[논문]커플링 급전을 이용한 이중 모드 Annular Ring 안테나 설계

김재희; 우대웅; 박위상

doi:10.5515/kjkiees.2009.20.4.351

커플링 급전을 이용한 이중 모드 Annular Ring 안테나 설계
Design of a Dual-mode Annular Ring Antenna with a Coupling Feed 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.20 no.4 = no.143, 2009년, pp.351 - 356

김재희 (포항공과대학교 전자전기공학과) , 우대웅 (포항공과대학교 전자전기공학과) , 박위상 (포항공과대학교 전자전기공학과)

초록
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본 논문에서는 GPS와 위성 DMB에 사용할 수 있는 이중 모드 annular ring 패치 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 커플링 급전과 annular ring 패치의 네 개의 슬롯을 특징으로 한다. 급전 선로와 패치 사이의 간격은 입력 임피던스를 조절하는 역할을 하고, 패치의 슬롯의 길이는 DMB 주파수에 해당하는 $TM_{21}$ 모드의 공진 주파수를 조절하는 역할을 한다. 제안된 안테나를 제작 및 측정을 하였다. 제작된 안테나는 GPS와 DMB 주파수에서 만족할만한 대역폭을 가지고 공진을 일으키며, GPS 대역에서는 broadside 방사 패턴을 가지고 DCS 대역에서는 코니컬 빔 방사 패턴을 가진다.

Abstract ▼ AI-Helper

A dual-mode annular ring antenna for both global positioning system(GPS) and satellite digital multimedia broad-casting(DMB) is designed. The proposed antenna consists of a coupling feed line and four slots on the annular ring patch. The gap between the feed line and the annular ring patch is used for an input impedance matching, and the slot length is used for adjusting the resonant frequency of the $TM_{21}$ mode at the DMB frequency. The antenna was fabricated and measured. The experimental results show that the antenna resonants at the GPS and DMB frequencies with suitable bandwidths, and had a broadside radiation pattern at the GPS band and a conical beam radiation pattern at the DMB band.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

655 GHz) 신호를 수신할 수 있는 이 중 대역 이중 패턴의 안테나를 제안하도록 한다. GPS 신호와 위성 DMB 신호는 모두 우수 편파(LHCP)를 사용하여 송신을 하고, 수신 안테나의 이득이 0 dBi 이상이면 충분히 신호를 수신할 수 있기 때문에 본 논문에서 선형 편파를 이용하여 수신하는 안테나를 제안한다. 제안하는 안테나는 annular ring의 두 가지 모드를 한 급전으로부터 여기시켜 각 대역에서 독립적인 패턴을 얻는 구조이고 슬롯을 넣어 원하는 주파수 대역으로 튜닝이 가능한 안테나이다.
급전 선로와 안테나의 간격(g)이 두 공진 주파수에 미치는 영향을 살펴보았다. 그림 4는 간격을 0.
본 논문에서는 GPS와 위성 DMB에 사용할 수 있는 각 대역에서 패턴이 다른 이 중 모드 annular ring 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 커플링 급전을 이용하여 annular ring의 두 가지 모드를 여기시켰고, GPS 대역에서는 안테나의 수직 방향으로 최대 방사가 발생하고, DMB 대역에서는 코니컬 빔 패턴이 발생한다.
본 논문에서는 고속 이동 물체의 천장의 표면에 사용할 수 있는 표면형 안테나로 GPS(중심 주파수 1.575 GHz) 신호와 위성 DMB(주파수 대역: 2.63-2.655 GHz) 신호를 수신할 수 있는 이 중 대역 이중 패턴의 안테나를 제안하도록 한다. GPS 신호와 위성 DMB 신호는 모두 우수 편파(LHCP)를 사용하여 송신을 하고, 수신 안테나의 이득이 0 dBi 이상이면 충분히 신호를 수신할 수 있기 때문에 본 논문에서 선형 편파를 이용하여 수신하는 안테나를 제안한다.

