한팔 나선 안테나의 길이 및 급전 변화에 따른 편파 및 빔 틸트 특성에 대한 분석 Analysis of Polarization and Beam Tilt Characteristics of Single Arm Spiral Antenna by Varying Length and Feed원문보기
본 논문에서는 한팔 나선 안테나(single arm spiral antenna)의 편파(polarization) 및 빔 틸트(beam tilt) 특성에 대하여 분석하였다. 한팔 나선 안테나는 나선 둘레 길이(spiral circumference length)가 한 파장 길이 이상 길어지면, 안테나의 최대방사 빔 방향이 안테나로부터 수직인 축빔(axial beam)으로부터 틸트되는 특성을 가지고 있다. 이때 나선 안테나의 급전위치(내부, 외부)에 따라 원형편파 (RHCP, LHCP)가 변화 하며, 안테나의 길이 변화에 따른 빔 틸트시 원형편파 특성에 따라 최대 방사 빔 방향이 서로 상이한 방향으로 틸트 됨을 검증하였다. 이러한 한팔 나선 안테나의 전기적인 특징을 이용하여, 단일 안테나로 이중 편파를 갖는 빔 포밍, 다이버시티, 또는 MIMO어플리케이션에 대한 적용 가능성을 확인하였다.
본 논문에서는 한팔 나선 안테나(single arm spiral antenna)의 편파(polarization) 및 빔 틸트(beam tilt) 특성에 대하여 분석하였다. 한팔 나선 안테나는 나선 둘레 길이(spiral circumference length)가 한 파장 길이 이상 길어지면, 안테나의 최대방사 빔 방향이 안테나로부터 수직인 축빔(axial beam)으로부터 틸트되는 특성을 가지고 있다. 이때 나선 안테나의 급전위치(내부, 외부)에 따라 원형편파 (RHCP, LHCP)가 변화 하며, 안테나의 길이 변화에 따른 빔 틸트시 원형편파 특성에 따라 최대 방사 빔 방향이 서로 상이한 방향으로 틸트 됨을 검증하였다. 이러한 한팔 나선 안테나의 전기적인 특징을 이용하여, 단일 안테나로 이중 편파를 갖는 빔 포밍, 다이버시티, 또는 MIMO어플리케이션에 대한 적용 가능성을 확인하였다.
In this paper, a single arm spiral antenna has been investigated about the characteristics of polarization and tilt beam. If a circumference length of spiral is bigger than a wavelength, it have a characteristic of varying maximum radiation beam direction. In addition, circular polarizations (RHCP, ...
In this paper, a single arm spiral antenna has been investigated about the characteristics of polarization and tilt beam. If a circumference length of spiral is bigger than a wavelength, it have a characteristic of varying maximum radiation beam direction. In addition, circular polarizations (RHCP, LHCP) can be variable by the feeding points (inner, outer). Also maximum beam directions tilt in different direction according to the circular polarizations, LHCP and RHCP. These characteristics of single arm spiral antenna are able to apply in the beam forming, diversity, MIMO application which has dual polarization using an antenna element.
In this paper, a single arm spiral antenna has been investigated about the characteristics of polarization and tilt beam. If a circumference length of spiral is bigger than a wavelength, it have a characteristic of varying maximum radiation beam direction. In addition, circular polarizations (RHCP, LHCP) can be variable by the feeding points (inner, outer). Also maximum beam directions tilt in different direction according to the circular polarizations, LHCP and RHCP. These characteristics of single arm spiral antenna are able to apply in the beam forming, diversity, MIMO application which has dual polarization using an antenna element.
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문제 정의
본 논문에서는 한팔 나선 안테나에서 나선의 둘레 크기에 따라 둘레 길이가 1 λg 일 때 축 빔(1 λg) 그리고 둘레가 1 λg 이상 커졌을 때 나선 안테나의 수직축 (Z축)으로부터 빔이 틸트되는 현상을 기초로 하여, 나선의 길이를 가변하여 축빔과 빔 틸트에서의 편파특성을 조사하였다.
제안 방법
3장에서는 동일 급전 상에서 나선의 팔 길이 변화에 따른 축빔과 빔 틸트에서의 편파의 특성을 조사하기 위해 우선 그림 7에서와 같이 안테나 길이(L) 증가에 따른 안테나의 축비와 이득을 조사하여 두 개의 나선 길이(L1:축빔, L2 빔 틸트)를 선정하였다. 그림 7은 3.
