[논문]안테나 기판으로 자성유전체 특성에 관한 연구

이영순; 유진하; 이가영; 조윤기; 김의중; 오병희

안테나 기판으로 자성유전체 특성에 관한 연구
A study on characteristics of magneto-dielectrics as the antenna substrate 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.13 no.6 = no.39, 2009년, pp.838 - 845

이영순 (금오공과대학교 전자공학부) , 유진하 (금오공과대학교 전자공학부) , 이가영 (금오공과대학교 전자공학부) , 조윤기 (금오공과대학교 전자공학부) , 김의중 (한국전자통신연구원 부설연구소) , 오병희 (삼성전자(주))

초록
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유전체 기판을 대신하여 안테나 기판으로 사용되어질 다양한 유전율과 투자율을 가지는 자성유전체를 얻기 위하여 유전체 재료로는 실리콘 레진과 에폭시 레진을 그리고 자성재료로는 카보닐 아이언, 바륨 및 스트론튬을 사용하여 다양한 합성물로 제조하였고, 이러한 자성유전체들의 비유전율 및 비투자율을 HP4291B 임피던스 분석기를 사용하여 측정하였다. 본 논문에서 필름형태로 제조된 자성유전체를 안테나 기판으로 사용했을 때 공진주파수, 임피던스 대역폭과 같은 안테나 특성 변화의 차이점을 유전체 기판 사용과 비교하여 알아보기 위해 측정된 비유전율 및 비투자율에 근거하여 IFA형태의 미앤더 모노폴 안테나 설계 및 제작을 하였고, 모의실험 결과 및 측정 결과를 제시하였다. 본 논문에서는 이러한 결과를 토대로 자성재료의 종류 선택 및 자성재료와 유전체 재료의 혼합비 변화에 따른 자성유전체의 특성 변화들을 논의한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to obtain magneto-dielectrics with various permmittivity and permeability which could be used as the antenna substrate, various magneto-dielectrics compounded of dielectric materials(such as silicon and epoxy resin) and magnetic materials(such as carbonyl iron, barium and strontium powder) were fabricated. The relative permittivity and permeability of those were measured by use of HP 4291B impedance analyzer. Based upon the measured results, inverted-F meander monopole antennas(IFA) which were printed on the magneto-dielectric substrates fabricated as film type were designed and fabricated to investigate into variations of antenna characteristics such as the resonant frequency and impedance bandwidth in comparison with use of dielectric substrate. Some simulated and measured results for the designed IFA were presented. Characteristics of magneto-dielectrics which are different according as the choice of magnetic material or the composition ratio between magnetic material and dielectric material is different have been discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 금속계열과 산화물계열 자성재료를 사용하여 제작된 자성유전체의 유전율 및 투자율 특성을 분석하였다. 그 결과 참고문헌 [2]에서는 비투자율 1.
본 논문의 자성유전체를 안테나 기판으로 사용할 경우 안테나 소형화 및 효율개선 정도를 확인하기 위해, 먼저 유전체 기판인 FR4(εr = 4.4)를 사용하여 모의실험 설계한 후, 설계된 안테나 패턴을 그대로 유지하며 본 논문의 자성유전체를 기판으로 한 경우, 공진주파수와 대역폭 및 안테나 효율이 어떻게 변화하는지를 모의실험 결과로 알아보기로 하였다.
이렇게 다양한 자성재료와 유전체 레진재료의 혼합 비율을 달리하여 제조된 자성유전재료를 안테나의 기판으로 사용하기 위하여 얇은 필름형태의 기판으로 제작 한 후, 이를 비유전율과 비투자율을 1GHz 주파수 대역까지 측정하여 제시하였다. 실험을 통해 측정된 자성유전체 필름기판의 비유전율과 비투자율의 값을 토대로 안테나를 설계 및 제작 하여 대역폭, 복사 효율과 같은 안테나 특성을 측정하여 안테나 기판으로의 사용가능성을 확인해 보고자 한다.
참고문헌 [1] 및 [2]에서는 자성재료로 카보닐 아이언과 유전체 재료로 실리콘 에폭시를 사용하여 자성유전체를 제작하였고, 이 경우 자성유전체가 쉽게 깨어진다는 단점이 있어 본 논문에서는 유전체 재료로 실리콘 레진 혹은 에폭시 레진을 사용하여 탄성이 있는 자성유전체를 제작하고자 한다. 또한 다양한 비유전율과 비투자율을 가지는 자성유전체 제작을 위해 자성재료로 금속계 재료인 카보닐 아이언 분말 뿐만 아니라 산화물계 자성재료인 바륨(Ba) 및 스트론튬(Sr)을 유전체 레진의 혼합재료로 사용하였다.

