본 논문에서는 Sierpinski 프랙탈 구조를 이용하여 이중 대역에서 동작하는 배열 안테나를 제안하였다. 거울 대칭 형태의 $2{\times}2$ 배열 구조는 상부 $1{\times}2$ 배열과 하부 $1{\times}2$ 배열 간에 $180^{\circ}$ 위상차를 인가하면 cellular 대역과 WCDMA 대역에서 broadside 방향으로 복사 패턴을 형성한다. 따라서, 동위상 급전 회로를 적용하기 위해 배열 구조에서 상부와 하부 배열 간에 패치와 그라운드의 위치를 변경하여 위상 반전 구조를 구현하였다. 배열 안테나는 $28{\times}30{\times}5\;cm^3$의 크기를 가지며, -10 dB 반사 손실 대역은 1차 대역에서 855~1,380 MHz(47 %), 2차 대역에서 1,770~2,330 MHz(27 %)이다. 이득은 1차 대역에서 9.06~12.44 dBi, 2차 대역에서 11.76~14.84 dBi이다. 1,100 MHz에서 x-z 평면의 반전력 빔 폭은 $57^{\circ}$, y-z 평면의 반전력 빔 폭은 $46^{\circ}$이고, 2,050 MHz에서는 각각 $43^{\circ}$와 $28^{\circ}$이다.
본 논문에서는 Sierpinski 프랙탈 구조를 이용하여 이중 대역에서 동작하는 배열 안테나를 제안하였다. 거울 대칭 형태의 $2{\times}2$ 배열 구조는 상부 $1{\times}2$ 배열과 하부 $1{\times}2$ 배열 간에 $180^{\circ}$ 위상차를 인가하면 cellular 대역과 WCDMA 대역에서 broadside 방향으로 복사 패턴을 형성한다. 따라서, 동위상 급전 회로를 적용하기 위해 배열 구조에서 상부와 하부 배열 간에 패치와 그라운드의 위치를 변경하여 위상 반전 구조를 구현하였다. 배열 안테나는 $28{\times}30{\times}5\;cm^3$의 크기를 가지며, -10 dB 반사 손실 대역은 1차 대역에서 855~1,380 MHz(47 %), 2차 대역에서 1,770~2,330 MHz(27 %)이다. 이득은 1차 대역에서 9.06~12.44 dBi, 2차 대역에서 11.76~14.84 dBi이다. 1,100 MHz에서 x-z 평면의 반전력 빔 폭은 $57^{\circ}$, y-z 평면의 반전력 빔 폭은 $46^{\circ}$이고, 2,050 MHz에서는 각각 $43^{\circ}$와 $28^{\circ}$이다.
This paper presents a dual-band array antenna based on a modified Sierpinski fractal structure. Array structure is mirror symmetric, and forms broadside radiation pattern for dual frequency band if the ports are fed with $180^{\circ}C$ phase difference between upper and lower $2{\tim...
This paper presents a dual-band array antenna based on a modified Sierpinski fractal structure. Array structure is mirror symmetric, and forms broadside radiation pattern for dual frequency band if the ports are fed with $180^{\circ}C$ phase difference between upper and lower $2{\times}1$ array. To use in-phase corporate feeding circuit, the phase inversion structure is designed by changing the position of patch and ground for upper and lower array. The dimensions of the array antenna is $28{\times}30{\times}5\;cm^3$ and the bandwidth of 855~1,380 MHz(47 %), 1,770~2,330 MHz(27 %) were achieved for -10 dB return loss. The measured gain is 9.06~12.44 dBi for the first band and 11.76~14.84 dBi for the second band. The half power beam width is $57^{\circ}$ for x-z plane and $46^{\circ}$ for y-z plane at 1,100 MHz and $43^{\circ}$ and $28^{\circ}$ at 2,050 MHz, respectively.
