[논문]무한파장 전파특성을 갖는 CRLH 전송선로 전력 분배기를 이용한 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 설계

김준형; 이홍민

무한파장 전파특성을 갖는 CRLH 전송선로 전력 분배기를 이용한 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 설계
Design of a Micro-strip Patch Array Antenna using CRLH Transmission Line Power Divider Supporting Infinite Wavelength 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.3 no.2, 2010년, pp.39 - 45

김준형 (경기대학교 전자공학과) , 이홍민 (경기대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 무한 파장 특성을 나타내는 CRLH 전송선로 구조의 전력분배기를 사용한 $3{\times}2$ 소자의 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나의 단위 셀은 인터디지트 형태의 직렬 커패시터와 접지면과 비아를 통하여 연결되어진 미엔더 선로 형태의 병렬 인덕터로 구성되었다. 6개의 포트를 갖으며 총 19개의 셀들로 구성되어진 메타 전송선로 형태의 전력 분배기는 무한파장 특성을 나타내는 주파수에서 각 포트 당 최대 0.73 dB의 진폭의 차이 및 0.52도의 위상 차이를 나타내었다. 제작된 안테나의 성능을 측정한 결과 중심주파수 2.09 GHz에서 10.98 dBi의 높은 이득을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an equally spaced $3{\times}2$ microstrip patch array antenna based on the fundamental infinite wavelength supported by the composite right/left-handed (CRLH) transmission line (TL) is proposed. The proposed CRLH TL unit cell consists of an inter-digit capacitor to realize left-handed (LH) series capacitance and non-symmetric shunt meander line with a shorted via to realize LH shunt inductance. At the infinite wavelength frequency of 2.09 GHz a 6-port series power divider consisting of a 19 unit cells shows a maximum magnitude difference of 0.73 dB and a $0.52^{\circ}$ maximum phase difference between output ports. The measured resonant frequency and maximum gain of the fabricated array antenna is 2.09 GHz and 10.98 dBi, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 무한파장 특성을 나타내는 CRLH 전송선로 상에 3 × 2 소자의 마이크로스트립 패치 안테나와 효과적으로 정합시키어 배열안테나의 크기를 소형화시키는 동시에 전체 안테나의 이득을 증가시키는 구조를 구현하고자한다.

제안 방법

포트 1은 입력포트이며 포트 2에서 포트 7까지의 6개의 포트는 안테나 배열을 위한 접속포트이다. 각각의 포트는 인터디지트 형태의 구조를 사용하여 이 들 포트들에 접속되어질 마이크로스트립 패치 안테나와 용량성 결합 시키었다. 출력 포트의 급전선 폭은 CRLH 전소선로의 특성임피던스(≈ 71Ω)하도록 결정하였으며 마이크로스트립 패치안테나의 급전선 길이는 무한 파장 특성을 저해하지 않도록 최적화 살계 하였다.
본 논문에서는 전파상수 β가 0의 값을 갖는 무한파장 특성을 사용하여 CRLH 전송선로 직렬형 전력 분배기를 설계한 후에 추가적인 6개의 마이크로스트립 패치배열안테나를 부설하여 높은 이득을 나타내며 브로드사이드한 빔 특성을 나타내는 안테나를 설계 하였다. 설계 되어진 각각의 출력 포트 사이의 전력의 크기와 위상은 무한 파장을 나타내는 주파수에서 거의 동일하게 나타났다.
설계 되어진 각각의 출력 포트 사이의 전력의 크기와 위상은 무한 파장을 나타내는 주파수에서 거의 동일하게 나타났다. 인접한 안테나 사이의 배열 간격을 10.2 mm(≈λ_g/8)로 감소시키어 전체 안테나의 접지면 크기가 162 mm × 160 mm로서 소형화 설계되었으며 각각의 안테나 포트는 인터디지트 형태의 용량성 결합 구조를 사용하여 마이크로스트립 패치 안테나와 CRLH 선로를 효과적으로 정합시키었다. 이러한 구조를 사용하면 마이크로스트립 배열안테나의 크기를 줄일 수 있으므로 무선통신용 안테나의 소형화 및 고 이득 평면형 안테나의 구현이 가능하다.
출력 포트의 급전선 폭은 CRLH 전소선로의 특성임피던스(≈ 71Ω)하도록 결정하였으며 마이크로스트립 패치안테나의 급전선 길이는 무한 파장 특성을 저해하지 않도록 최적화 살계 하였다.