55 λg에서는 최대 빔 방향이 안테나의 수직 축(Z) 방향으로부터 틸트 된다. 따라서 본 장에서 나선 안테나는 두 개의 급전과 각각 세 개의 다른 팔 길이를 갖으며 총 6가지의 경우에 대하여 조사되었다.
빔 틸트에서는 우원편파의 경우 최대 빔 방향은 Ф=43°와 θ=29°이고, 좌원편파의 경우 최대 빔 방향은 Ф=76°와 θ=313°이다. 따라서 빔 틸트의 경우 그림 7의 축비에 대한 길이 결정에서 언급되었듯이 하나의 나선 안테나를 서로 다른 두 편파의 최대 빔 방향에서 동시에 사용할 수 있게 됨을 실제 안테나 제작 및 측정을 통하여 확인하였다. 그림 12는 측정된 빔 틸트(RHCP, Ф=43°와 LHCP, Ф=76°)의 편파비이다 (식 3, 4참조).
외부 급전에 대한 방사 패턴은 그림 4 (c)에서와 같이 79°의 반전력빔폭 특성을 가지며, 반전력빔폭 이내에서 편파 비는 15 dB 이상의 값을 갖는다. 또한 각 급전에 따른 나선 안테나의 빔 틸트 특성을 조사하기위해, 팔 길이 L2, L3에 대한 방사패턴을 측정 하였으며, 그림 5에 각 팔 길이 (L1, L2, L3)에 따른 방사패턴을 도시하였다. 내부 급전과 외부 급전은 모두 축빔(L1)과 두 개의 빔 틸트(L2, L3)를 가진다.
(2m-1)R로 증가되며 나선을 구성 한다[1]. 또한 나선의 길이 증가에 따른 최대 방사 빔의 방향을 분석하기 위하여 나선 안테나는 세 가지의 다른 나선 팔 길이(L1, L2, L3: 나선 안테나의 전체 길이)를 가지며 또한 급전점 (F1, F2)변화에 따르는 최대 빔 방향 변화를 조사하였다. 나선 안테나의 둘레가 1 λg=20.
두 반사손실은 10 GHz대역에서 -10 dB 이하의 값을 가지며, 주파수 대역폭(return loss < -10 dB)은 15 GHz 이상이며, 일반적인 나선 안테나의 광대역 특성을 가짐을 알 수 있다. 제안된 안테나는 내부 급전(F1)일 경우는 급전 점으로 부터 나선의 감기는 방향이 오른쪽(右)으로 감기며, 우원편파 특성을 갖는다. 또한 동일 안테나 상에서 외부 급전(F2)일 경우는 급전 점으로 부터 나선의 감기는 방향이 왼쪽(左)으로 감기며, 좌원편파 특성을 갖는다.
대상 데이터
기판 위에 인쇄 되어 있는 나선은 동축 선로에 의해 급전 되었으며, 사용된 기판은 한 변의 길이(SL)가 1 λ0=18 mm인 정사각형이다.
사용된 기판은 한 변의 길이(SL)가 1 λ0=30 mm인 정사각형 이고, 두께(H)는 3.175 mm=0.105 λ0이며, 유전 상수(εr)가 3.27인 Roger's TMM3를 사용하였다.
유전체 기판은 본 논문의 2장에서와 같은 재질의(εr=3.27, Roger's TMM3)를 사용하였고, 기판의 두께(H)는 3.175 mm이다.
성능/효과
또한 3장 에서는 단일 한팔 직각 나선 안테나에서 나선의 길이 변화에 따라서 발생하는 빔 틸트 시 나선의 둘레가 1 λg일 때 발생하는 축빔에서는 본래의 원형편파가 주 방사(main radiation)가 되지만 나선의 둘레가 1 λg 이상 커지게 되면 두 원형편파 모두가 서로 다른 최대 빔 방향을 가지며 틸트 된다는 것을 확인하였다.
또한 한팔 직각 나선 안테나에서 나선의 빔 틸트 시축빔에서는 본래의 원형편파가 주방사(main radiation)가 되지만 나선의 둘레가 1 λg 이상 커지게 되면 두 원형편파 모두가 서로 다른 최대 빔 방향을 가지며 틸트 된다는 것을 확인하였다.