제안 방법

FR4기판과 자성유전체를 동일한 크기로 준비한 후에 양면테이프를 이용하여 유전체와 안테나 패턴을 부착하는 방법으로 안테나를 제작하였다. 안테나의 그라운드 면은 단면 FR4기판을 사용하여 한 면만 그라운드가 있는 형태로 제작하였다.
본 논문에서 제작된 다양한 자성유전체의 특성은 임피던스 분석기인 HP 4291B를 사용하여 측정하였다. 그림 1에 본 눈문에서 제작된 5가지 자성유전체(AS3, AE3, BS3, BE1, CS2)의 비유전율과 비투자율을 1GHz 주파수 대역까지 측정한 결과를 제시하였다. 이 결과를 토대로 흥미로운 점은 자성유전체 BS3(실리콘 레진에 바륨을 3배 혼합한 자성유전체)의 경우 700MHz에서 1GHz 대역에 비유전율과 비투자율의 실수부 값이 각각 3 근방의 값으로 서로 유사한 값을 갖는다는 것이다.
안테나의 그라운드 면은 단면 FR4기판을 사용하여 한 면만 그라운드가 있는 형태로 제작하였다. 단 안테나의 급전부와 그라운드를 연결하는 부분의 높이는 각각의 물성을 대입하고 최적화한 높이로 설계하여 각 경우마다 조금의 차이가 있으나 안테나의 전체 크기와 패턴은 동일하게 제작하였다. 그림 3은 안테나를 FR4기판(두께t=1.
먼저 FR4(εr = 4.4) 유전체 기판을 사용하여 중심 주파수가 930MHz에 나타나도록 설계하였다.
안테나의 급전부와 그라운드간의 연결부의 높이(shorting pin의 위치)에 따라서 안테나의 반사손실 특성이 변화되는 형태의 안테나이고 기판 유전체의 유전율이 변하면서 안테나의 최적화가 필요하였다. 본 논문의 자성유전체 기판의 유전율과 투자율은 700MHz와 1GHz에서의 측정 결과를 기준으로 입력하였고, 안테나의 급전부와 그라운드 간 연결부의 세로 높이를 변경해 가며 최적화한 후에 각각의 경우에 따라 안테나 설계를 최적화한 후 연결부의 높이를 달리하여 실험을 진행하였다.
5mm, 안테나 도선의 세로 길이는 12mm, 가로의 총 길이는 23mm로 설계되었다. 안테나의 급전부와 그라운드간의 연결부의 높이(shorting pin의 위치)에 따라서 안테나의 반사손실 특성이 변화되는 형태의 안테나이고 기판 유전체의 유전율이 변하면서 안테나의 최적화가 필요하였다. 본 논문의 자성유전체 기판의 유전율과 투자율은 700MHz와 1GHz에서의 측정 결과를 기준으로 입력하였고, 안테나의 급전부와 그라운드 간 연결부의 세로 높이를 변경해 가며 최적화한 후에 각각의 경우에 따라 안테나 설계를 최적화한 후 연결부의 높이를 달리하여 실험을 진행하였다.
이렇게 다양한 자성재료와 유전체 레진재료의 혼합 비율을 달리하여 제조된 자성유전재료를 안테나의 기판으로 사용하기 위하여 얇은 필름형태의 기판으로 제작 한 후, 이를 비유전율과 비투자율을 1GHz 주파수 대역까지 측정하여 제시하였다. 실험을 통해 측정된 자성유전체 필름기판의 비유전율과 비투자율의 값을 토대로 안테나를 설계 및 제작 하여 대역폭, 복사 효율과 같은 안테나 특성을 측정하여 안테나 기판으로의 사용가능성을 확인해 보고자 한다.
제작된 안테나의 급전부에 세미 리지드 케이블을 연결하고 Agilent E8358B VNA(Vector Network Analyzer)를 사용하여 측정하였다. FR4 유전체 기판과 본 논문의 5가지 종류 자성유전체 기판 사용에 의한 안테나의 공진주파수 및 대역폭(VSWR<2) 측정결과를 실선으로 하여 점선으로 된 모의실험과 비교하여 그림 4 및 5에 제시 하였다.

