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문제 정의
- 방사특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 동작 주파수를 일정하게 유지하면서 패치 폭과 폭 방향으로의 단위 셀의 수를 감소시키면서도 좋은 방사특성을 갖는 핀 배열 안테나의 설계 방법에 대해 연구하였다.
- 본 논문에서는 배열 안테나 제작 시 단위 안테나 간의 상호결합을 증가시키는 수평방향으로의 방사를 억제시킬 수 있는 핀 배열을 가지는 패치 안테나의 패치 폭이 방사특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 동작 주파수를 일정하게 유지하면서 패치 폭과 폭 방향으로의 단위 셀의 수를 감소시키면서도 좋은 방사특성을 갖는 핀 배열 안테나의 설계 방법에 대해 연구하였다.
제안 방법
- 2 mm 일 때 5 GHz 에서 동작하는 5><2 핀 배열 패치 안테나의 개략도를 나타낸다. 5x4 핀 배열 패치 안테나를 폭 방향으로 2주기 제거하여 5x2 핀 배열 패치 안테나를 설계하였다. 기판 두께가 증가할수록 프린징 필드가 발생하는 영역의 면적이 증가하기 때문에 공진주파수를 5 GHz 로 유지하기 위하여 단위 셀의 폭이 5x4 핀 배열 패치 안테나의 단위 셀의 폭보다 감소하게 된다.
- 동작 주파수를 5 GHz 대역으로 유지하기 위하여 핀 반경을 변화시킬 때 패치 폭도 변화시켰다.
- 따라서 위와 같은 단점을 해결하기 위하여 핀 배열 패치 안테나의 패치 폭을 줄인 안테나의 특성을 기존 핀 배열 안테나의 특성과 비교하였다. II장에서 패치 폭 변화에 따른 핀 배열 패치 안테나의 구조를 살펴보고 m장에서 여러 가지 기판 두께에서 패치 폭 변화에 따른 핀 배열 패치 안테나의 특성을 HFSS (High Frequency Structure Simulator)> 사용하여 전산 모의하였다.
- 여러 가지 기판 두께에서 5 GHz 에서 동작하는 일반적인 패치 안테나, 5x4 핀 배열 패치 안테나, 5x2 핀 배열 패치 안테나의 방사 특성을 비교하였다.
- 여러 가지 기판 두께에서 5x2 핀 배열 패치 안테나의 핀 반경 변화에 따른 방사 특성을 살펴보았다. 동작 주파수를 5 GHz 대역으로 유지하기 위하여 핀 반경을 변화시킬 때 패치 폭도 변화시켰다.
- 여러 가지 기판 두께에서 설계된 5x4 핀 배열 패치 안테나와 5x2 핀 배열 패치 안테나의 특성을 HFSS를이용하여 전산모의한 결과를 비교하였다. 또한 5><2 핀 배열 패치 안테나의 경우 핀 반경을 변화시켜가며 전방 방사 이득의 변화를 살펴보고 전방방사 이득이 가장 큰 핀 반경이 존재함을 확인하였다.
- 단위 셀의 핀 반경이 증가할수록 핀에 의한 인덕턴스 성분의 크기가 작아진다. 이 때 핀 배열 안테나의 동작 주파수를 5 GHz 근처로 유지시키기 위하여 패치의 폭을 넓혀 단위 셀의 면적을 증가시킴으로써 단위 셀의 캐퍼시턴스 성분의 크기가 커지도록 하였다. 핀 반경 이 0.
- 핀 배열 패치 안테나의 동작 주파수는 5 GHz 이고 기판 크기는 한 변의 길이가 Ao(60 mm) 인정사각형이다. 프린징 필드(fringing field)의 효과를 고려하여 설계한 5x4 핀 배열 패치 안테나⑹의 동작 주파수와 같게 하면서 패치 폭을 줄이기 위하여 폭 방향으로 2주기를 제거한 5x2 핀 배열 패치 안테나를 설계하였다. 폭 방향으로 2주기를 제거하면 단위 셀의 개수는 반으로 감소하지만 패치에서 프린징 필드가 발생하는 영역의 면적은 비슷하기 때문에 단위 셀의 유효 면적이 증가하여 공진주파수는 감소하게 된다.