본 논문의 2장 에서는 단일 한팔 원형 나선 안테나에서 급전점 변화(내부, 외부)에 따라 나선의 감는 방향이 바뀌면서 발생하는 원형편파의 변화와 이때 나선의 길이 증가에 따라 각 원형편파에서 최대 빔 방향 또한 서로 상이한 방향으로 틸트된다는 것을 확인하였다.
이러한 한팔 나선 안테나의 급전 및 길이 변화에 따른 편파 및 빔 틸트의 특성 변화는 일반적인 안테나 어레이에 의한 빔 틸트 시스템에서의 여러 안테나 소자와 위상 변환기를 사용하게 되어 전체 빔-포밍(beam-forming) 시스템의 크기가 커지는 단점을 해결하기 위한 단일 안테나를 사용한 소형 빔-포밍을 구현하는 것이 가능하게 하며, 소형화가 요구되는 이동통신 시스템에 더욱 유용하게 적용될 수 있음을 제시하였다.
또한 빔 틸트 시 서로 다른 편파의 축비는 3 dB 이하로 단일 안테나에서 서로 다른 두 개의 편파를 사용할 수 있으므로 단일 안테나에서 두 개의 편파로 서로 다른 빔 방향을 갖는 다이버시티(diversity) 또는 빔 상호간 낮은 상호관계(correlation)가 필요한 MIMO 통신 시스템에서 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 한팔 나선 안테나의 급전 및 길이 변화에 따른 편파 및 빔 틸트의 특성 변화는 일반적인 안테나 어레이에 의한 빔 틸트 시스템에서의 여러 안테나 소자와 위상변환기를 사용하게 되어 전체 빔-포밍 시스템의 크기가 커지는 단점을 해결하기 위하여, 단일 안테나를 사용한 소형 빔-포밍을 구현하는 것이 가능하게 하며, 소형화가 요구되는 이동통신 시스템에 더욱 유용하게 적용될 수 있음을 제시하였다.
후속연구
또한 한팔 직각 나선 안테나에서 나선의 빔 틸트 시축빔에서는 본래의 원형편파가 주방사(main radiation)가 되지만 나선의 둘레가 1 λg 이상 커지게 되면 두 원형편파 모두가 서로 다른 최대 빔 방향을 가지며 틸트된다는 것을 확인하였다. 또한 빔 틸트 시 서로 다른 편파의 축비는 3 dB 이하로 단일 안테나에서 서로 다른 두 개의 편파를 사용할 수 있으므로 단일 안테나에서 두 개의 편파로 서로 다른 빔 방향을 갖는 다이버시티(diversity) 또는 빔 상호간 낮은 상호관계(correlation)가 필요한 MIMO 통신 시스템에서 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 한팔 나선 안테나의 급전 및 길이 변화에 따른 편파 및 빔 틸트의 특성 변화는 일반적인 안테나 어레이에 의한 빔 틸트 시스템에서의 여러 안테나 소자와 위상변환기를 사용하게 되어 전체 빔-포밍 시스템의 크기가 커지는 단점을 해결하기 위하여, 단일 안테나를 사용한 소형 빔-포밍을 구현하는 것이 가능하게 하며, 소형화가 요구되는 이동통신 시스템에 더욱 유용하게 적용될 수 있음을 제시하였다.
5 λ0 이상)에서는 좌원편파에서도 축비의 불연속 구간이 사라지며 동일 안테나 상에서 서로 다른 두 개의 편파를 동시에 사용할 수 있는 구간이 나타난다. 이는 동일 한팔 나선 안테나를 이용하여 서로 다른 최대 빔 방향에서 두 가지의 편파를 동시에 사용하는 어플리케이션에 적용될 수 있다고 예상된다. 그림 8은 두 원형편파의 축비 규범과 안테나 이득으로부터 결정된 두 나선 길이(L1, L2)에 대한 최대 빔 방향을 알아보기 위해, 나선의 팔 길이 증가(L= 1 λ0 ~4 λ0)따른 우원편파의 최대 빔 방향의 변화에 대한 시뮬레이션 결과이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
나선 안테나가 가지는 특성은 무엇인가?
