[국내논문]메타 물질 기법을 이용한 전방향성 복사 패턴을 갖는 평면형 S-DMB 안테나 설계 및 구현 Design and Implementation of Plannar S-DMB Antenna with Omni-Directional Radiation Pattern Using Metamaterial Technique원문보기
본 논문에서는 metamaterial CRLH(Composite Right- and Left-Handed) 구조 기반의 새로운 패치 안테나를 설계 제작하여 측정하였다. 일반 마이크로스트립 패치 구조의 기본 공진 모드인 반파장 공진이나 반파장 공진의 양의 정수배와 달리 제안된 안테나는 구조 전체에 전계가 같은 위상을 갖게 한다. 본 논문에서 제안하는 안테나는 요구되는, $\lambda/4$모노폴 안테나의 전형적인 특성인 전방향 패턴을 갖는 동시에 low-profile의 장점을 가진다. 제안된 안테나의 전산 모의 실험에는 Ansoft사의 FEM(Finite Element Method) 방식의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 사용하였다. 제안된 안테나는 두께 1.6 mm, 유전율 4.4의 FR-4 기판을 사용하여 제작하였다. 구현된 안테나는 S-DMB(Satellite-Digital Multimedia Broadcasting) 서비스에서 사용되는 2.63~2.655 GHz에서 VSWR(Voltage Standarding Wave Ratio)$\leq$2임을 만족하며, 측정된 최대 이득과 효율은 각각 2.65 dBi와 81.14 %이다.
본 논문에서는 metamaterial CRLH(Composite Right- and Left-Handed) 구조 기반의 새로운 패치 안테나를 설계 제작하여 측정하였다. 일반 마이크로스트립 패치 구조의 기본 공진 모드인 반파장 공진이나 반파장 공진의 양의 정수배와 달리 제안된 안테나는 구조 전체에 전계가 같은 위상을 갖게 한다. 본 논문에서 제안하는 안테나는 요구되는, $\lambda/4$ 모노폴 안테나의 전형적인 특성인 전방향 패턴을 갖는 동시에 low-profile의 장점을 가진다. 제안된 안테나의 전산 모의 실험에는 Ansoft사의 FEM(Finite Element Method) 방식의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 사용하였다. 제안된 안테나는 두께 1.6 mm, 유전율 4.4의 FR-4 기판을 사용하여 제작하였다. 구현된 안테나는 S-DMB(Satellite-Digital Multimedia Broadcasting) 서비스에서 사용되는 2.63~2.655 GHz에서 VSWR(Voltage Standarding Wave Ratio)$\leq$2임을 만족하며, 측정된 최대 이득과 효율은 각각 2.65 dBi와 81.14 %이다.
In this paper, a novel patch antenna based on the metamaterial CRLH(Composite Right- and Left-Handed) structure is designed, implemented, and measured. Contrary to the standard microstrip patch's fundamental resonance mode of half-wavelength or its positive multiple, the proposed antenna shows the i...
In this paper, a novel patch antenna based on the metamaterial CRLH(Composite Right- and Left-Handed) structure is designed, implemented, and measured. Contrary to the standard microstrip patch's fundamental resonance mode of half-wavelength or its positive multiple, the proposed antenna shows the in-phase electric field over the entire antenna. The proposed antenna has a desired omni-directional field pattern which is typical characteristic of $\lambda/4$ monopole antenna, and also shows the merit of low profile. HFSS(High Frequency Structure Simulator) of Ansoft which is based on the FEM(Finite Element Method) is used to simulate the proposed antenna. FR-4 substrate of thickness 1.6 mm and relative permitivity 4.4 is used for the proposed antenna implementation. The implemented antenna showed VSWR (Voltage Standarding Wave Ratio)$\leq$2 for the frequency band from 2.63 GHz to 2.655 GHz which is used for S-DMB (Satellite-Digital Multimedia Broadcasting) service. And measured peak gain and efficiency are 2.65 dBi and 81.14 %, respectively.