대상 데이터
- 표 4. 기판 두께가 0.8 mm인 5乂2 핀 배열 패치 안테나의 핀 반경과 패치 폭에 따른 방사 특성. Table 4.
- 표 1. 기판 두께가 0.8 mm인 일반적인 패치 안테나, 5x4 핀 배열 패치 안테나, 5x2 핀 배열 패치 안테나의 방사 특성. Ta이e 1.
- 표 2. 기판 두께가 1.6 mm인 일반적인 패치 안테나, 5x4 핀 배열 패치 안테나, 5x2 핀 배열 패치 안테나의 방사 특성.
- 표 6. 기판 두께가 3.2 mm인 5x2 핀 배열 패치 안테나의 판 반경과 패치 폭에 따른 방사 특성.
- 표 3. 기판 두께가 32 rwn인 일반적인 패치 안테나, 5x4 핀 배열 패치 안테나, 5x2 핀 배열 패치 안테나의 방사 특성.
- 본 논문에서 전산모의에 사용된 기판은 Taconic 사의 CER-10 으로 유전상수가 10이고 loss tangent 는 0.0035 이다. 핀 배열 패치 안테나의 동작 주파수는 5 GHz 이고 기판 크기는 한 변의 길이가 Ao(60 mm) 인정사각형이다.
이론/모형
- 배열 안테나의 특성과 비교하였다. II장에서 패치 폭 변화에 따른 핀 배열 패치 안테나의 구조를 살펴보고 m장에서 여러 가지 기판 두께에서 패치 폭 변화에 따른 핀 배열 패치 안테나의 특성을 HFSS (High Frequency Structure Simulator)> 사용하여 전산 모의하였다. IV장에서 여러 가지 기판 두께에서 핀 반경에 따른 핀 배열 패치 안테나의 특성 변화를 살펴보고 마지막으로 V장에서 본 논문의 결론을 맺는다.
성능/효과
- 수평 방향으로의 방사는 E-평면 방향으로 약 17 dB, H-평면 방향으로 약 4 dB 감소하였다. 5><2 핀 배열 패치 안테나는 5x4 핀 배열 패치 안테나에 비하여 10 dB 대역폭이 0.1 % 감소되었고, 전방방사 이득은 1.65 dB 감소하였고, 수평 방향으로의 방사는 약 L2 dB 증가하였지만 패치 크기는 약 52 % 감소되었다. 표 1은 기판 두께가 0.
- 5 dB 감소하였다. 5^2 핀 배열 패치 안테나는 기존의 5x4 핀 배열 패치 안테나에 비하여 10 dB 대역폭이 0.2% 감소되 었고, 전방방사 이득은 약 0.78 dB 감소하였으며, 수평 방향으로의 방사는 약 1.5 dB 증가 하였지만 패치 크기는 약 52% 감소되었다.
- 수평 방향으로의 방사는 E-평면 방향으로 약 13 dB, H-평면 방향으로 약 3 dB 감소하였다. 5x2 핀 배열 패치 안테나는 기존의 5x4 핀 배열 패치 안테나에 비하여 10 dB 대역폭이 1.2 % 감소되었고, 전방방사 이득은 약 0.29 dB 감소하였으며, 수평 방향으로의 방사는 약 2 dB 증가하였지만 패치 크기는 약 56% 감소되었다.
- 12 dB 증가하였다. 또한 10 dB 대역폭은 각각 0.6 %, 1.0 %, 3.0 % 이고 패치 크기는 5x4 핀 배열 패치 안테나와 비교하여 각각 약 20 % 38 %, 38 % 감소되었다.
- 전산모의한 결과를 비교하였다. 또한 5><2 핀 배열 패치 안테나의 경우 핀 반경을 변화시켜가며 전방 방사 이득의 변화를 살펴보고 전방방사 이득이 가장 큰 핀 반경이 존재함을 확인하였다.
- 6 % 감소하였고 전방방사 이득은 약 4 dB 향상되었다. 수평 방향으로의 방사는 E-평면 방향으로 약 13 dB, H-평면 방향으로 약 3 dB 감소하였다. 5x2 핀 배열 패치 안테나는 기존의 5x4 핀 배열 패치 안테나에 비하여 10 dB 대역폭이 1.