나선 안테나(spiral antenna)는 광대역성(wideband), 원형편파(CP; Circular Polarization), 그리고 넓은 빔폭(wide beamwidth)의 특성을 가지고 있다는 점에서 지속적으로 연구 되어왔으며, 이러한 특성들은 무선 RF 시스템 에서 광범위 하게 적용 되고 있다[1-9]. 나선 안테나의 또다른 특성으로는 한팔 나선의 경우 팔의 길이가 늘어남에 따라 나선 안테나의 빔이 틸트(편향)한다는 것이다.
한팔 나선 안테나의 특성은?
본 논문에서는 한팔 나선 안테나(single arm spiral antenna)의 편파(polarization) 및 빔 틸트(beam tilt) 특성에 대하여 분석하였다. 한팔 나선 안테나는 나선 둘레 길이(spiral circumference length)가 한 파장 길이 이상 길어지면, 안테나의 최대방사 빔 방향이 안테나로부터 수직인 축빔(axial beam)으로부터 틸트되는 특성을 가지고 있다. 이때 나선 안테나의 급전위치(내부, 외부)에 따라 원형편파 (RHCP, LHCP)가 변화 하며, 안테나의 길이 변화에 따른 빔 틸트시 원형편파 특성에 따라 최대 방사 빔 방향이 서로 상이한 방향으로 틸트 됨을 검증하였다.
한팔 나선 안테나는 빔 틸트시 어떤 특성에 따라 최대 방사 빔 방향이 서로 상이한 방향으로 틸트되는가?
한팔 나선 안테나는 나선 둘레 길이(spiral circumference length)가 한 파장 길이 이상 길어지면, 안테나의 최대방사 빔 방향이 안테나로부터 수직인 축빔(axial beam)으로부터 틸트되는 특성을 가지고 있다. 이때 나선 안테나의 급전위치(내부, 외부)에 따라 원형편파 (RHCP, LHCP)가 변화 하며, 안테나의 길이 변화에 따른 빔 틸트시 원형편파 특성에 따라 최대 방사 빔 방향이 서로 상이한 방향으로 틸트 됨을 검증하였다. 이러한 한팔 나선 안테나의 전기적인 특징을 이용하여, 단일 안테나로 이중 편파를 갖는 빔 포밍, 다이버시티, 또는 MIMO어플리케이션에 대한 적용 가능성을 확인하였다.
참고문헌 (9)
R. Bawer, J. J. Wolfe, "The spiral antenna," IRE International Convention Record, Pt. T, pp. 84-95, May 1960.
H. Nakano, J. Eto, Y. Okabe, J. Yamauchi, "Tilted-and axial-beam formation by a single-arm rectangular spiral antenna with compact dielectric substrate and conducting plane," IEEE Trans. Antennas and Propag., vol. 50, no. 1, pp. 17-24, Jan. 2002.
H. Nakano, Y. Shinma, J. Yamauchi, "A monofilar spiral antenna and its array above a ground plane-formation of a circularly polarized tilted fan beam," IEEE Trans. Antennas and Propag., vol. 45, Issue 10, pp. 1506-1511, Oct. 1997.
K. Hirose, K. Kawai, H. Nakano, "An array antenna composed of outer-fed curl elements," IEEE Int. Antennas and Propagation Symp., vol. 2, pp. 1162-1165, Jun. 1998.
K. Hirose, K. Kawai, H. Nakano, "A curl amy antenna for a linearly polarized wave," IEEE Int. Antennas and Propagation Symp., vol. 4, pp. 2752-2755, Aug. 1999.
J. Dyson, "The unidirectional equiangular spiral antenna", IRE Trans. Antennas and Propag., vol. 7, Issue 4, pp. 329-334, 1959.
J. J. H. Wang, V. K. Tripp, "Design of multioctave spiral-mode microstrip antennas", IEEE Trans. Antennas and Propag., vol. 39, no. 3, pp. 332-335, Mar. 1991.
H. Nakano, "Analysis on beam reflection of spiral antenna," IEEE Trans. Antennas and Propag., vol. 55, no. 12, pp. 693-694, Dec. 1972.
H. Nakano, Y. Shinma, H. Mimaki, J. Yamauchi, K. Hirose, "An beam formation using spiral array antennas," IEEE Int. Antennas and Propagation Symp., pp. 1628-1631, Jul. 1996.
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