대상 데이터

배열 안테나의 급전선로로 사용하기 위하여 19개의 단위 셀들로 구성되어진 평형 CRLH 전송선로의 구조를 그림 4에 나타내었다. CRLH 전송선로의 영차 공진모드는 선로의 종단을 단락 또는 개방시키면 가능하며, 설계에서는 단락 비아를 사용하였다. 제안된 선로에 대한 전계분포를 그림 4에 나타내었다.
연구에서 설계된 inset 급전형 단일 마이크로스트립 패치 안테나의 크기는 37.8 mm × 37.8 mm 이며 인접되어진 두 안테나 사이의 간격은 기존의 선형 패치 배열안테나의 경우에 반 파장 길이를 사용하는 것과는 다르게 10.2 mm (≈ λg/8)로 최적화하였다.
그림 1에 제안된 CRLH 전송선로 단위 셀 구조 및 등가회로를 나타내었다. 이 CRLH 전송선로는 NH9348( 비 유전율 =3.48, 두께 = 1.524 mm)를 사용하여 설계 되었다. 평형회로의 경우에 이 CRLH 전송선로의 천이주파수 ω₀는 다음과 같다.

성능/효과

실제로 안테나 들이 무한파장 특성을 나타내는 CRLH 전송선로에 접속되어진 경우에 이러한 선로가 동일한 위상의 직렬 전력 분배기로 동작하는지의 여부를 확인하기 위하여 안테나 도체 상의 전계를 모의 실험한 결과를 그림 8에 나타내었다. CRLH 전송선로 상의 전계 분포는 동일하게 나타났으며 패치안테나 도체상의 전계는 안테나가 기본 패치동작 모드로 동작하고 있으며 직선편파 형태로 방사하고 있음을 보여주고 있어서 설계의 타당성을 입증하고 있다.
5%이다. 단일 패치안테나의 이득이 약 6 dBi 인 점을 감안하면 안테나 배열에 의하여 약 5 dBi의 이득 향상을 보였다.
제안된 선로에 대한 전계분포를 그림 4에 나타내었다. 무한파장 특성을 나타내는 천이 주파수인 2.05 GHz에서 전체 선로 상의 전계분포가 일정하게 나타남을 확인 하였다. 따라서 이 주파수에서 선로 상의 모든 점은 동위상으로 나타나므로 이러한 선로를 안테나의 전력 분배기로 사용할 경우에 안테나의 위치를 선로 상의 임의의 점에 위치시킬 수 있으므로 안테나 사이의 간격을 줄일 수 있다.
그림 11에 제작된 안테나의 방사패턴을 모의 실험된 값들과 비교하여 나타내었다. 제작된 안테나는 브로드사이드한 방사패턴을 나타내고 있었으며 측정되어진 안테나의 최대이득과 효율은 각각 10.98 dBi 와 69.5%이다. 단일 패치안테나의 이득이 약 6 dBi 인 점을 감안하면 안테나 배열에 의하여 약 5 dBi의 이득 향상을 보였다.
주파수 2.03 GHz에서 각각의 포트들에 대한 전력 레벨의 크기는 거의 동일하였으며(|S21| = - 11.63 dB, |S31| = - 12.14 dB, |S41| = - 12.09 dB, |S51| = - 11.61 dB, |S61| = -11.72 dB, |S71| = - 11.74 dB), 이 들 포트들의 위상도 거의 동일하게 나타났다( S21= - 36.39o, 31 S = -37.52o, S41= - 36.93o, 51 S = - 36o, 61 S = -37.53o, 71 S = - 36.25o).
