[논문]마이크로스트립 안테나의 설계와 분석

박용욱

문제 정의

본 연구에서 실제 마이크로스트립 안테나의 제작에 앞서 Ansoft사의 HFSS를 이용하여 최적의 특성을 갖는 마이크로스트립 안테나를 설계하였다. 보통 설계에 사용되는 기판 유전율 값은 보통 2.
본 연구에서는 중심주파수 2.64曲로 중앙 대각선에 슬롯을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나를 이론적인 수식과 내용을 바탕으로 시뮬레이션을 한 후, 각각의 파라미터에 따른 영향을 연구하고 최적화된 형태의 안테나를 제작해 보고자 한다. 설계된 마이크로스트립 패치 안테나의 특성을 설계 분석하기 위해 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structural Simulator) V10.
또한 이러한 주파수 범위에서 안테나의 최소요구치인 VSWR 2이 하를 만족시 켜 야 한다. 본연구에서는 VSW의 설계 목표치를 2 이하로 획득할 수 있는 설계 목표로 마이크로 스트립안테나를 설계하였고, 중심주파수, 대역폭, 반사손실 등의 설계 목표값은 표2와 같은 특성을 갖도록 안테나를 설계 하였다. 설계 및 시뮬레이션, 제작한 안테나는 패치의 폭, 길이, 슬롯의 폭, 길이, 메탈두께, 기판두께, 급전선의 폭, 길이 등 많은 파라미터를 가지고 있다.

제안 방법

설계 및 시뮬레이션, 제작한 안테나는 패치의 폭, 길이, 슬롯의 폭, 길이, 메탈두께, 기판두께, 급전선의 폭, 길이 등 많은 파라미터를 가지고 있다. 본 연구에서는 각각의 파라미터 중 피드라인의 폭을 3mm 로 고정하고 패치의 크기(W=L), 폭(W), 길이 (L), 슬롯의 폭(d), 슬롯의 길이 (c) 등의 파라미터를 시뮬레이션을 통해 조정해가며 안테나의 특성에 미치는 영향을 각 파라미터 별로 비교분석하였다.
그림 2는 설계한 안테나의 패치 면상의 전류벡터를 나타낸 것으로 슬롯이 존재하지 않을 때 회전하지 않는 전류벡터가 전극 중심부에 패치를 만들었을 때 전류벡터가 회전하는 것을 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서 사용하고자 하는 좌원편파를 패치를 적용하여 얻을 수 있음을 알 수 있고 효율적인 급전을 위하여 급전방식은 마이크로스트립 급전으로 패치 하단부에 연결하는 구조로 안테나를 설계하였다.
본 연구에서는 중심주파수 2.64GHz로 중앙 대각선에 슬롯을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나를 이론적인 수식과 내용을 바탕으로 시뮬레이션을 한 후, 각각의 파라미터에 따른 영향을 연구하였다. 설계된 마이크로스트립 패치 안테나의 특성을 설계 분석하기 위해 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structural Simulator) V10.
64GHz로 중앙 대각선에 슬롯을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나를 이론적인 수식과 내용을 바탕으로 시뮬레이션을 한 후, 각각의 파라미터에 따른 영향을 연구하였다. 설계된 마이크로스트립 패치 안테나의 특성을 설계 분석하기 위해 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structural Simulator) V10.0을 사용하여 설계된 안테나의 특성을 검토 및 분석하였고, 좌원편파를 얻기 위해 사각 패치 내부 가운데에 대각선으로 슬롯을 만들었다. 시뮬레이션으로 특성을 비교한 결과, 패치의 크기는 주파수 위상이동에 영향을 주었고 슬롯은 패치 안에 차지하는 비율에 따라 편파 특성과 관계되어 손실이 떨어지는 것으로 사려된다.
5mm, 피드 라인 길이 (F)=10mm로 고정하고, 슬롯의 길이 (c)와폭(d) 을 변화하며 특성을 살펴보았다. 슬롯의 길이를 8.5mm ~ 11.5mm, 슬롯의 폭을 1.5mm ~ 4.5mm로 각각 0.5mm씩 변경하며 그 특성을 비교분석하였다. 표 4는 슬롯 길이와 폭에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
한편 마이크로 스트립 안테나를 설계하는 방법은 회로의 요구 조건을 결정하고 설계한 후 시뮬레이션 결과를 통해 적합성 여부를 결정한다. 하지만, 설계 값이 요구사항에 맞지 않으면 가장 적절한 결과값이 얻어질 때까지 튜닝을 해서 재설계한다. 급전부는 임피던스 정합을 통해 손실을 최소화하여 전력이 최대로 전달될 수 있도록 하는 것이 최대 목적이다.

