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문제 정의
- 6인 FR-4 기판을 사용하여 기생 패치를 설계하였다. 광대역 특성을 얻기 위한 방법으로는 여러가지 방법이 있으나, 본 논문에서 적층방법을 응용한 이 유로는 레 벨 트랜스 미 터 가 선박의 Hazardous Zone에 설치 되 므로 기 본배 열 안테 나를 보호하는 목적 과 동시에 광대 역 특성 을 도출해내기 위하여 응용되었다. 기생 패치를 이용한 광대역 안테나는 1978년에 H.
- 본 논문에서 는 X-bandFMCWRadau용 안테 나를 설 계하여 제작하였다. 제작의 용이함과 안테나의 경량화를 위해서 마이크로스트립 패치 안테나를 선택하였다.
- 본 논문에서는 선박용 레벨 트랜스미터용으로 개발하기 위한 목적의 마이크로스트립 배열 패치 안테나를 설계하고 구현하였다. 마이크로스트립 안테나는 두께가 얇고, 소형 이며 평면 또는 곡면에 부착이 용이하고 제작이 간편하여, MIC 설계에 적합하다.
제안 방법
- 넓은 대역폭이 요구되었다. 따라서 이러한설계 조건을 만족하기 위하여 여러 개의 방사소자를 공간적으로 배 치 시 켜 방사소자 군을 형 성 하는 배 열 안테 나를 사용하였고, 기생 패치를 배열 안테나 위에 적층하여 광대역 특성을 얻었다. 급전회로는 비균일 급전 방식인 Dolph-Chebyshev 방식을 선택하였으며 급전 방식으로는 마이크로스트립 라인-프로브 방식으로 급전하였다.
- 0012인 기판에 설계하였으며, 안테나의 지향성과 이득을 향상시키 기 위하여 여러 개의 방사 소자를 공간적으로 배치시켜 방사소자 군을 형성하였다. 또한 광대역 특성을 위하여 비유전율이 4.6인 FR-4 기판을 사용하여 기생 패치를 설계하였다. 광대역 특성을 얻기 위한 방법으로는 여러가지 방법이 있으나, 본 논문에서 적층방법을 응용한 이 유로는 레 벨 트랜스 미 터 가 선박의 Hazardous Zone에 설치 되 므로 기 본배 열 안테 나를 보호하는 목적 과 동시에 광대 역 특성 을 도출해내기 위하여 응용되었다.
- 마이크로 스트립 패치 안테나의 단점으로 지적되고 있는저 지향성, 저 이득, 좁은 대역폭의 단점을 개선하기 위하여 적층 구조 배열 안테나를 채 택하였다. 마이 크로스트립 패치 안테나를 배열함으로써 안테나의 이득과 지향성 특성을 개선하였으며, 적층 구조의 기생 패치를 사용하여 광대역 특성을 얻었다.
- 제작의 용이함과 안테나의 경량화를 위해서 마이크로스트립 패치 안테나를 선택하였다. 마이크로 스트립 패치 안테나의 단점으로 지적되고 있는저 지향성, 저 이득, 좁은 대역폭의 단점을 개선하기 위하여 적층 구조 배열 안테나를 채 택하였다. 마이 크로스트립 패치 안테나를 배열함으로써 안테나의 이득과 지향성 특성을 개선하였으며, 적층 구조의 기생 패치를 사용하여 광대역 특성을 얻었다.
- 본 논문에서는 적층구조에 기생 패치를 첨가하는 방법을 응용하였다. 배열 안테나와 기생 패치 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위하여 공기와 유전율이 비슷한 폼(foam)을 삽입하였다. 그림 2에 프로브급전방식을 채택한 적층 구조 배열 안테나의 구조를 나타내었다.
- 본 논문에서 는 8×8 배 열 안테 나를 위해 안테 나를 4 개의 element를 대칭적으로 배열하여 구현하였다. 사이드 로브의 레벨을 26dB로 설정하여 배열요소를 구하는 과정은 표 3과 같다.