제안 방법

Annular ring의 바깥쪽 직경(庆)이 커지면 식 (1)의 공진 모드 주파수가 감소하여 안테 나의 동작 주파수 역시 감소하게 된다. Annular ring 구조에서 TMn 모드의 전류가 가장 강하게 형성되는 부분에 슬롯을 넣어 슬롯의 길이(&)을 조절해 가면서 공진 주파수의 변화를 살펴보았다. 슬롯의 길이가 길어짐에 따른 向의 변화를 그림 3에 도시하였다.
575 GHz)와 위성 DMB에 동작하도록 설계되었다. Annular ring의 외경과 내경을 조절하여 GPS 대역의 공진 주파수를 설계하였으며,위성 DMB의 공진 주파수는 안테나의 슬롯 길이를 조절하여 설계하였다. 최적화된 설계 값은 표 1에 도시하였다.
측정된 안테나는 SU<~IO dB를 기준으로 GPS는 18 MHz의 대역폭을, DMB는 47 MHz의 대역폭을 가져 원하는 주파수 대역을 모두 만족한다. 본 논문에서 제안하는 구조는 평면형 구조로 고속 이동 물체의 천장에 사용하여 기계적인 구조물과 집적화가 가능하다.
따라서 이 부분의 커플링을 이용한 급전을 하면 동시에 두 모드를 여기시킬 수 있게 된다. 본 논문에서는 50 2 마이크로스트립 선로와 안테나 사이에 간격 (gap)을 두어 커플링을 하였다.
이는 유전율이 1에 가까워 공기와 같은 특성을 가지며, 안테나의 지지도를 높여 기계적 강도를 키우게 된다. 안테나의 급전선은 50 Q 선로 폭인 13 mm로 하였고, 안테나는 GPS(1.575 GHz)와 위성 DMB에 동작하도록 설계되었다. Annular ring의 외경과 내경을 조절하여 GPS 대역의 공진 주파수를 설계하였으며,위성 DMB의 공진 주파수는 안테나의 슬롯 길이를 조절하여 설계하였다.
제안하였다. 제안된 안테나는 커플링 급전을 이용하여 annular ring의 두 가지 모드를 여기시켰고, GPS 대역에서는 안테나의 수직 방향으로 최대 방사가 발생하고, DMB 대역에서는 코니컬 빔 패턴이 발생한다. 측정된 안테나는 SU<~IO dB를 기준으로 GPS는 18 MHz의 대역폭을, DMB는 47 MHz의 대역폭을 가져 원하는 주파수 대역을 모두 만족한다.
GPS 신호와 위성 DMB 신호는 모두 우수 편파(LHCP)를 사용하여 송신을 하고, 수신 안테나의 이득이 0 dBi 이상이면 충분히 신호를 수신할 수 있기 때문에 본 논문에서 선형 편파를 이용하여 수신하는 안테나를 제안한다. 제안하는 안테나는 annular ring의 두 가지 모드를 한 급전으로부터 여기시켜 각 대역에서 독립적인 패턴을 얻는 구조이고 슬롯을 넣어 원하는 주파수 대역으로 튜닝이 가능한 안테나이다. II 장에서는 안테나에 여기되는 기본 모드와 구조를 살펴보며, HI장에서는 시뮬레이션을 통하여 중요한 파라미터를 알아본다.

대상 데이터

그리고 평면형 안테나로 구현하기 위하여 안테나의 높이가 낮게 설계되었다. 안테나는 두께가 0.4 mm인 FR4 기판(비유전율 4.5, 손실 탄젠트 0.02) 두 개와 두께가 2.61 mm 허니콤 구조를 이용하여 설계되었다. 허니콤 구조는 일정 두께를 가지며 벌집 모양과 같이 생긴 구멍이 뚫려 있는 구조체이다.
제안된 안테나의 시뮬레이션 및 분석을 위하여 CST사의 MWS를 사용하였다. 안테나 설계에 있어서 중요한 요소는 원하는 주파수대역을 튜닝할 수 있는 안테나 파라미터를 찾아내는 것이다.
그림 5는 표 I의 설계 파라미터로제작된 안테나의 모습을 보여주고 있다. 중심에 허니콤을 사용하고 샌드위치 구조로 양쪽에 FR4 기판이 사용되었다. 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 반사 손실은 그림 6에 도시를 하였다.

데이터처리

제안한 안테나의 성능을 살펴보기 위하여 제작을 하여 반사 손실과 방사 패턴을 측정하고 시뮬레이션과 비교를 하였다. 그림 5는 표 I의 설계 파라미터로제작된 안테나의 모습을 보여주고 있다.

