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문제 정의
- 본 논문에서는 cavity와 FSS를 높은 쪽 공진 주파수가 낮은 쪽 공진 주파수의 두 배 이상이 되는 단일안테나에 동시에 적용하여 802.1 la/b 주파수 대역에서 11 dBi 이상의 유사한 모양의 복사 패턴을 가지는 cavity-backed 이중 대역 마이크로스트립 패치 안테나를 제안하였다. PSO 최적화 기법은 FSS를 포함한 안테나에 FSS의 모양을 설계하기 위하여 사용하였으며, -3 dB를 기준으로 1.
제안 방법
- 이용하여 802.Ha/b 두 대역 모두에서 11 dBi 이상의 고이득을 가지는 안테나를 제안한다.
- PSO는 visual basic 언어를 사용하여 코딩하였으며, MWS에매크로 형태로 적용하였다. 그림 14에는 최적화된 안테나의 반사 손실 특성을 나타내었다.
- Particle들은 임의의 속도로 움직이며, 움직인 위치를 본래 자신이 가지고 있던 최적의 위치인 pbest와 비교하여 적합도가 더 높은 위치값을 저장한다. 그 다음 모든 particle들의 집합인 swarm의 최적 위치 gbest와 비교하여 적합도가 가장높은 pbest를 gbest에 저장한다. 각 particle의 속도와 위치는 식 (4)와 (5)로 표현된다.
- 먼저 각 particle들의 속도와 위치를 초기화하고, 적합도를 판단한다. 다음으로 현재의 위치와 기존의 pbest를 비교하여 적합도가 높은 위치를 pbest에 저장하고, swarm의 gbest와 비교하여 적합도가 높은 위치를 gbest에 저장한다. 저장된 pbest와 gbest를 바탕으로 속도와 위치를 업데이트 하며, 모든 particle들에 대하여 같은 행동을 수행한다.
- w는 inertial weight, q과 C2는 가속도이다. 본 논문에서 제안한 FSS는 textured substrate로써, 1과 0으로 표현되는 binary value 버전 PSO를 참조하였고, 적합도는 FSS를 포함한 상태에서 안테나의 최대 이득, w는 0.9, ci과 C2는 2.0, V는 -5.0~5.0을 사용하였다.
- 4 GHz 대역에서는 반사 손실 및 이득에 큰 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라 기존에 제시되었던 PSO 기법을 이용하여 동일 평면상에 두 개의 대역을 수용하는 FSS를 설계 함으로써 알고리 즘만 잘 작성된다면 자동적으로 안테나의 설계가 완성되도록하였다. 측정 결과, 안테나의 대역폭은 VSWRV2를 기준으로 2399〜2.
- 96 dBi의 최대 이득을 가지며, 최대 이득의 방향은 x-z 평면에서 약 theta=25。 일 때이다.제안한 안테나의 cavity는 낮은 쪽 공진주파수에서 이득을 향상시키기 위해 설계되었으며, 높은 쪽 공진 주파수에서 FSS의 최적 동작을 위하여 cavity의 높이를 약 26 mm로 정하였다. 따라서 높은쪽 공진 주파수에서 cavity는 잘 동작하지 않으며 복사 패턴이 좋지 않음을 알 수 있다.
대상 데이터
- 지향성은 최대값을 가진다. FSS는 PSO 알고리즘을 이용하여 최적화 하였고, 비유전율(&)이 3.38이고, 두께가 /=0.2032 mm인 R04003 기판 위에 설계하였다. PSO는 새나 물고기 등의 사회적 행동을묘사한 최적화 기법으로 1995년에 Kennedy와 Eber- hart가 제안하였다.
- 안테나는 변형된 E 형태의 마이크로스트립 안테나이며, 패치를 지지하는 기판과 급전 구조를 지지하는 동판 사이에 공기층隹, =1)이 있고, 안테나는 동축 선로로 급전하였다. 기판은 비유전율(肅이 3.38인 R04003이며, 두께는 t= 0.508 mm이다. 패치의 크기는 所]><厶이며, 높이 加인곳에 배치하였다.
- 1개의 영역은 64개의 정사각형들로 이루어져 있으며, PSO 출력 값이 1일때 금속 0일 때를 air로 설정하였다. 단위 셀 구조는 두께가 0.2032 mm이고, 비유전율이 3.38인 R04003 기판 위에 설계하였다. 단위 셀 구조의 특성을 분석하기 위하여 periodic boundary condition을 적용하여 시뮬레 이션하였다.