This paper presents a dual-band array antenna based on a modified Sierpinski fractal structure. Array structure is mirror symmetric, and forms broadside radiation pattern for dual frequency band if the ports are fed with $180^{\circ}C$ phase difference between upper and lower $2{\times}1$ array. To use in-phase corporate feeding circuit, the phase inversion structure is designed by changing the position of patch and ground for upper and lower array. The dimensions of the array antenna is $28{\times}30{\times}5\;cm^3$ and the bandwidth of 855~1,380 MHz(47 %), 1,770~2,330 MHz(27 %) were achieved for -10 dB return loss. The measured gain is 9.06~12.44 dBi for the first band and 11.76~14.84 dBi for the second band. The half power beam width is $57^{\circ}$ for x-z plane and $46^{\circ}$ for y-z plane at 1,100 MHz and $43^{\circ}$ and $28^{\circ}$ at 2,050 MHz, respectively.
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문제 정의
본 논문에서는 cellular 대역과 WCDMA 대역을 동시에 만족하는 이중 대역 지향성 배열 안테나를 제안하였다. 단일 안테나는 이득 개선을 위하여 반사판을 가지는 변형된 이중 대역 Sierpinski 프랙탈 안테나를 사용하고, 거울 대칭형의 2×2 배열 구조로 구성하였다.
제안 방법
본 논문에서는 기존에 발표된 단일 안테나[11]의 복사 패턴 방향을 개선하고, 변형된 Sierpinski 프랙탈 구조를 갖는 다이폴 안테나를 사용하여, 상용 통신 주파수 대역(GSM, CDMA, PCS, IMT- 2000, WCDMA)을 모두 수용하는 이중 대역(855～1,380 MHz, 1,770～2,330 MHz) 2×2 배열 안테나를 제안한다.
안테나 구조는 동위상 급전을 적용할 수 있도록 거울 대칭 배열에서 상부와 하부 1×2 배열 간에 패치와 그라운드를 서로 기판의 반대 면에 배치하여 위상 반전 구조를 설계하고, 안테나의 이중 대역을 만족하는 corporate 급전 회로를 적용하였다.
그러나, 이렇게 형성된 안테나의 공진 대역폭은 매우 협소하므로, 그림 1(a)과 같이 Sierpinski 프랙탈 구조 좌우에 삼각형 패치를 추가하여 2차 공진 대역폭을 확장하였다[9],[10]. 확장된 대역폭을 가지는 Sierpinski 프랙탈 안테나에 반사판을 적용하여 이중 대역에서 broadside 방향으로 높은 지향성을 가지며 동작하는 배열 안테나를 설계하였다.
따라서, 그림 2와 같이 1차와 2차 공진 대역의 복사 패턴이 broadside 방향으로 형성되도록 2×2 거울 대칭형으로 배열 안테나 구조를 설계하였다.
배열 간격은 입력 포트를 기준으로 AX =102 mm, AY =130 mm이며, 2차 공진 대역 중심 주파수의 파장 대비 각각 0.70 λ2, 0.88 λ2로 그레이팅 로브가 형성 안되게 정하였다.
2중 대역 1×4 급전 회로를 구현하기 위하여, 임피던스 정합에 대해 2가지 방법을 사용하였다.
2중 대역 1×4 급전 회로를 구현하기 위하여, 임피던스 정합에 대해 2가지 방법을 사용하였다. 먼저, 50 Ω 급전 회로를 2 방향으로 분기할 때, 100 Ω 선로를 적용하는 부분에서, multi-section 매칭을 적용할 수 없는 협소한 공간이라 50 Ω 선로와 100 Ω 선로의 접합 부분을 사다리꼴 형태로 연결하여 구현하였고, 반사 손실(S11)은 －20 dB를, 전력 분배율(S21= S31=S41=S51)은 －6 dB가 나오도록 설계하였다. 다음으로 마이크로스트립 선로-동축 선로 변환부의 임피던스 매칭은 불연속 구조에서 발생하는 기생 인덕턴스/캐패시턴스 때문에 부정합이 발생 가능하므로, 패턴과 동축 선로 면적간 반사 손실이 최소화되는 구조로 설계하였다.
