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문제 정의
- 본 논문에서는 GPS 대역을 만족하는 소형 마이크로 스트립 안테나를 제안하였다. 제작한 안테나의 크기는 20x20x4.
- 본 논문에서는 다층(multi-layer) 구조를 이용한 3 차원 구조와 슬릿(slit) 구조를 사용하여 소형화하는 방법을 연구하였다. 제안한 안테나는 다층 구조를 이용하여 3차원 구조로 구현하였으며, 낮은 유전체를 이용하여 광대역 특성을 갖는 패치 안테나를 제안하였다.
제안 방법
- 소형화 기법으로 사용되는 고유전체를 사용하였을 경우 임피던스 대 역폭이 감소하지만, 제안한 안테나는 저유전체와 슬릿 구조를 이용하여 소형화한 결과 대역폭 감소를 최소화 할 수 있었다. 안테나 이득 및 방사 패턴은 3D 무반사실에서 측정하였다. 안테나 이득(gain)은 표준 이득 안테나를 사용하여 측정하였으며, 측정 결과 그림 10과 같은 일반적인 패치 안테나 방사 패턴과 동일한 방사 패턴을 갖는다.
- 제안한 안테나의 원형 편파 특성은 그림 5(a)와 같이 일반적으로 사용되는 coner-truncated square patch antenna와 동일한 구조로 모서리를 잘라(truncated) 위상차가 발생하도록 그림 5(b)와 같이 설계하였으며, 이 모서리 부분이 그림 5(c)와 같이 접히는 구조를 갖는다. 이러한 구조는 right-hand circular polariza- tion(RHCP) 또는 left-hand circular polarization(LHCP)와 같은 원형 편파 안테나를 구현할 수 있으며, 제안한 안테나는 RHCP 특성을 갖는다.
- 또한, 그림 3(b)는 1층의 바닥면 금속 패턴으로 하나의 면으로 설계할 수 있으나, 하나의 면으로 설계할 경우 공진 주파수가 더욱 내려가 소형화에는 유리하지만, 금속 패턴과 접지면의 근접으로 결합(coupling) 값이 증가하여 이득 감소가 발생한다. 이러한 이득 감소를 최소화하기 위해서 1 층(1st layer) 바닥 면의 구조를 슬릿 구조로 제안하여 이득감소를 줄일 수 있었다. 제안한 패치 안테나의 급전 위치는 금속면의 대각선(diagonal)에 위치하고 있다.
- 제안한 안테나는 FR4 유전체 기판을 사용하여 2개의 층으로 구성되었고, 안테나 소형화를 위하여 접힌 (folded) 구조를 이용하였다. 접힌 구조는 다층 구조를 이용하여 구현하였으며, 제안한 안테나 크기는 20x20x4 mm, 이며, 각 층의(1st layer, 2nd layer) 두께는 3.2, 0.8 mm이다. 안테나의 이득을 높이기 위하여 안테나의 높이를 높게 설계할 수 있다1지.
- 그림 2는 제안한 안테나 각각의 층 구조를 보여준다. 제안한 안테나는 FR4 유전체 기판을 사용하여 2개의 층으로 구성되었고, 안테나 소형화를 위하여 접힌 (folded) 구조를 이용하였다. 접힌 구조는 다층 구조를 이용하여 구현하였으며, 제안한 안테나 크기는 20x20x4 mm, 이며, 각 층의(1st layer, 2nd layer) 두께는 3.
- 높이 4 min로 설계 하였다. 제안한 안테나는 GPS 대역 1, 575 MHz에서 동작하며, 원형 편파 특성을 갖도록 설계하였다. 최상층 금속 패턴, 비아 홀, 중간층의 금속 패턴은 모두 연결되어 있으며 하나의 공
- 연구하였다. 제안한 안테나는 다층 구조를 이용하여 3차원 구조로 구현하였으며, 낮은 유전체를 이용하여 광대역 특성을 갖는 패치 안테나를 제안하였다. 제안한 안테나는 총 2개의 층으로 이루어져 있으며, 안테나를 이루는 2개의 금속 면(metal pla- te)과 하나의 접지면으로 이루어져 있다.
- 제안한 안테나는 다층 구조를 이용하여 3차원 구조로 구현하였으며, 낮은 유전체를 이용하여 광대역 특성을 갖는 패치 안테나를 제안하였다. 제안한 안테나는 총 2개의 층으로 이루어져 있으며, 안테나를 이루는 2개의 금속 면(metal pla- te)과 하나의 접지면으로 이루어져 있다. 각각의 안테나 면은 비아 홀(via-hole)로 연결되어 있다.
- 각각의 안테나 면은 비아 홀(via-hole)로 연결되어 있다. 제안한 안테나의 공진 주파수는 슬릿 길이와 기판(subbate) 높이를 조절하여, Global Positioning System (GPS) 대역에서 중심 주파수 1, 575.42 MHz를 포함하는 소형 광대역 패치 안테나를 설계 및 제작하였다. 제안한 안테나 설계는 Ansoft사의 HFSS 10.
