[논문]슬롯/T-슬롯 커패시티브 커플링을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나의 특성 연구

서기원; 노형환; 성영락; 오하령; 박준석

doi:10.5370/kiee.2010.59.7.1282

슬롯/T-슬롯 커패시티브 커플링을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나의 특성 연구
A Study on the Characteristics of Microstrip Patch Antenna with Slot/T-Slot Capacitive Coupling 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.7, 2010년, pp.1282 - 1288

서기원 (국민대학교 전자공학부) , 노형환 (국민대학교 전자공학부) , 성영락 (국민대학교 전자공학부) , 오하령 (국민대학교 전자공학부) , 박준석 (국민대학교 전자공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a novel microstrip patch antenna to make impedance matching possible by using slot/T-slot capacitive coupling between the patch and 50 $\Omega$ feed line on a ground plane. The single band/linear polarization patch antenna shows linear polarization at 2.4 GHz band. Under -10 dB return loss, the single band/linear polarization patch antenna obtains 50 MHz bandwidth at 2.37 GHz~2.42 GHz. The dual band/dual polarization microstrip patch antenna shows circular polarization at 2.4 GHz band and linear polarization at 3.1 GHz band. Under -10 dB return loss, The dual band/dual polarization microstrip patch antenna obtains 340 MHz bandwidth at 2.23~2.57 GHz and 375 MHz bandwidth at 2.95~3.325 GHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 CPW(Coplanar Waveguide)구조로 50Ω 급전선을 접지면에 이용하여 생기는 패치와 급전선 사이의 슬롯/T-슬롯 커패시티브 커플링으로 임피던스 정합이 가능한 새로운 구조의 마이크로스트립 패치 안테나를 제안하였다.
본 논문에서는 패치와 접지면의 50 Ω 급전선 사이의 슬롯 커패시티브 커플링으로 임피던스 정합이 가능한 새로운 구조의 마이크로스트립 패치 안테나를 제안하였고.

제안 방법

2-1에서 인셋구조 방식을 이용한 패치 안테나의 기본적인 설계방법을 이용하여 2.4 GHz대역에서 동작하는 패치 안테나를 설계하였다. 이를 이용하여 2-2절에서는 50Ω 급전선을 접지면에 이용함으로써 생기는 슬롯 커패시티브 커플링을 이용한 구조의 패치 안테나를 다루었다.
원형 편파특성을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하기 위하여 본 논문에서는 그림 5과 같이 T-슬롯 커패시티브 커플링을 이용하여야 한다. 또한 2.4GHz에서 원형편파를 발생시키기 위해 본 논문에서는 perturbation segment를 이용하여 그림 5와 같이 정사각형 패치의 마주보는 두 모서리를 잘라서 원형편파를 생성하였다[5].
슬롯 커패시티브 커플링을 이용한 단일대역/선형편파 패치 안테나와 T-슬롯 커패시티브 커플링을 이용한 이중대역/이중편파 패치 안테나는 HFSS 시뮬레이션 툴로 설계되었다. 또한 에칭기법으로 실제 제작하여 안테나의 특성을 확인하였다. 아래 그림 11은 실제 제작된 안테나를 보여 주고 있다.
실제 계산값과는 1mm정도의 오차가 발생하였다. 또한 패치와 안테나 사이의 간격은 유전체의 두께 1 mm로 고정하였으며 설계 변수 A와 F의 크기를 조절함으로써 안테나의 임피던스 정합이 가능하다.
본 논문에서는 패치와 접지면의 50 Ω 급전선 사이의 슬롯 커패시티브 커플링으로 임피던스 정합이 가능한 새로운 구조의 마이크로스트립 패치 안테나를 제안하였고. 슬롯 커패시티브 커플링을 이용하여 선형편파 패치 안테나와 원형 편파 패치 안테나의 구조를 설계하였다. 선형편파 패치 안테나는 2.
슬롯 커패시티브 커플링을 이용한 단일대역/선형편파 패치 안테나와 T-슬롯 커패시티브 커플링을 이용한 이중대역/이중편파 패치 안테나는 HFSS 시뮬레이션 툴로 설계되었다. 또한 에칭기법으로 실제 제작하여 안테나의 특성을 확인하였다.
슬롯/T-슬롯 커패시티브 커플링을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하기 위하여 우선 2.4 GHz대역에서 동작하는 마이크로스트립 패치 안테나를 아래와 같은 방법으로 설계하다. 그림 1은 인셋구조방식을 이용한 패치 안테나를 보여주고 있다.
안테나의 설계는 다음과 같은 방식으로 하였다. 우선 편파특성을 만들기 위하여 패치는 정사각형으로 설계하였으며 HFSS 시뮬레이션을 이용하여 W와 L의 값은 29mm 정하였다. 실제 계산값과는 1mm정도의 오차가 발생하였다.
원형편파 특성을 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나는 Ⅱ-2의 슬롯 커패시티브 커플링을 이용한 방법으로 설계하는데 어려움이 있다. 원형 편파특성을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하기 위하여 본 논문에서는 그림 5과 같이 T-슬롯 커패시티브 커플링을 이용하여야 한다. 또한 2.
이를 이용하여 2-2절에서는 50Ω 급전선을 접지면에 이용함으로써 생기는 슬롯 커패시티브 커플링을 이용한 구조의 패치 안테나를 다루었다.
이에 따라 본 논문에서는 위와 같은 인셋구조방식이 아닌 50Ω 급전선을 접지면에 제작하여 패치와 접지면에서 발생하는 슬롯/T-슬롯 커패시터 커플링을 이용한 새로운 임피던스 정합 방법을 제안하였다.
패치 안테나 설계방법에 따라 2.4 GHz대역에서 동작하는 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하고 50Ω 급전선을 접지면에 이용함으로써 생기는 슬롯/T-슬롯 커패시티브 커플링을 이용하여 새로운 구조의 패치 안테나를 설계하였다.