대상 데이터

참고문헌 [1] 및 [2]에서는 자성재료로 카보닐 아이언과 유전체 재료로 실리콘 에폭시를 사용하여 자성유전체를 제작하였고, 이 경우 자성유전체가 쉽게 깨어진다는 단점이 있어 본 논문에서는 유전체 재료로 실리콘 레진 혹은 에폭시 레진을 사용하여 탄성이 있는 자성유전체를 제작하고자 한다. 또한 다양한 비유전율과 비투자율을 가지는 자성유전체 제작을 위해 자성재료로 금속계 재료인 카보닐 아이언 분말 뿐만 아니라 산화물계 자성재료인 바륨(Ba) 및 스트론튬(Sr)을 유전체 레진의 혼합재료로 사용하였다.
4)를 사용하여 모의실험 설계한 후, 설계된 안테나 패턴을 그대로 유지하며 본 논문의 자성유전체를 기판으로 한 경우, 공진주파수와 대역폭 및 안테나 효율이 어떻게 변화하는지를 모의실험 결과로 알아보기로 하였다. 모의 설계 및 실험을 위해서 상용 S/W인 CST 사의 MWS(Microwave Studio)가 사용되었다.
그러므로 제작한 자성유전체의 특성 분석은 200~1000MHz 대역에 중점을 두었다. 본 논문에서 제작된 다양한 자성유전체의 특성은 임피던스 분석기인 HP 4291B를 사용하여 측정하였다. 그림 1에 본 눈문에서 제작된 5가지 자성유전체(AS3, AE3, BS3, BE1, CS2)의 비유전율과 비투자율을 1GHz 주파수 대역까지 측정한 결과를 제시하였다.
본 논문에서 제조된 자성유전체 필름을 안테나 기판으로 사용하기 위하여 선택한 안테나는 참고문헌[8]에서 제시한 그림 2와 같은 IFA형태를 갖는 미앤더 모노폴 안테나이다.
FR4기판과 자성유전체를 동일한 크기로 준비한 후에 양면테이프를 이용하여 유전체와 안테나 패턴을 부착하는 방법으로 안테나를 제작하였다. 안테나의 그라운드 면은 단면 FR4기판을 사용하여 한 면만 그라운드가 있는 형태로 제작하였다. 단 안테나의 급전부와 그라운드를 연결하는 부분의 높이는 각각의 물성을 대입하고 최적화한 높이로 설계하여 각 경우마다 조금의 차이가 있으나 안테나의 전체 크기와 패턴은 동일하게 제작하였다.
자성유전체의 제작에 사용된 유전체 재료는 비교적 양호한 고주파 특성을 가지는 실리콘 레진 (DC-184)과 에폭시 레진(LDC-2577D)이다. 유전체 재료에 따른 유전율 및 투자율 특성변화를 확인하기 위해 두 종류의 유전체 재료를 사용하였다. 자성재료로는 금속계 자성재료인 카보닐 아이언과 산화물계 자성재료인 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 분말이 사용되었다.
자성유전체의 제작에 사용된 유전체 재료는 비교적 양호한 고주파 특성을 가지는 실리콘 레진 (DC-184)과 에폭시 레진(LDC-2577D)이다. 유전체 재료에 따른 유전율 및 투자율 특성변화를 확인하기 위해 두 종류의 유전체 재료를 사용하였다.
유전체 재료에 따른 유전율 및 투자율 특성변화를 확인하기 위해 두 종류의 유전체 재료를 사용하였다. 자성재료로는 금속계 자성재료인 카보닐 아이언과 산화물계 자성재료인 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 분말이 사용되었다. 혼합된 시료를 필름형태로 제작하기 위해 유전체 필름 제작 장비(STC-28 C/A)를 사용하였다.