먼저, 50 Ω 급전 회로를 2 방향으로 분기할 때, 100 Ω 선로를 적용하는 부분에서, multi-section 매칭을 적용할 수 없는 협소한 공간이라 50 Ω 선로와 100 Ω 선로의 접합 부분을 사다리꼴 형태로 연결하여 구현하였고, 반사 손실(S11)은 －20 dB를, 전력 분배율(S21= S31=S41=S51)은 －6 dB가 나오도록 설계하였다. 다음으로 마이크로스트립 선로-동축 선로 변환부의 임피던스 매칭은 불연속 구조에서 발생하는 기생 인덕턴스/캐패시턴스 때문에 부정합이 발생 가능하므로, 패턴과 동축 선로 면적간 반사 손실이 최소화되는 구조로 설계하였다.
지향성 복사 패턴의 형성을 위해 상/하 1×2 배열 간의 위상 반전 구조를 구현하고, 4×1 급전 회로 구조를 사용하였다.
대상 데이터
배열 구조의 안테나와 급전 회로는 동일한 Taconic TLY-5A(두께 0.8 mm, εr=2.17) PCB 기판을 사용하였다.
단일 안테나는 이득 개선을 위하여 반사판을 가지는 변형된 이중 대역 Sierpinski 프랙탈 안테나를 사용하고, 거울 대칭형의 2×2 배열 구조로 구성하였다.
데이터처리
반전력 빔 폭은 1,100 MHz에서 x-z 평면에서 57° 와 y-z 평면에서 46°, 2,050 MHz에서 각각 43°와 28° 이다. 전산 모의 실험은 3D 유한 적분 시간 차원(FITD) 방식의 CST사 Microwave Studio로 수행하였으며, 측정 결과와 비교/제시하였다.
성능/효과
그리고 제안된 안테나를 거울 대칭형으로 2×2 배열할 경우, 상부와 하부 1×2 배열 간에 180° 위상차를 인가하여야 broad- side 방향으로 복사 패턴이 형성됨을 전산 모의 실험 결과로 확인한 바 있다[12].
17) PCB 기판을 사용하였다. 제안한 배열 안테나는 1차 대역에서 855～1,380 MHz(GSM: 880～960 MHz, CDMA: 824～894 MHz)의 대역폭을 가지고 2차 대역에서 1,770～2,330 MHz(PCS: 1,850～1,990 MHz, IMT-2000: 1,100～2,200 MHz, WCDMA: 1,920～2,170 MHz)의 대역폭을 가진다. 대역 내에서 이득은 1차 대역에서 9.
그림 2는 간격(H)에 따른 단일 안테나의 반사 손실 특성이다. 간격이 증가함에 따라 1차 공진 대역의 반사 손실 특성이 개선됨을 확인할 수 있다. 그림 3(a), (b)는 간격에 따른 각 대역에서의 이득 변화 특성이다.
그림 3(a), (b)는 간격에 따른 각 대역에서의 이득 변화 특성이다. 간격이 감소함에 따라 2차 공진 대역의 이득이 개선됨을 확인할 수 있다.
그림 4와 5는 안테나와 반사판의 간격을 48 mm로 고정하고, 반사판의 크기에 따른 반사 손실과 이득 특성 변화이다. 반사 손실은 큰 변화가 없고, 이득은 대역 내에서 0.5 dBi 정도 변화함을 확인할 수 있었다. 따라서, 단일 안테나의 성능 개선은 반사판의 면적보다는 안테나와 반사판의 간격에 의존됨을 확인할 수 있었다.
5 dBi 정도 변화함을 확인할 수 있었다. 따라서, 단일 안테나의 성능 개선은 반사판의 면적보다는 안테나와 반사판의 간격에 의존됨을 확인할 수 있었다.