In this paper, a novel patch antenna based on the metamaterial CRLH(Composite Right- and Left-Handed) structure is designed, implemented, and measured. Contrary to the standard microstrip patch's fundamental resonance mode of half-wavelength or its positive multiple, the proposed antenna shows the in-phase electric field over the entire antenna. The proposed antenna has a desired omni-directional field pattern which is typical characteristic of $\lambda/4$ monopole antenna, and also shows the merit of low profile. HFSS(High Frequency Structure Simulator) of Ansoft which is based on the FEM(Finite Element Method) is used to simulate the proposed antenna. FR-4 substrate of thickness 1.6 mm and relative permitivity 4.4 is used for the proposed antenna implementation. The implemented antenna showed VSWR (Voltage Standarding Wave Ratio)$\leq$2 for the frequency band from 2.63 GHz to 2.655 GHz which is used for S-DMB (Satellite-Digital Multimedia Broadcasting) service. And measured peak gain and efficiency are 2.65 dBi and 81.14 %, respectively.
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문제 정의
본 논문에서는 메타 물질기법을 이용하여 전방향성 방사 패턴을 갖는 low-profile 안테나를 설계 및 제작하고 그 성능을 측정하여 제시한다. 제안된 안테나가 S-DMB(Satellite-Digital Multimedia Broadcasting)에서 사용되는 주파수 2.
본 논문에서는 S-DMB 대역을 만족하는 메타 물질 기법을 이용한 전방향성 평면형 안테나를 제안하고 설계, 구현하였다. 안테나의 크기는 96.
제안 방법
제안된 안테나가 S-DMB(Satellite-Digital Multimedia Broadcasting)에서 사용되는 주파수 2.63～2.655 GHz의 대역에서 Voltage Standarding Wave Ratio(VSWR)≤2를 만족함을 전산 모의 실험과 측정을 통하여 제시한다.
제안된 전방향성 평면형 안테나는 그림 5(a)에서 볼 수 있듯이 하부 기판 위에 주기적으로 배열된 18 mm × 18 mm의 21개의 사각 패치를 1 mm의 간격으로 나열한 상부 기판을 적층하여 설계하였다.
그림 6은 제작된 메타 물질 기법을 이용한 전방향성 평면형 안테나의 실제 사진을 보여 주고 있다. 안테나 설계는 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 이용하여 최적화된 안테나 파라미터를 추출하였고, 추출된 파라미터를 바탕으로 제작되었다. 제작된 안테나의 VSWR, 방사 패턴, 반사 손실의 특성은 Agilent사의 HP 8510C 네트워크 분석기를 이용하여 전자파 무반사실에서 측정하였다.
안테나 설계는 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 이용하여 최적화된 안테나 파라미터를 추출하였고, 추출된 파라미터를 바탕으로 제작되었다. 제작된 안테나의 VSWR, 방사 패턴, 반사 손실의 특성은 Agilent사의 HP 8510C 네트워크 분석기를 이용하여 전자파 무반사실에서 측정하였다.
그림 9는 안테나의 상부 패치와 하부 패치 사이의 결합 간격에 따른 주파수 특성을 분석하였다. 0.6 mm, 1.6 mm 그리고 2.2 mm의 결합 간격에 따른 반사 손실을 분석하였다.
대상 데이터
LH 전송 선로를 물리적으로 구현하는데 있어서 기생적으로 RH 성분이 발생하게 된다. 따라서 RH 전송 선로와 LH 전송 선로를 통합한 구조인 CRLH(Composite Right and Left Handed) 전송 선로를 사용한다.
제안된 안테나에 사용된 두 기판은 유전율 4.4, 높이가 1.6 mm인 FR-4이며, 전체 크기는 96.00 mm(W)×96.00 mm(L)×3.20 mm(H)이다.
제작된 안테나의 크기는 Φ 121.58×16.05 mm이다.
성능/효과
사각 링 구조를 추가함으로써 3.2 GHz에서 VSWR<2인 기준을 만족하며 반사손실이 약 26 dB가 됨을 확인할 수 있다.
2 GHz에서 VSWR<2인 기준을 만족하며 반사손실이 약 26 dB가 됨을 확인할 수 있다. 그러나 하부 기판만의 전산 모의 실험 결과, 상부 기판과 결합했을 때보다 높은 주파수에서 공진이 일어남을 확인할 수 있다.
그림 11은 하부 기판만으로 제작된 안테나의 전계 분포를 보여주고 있고, 그림 12에서는 상·하부 기판이 결합된 안테나의 전계를 보여주고 있다. 하부 기판만으로 설계된 안테나에 비해 제안된 안테나는 패치 전반에 걸쳐 동일한 전계 벡터 분포를 보이고 있는 것을 확인할 수 있다.