- 53 dB 향상되었다. 수평 방향으로의 방사는 E-평면 방향으로 약 17 dB, H-평면 방향으로 약 4 dB 감소하였다. 5><2 핀 배열 패치 안테나는 5x4 핀 배열 패치 안테나에 비하여 10 dB 대역폭이 0.
- 25 dB 향상되었다. 수평방향으로의 방사는 E-평면 방향으로 약 15 dB, H-평면 방향으로 약 4.5 dB 감소하였다. 5^2 핀 배열 패치 안테나는 기존의 5x4 핀 배열 패치 안테나에 비하여 10 dB 대역폭이 0.
- 8 mm 인 경우 일반적인 패치 안테나, 5x4 핀 배열 패치 안테나, 5x2 핀 배열 패치 안테나의 Sn 스펙트럼, E-평면 방사 패턴, H-평면 방사패턴, 수평평면의 방사 패턴을 보인다. 일반적인 패치 안테나에 비하여 5><4 핀 배열 패치 안테나는 10 dB 대역폭이 약 0.1 % 감소하였고 전방 방사 이득은 약 0.53 dB 향상되었다. 수평 방향으로의 방사는 E-평면 방향으로 약 17 dB, H-평면 방향으로 약 4 dB 감소하였다.
- 6 mm인 경우 일반적인 패치 안테나, 5x4 핀 배열 패치 안테나, 5x2 핀 배열 패치안테나의 방사 특성을 요약한 결과를 보인다. 일반적인 패치 안테나에 비하여 5x4 핀 배열 패치 안테나는 10 dB 대역폭이 약 0.6 % 감소하였고 전방방사 이득은 약 2.25 dB 향상되었다. 수평방향으로의 방사는 E-평면 방향으로 약 15 dB, H-평면 방향으로 약 4.
- 2 mm인 경우 일반적인 패치 안테나, 5x4 핀 배열 패치안테나, 5x2 핀 배열 패치안테나의 방사 특성을 요약한 결과를 보인다. 일반적인 패치 안테나에 비하여 5x4 핀 배열 패치 안테나는 10 dB 대역폭이 약 0.6 % 감소하였고 전방방사 이득은 약 4 dB 향상되었다. 수평 방향으로의 방사는 E-평면 방향으로 약 13 dB, H-평면 방향으로 약 3 dB 감소하였다.
- 0 % 이고 패치 크기는 5x4 핀 배열 패치 안테나와 비교하여 각각 약 20 %, 38 %, 38 % 감소되었다. 전방방사 이득은 5x4 핀 배열 패치 안테나와 비교하여 기판 두께가 0.8 mm, 1.6 mm 인 경우 약 0.56 dB, 0.63 dB 감소되었지만 기판 두께가 3.2 mm 인 경우에는 0.12 dB 증가하였다. 표 7은 여러 가지 기판 두께에서 전방방사 이득을 가장 크게 하는 핀 반경을 갖는 5x2 핀 배열 패치 안테나의 방사 특성을 요약한 결과를 보인다.
- 0 % 이고 패치 크기는 5x4 핀 배열 패치 안테나와 비교하여 각각 약 20 %, 38 %, 38 % 감소되었다. 전방방사 이득은 5x4 핀 배열 패치 안테나와 비교하여 기판 두께가 0.8 mm, 1.6 mm 인 경우 약 0.56 dB, 0.63 dB 감소되었지만 기판 두께가 3.2 mm 인 경우에는 0.12 dB 증가하였다. 표 7은 여러 가지 기판 두께에서 전방방사 이득을 가장 크게 하는 핀 반경을 갖는 5x2 핀 배열 패치 안테나의 방사 특성을 요약한 결과를 보인다.
- 반면에 전방방사 이득과 수평방향 방사 억제는 거의 같은 값을 가짐을 볼 수 있다. 특히 기판 두께가 두꺼워질수록 5x2 핀 배열 패치 안테나의 전방방사 이득과 수평 방향 방사 억제 정도가 5x4 핀 배열 패치 안테나에 비하여 좋아짐을 볼 수 있었다. 그러므로 5x2 핀 배열 패치 안테나가 5x4 핀 배열 패치 안테나에 비하여 핀의 개수가 적어지므로 제작하기도 쉽고 또한 패치의 폭이 크게 감소하여 위상 배열 안테나에 단위 안테나로 사용 시 폭 방향으로의 근접장의 영향을 작게 받을 것으로 예상된다.
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