데이터처리

64曲로 중앙 대각선에 슬롯을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나를 이론적인 수식과 내용을 바탕으로 시뮬레이션을 한 후, 각각의 파라미터에 따른 영향을 연구하고 최적화된 형태의 안테나를 제작해 보고자 한다. 설계된 마이크로스트립 패치 안테나의 특성을 설계 분석하기 위해 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structural Simulator) V10.0을 사용하여 설계된 안테나의 특성을 검토 및 분석하였다.

성능/효과

05dB 의 값을 가지며 패치가 더 증가할수록 반사손실은 다시 증가하는 특성을 보임을 표 3의 결과에서 알 수 있다. VWSR의 특성은 패치의 크기가 24mm 및 24.5mm에서 가장 우수한 1.07의 값을 가지며 -10dB 대역폭은 패치의 크기에 따라 크게 변하지 않고 약 120MHz 대역의 크기를 가지며 패치의 크기 변화에 따라 약간의 변화를 가지는 것을 알 수 있다. 본 연구에서 목표로 한 중심주파수는 2.
57애z로 낮아지고 있다. 대역폭은 30MHz에서 230MHz로 점차 넓어지고 특성을 보이며 반사손실의 특성은 10.5mm에서 -25.66dB로 가장 좋고, 11mm부터 반사손실이 다시 증가하는 현상을 확인할 수 있다또한 VWSR 특성은 슬롯의 길이가 10, 10.5皿1에서 가장 우수한 1.07의 값을 가지고 또한 중심주파수 특성도 본 연구에서 목표한 값에 접근하는 특성을 보임을 알 수 있다. 즉, 슬롯의 길이가 길어질수록 중심주파수는 점차 감소하며, 반사손실의 특성은 감소하다가 증가하는 경향을 보이고 대역폭은 점점 증가하는 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
36dB로 점차 좋아진다. 대역폭은 60毗에서 150MHz로 증가하다가 130毗로 다시 감소하는 특성을 보이며 VWSRe 슬롯의 폭이 3.5mm 가장 우수하며 중심주파수도 2.64 曲의 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 슬롯은 반사손실에 영향을 주며 일정 크기이상에서는 손실이 다시 떨어지는 걸볼 수 있는데 이는 패치에 차지하는 슬롯의 비율이 편파 특성에 영향을 주어 떨어지는 것으로 사료된다.
07의 값을 가지며 -10dB 대역폭은 패치의 크기에 따라 크게 변하지 않고 약 120MHz 대역의 크기를 가지며 패치의 크기 변화에 따라 약간의 변화를 가지는 것을 알 수 있다. 본 연구에서 목표로 한 중심주파수는 2.64曲이므로이 목표값을 만족하는 패치의 크기는, 24.5mm 임을 패치의 크기를 변수한 시뮬레이션 결과에서 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 패치의 크기가 작아질수록 중심주파수가 높아지고 있는데, 이는 주파수대역이 높아질수록 파장이 짧아지므로 공진점이 올라가는 현상 때문에 발생한 것으로 사려 된다.
0을 사용하여 설계된 안테나의 특성을 검토 및 분석하였고, 좌원편파를 얻기 위해 사각 패치 내부 가운데에 대각선으로 슬롯을 만들었다. 시뮬레이션으로 특성을 비교한 결과, 패치의 크기는 주파수 위상이동에 영향을 주었고 슬롯은 패치 안에 차지하는 비율에 따라 편파 특성과 관계되어 손실이 떨어지는 것으로 사려된다. 패치의 폭은 중심주파수 이동, 패치의 길이는 임피던스 매칭에 따른 반사손실에 영향을 주는 것을 본 연구를 통하여 확인할 수 있었다.
정사각형 구조를 갖는 패치의 크기를 23.5mm ~ 26.5mm까지 0.5mm 간격으로 값을 변경하여 분석한 결과는 패치의 크기가 증가할수록 중심주파수는 2.75GHz에서 2.48GHz로 감소하는 특성을 보이며, 반사손실은 T6.15dB에서 점점 감소하다가 패치의 크기가 25.5mm에서 가장 우수한 -36.05dB 의 값을 가지며 패치가 더 증가할수록 반사손실은 다시 증가하는 특성을 보임을 표 3의 결과에서 알 수 있다. VWSR의 특성은 패치의 크기가 24mm 및 24.
07의 값을 가지고 또한 중심주파수 특성도 본 연구에서 목표한 값에 접근하는 특성을 보임을 알 수 있다. 즉, 슬롯의 길이가 길어질수록 중심주파수는 점차 감소하며, 반사손실의 특성은 감소하다가 증가하는 경향을 보이고 대역폭은 점점 증가하는 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
시뮬레이션으로 특성을 비교한 결과, 패치의 크기는 주파수 위상이동에 영향을 주었고 슬롯은 패치 안에 차지하는 비율에 따라 편파 특성과 관계되어 손실이 떨어지는 것으로 사려된다. 패치의 폭은 중심주파수 이동, 패치의 길이는 임피던스 매칭에 따른 반사손실에 영향을 주는 것을 본 연구를 통하여 확인할 수 있었다.

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