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문제 정의
- 본 논문에서는 시뮬레이션 결과를 토대로 UHF 대역에서 동작할 수 있는 안테나를 제작하고 측정하였다. 제작된 안테나의 -10dB 대역폭 (VSWR<2)은 약 71% (234MHz)정도로서 중심주파수 (600MHz)와 대역폭에서 UHF 전대역(470〜806MHz)을 만족하지 못하지만, -5dB 대역폭 (VSWR<3.
제안 방법
- 마이크로스트립 슬롯 안테나를 전송선로로 모델링하는 경우를 Chambers가 마이크로스트립 선로와 슬롯선로의 접합 면을 트랜스포머로 등가화 하는 것을 처음 제안하였다[3]. 기존의 급전 선로에서 슬롯이 가로지르는 방식에서 문제가 되는 높은 복사저항을 줄이기 위해서 Yoshimura가 급전선의 위치를 중심에서 양끝으로 Offset시키는 방식을 제안하였고, 본 논문에서는 슬롯 중심에 급전선을 두어 커플링 시키는 방식을 채택하여 UHF 대역(406〜806MHz)의 디지털 TV 방송 수신을 위한 안테나를 설계 분석하였다.
- 위에서 제시한 시뮬레이션 결과에서는 마이크로스트립슬롯 안테나가 가지고 있는 협대역의 한계와 임피던스 매칭을 극복할 수 있는 대안이 제시되지 못하였다. 때문에 스텁이라는 파라미터를 추가하여 인덕턴스를 증가시켜 보다 정교한 임피던스 매칭을 유도하고 이중 공진 주파수를 확보하기 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 스텁의 길이 변화는 1cm, 4cm, 7cm, 11cm, 13cm으로 시뮬레이션 하였다.
- 이는 슬롯 형태를 둥글게 함으로써 보다 넓은 주파수 대역에서 입력 임피던스가 정합되도록 하기 위함이다[4-6]. 또한, 마이크로스트립 슬롯 안테나의 되도를 줄이기 위해 마이크로스트립 라인을 싱글스텁(Single-Stub) 방식으로 설계하였으며, 피드라인(Feed Line)을 통해 급전되어 슬롯에 방사(radiation)가 형성되도록 구성되어 있다.
- 슬롯 반지름의 변화에 따른 영향을 살펴본 결과, 가장 좋은 정재파비가 형성되고, 본 논문에서 원하는 중심 주파수 600MHz에 가까운 값인 7cm로 슬롯의 반지름을 고정한 채, 슬롯의 중심으로 부터의 가로대 세로 반지름의 비율을 조절함으로써 시뮬레이션을 하였다. 슬롯의 가로대 세로 반지름의 비율은 0.
- 이로 인해 보다 넓은 대역폭을 확보 할 수 있었고, 이는 본 논문에서 목표로 하고 있는 UHF대역에서 입력반사계수 -5dB이하를 만족시키고 있음을 보여준다. 이를 바탕으로 스텁없이 진행하였던 시뮬레이션 과정들을 스텁을 추가하여 반복하였다. 시뮬레이션 경향들은 반지름 크기가 특정 범위 (7cm)를 벗어나게 되면 600MHz이하의 공진 주파수의 반사계수가 낮아지는 것을 볼 수 있고, 비율이 커지게 되면 중심 주파수 및 반사계수의 변화와 이중 공진 주파수의 확보로 보다 넓은 대역을 확보할 수 있음을 보여준다.
- 따라서 마이크로스트립 안테나의 경우 주파수 대역폭을 향상시키는 것이 주 관건이 된다. 이를 위해 본 논문에서는 접지면(ground plane)에 슬롯 라인(slot line)을 타원형으로 뚫어 슬롯의 반지름과 슬롯 가로대 세로 반지름의 비율을 조절(타원형)하여 커패시턴스 값의 변화를 주고 슬롯에 방사를 일으키는 방법을 이용하여 주파수 특성 변화를 실험하였으며, 안테나의 설계, 시뮬레이션은 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structural Simulator)를 사용하여 연구하였다.
- 이와 같은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 설계 변수의 최적화된 위치와 상태를 조합하여 최종 시뮬레이션을 수행하였다. 최종적으로 설계된 안테나의 모양을 그림 5에 나타내었다.