- 본 논문에서 설계된 마이크로스트립 배열 안테나의 요소 안테나는 보편적 으로 많이 사용하는 사각 패치 구조를 사용하였으며 그림 1과 같다. 전체적인 안테나의 배 열은 비유전율이 2.
- 하지 만, 기 생 구조를 이용한 광대 역 방법은 부피가 증가하는 단점과 배 열로 확장이 어 렵다는 단점이 있다. 본 논문에서는 적층구조에 기생 패치를 첨가하는 방법을 응용하였다. 배열 안테나와 기생 패치 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위하여 공기와 유전율이 비슷한 폼(foam)을 삽입하였다.
- 많이 부족한 것을 알 수 있다. 이를 개선시키기위해 기생 패치를 적층시킨 구조의 안테나를 설계하였다. 그림 4는 기생 패치를 적층시킨 적층 구조 배열 안테나의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다.
- 임피던스 정합을 하기 위하여 Dolph-Chebyshev 방식에 의해 구해진 각 소자의 전류진폭에 따른 급전을 하기 위해 전력분배기의 폭을 좌우 비대칭으로 하여임 피 던스를 다르게 설계하였다. 이 배열 방식은 Dolph 가 처음 제안한 배열 방식으로서 균일 배열과 바이노미 얼 배 열을 절충한 배 열 방식 이다.
- 사용하였으며 그림 1과 같다. 전체적인 안테나의 배 열은 비유전율이 2.33인 Rogers사의 RT Duroid 5870 으로 손실탄젠트는 0.0012인 기판에 설계하였으며, 안테나의 지향성과 이득을 향상시키 기 위하여 여러 개의 방사 소자를 공간적으로 배치시켜 방사소자 군을 형성하였다. 또한 광대역 특성을 위하여 비유전율이 4.
- 제작한 안테 나의 대 역 폭 특성 은 ROHDE & SCHWARZ 사 ZVA24 Network AMlyzer로 측정하였다.
- 표 2의 데이터를 이용하여 배열 안테나를 설계한 결과 약 19cm의 정사각형 형 태의 크기 제한으로 인해 급전 회로들이 서로 인접하여 패치와 급전선의 간섭에 의한 문제점들이 발생하였다. 패치와 급전 회로간의 상호 간섭을 줄이기 위하여 폭은 10mm, 길이는 9mm로 조정하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서 제작된 안테나의 측정은 (주)에이 스안테나의 지원으로 이루어졌다.
- 계산된다. 설계에 사용된 유전체 기판의 특성은 유전율 @=2.33, 높이 膈 1.575이다.
- 제작된 안테나는 설계 주파수 9GHz에서 대 역 폭은 약 1.25GHz(8.39GHz-9.64GHz), 반 전력 빔 폭 9.4° @9GHz, 이득 18.70dBi@9GHz의 특성을 나타내었다. 대역폭이 약 1GHz 이상 넓어진 이유는 제작과정에서의 설계 값과 제작 치수 사이의 오차로 인한 손실과 제작 시 사용된 프로브 급전방식에서 비롯된 급전선에서 원하지 않는 방사에 의한손실이 원인으로 생각된다.
- 제작하였다. 제작의 용이함과 안테나의 경량화를 위해서 마이크로스트립 패치 안테나를 선택하였다. 마이크로 스트립 패치 안테나의 단점으로 지적되고 있는저 지향성, 저 이득, 좁은 대역폭의 단점을 개선하기 위하여 적층 구조 배열 안테나를 채 택하였다.