25^o). 주파수 2.05 GHz에서 무한파장 특성을 나타내는 CRLH 전송선로의 각 포트들에 6개의 inset 급전형 단일 마이크로스트립 패치 안테나들을 접속시키면 안테나들의 로딩 효과에 의하여 무한파장 특성을 나타내는 주파수가 2.03 GHz로 변화되는 특성을 보였다. 실제로 안테나 들이 무한파장 특성을 나타내는 CRLH 전송선로에 접속되어진 경우에 이러한 선로가 동일한 위상의 직렬 전력 분배기로 동작하는지의 여부를 확인하기 위하여 안테나 도체 상의 전계를 모의 실험한 결과를 그림 8에 나타내었다.
제작된 안테나의 반사손실에 대한 모의실험 값들과 측정값에 대한 비교를 그림 10에 나타내었다. 측정되어진 안테나의 공진 주파수는 모의실험 값보다 다소 상향되어졌으며 주파수 2.09 GHz를 중심으로 90 MHz의 임피던스 대역폭(SWR ≤ 2)을 나타내고 있다. 그림 11에 제작된 안테나의 방사패턴을 모의 실험된 값들과 비교하여 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선통신용 안테나의 소형화 및 고 이득 평면형 안테나의 구현이 가능한 구조는 어떤 구조인가?	본 논문에서는 전파상수 β가 0의 값을 갖는 무한파장 특성을 사용하여 CRLH 전송선로 직렬형 전력 분배기를 설계한 후에 추가적인 6개의 마이크로스트립 패치배열안테나를 부설하여 높은 이득을 나타내며 브로드사이드한 빔 특성을 나타내는 안테나를 설계 하였다. 설계 되어진 각각의 출력 포트 사이의 전력의 크기와 위상은 무한 파장을 나타내는 주파수에서 거의 동일하게 나타났다. 인접한 안테나 사이의 배열 간격을 10.2 mm(≈λg/8)로 감소시키어 전체 안테나의 접지면 크기가 162 mm × 160 mm로서 소형화 설계되었으며 각각의 안테나 포트는 인터디지트 형태의 용량성 결합 구조를 사용하여 마이크로스트립 패치 안테나와 CRLH 선로를 효과적으로 정합시키었다. 이러한 구조를 사용하면 마이크로스트립 배열안테나의 크기를 줄일 수 있으므로 무선통신용 안테나의 소형화 및 고 이득 평면형 안테나의 구현이 가능하다.
	배열안테나의 크기는 무엇의 주된 관심사인가?	마이크로스트립 배열안테나 응용을 위한 안테나 전력분배기 설계에 있어서 주된 관심사는 배열안테나의 크기이다. 일반적으로 주 빔을 브로드사이드한 방향에 나타내기 위하여 안테나들을 등간격으로 배열하여야 하므로 전체 배열안테나의 크기가 증가하게된다.
	동일한 크기의 전력을 방사시키는 안테나 소자들을 등간격으로 배열하기 위하여 하여 기존의 방법에서는 무엇을 사용하였는가?	일반적으로 주 빔을 브로드사이드한 방향에 나타내기 위하여 안테나들을 등간격으로 배열하여야 하므로 전체 배열안테나의 크기가 증가하게된다. 동일한 크기의 전력을 방사시키는 안테나 소자들을 등간격으로 배열하기 위하여 하여 기존의 방법에서는 직렬 또는 병렬형 급전선로가 사용되어져 왔다[1]. 이러한 방법들은 각 안테나 소자 사이의 간격이 반파장 길이이고 각 안테나 사이의 위상차가 동위상으로 설계되어져야 하므로 안테나의 소자수가 증가될수록 전체 안테나의 크기가 증가하게 된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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