬롯 UWB 안테나의 이득은 $-2.7{\sim}3.1dBi$이고, 소형화된 안테나는 $-2.1{\sim}4.3dBi$의 이득을 가지며, 두 안테나 모두 비슷한 방사 패턴을 보였다.
본 논문은 원형 슬롯 UWB 안테나를 소형화한 반원모양의 UWB 안테나를 설계하였다. 전자기장 분석을 통해, 기존의 원형 슬롯 UWB 안테나는 슬롯 방사체에서 $TE_n$ 모드에 기초한 일련의 방사 극점(radiation poles)을 가지고 있으며, 완전자계벽의 성질을 갖는 대칭축이 존재한다는 것을 확인하였다. 이를 이용하여 소형화된 반원형 슬롯 UWB 안테나를 설계하고, 광대역 안테나 특성이 유지되는 것을 확인하였다. RF-60A(t=0.64 mm, ${\varepsilon}_r=6.15,\;tan\;{\delta}=0.0025$)의 기판으로 제작하여 측정한 결과, 기존의 원형 슬롯 UWB 안테나의 이득은 $-2.7{\sim}3.1dBi$이고, 소형화된 안테나는 $-2.1{\sim}4.3dBi$의 이득을 가지며, 두 안테나 모두 비슷한 방사 패턴을 보였다.
This paper proposes a miniaturized half-circular-slot UWB antenna. Using an analysis of the neld patterns, we show that the original circular-slot UWB antenna operates on a series of multi-pole radiation based on $TE_n$ modes, and a perfect magnetic wall exists along an axis of symmetry o...
This paper proposes a miniaturized half-circular-slot UWB antenna. Using an analysis of the neld patterns, we show that the original circular-slot UWB antenna operates on a series of multi-pole radiation based on $TE_n$ modes, and a perfect magnetic wall exists along an axis of symmetry on the antenna. Using the perfect magnetic wall we designed and fabricated the miniaturized UWB antenna on RF-60A substrate with t=0.64mm, ${\varepsilon}_r=6.15\;and\;tan\;{\delta}=0.0025$, which not only has the half size of the original but also maintains UWB characteristics. The measured gain of the miniaturized antenna is $-2.1{\sim}4.3dBi$, which is comparable with the gain, $-2.7{\sim}3.1dBi$, of the original circular-slot UWB antenna. The radiation pattern is also similar to that of the original antenna.
This paper proposes a miniaturized half-circular-slot UWB antenna. Using an analysis of the neld patterns, we show that the original circular-slot UWB antenna operates on a series of multi-pole radiation based on $TE_n$ modes, and a perfect magnetic wall exists along an axis of symmetry on the antenna. Using the perfect magnetic wall we designed and fabricated the miniaturized UWB antenna on RF-60A substrate with t=0.64mm, ${\varepsilon}_r=6.15\;and\;tan\;{\delta}=0.0025$, which not only has the half size of the original but also maintains UWB characteristics. The measured gain of the miniaturized antenna is $-2.1{\sim}4.3dBi$, which is comparable with the gain, $-2.7{\sim}3.1dBi$, of the original circular-slot UWB antenna. The radiation pattern is also similar to that of the original antenna.
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문제 정의
본 논문에서는 UWB 안테나로 다양한 변형이 발표된 원형(또는 타원형)-슬롯 UWB 안테나를 설계하여 전자기장 패턴 분석을 통한 여러 방사 공진 모드에서의 공통적인 전자기적 대칭면들을 도출하고, 이 결과를 이용하여 소형화된 반원형-슬롯 UWB 안테나를 설계하였다.
본 논문에서는 기존의 원형-슬롯 UWB 안테나인 프로토타입 안테 나를 전자기 장적 인 대 칭 면과 그 대칭면의 성격을 규명하여 소형화한 반원형-슬롯 UWB 안테나를 설계하였다.
가설 설정
프로토타입 안테나의 주요 설계 변수 값들은 t = 1.524 mm, £, =4.4, 손실 탄젠트(loss tangent)=0.025 의 FR4 기판을 가정하고, 시뮬레이션을 통해 최적화하여 표 1에 나타내었다. 안테나 전체 크기는 가로 60 mm, 세로 65 mm이며, 접지면의 크기는 UWB 대역 내의 공진 주파수보다는 임피던스 실수값에 영향을 주는 점을 고려하여 접지면의 크기를 먼저 고정하고 급전 선로에 테이퍼를 적절히 적용하였다.
제안 방법
방사체의 전자기장 분포 및 공진 모드 분석을 위해 설계한 원형-슬롯 UWB 안테나는 그림 1과 같이 원형(또는 타원형) 슬롯과 원형 패치의 배치를 비대칭적으로 배치한 형태'IF〕로 임피던스 정합(impedance matching)을 위해 여러 임피던스 라인의 다단스텝(50 Q, 60 Q, 70 Q, 75 Q)을 사용한 테이퍼형 급전 선로를 새로이 적용하여 보다 광대 역의 특성 이 나타나도록 프로토타입 안테나를 먼저 설계하였다.