- 제안한 안테나는 cavity-backed 이중 대역 마이크로스트립 안테나에 FSS를 추가한 구조이다. FSS는 Fbry-Perot 간섭계 원리에 의한 광학 분석 방법으로설명 할 수 있다1岡冋.
- 제안한 안테나는 cavity-backed 이중 대역 마이크로스트립 패치 안테나에 FSS를 추가한 구조이다. 그림 13(a)은 FSS의 정면도를 나타내었고, 13(b), ©는 FSS를 추가한 구조의 입체도와 측면도이다.
- Cavity와 접지면의 크기는 안테나의 반사 손실과 복사 패턴을 변화시킨다. 제안한 안테나의 접지면의 크기는 낮은 쪽 공진 주파수의 1.27 人 이고 높은 쪽 공진 주파수의 2.6 人 이다. 따라서 낮은 쪽과 높은 쪽 공진 주파수에서의 이득 변화량이 서로 다른 형태를 가진다以 낮은 쪽 공진 주파수에서의 이득은 cavity가 없을 때 9.
이론/모형
- FSS 설계를 위한 시뮬레이션은 visual basic 언어를 지원하는 CST사의 MWS를 사용하였다. PSO는 visual basic 언어를 사용하여 코딩하였으며, MWS에매크로 형태로 적용하였다.
- 38인 R04003 기판 위에 설계하였다. 단위 셀 구조의 특성을 분석하기 위하여 periodic boundary condition을 적용하여 시뮬레 이션하였다.
- 0 mm?인 ca- vity-backed 이중 대역 마이크로스트립 안테나의 설계 변수이다. 안테나 설계를 위한 시뮬레이션은 CST 사의 전자기파 상용 시뮬레이터인 MWS(Microwave Studio)를 사용하였다. 그림 2는 cavity-backed 이중대역 마이크로스트립 안테나의 반사 손실이다.
성능/효과
- 44 GHz에서의 복사 패턴이다. FSS 구조를 삽입한경우 낮은 쪽 공진 주파수에서의 안테나 이득이 10.97 dBi에서 11.23 dBi로 약간 증가하였다. x-z 평면에서의 반전력 빔 폭은 51.
- 9。로 감소하였다. 따라서 FSS 구조는 5.8 GHz 대역에서 잘 동작하며, 안테나의 이득이 3.29 dBi 개선됨을 확인할 수있다. 그리고 빔의 방향은 두 대역 모두 z축으로 일정하였고, 5.
- 9。로 감소하였다. 따라서 cavity 는 낮은 쪽 공진 주파수 영역에서 2.4 GHz 대역에서 잘 동작하며, 안테나의 이득이 약 L01 dBi 개선됨을 확인할 수 있다.
- 그림 4는 cavity가 없을 경우 작은 E 형태의 세로 길이 의 변화에 따른 반사 손실 특성을 보여준다. 세로 길이를 11.3 mm에서 12.3 mm, 13.3 nun로 증가시킴에 따라 높은 쪽 공진주파수가 5.75 GHz에서 5.59 GHz, 5.41 GHz로 감소하였다. 반면, 낮은 쪽 공진 주파수는 거의 변화가없었다.
- 8em;"> 가진다. 전류 분포 확인 결과, 큰 E 형태는 낮은 쪽 공진 주파수를, 그리고 작은 E 형태는 높은쪽 공진 주파수를 결정하며, 급전점에서 슬릿 부분까지의 전류 경로는 3.5 GHz 대역을 결정하는 것을알 수 있다.
- 384 GHz 대역폭을 가진다. 전산모의실험 결과 cavity-backed 이중 대역 마이크로스트립 안테나에 FSS를 추가하였을 경우 각 대역에서 0.26 dBi와 3.29 dBi의 이득이 향상되었다. 따라서 FSS 구조는 5.
- 뿐만 아니라 기존에 제시되었던 PSO 기법을 이용하여 동일 평면상에 두 개의 대역을 수용하는 FSS를 설계 함으로써 알고리 즘만 잘 작성된다면 자동적으로 안테나의 설계가 완성되도록하였다. 측정 결과, 안테나의 대역폭은 VSWRV2를 기준으로 2399〜2.556 GHz와 5.684〜5.886 GHz의 대역폭을 가진다.
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