거울 대칭형 배열 구조(그림 2)의 case 3로 급전했을 때와 제안한 배열 구조에 동위상의 신호를 급전했을 때의 복사 패턴을 비교한 결과, 1,100 MHz와 2,050 MHz에서 각각 그림 6 및 그림 7과 같이 broad-side 방향으로 지향함을 확인하였다.
따라서 안테나 패치의 크기와 관계된 PH2를 조정할 경우 나타나는 특성을 그림 14에 나타내었다. 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이 PH2를 조절함으로써, 1차/2차 공진 대역이 크게 변함을 확인할 수 있다. PH2가 감소하면 1차/2차 공진 대역이 증가하고, 공진 주파수가 높은 쪽으로 이동하게 된다.
표 2는 최적화된 안테나의 설계 변수를 나타내었고, 그림 14에는 최적화된 이중 대역 배열 안테나의 반사 손실에 대한 전산 모의 값과 측정값을 나타내었다. 제안한 안테나의 －10 dB 반사 손실 대역은 1차 대역에서 855～1,380 MHz(47 %)를 가지며, 2차 대역에서는 1,770～2,330 MHz(27 %)를 가진다. 2차 대역의 중심 주파수가 1차 대역의 중심 주파수의 2배에 해당하며, 2차 공진 대역을 결정하는 설계 변수가 1차 대역에 비하여 상대적으로 민감하게 반응한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이중 대역 안테나의 장점은 무엇인가?
최근 다양한 주파수 대역을 사용하는 통신망이 구축되면서 다중 대역 특성을 가지는 안테나의 중요성이 대두되고 있다. 그 중에서도 마이크로스트립 형태로 구현된 이중 대역 안테나는 한 개의 안테나로 두 개의 대역에서 사용할 수 있으므로, 저렴한 제작비용과 차지하는 공간을 줄일 수 있는 장점이 있다[1]. 따라서, 마이크로스트립 패치로 설계된 이중 대역 안테나에 대한 사례는 매우 다양하게 보고되고 있다[2],[3].
다중 대역 특성을 가지는 안테나의 중요성이 대두되고 있는 배경은 무엇인가?
최근 다양한 주파수 대역을 사용하는 통신망이 구축되면서 다중 대역 특성을 가지는 안테나의 중요성이 대두되고 있다. 그 중에서도 마이크로스트립 형태로 구현된 이중 대역 안테나는 한 개의 안테나로 두 개의 대역에서 사용할 수 있으므로, 저렴한 제작비용과 차지하는 공간을 줄일 수 있는 장점이 있다[1].
이중 대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 대한 연구가 제한적으로 발표되고 있는 이유는 무엇인가?
그러나, 높은 이득을 갖는 이중 대역 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 대한 연구는 제한적으로 발표되고 있다. 이는 두 대역이 인접한 경우에는 급전 회로를 비교적 간단히 설계할 수 있으나, 두 대역 간의 주파수 비율이 높은 경우 급전 회로의 구성이 매우 어렵기 때문이다. 현재까지 발표된 이중 대역 배열 안테나는 서로 다른 대역에서 동작하는 마이크로스트립 안테나를 배열하여 두 대역을 수용 하는 단일 급전 회로를 적용한 방법[4], 서로 다른 대역에서 동작하는 마이크로스트립 안테나들을 교차 편파를 이용하여 수직으로 배치한 방법[5], 이중 대역 단일 안테나를 배열하는 방법[6],[7],[9]이 있다.
참고문헌 (13)
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R. B. Konda, G. M. Pushpanjali, S. N. Mulgi, S. K. Satnoor, and P. V. Hunagund, "Microstrip array antenna for multiband operation", Recent Advances in Microwave Theory and Applications, Microwave 2008, International Conference, pp. 511-513, Nov. 2008.
K. C. Hwang, "A modified Sierpinski fractal antenna for multiband application", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 6, pp. 357-360, 2007.
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