데이터처리

1 GHz대역에서 이중대역 및 이중편파 특성을 확인 할 수 있다. 설계된 안테나는 HFSS (Ansoft Co.)로 최적화하였고 실제 제작된 안테나와 비교하였다. 반사계수(S11) -10 dB 이하에서 단일대역/선형편파 패치 안테나는 2.

성능/효과

2.4 GHz대역에서 원형 편파의 특성이 보이며 반사손실은 -20 dB이하이고 3.1 GHz대역에서는 선형 편파 특성에 -10 dB의 반사손실을 보여주고 있다. 또한 안테나의 편파 특성, 또는 전파의 편파 특성을 나타내는 지수의 하나인 축비는 본 이중대역/이중편파 마이크로스트립 패치 안테나에서는 시뮬레이션 상 -52dB의 Axial ratio를 보이고 있다.
1GHz에서 안테나 Gain과 효율의 실제 측정값을 보여주고 있다. 2.4GHz에서의 passive gain은 -1.805dBi이며 효율은 24.764%이다. 또한 3.
5GHz에서 안테나 Gain과 효율의 실제 측정값을 보여주고 있다. 2.4GHz에서의 passive gain은 -6dBi이며 효율은 24.764%이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원형편파 특성을 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나의 단점은 무엇인가?	원형편파 특성을 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나는 Ⅱ-2의 슬롯 커패시티브 커플링을 이용한 방법으로 설계하는데 어려움이 있다. 원형 편파특성을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하기 위하여 본 논문에서는 그림 5과 같이 T-슬롯 커패시티브 커플링을 이용하여야 한다.
	마이크로스트립 안테나의 특성은 무엇인가?	다양한 무선통신 서비스의 요구에 따라 다양한 형태의 안테나 기술이 개발되고 있다. 특히 마이크로스트립 안테나는 기판이 가볍고, 부피가 작은 특성으로 다양한 분야에 사용되고 있다[1]. 또한 마이크로스트립 패치 안테나를 이용한 이중대역(dual-band)안테나에 대한 연구 결과가 많이 발표되고 있으며[2-4].
	기존의 패치면의 50Ω 급전선을 접지면에 이용한 CPW(Coplanar waveguide) 구조의 새로운 패치 안테나의 설계는 어떤 방식으로 설계하는가?	안테나의 설계는 다음과 같은 방식으로 하였다. 우선 편파특성을 만들기 위하여 패치는 정사각형으로 설계하였으며 HFSS 시뮬레이션을 이용하여 W와 L의 값은 29mm 정하였다. 실제 계산값과는 1mm정도의 오차가 발생하였다. 또한 패치와 안테나 사이의 간격은 유전체의 두께 1 mm로 고정하였으며 설계 변수 A와 F의 크기를 조절함으로써 안테나의 임피던스 정합이 가능하다.

참고문헌 (5)

Edited by H. F. Lee and W. Chen, "Advances in microstrip and printed antennas", John Wiley & Sons, Inc. 1997
J. S. Chen and K. L. Wong, "A single-layer dual-frequency rectangular microstrip patch antenna using a single probe feed," Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 11, pp.83-84, 1996.

상세보기
S.Maci and G.B.Gentili, "Dual-frequency patch antennas," IEEE Antennas Propagat. Magazin. ,vol.39, pp.13-19, Dec. 1997.
K. L. Wong and K. P. Yang, "Small dual-frequency microstrip antenna with cross slot," Electron. Lett., vol.33, pp. 1916-1917, 1997.

상세보기
J. R. James and P. S. Hall, "Handbook of Microstrip Antenna", Peter Peregrinus Ltd., 1989.

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