이론/모형
- 따라서 이러한설계 조건을 만족하기 위하여 여러 개의 방사소자를 공간적으로 배 치 시 켜 방사소자 군을 형 성 하는 배 열 안테 나를 사용하였고, 기생 패치를 배열 안테나 위에 적층하여 광대역 특성을 얻었다. 급전회로는 비균일 급전 방식인 Dolph-Chebyshev 방식을 선택하였으며 급전 방식으로는 마이크로스트립 라인-프로브 방식으로 급전하였다. M2]
성능/효과
- 이러한 문제는 2차 방사 역 할을 하는 적층 패치의 유전율이 높은 것과 시뮬레이션 환경과 제작 환경의 차이에 의한 것으로 판단된다. 결과적으로 약 1GHz 대역폭의 특성은 배열 안테나만으로 구현 가능하나더 넓은 대역폭을위해서는 적층구조가 적합함을 알 수 있었다. 향후 X-band FMCW Ra血를 응용한 레벨 트랜스미터의 측정 해상도를 개선하기 위하여 넓은 대역폭과 높은 이득 특성을 위한 지속적인 연구가 필요하다.
- 그림 8-(a)는 적층 구조 배열 안테나의 대 역폭을 나타내고 있다. 대 역폭이약2GHz(7.82GHz~9.8GHz)로 시뮬레이션 결과 값에 비해 약800MHz가 넓어진 것을 확인할 수 있었다. 이는 앞서 설명한 것과 같은 원인으로 인한 결과이다.
- 대역폭이 약 1GHz 이상 넓어진 이유는 제작과정에서의 설계 값과 제작 치수 사이의 오차로 인한 손실과 제작 시 사용된 프로브 급전방식에서 비롯된 급전선에서 원하지 않는 방사에 의한손실이 원인으로 생각된다. 대역폭 특성 개선을 위해 제작된 적층 구조 배열 안테나의 측정 결과는 대 역폭이 약 2GHz(7.82GHz~9.8 GHz), 반 전력 빔 폭 11.03°@9GHz, 이득 15.85dBi @9GHz의 특성을 나타내었다. 시뮬레이션 결과에 비해 설계 안테나의 이득 특성이 저하된 원인은 프로브가 급전되는 부위와 각 소자로 신호를 전달하는 급전선에서 원하지 않는 방사가 발생하여 안테나효율이 저하된 것이 안테나의 이득 저하로 귀 결된 것 같다.
- 결과이다. 대역폭은 약 248MHz(8.75 GHz~ 9.04GHz), 반 전력 빔 폭 10.38°@9GHz, 이득20.51 dBi@9GHz의 결과를 얻었다.
- 그림 4는 기생 패치를 적층시킨 적층 구조 배열 안테나의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 대역폭이 약 L21GHz(8.418GHz ~ 9.631GHz)로 적층 구조를 통하여 대역폭 특성은 개선되었으나 반 전력 빔 폭 10.88° @9GHz와 이득 18.95dBi@9GHz는 적층 구조로 인해 조금 나빠진 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상이 발생한 이유로는 기생 패치를 적층시킨 유전체 기판의 유전율이 높아 적층 유전체 기판에 의한 반사의 영향으로 대역폭의 특성은 개선되 었으나, 방사되는 신호가 높은 유전율의 유전체 기판에 의하여 방사특성이 저하된 것이 반 전력 빔 폭과 이득 특성 저하의 결과로 귀결된다.
- 본 논문에서 는 안테나 크기가 19x19cm의 정사각형의 제한이 있었으며, X-band Radar용 안테나로 높은 이득과 넓은 대역폭이 요구되었다. 따라서 이러한설계 조건을 만족하기 위하여 여러 개의 방사소자를 공간적으로 배 치 시 켜 방사소자 군을 형 성 하는 배 열 안테 나를 사용하였고, 기생 패치를 배열 안테나 위에 적층하여 광대역 특성을 얻었다.
후속연구
- 결과적으로 약 1GHz 대역폭의 특성은 배열 안테나만으로 구현 가능하나더 넓은 대역폭을위해서는 적층구조가 적합함을 알 수 있었다. 향후 X-band FMCW Ra血를 응용한 레벨 트랜스미터의 측정 해상도를 개선하기 위하여 넓은 대역폭과 높은 이득 특성을 위한 지속적인 연구가 필요하다.
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