성능/효과

시뮬레이션과 측정 결과는 상당히 유사한 분포를 보이는 것을 확인할 수 있고, GPS와 DMB 대역에서 공진이 잘 형성이 된다. Sn<T0 dB를 기준으로 하였을 때 시뮬레이션에서는 GPS 대역에서 31 MHz(1.584~ 1.615 GHz), DMB 대역에서 40 MHz(2.623-2.663 GHz)의 대역폭을 가지는 것을 확인할 수 있었고, 실제 측정에서는 GPS 대역에서는 18 MHz(1.562~ 1.58 GHz), DMB 대역에서는 47 MHz(2.610-2.657 GHz)의 대역폭을 가짐을 확인하였다. 측정된 대역은 GPS와 DMB 대역을 모두 만족시킨다.
간격 g는 안테나의 공진 주파수에 거의 영향을 미치지 않고 안테나의 매칭에 영향을 미치게 된다. 그래프를 살펴보면 두 모드에서 매칭되는 정도가 서로 유사한 것을 확인할 수 있고, 적절한 간격(g=0.5) 을 유지하면 두 모드에서 매칭이 잘 이루어짐을 확인할 수 있다. 따라서 안테나 설계시 두 대역의 중심 주파수를 정해 두고, 낮은 대역은 주파수는 안테나의 외경을 조절하여 설계하고 높은 대역의 주파수는 안테나의 슬롯의 길이를 조절하여 설계할 수 있다.
슬롯의 길이가 길어짐에 따른 向의 변화를 그림 3에 도시하였다. 슬롯이 존재함으로 인해 전류가 슬롯을 따라서 돌아가면서 형성이 되기 때문에 TMi 모드의 공진 주파수가 많이 변화함을 확인할 수 있고, 상대적으로 TM” 모드의 공진 주파수는 전류의 방향에 큰 영향을 미치지 않아 변화량이 적음을 확인할 수 있다. 따라서 슬롯의 길이를 조절하여 TMi 모드의 공진 주파수를 우리가 원하는 대역으로 쉽게 설계할 수 있다.
안테나의 시뮬레이션 및 측정된 반사 손실은 그림 6에 도시를 하였다. 시뮬레이션과 측정 결과는 상당히 유사한 분포를 보이는 것을 확인할 수 있고, GPS와 DMB 대역에서 공진이 잘 형성이 된다. Sn<T0 dB를 기준으로 하였을 때 시뮬레이션에서는 GPS 대역에서 31 MHz(1.
657 GHz)의 대역폭을 가짐을 확인하였다. 측정된 대역은 GPS와 DMB 대역을 모두 만족시킨다.
제안된 안테나는 커플링 급전을 이용하여 annular ring의 두 가지 모드를 여기시켰고, GPS 대역에서는 안테나의 수직 방향으로 최대 방사가 발생하고, DMB 대역에서는 코니컬 빔 패턴이 발생한다. 측정된 안테나는 SU<~IO dB를 기준으로 GPS는 18 MHz의 대역폭을, DMB는 47 MHz의 대역폭을 가져 원하는 주파수 대역을 모두 만족한다. 본 논문에서 제안하는 구조는 평면형 구조로 고속 이동 물체의 천장에 사용하여 기계적인 구조물과 집적화가 가능하다.

참고문헌 (7)

Anthony Lai, Kevin M. K. H. Leong, and Tatsuo Itoh, "Dual-mode compact microstrip antenna based on fundamental backward wave", Asia-Pacific Microwave Conference, vol. 4, Dec. 2005
Shun-Yun Lin, Kuang-Chih Huang, "A compact microstrip antenna for GPS and DCS application", IEEE Tans. Antennas Propag., vol. 53, no. 3, pp. 1227-1229, Mar. 2005

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Jia-Yi Sze, Chung-I G. Hsu, and Sheng-Chin Hsu, "Design of a compact dual-band annular-ring slot antenna", IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 6, pp. 423-426, 2007

상세보기
L. Boccia, G. Amendola, and G. Di Massa, "Per- formance evaluation of shorted annular patch ante-nnas for high-precision GPS systems", IET Microw. Antennas Propag., vol. 1, no. 2, pp. 465-471, 2007

상세보기
Arun K. Bhattacharyya, Ramesh Garg, "Input impedance of annular ring microstrip antenna using circuit theory approach", IEEE Tans. Antennas Propag., vol. 33, no. 4, pp. 369-374, Apr. 2005

상세보기
R. J. Langley, K. Voudouris, and J. C. Batchelor, "Annular ring patch antennas", IEE Colloquium on Multi-Band Antennas, Oct. 1992
Chow Yen Desmond Sim, Kuang-Woei Lin, and Jeen-Sheen Row, "Design of an annular-ring microstrip antenna for circular polarization", Antennas Propagat. Soc. Int. Symp., vol. 1, pp. 471-474, Jun. 2004

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