대상 데이터
- 때문에 스텁이라는 파라미터를 추가하여 인덕턴스를 증가시켜 보다 정교한 임피던스 매칭을 유도하고 이중 공진 주파수를 확보하기 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 스텁의 길이 변화는 1cm, 4cm, 7cm, 11cm, 13cm으로 시뮬레이션 하였다. 이 때, 중심 주파수에 가장 가까운 슬롯의 반지름 7cm와 슬롯 가로대 세로의 반지름 비율은 1.
- 최종적으로 설계된 안테나의 모양을 그림 5에 나타내었다. 시뮬레이션에 사용한 기판은 비유전율 4.4, 두께 1.6mm이며 크기는 가로 240mm, 세로 200mm를 갖는다. 또한 슬롯의 반지름은 70mm, 슬롯의 가로대 세로 반지름의 비율은 1.
성능/효과
- 본 논문에서 설계한 안테나는 UHF 대역 주파수특성을 만족시키는 광대역 특성을 갖으며, 단일 기판을 사용하였고, 비교적 단순한 구조이므로 제작비용을 많이 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
- 이를 바탕으로 스텁없이 진행하였던 시뮬레이션 과정들을 스텁을 추가하여 반복하였다. 시뮬레이션 경향들은 반지름 크기가 특정 범위 (7cm)를 벗어나게 되면 600MHz이하의 공진 주파수의 반사계수가 낮아지는 것을 볼 수 있고, 비율이 커지게 되면 중심 주파수 및 반사계수의 변화와 이중 공진 주파수의 확보로 보다 넓은 대역을 확보할 수 있음을 보여준다.
- 실 제작된 안테나의 -10dB 대역폭 (VSWR<2)은 약 71% (234MHz)정도로서 중심주파수 (600MHz)와 대역폭에서 UHF 전대역(470〜806MHz)을 만족하지 못하지만, -5dB 대역폭(VSWR<3.5)이 중심주파수에서 약 91% (300MHz)정도로 목표로 삼았던 UHF 전대역 (330MHz)을 거의 만족하는 주파수 특성을 보였다.
- 이로 인해 보다 넓은 대역폭을 확보 할 수 있었고, 이는 본 논문에서 목표로 하고 있는 UHF대역에서 입력반사계수 -5dB이하를 만족시키고 있음을 보여준다. 이를 바탕으로 스텁없이 진행하였던 시뮬레이션 과정들을 스텁을 추가하여 반복하였다.
- ) 안테나는 그 크기가 매우 크므로, 옥상이나 지붕의 많은 체적을 차지하는 등의 문제점을 갖고 있다. 이에 비해 본 논문에서 적용하고자 하는 마이크로스트립 안테나는 평면상의 기판에 복사계와 급전계를 동시에 구성할 수 있으며, 얇고, 가볍고, 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 인쇄 회로의 기법을 이용하여 손쉽게 제작할 수 있어 제작비용을 저렴하게 할 수 있는 등 여러 가지 장점이 있다. 마이크로스트립 안테나가 널리 사용되어지면서 마이크로스트립 안테나를 해석하는 연구들이 많이 진행되고 있다.
- 제작된 안테나의 -10dB 대역폭 (VSWR<2)은 약 71% (234MHz)정도로서 중심주파수 (600MHz)와 대역폭에서 UHF 전대역(470〜806MHz)을 만족하지 못하지만, -5dB 대역폭 (VSWR<3.5)이 중심주파수에서 약 91% (300MHz)정도로 목표로 삼았던 UHF 전대역(330MHz)을 거의 만족하는 주파수 특성을 보였다.
- 그림 3에 슬롯의 가로대 세로 반지름 비율 변화에 따른 안테나의 특성 변화를 나타내었다. 특성을 살펴 보면 슬롯의 가로대 세로 반지름의 비율이 증가할수록 최대 입력 반사계수의 크기가 증가하였다가 1.1 비율을 벗어나게 되면 다시 감소하고, 대역폭은 비율이 커질수록 넓어지는 것을 확인 할 수 있다. 또한 슬롯의 가로 세로 반지름 변화에 따른 스미스차트 상의 변화는 가로 세로 반지름의 비율이 1.
후속연구
- 위에서 제시한 시뮬레이션 결과에서는 마이크로스트립슬롯 안테나가 가지고 있는 협대역의 한계와 임피던스 매칭을 극복할 수 있는 대안이 제시되지 못하였다. 때문에 스텁이라는 파라미터를 추가하여 인덕턴스를 증가시켜 보다 정교한 임피던스 매칭을 유도하고 이중 공진 주파수를 확보하기 위한 시뮬레이션을 수행하였다.
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