그림 13은 제작된 안테나를 전자파 무반사실에서 측정한 방사 패턴과 전산 모의 실험을 통한 방사 패턴을 비교하여 보여주고 있다. 제작된 안테나는 전방향성의 패턴을 나타내며, 효율을 측정한 결과 2.63 GHz에서 73.45 %, 2.645 GHz에서 75.21 %, 2.655 GHz에서 76.48 %로 나타났으며, 최고 효율은 2.65 GHz에서 81.14 %로 나타났다.
기존 A사의 2.63～2.655 GHz 대역에서 사용되는 상용 S-DMB 안테나가 외관 사이즈 기준으로 Φ114×41.5 mm의 크기를 갖는 것과 비교했을 때 제안된 안테나는 Φ121.58×16.05 mm로 전방향성 특성을 유지하면서도 높이가 대폭적으로 낮게 구현되었다.
제안된 안테나는 하부의 패치 위에 주기적인 사각 패치의 상부를 적층하였다. 2.645 GHz에서 전산모의 실험과 제작된 안테나 측정을 통해 얻은 3D 방사 패턴을 제시하였으며, 원하는 대역에서 전방향성 방사 패턴을 보였다. 측정된 최대 이득은 2.
그러나 크기면에서 Φ114×41.5 mm로 제작된 안테나의 크기 Φ121.58×16.05 mm보다 직경은 약간 작지만 높이면에서 제안된 안테나가 약 25 mm 낮아진 것을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
길이에 무관한 공진기의 설계가 가능하려면 어떤 특성을 이용해야 하는가?
MTM은특정 주파수에서 자연 상태의 물질로는 존재하지 않는 음의 유전율 또는 음의 투자율을 가지도록 하는 것으로서, 전송 선로로 구현할 때는 기존의 RH(Right-Handed) 특성에 LH(Left-Handed) 특성을 가지는 전송 선로를 추가시켜 구현한다. 특히 전파상수가 0인 경우에는 파장이 무한대와 같아지게 되므로전송 선로의 물리적인 길이와는 상관없이 구조상에 동위상의 전자장을 형성할 수 있으며, 부품의 소형화나 성능 개선을 얻을 수 있다[2],[3]. 이러한 특성을 이용하면 ZOR(Zeroth-Order Resonator)와 같은 길이에 무관한 공진기의 설계가 가능하다.
MTM은 어떤 것인가?
최근 안테나 소형화나 성능 개선에 있어서 MTM(Metamaterial)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. MTM은특정 주파수에서 자연 상태의 물질로는 존재하지 않는 음의 유전율 또는 음의 투자율을 가지도록 하는 것으로서, 전송 선로로 구현할 때는 기존의 RH(Right-Handed) 특성에 LH(Left-Handed) 특성을 가지는 전송 선로를 추가시켜 구현한다. 특히 전파상수가 0인 경우에는 파장이 무한대와 같아지게 되므로전송 선로의 물리적인 길이와는 상관없이 구조상에 동위상의 전자장을 형성할 수 있으며, 부품의 소형화나 성능 개선을 얻을 수 있다[2],[3].
소비자들의 휴대용 디지털 통신기기의 선택에 있어 매우 중요한 요소들은 무엇인가?
소비자들은 언제 어디서나 자신이 원하는 다양한 고품질 서비스를 제공 받기 원한다. 또한, 소비자들의 휴대용 디지털 통신기기의 선택에 있어 휴대성과 디자인 그리고 다양한 기능은 매우 중요한 요소이다. 따라서 휴대용 디지털 통신 기기는 추가적인 주변기기의 구성이 없어야 하고 작은 크기를 가지면서도 다양한 기능을 제공하여야 한다.
참고문헌 (8)
성원모, "Metamaterial소형 안테나 개발 및 동향", 한국전자파학회 전자파기술, 20(2), pp. 24-32, 2009 년 3월.
장건호, 강승택, "직각 링과 용량성 결합된 마이 크로스트립 패치 구조의 새로운 2차원 메타 재질 구조 CRLH 0차 공진 안테나 설계", 한국전자파학회논문지, 21(2), pp. 143-151, 2010년 2월.
Christophe Caloz, Tatsuo Itoh, Electro Magnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Application, John Wiley & Sons, 2006.
A. Sanada, C. Caloz, and T. Itoh, "Novel zeroth-order resonance in composite right/left handed transmission line resonators", Asia Pacific Microwave Conference, vol. 3, pp. 1588-1591, 2003.
J. G. Lee, J. H. Lee, "Zeroth order resonance loop antenna", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. 55, no. 3, pp. 994-997, 2007.
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