성능/효과

금속계열 자성재료보다 산화물 계열 자성재료를 사용할 때 비유전율과 비투자율이 유사하게 나타났으며 두 값이 유사하게 조절됨으로써 공진주파수는 낮아지고 대역폭 확보가 용이하며 방사효율이 개선되는 것을 확인 할 수 있었다. 결론적으로 유전율과 투자율이 모두 유사한 값을 가지는 자성유전체를 사용하면 안테나의 소형화와 더불어 보다 넓은 대역폭 확보가 가능함을 확인 할 수 있었다.
4) 유전체 기판을 사용하여 중심 주파수가 930MHz에 나타나도록 설계하였다. 그 결과 미앤더 라인은 7turns로 구성되었고 안테나 도선의 폭은 1mm, 안테나 도선과 도선사이의 거리는 0.5mm, 안테나 도선의 세로 길이는 12mm, 가로의 총 길이는 23mm로 설계되었다. 안테나의 급전부와 그라운드간의 연결부의 높이(shorting pin의 위치)에 따라서 안테나의 반사손실 특성이 변화되는 형태의 안테나이고 기판 유전체의 유전율이 변하면서 안테나의 최적화가 필요하였다.
3인 자성유전체를 얻을 수 있었고, 이러한 자성유전체를 기판으로 사용하여 제작한 안테나의 특성을 확인하였다. 그 결과 안테나 소형화를 위해서는 공진주파수가 낮게 측정되는 카보닐 아이언과 같은 금속계열 자성재료를 혼합재료로 사용하는 것이 좋으나 안테나 효율이 낮아지는 단점이 있고, 반면에 바륨과 같은 산화물 계열 자성재료를 사용할 경우 유전율은 크지는 않으나 비유전율과 비투자율 값이 유사한 자성 유전체 제조가 가능해 대역폭 및 방사효율이 높은 자성유전체 안테나 기판으로의 사용이 가능함을 알 수 있었다. 일 예로 700MHz에서 1GHz의 UHF 대역에서 비유전율(ε_r = 3.
그 결과 참고문헌 [2]에서는 비투자율 1.5∼3과 비유전율 4∼8.5인 자성유전체를 얻은 반면에 본 논문에서는 비투자율이 1.2∼6.7 및 비유전율이 2.2∼18.3인 자성유전체를 얻을 수 있었고, 이러한 자성유전체를 기판으로 사용하여 제작한 안테나의 특성을 확인하였다.
효율 측면에서는 AE3시료 외의 나머지 시료들은 모의실험 결과보다 낮은 값이 측정 되었다. 그리고 금속계열보다 산화물계열의 시료를 사용한 것이 더 높은 효율을 가짐을 알 수 있었다. 특히 BS3의 경우 가장 높은 59%의 안테나 효율을 가지는 것으로 측정되었는데, 이러한 결과는 비유전율과 비투자율이 유사한 값의 경우가 되어 나타난 것으로 사료된다.
4에 비하여 낮음에도 불구하고, 동일한 IFA 미앤더 패턴으로 했을 때 FR4 기판 사용과 비교하여 공진주파수는 24MHz가 낮고 대역폭은 7MHz가 넓게 측정되었으며 그 효율은 59%로 FR4를 사용한 안테나보다 18% 높은 값이 측정 되었다. 금속계열 자성재료보다 산화물 계열 자성재료를 사용할 때 비유전율과 비투자율이 유사하게 나타났으며 두 값이 유사하게 조절됨으로써 공진주파수는 낮아지고 대역폭 확보가 용이하며 방사효율이 개선되는 것을 확인 할 수 있었다. 결론적으로 유전율과 투자율이 모두 유사한 값을 가지는 자성유전체를 사용하면 안테나의 소형화와 더불어 보다 넓은 대역폭 확보가 가능함을 확인 할 수 있었다.
유전체 기판을 대신하여 자성유전체를 안테나 기판으로 사용할 경우 얻을 수 있는 장점은 크게 두 가지로 볼 수 있다. 먼저 자성유전체의 경우 유효 유전율이 permittivity(유전율)과 permeability(투자율)의 곱에 비례하므로, 단순한 유전체를 사용하여 유전율을 높이는 것과는 달리 효과적으로 유효 유전율을 높일 수 있다는 것이다. 이와 더불어 relative permittivity(비유전율)과 relative permeability(비투자율)을 같게 하는 경우 자성유전체 매질의 파동임피던스가 자유공간의 파동임피던스와 같아져 impedance matched material이 된다는 점이다.
그림 4와 5에서 가로축은 안테나 기판으로 유전체 기판인 FR4, 본 논문의 자성유전체 5종류인 AS3, AE3, BE1, BS3, CS2 이고, 세로축은 그 사용 안테나 기판에 따른 결과인 공친 주파수와 대역폭을 나타내었다. 모의 실험 결과 FR4기판을 사용한 경우보다 본 논문의 자성유전체를 사용한 경우들이 공진주파수가 낮아, 안테나의 소형화가 가능하고 대역폭 또한 대체로 넓어지는 경향을 보임을 확인 할 수 있었다.
일 예로 700MHz에서 1GHz의 UHF 대역에서 비유전율(εr = 3.063)과 비 투자율(μr = 3.473)으로 유사하여 유효 유전율 (#)이 3.26으로 FR4기판의 유전율 4.4에 비하여 낮음에도 불구하고, 동일한 IFA 미앤더 패턴으로 했을 때 FR4 기판 사용과 비교하여 공진주파수는 24MHz가 낮고 대역폭은 7MHz가 넓게 측정되었으며 그 효율은 59%로 FR4를 사용한 안테나보다 18% 높은 값이 측정 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유전체 기판을 대신하여 자성유전체를 안테나 기판으로 사용할 경우 얻을 수 있는 장점은?	유전체 기판을 대신하여 자성유전체를 안테나 기판으로 사용할 경우 얻을 수 있는 장점은 크게 두 가지로 볼 수 있다. 먼저 자성유전체의 경우 유효 유전율이 permittivity(유전율)과 permeability(투자율)의 곱에 비례하므로, 단순한 유전체를 사용하여 유전율을 높이는 것과는 달리 효과적으로 유효 유전율을 높일 수 있다는 것이다. 이와 더불어 relative permittivity(비유전율)과 relative permeability(비투자율)을 같게 하는 경우 자성유전체 매질의 파동임피던스가 자유공간의 파동임피던스와 같아져 impedance matched material이 된다는 점이다. 이와 같이 효과적으로 유효 유전율을 높이면서도 복사 효율이 낮아지지 않을 수 있는 아이디어가 안테나 기판으로 유전체를 대신하여 자성유전체를 사용하겠다는 논리적인 근거인 것이다.
	자성유전체가 안테나 기판 사용으로 적합하기 위한 조건은?	자성유전체가 안테나 기판 사용으로 적합하려면 비유전율과 비투자율이 유사하면서 유전 손실과 자성손실이 매우 작은 값을 가져야 하는데, 기존의 자성유전체 들은 1GHz 부근에서부터 유전손실과 자성 손실이 급격히 증가하기 때문에 안테나 설계용으로 적합하지 않다. 그러므로 제작한 자성유전체의 특성 분석은 200~1000MHz 대역에 중점을 두었다.
	자성재료로 카보닐 아이언과 유전체 재료로 실리콘 에폭시를 사용하여 자성유전체를 제작한 경우의 단점은?	참고문헌 [1] 및 [2]에서는 자성재료로 카보닐 아이언과 유전체 재료로 실리콘 에폭시를 사용하여 자성유전체를 제작하였고, 이 경우 자성유전체가 쉽게 깨어진다는 단점이 있어 본 논문에서는 유전체 재료로 실리콘 레진 혹은 에폭시 레진을 사용하여 탄성이 있는 자성유전체를 제작하고자 한다. 또한 다양한 비유전율과 비투자율을 가지는 자성유전체 제작을 위해 자성재료로 금속계 재료인 카보닐 아이언 분말 뿐만 아니라 산화물계 자성재료인 바륨(Ba) 및 스트론튬(Sr)을 유전체 레진의 혼합재료로 사용하였다.