025 의 FR4 기판을 가정하고, 시뮬레이션을 통해 최적화하여 표 1에 나타내었다. 안테나 전체 크기는 가로 60 mm, 세로 65 mm이며, 접지면의 크기는 UWB 대역 내의 공진 주파수보다는 임피던스 실수값에 영향을 주는 점을 고려하여 접지면의 크기를 먼저 고정하고 급전 선로에 테이퍼를 적절히 적용하였다. Rx, Rz 값은 공진 주파수에 관련되고, Rp와 테이퍼형 급전선로는 안테나의 대역폭과 관련된다.
안테나의 방사 패턴과 이득은 그림 9에서와 같이 4-9 GHz까지 6개 주파수점들에 대해 x-y 평면상의 그래프로 나타내 었고, 기존 프로토타입 안테나와 반원형-슬롯 UWB 안테나의 이득(gain) 최대값은 표 2 에 비교해 놓았다. 주파수별로 방사 패턴을 비교해보면 소형화된 안테나(굵은 실선)와 기존의 안테나 (점선)가 매우 유사한 방사 패턴을 보이며, 오히려 6 GHz 및 7 GHz 등 몇몇 주파수에서는 기존 안테나보다 더 좋은 방사 패턴을 나타내어 전체 주파수 대역에서 전반적으로 전방향성(Omni-directional)이 향상되었다.
이제, 이 완전자계벽을 개방면으로 하여 프로토타입 안테나로부터 소형화된, 동일(또는 비슷한) 특성의 UWB 안테나를 설계한다. 분석을 위해 사용했던 FR4 기판의 특성상 고주파에서 높은 손실을 유발하여 손실이 적은 RF-60A 기판(tan3=0.
그림 6에 나타내었다. 자계벽을 따라 1/2로 소형화 시키면서 안테나 임피던스에 변화가 나타나게 되고 급전 선로가 개방면에 바로 노출되므로 안테나의 임피던스 실수값이 변화하게 되어, 테이퍼를 적용하여 임피던스 정합을 꾀하면서 개방면과 직접 맞닿는 문제점을 해결하기 위해 추가 유전체를 옆에 1 mm 남겨 놓았다. 일반적으로 안테나의 소형화에 따라 임피던스가 줄어들지만1, , 자계벽을 이용한 본 논문의 소형화의 경우, 임피던스가 상승하는 것으로 나타났다.
대상 데이터
UWB 안테나를 설계한다. 분석을 위해 사용했던 FR4 기판의 특성상 고주파에서 높은 손실을 유발하여 손실이 적은 RF-60A 기판(tan3=0.0025, 戶0.64 mm, 玲=6.15 @10 GHz)으로 교체하여 프로토타입 안테나를 제작하였다.
성능/효과
설계한 반원형-슬롯 UWB 안테나의 측정 결과, 3.5 -10.2 GHz까지 VSWR<2.0을 만족하고, 최대 이득은 -2.12~4.3 dBi의 범위에 있다. 이는 소형화전 프로토타입 안테나와 유사한 대역폭과 이득값을 갖는 결과이며, 방사 패턴의 경우는 전반적으로 전방향성 (omni-directional)이 오히려 향상되었다.
자계벽을 따라 1/2로 소형화 시키면서 안테나 임피던스에 변화가 나타나게 되고 급전 선로가 개방면에 바로 노출되므로 안테나의 임피던스 실수값이 변화하게 되어, 테이퍼를 적용하여 임피던스 정합을 꾀하면서 개방면과 직접 맞닿는 문제점을 해결하기 위해 추가 유전체를 옆에 1 mm 남겨 놓았다. 일반적으로 안테나의 소형화에 따라 임피던스가 줄어들지만1, , 자계벽을 이용한 본 논문의 소형화의 경우, 임피던스가 상승하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 모노폴 안테나의 경우를 다룬 참고문헌 [8]의 그림 1에서 급전 선로의 폭의 변화에서도 확인할 수 있다.
잘려진 면은 근사적인 개방면으로 작용하여 그림 7의 % 측정치 비교에서 보는 바와 같이 생성되는 所 극점의 위치가 기존 프로토타입 안테나와 거의 유사하게 나타났다. 그림 8은 측정한 군지 연(Group delay)값을 나타내었다.
비교해 놓았다. 주파수별로 방사 패턴을 비교해보면 소형화된 안테나(굵은 실선)와 기존의 안테나 (점선)가 매우 유사한 방사 패턴을 보이며, 오히려 6 GHz 및 7 GHz 등 몇몇 주파수에서는 기존 안테나보다 더 좋은 방사 패턴을 나타내어 전체 주파수 대역에서 전반적으로 전방향성(Omni-directional)이 향상되었다. 이득의 경우, 프로토타입 안테나는 최대이득이 -2.
6 GHz를 나타낸다. 측정 결과, UWB 전대역에서 1 ns 이내의 변화를 보이며, 근사적으로 일정한 상수값을 나타내고 있다.
참고문헌 (14)
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