대상 데이터
- 그림 7은 제안한 안테나의 실제 사진이며, 안테나의 크기는 각각 20x20x3.2 mm3, gxgxOEmik이다. 안테나 전체 크기는 20x20x4.
- plane)의 크기는 70x70 inn?로 상대 비유전율 ( e, )은 4.4-46, 두께 1 mm인 FR4 기판을 사용하였으며, 급전 구조는 50 Q 동축선을 사용하였다. 그림 2는 제안한 안테나 각각의 층 구조를 보여준다.
- 0 mn?이며, 급전 방법으로는 50 Q 동축선을 이용하였다. 접지면으로는 70x70 mnf 의 FR4 유전체( 八=4.4~4.6), 두께 1 mm 를 이용하여 측정하였다. 그림 8은 제안한 안테나의 반사 손실(return loss) 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
- 42 MHz를 포함하는 소형 광대역 패치 안테나를 설계 및 제작하였다. 제안한 안테나 설계는 Ansoft사의 HFSS 10.0을 사용하여 검토하였으며, 최적화된 안테나는 Agilent사의 E5071B와 무반사실을 사용하여 측정하였다.
데이터처리
- 시뮬레이션 결과와 같이 안테나의 높이가 증가함에 따라 공진 주파수가 내려가는 것을 확인할 수 있다. 그림 4(c)는 제안한 안테나의 1층 상면에 슬릿을 삽입하여 슬릿 길이 변화에 따른 공진 주파수를 비교하였다. 각각의 공진 주파수는 1.
성능/효과
- 그림 4(a)는 안테나 각각의 구조에 따른 공진 주파수를 비교한 결과이며, 각각의 구조는 일반적으로 사용하는 coner-truncated 사각 패치 구조, 비 아 홀을 삽입 한 구조, 접힌 구조의 공진 주파수를 비교한 결과이다. 각 구조의 공진 주파수는 4.0 GHz, 2.4 GHz, 1.7 GHz이며, 시뮬레이션 결과와 같이 제한된 공간 내에서 구조를 변경할 경우 공진 주파수가 내려가는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 안테나 길이가 길어지 (a) 구조에 따른 반사 손실 변화
- 그림 4(c)는 제안한 안테나의 1층 상면에 슬릿을 삽입하여 슬릿 길이 변화에 따른 공진 주파수를 비교하였다. 각각의 공진 주파수는 1.80 GHz, 1.75 GHz, 1.65 GHz, 1.57 GHz이며, 시뮬레이션 결과와 같이 슬릿의길이가 길어짐에 따라 공진 주파수가 내려가는 것과 그림 6과 같이 대역폭이 거의 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 기존 folded 소형 안테나(0.
- 4 %)이며, 그림 7과 같이 3 dB 축비(axial ratio) 대 역폭은 15 MHz(l %)이다. 소형화 기법으로 사용되는 고유전체를 사용하였을 경우 임피던스 대 역폭이 감소하지만, 제안한 안테나는 저유전체와 슬릿 구조를 이용하여 소형화한 결과 대역폭 감소를 최소화 할 수 있었다. 안테나 이득 및 방사 패턴은 3D 무반사실에서 측정하였다.
- 2 mm로 변경하여 모의 실험한 결과이다. 시뮬레이션 결과와 같이 안테나의 높이가 증가함에 따라 공진 주파수가 내려가는 것을 확인할 수 있다. 그림 4(c)는 제안한 안테나의 1층 상면에 슬릿을 삽입하여 슬릿 길이 변화에 따른 공진 주파수를 비교하였다.
- 5 dBi 로 반파장 패치 안테나와 비교하여 낮은 이득을 보이지만 기존 소형화된 패치 안테나와 유사한 이득 특성을 보인다11. 이러한 결과는 제한된 공간에서 접힌 구조를 이용하여 안테나 사이즈를 소형화한 효과와 이득 감소를 최소화하기 위하여 1층 bottom 금속면에 슬릿 구조로 설계한 것이 이득 감소를 최소화한 것으로 해석된다. 그림 11은 제안한 안테나의 이득 측정 결과를 보여준다.
- 또한, 저유 전체를 사용하여 넓은 임피던스 대역폭을 얻을 수 있으며, 기존 소형 안테나 대량 생산의 문제점을 printed circuit board(PCB) 공정의 via를 이용하여 쉽게 제작할 수 장점을 가지고 있다. 측정 결과, 제안한 안테나는 GPS 대역(1, 575.42 MHz)에서 대역폭 70 MHz (4.4 %), 안테나 이득 0.5 dBi, RHCP 특성을 확인하였다. 제안한 안테나는 휴대용(portable) 무선 통신기기에서 요구되는 소형 경량화에 적합한 크기이며, 제안한 구조를 Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) 공정을 이용하여 제작할 경우 더욱 소형화된 안테나 제작이 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 5 dBi, RHCP 특성을 확인하였다. 제안한 안테나는 휴대용(portable) 무선 통신기기에서 요구되는 소형 경량화에 적합한 크기이며, 제안한 구조를 Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) 공정을 이용하여 제작할 경우 더욱 소형화된 안테나 제작이 가능할 것으로 판단된다.
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