참고문헌 (8)

배석, 김인영 "1cc 부피 페라이트 DVB-H 안테나", 한국자기학회 2006년도 정기총회 동계학술연구발표회 및 자성 및 스핀트로닉스 국제학술대회 논문 개요집, pp. 230-231, 2006. 11.
배석, 김인영, "휴대폰용 자성유전체 안테나", 한국자기학회 2006년도 임시총회 및 하계학술연구 발표회 논문개요집, 제16권, 제1호, pp. 88-89, 2006. 6.
Y. Deag and Q. Cbu, "A DVB-H antenna on organic magneto-dielectric substrate", Microwave Conference, 2007. APMC 2007. Asia-Pacific, pp. 1-4, Dec 2007.
J.R. James, R. Chair, K.M. Luk, K.M. Chow, K.W. Leung and J.C. Vardaxogiou, "Influence of magnetic material on dielectric resonator antenna excitation", IEEE Proceedings-Microwaves Antennas and Propagation, vol. 151, no. 4, pp. 293-298. Aug. 2004.

상세보기
Shun-Shi Zhong. Jun-Hai Cui, Rui-Feng Xue and Jun-wei Niu, "Compact circularly polarized microstrip antenna on organic magnetic substrate", Microwave and Optical Technology Letter, vol. 40, no. 6. pp.793-796, Mar. 2004.
Kyeong-Sik Min, Viet-Hong Tran, "Application of magneto-dielectric materials in Antenna Design", Journal of The Korea Electromagnetic Engineering Society, vol. 6, no. 3, pp. 165-170, Sep. 2006.

원문보기 상세보기
Y. Deng and Q. Chu, "Comb-shaped antenna on magneto-dielectric substrate for DVB-H reception", Microwave and Millimeter Wave Technology, 2007. ICMMT '07. International Conference on, pp. 1-3, April 2007.
Seok Bae, Y. Mano, "VHF antenna using ferrite-epoxy composite materials", 한국자기학회 2005년도 임시총회 하계학술연구발표회 및 국제 차세대 HDD 기술워크샵 논문개요집, 제15권, 제1호, pp. 190-191, 2005. 6.

저자의 다른 논문 :

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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