[논문]밀리미터파 대역 응용을 위한 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나 설계

김진혁; 황금철; 신재호

doi:10.5515/kjkiees.2011.22.12.1176

밀리미터파 대역 응용을 위한 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나 설계
Series-Fed Microstrip Array Antenna for Millimeter-Wave Applications 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.22 no.12, 2011년, pp.1176 - 1179

김진혁 (동국대학교 전자전기공학부) , 황금철 (동국대학교 전자전기공학부) , 신재호 (동국대학교 전자전기공학부)

초록
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본 논문에서는 밀리미터파 대역 응용을 위해 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 이용하여 합 및 차 패턴을 구현하였으며, 안테나는 첨예한 빔 패턴을 가지면서도 부엽 레벨(SLL)이 -20 dB가 되도록 설계 및 제작하였다. 등간격의 직렬 급전 배열 안테나를 전송 선로 등가 회로 모델로 해석하였으며, Taylor 및 Bayliss 분포를 적용하여 합/차 패턴을 생성할 수 있는 급전 여기 전류 분포를 구하였다. 또한, 패치를 잇는 연결선의 길이를 적절히 조절하여 최적화된 복사 패턴을 구현하였다. 35 GHz 밀리미터파 대역에서 시뮬레이션 및 실험 결과를 서로 비교함으로써 설계한 안테나의 타당성을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, design of series-fed microstrip antennas with sum and difference patterns is presented for millimeter-wave applications. The antenna was designed to exhibit high-gain and low side-lobe level(SLL) below -20 dB. A conventional transmission-line model, Taylor and Bayliss distributions were employed to determine current distribution for sum and difference patterns. Moreover, connecting lines between microstrip patches were tuned to achieve an optimized design. The measurement was also performed to validate the designed antennas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 배열 소자 간의 커플링을 줄일 수 있어 배열 소자 각각의 전류 분포를 비교적 정확히 예측할 수 있다. 본 논문에서는 링 하이브리드를 적용하지 않고 밀리미터파 대역에서 합/차 패턴을 갖는 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 설계하였다.

제안 방법

51 mm)을 사용하였다. 2.4 mm connector를 안테나에 고정하기 위해서 별도의 측정 기구를 제작하여 connector와 결합하였다. 제작된 안테나의 측정 결과는 설계 주파수의 10 dB 반사 손실 대역폭 내에서 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 이용한 시뮬레이션 결과와 비교적 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.
Taylor 선 전류 분포는 낮은 부엽 레벨을 갖는 대신 안테나 이득이 저하되는 단점이 있으나, 본 논문에서는 낮은 부엽 레벨을 구현하는 것이 목적이므로 Taylor one-parameter distribution을 이용하여 −20 dB의 SLL(SideLobe Level) 가지는 대칭의 전류 분포를 적용하였다[5].
본 논문에서는 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 사용하여, 합 및 차 패턴을 구현하였다. Taylor, Bayliss distribution을 적용하여 합 및 차 패턴을 생성할 수 있는 급전 여기 전류 분포를 구하였으며, 전송 선로 모델을 배열 안테나에 적용하여 패치 폭을 산출하였다. 또한, 연결선의 길이를 미세 조절함으로써 각각의 패치가 패턴 형성에 필요한 이상적인 급전 분포를 갖도록 설계하였다.
또한, 각각의 패치를 잇는 연결선이 복사 특성에 미치는 영향을 최소화하기 위해 120-Ω의 임피던스를 갖도록 설계하였다.
Taylor, Bayliss distribution을 적용하여 합 및 차 패턴을 생성할 수 있는 급전 여기 전류 분포를 구하였으며, 전송 선로 모델을 배열 안테나에 적용하여 패치 폭을 산출하였다. 또한, 연결선의 길이를 미세 조절함으로써 각각의 패치가 패턴 형성에 필요한 이상적인 급전 분포를 갖도록 설계하였다. 제안된 안테나는 측정 결과로부터 설계의 타당함을 입증하였고, 밀리미터파 대역 응용으로서도 적합함을 보였다.
그림 6은 35 GHz에서 측정된 E-plane의 합 및 차 패턴 결과를 보여주고 있다. 복사 패턴은 근접 측정장에서 구형 도파관 프루브를 이용하여 측정하였다.
본 논문에서는 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 사용하여, 합 및 차 패턴을 구현하였다. Taylor, Bayliss distribution을 적용하여 합 및 차 패턴을 생성할 수 있는 급전 여기 전류 분포를 구하였으며, 전송 선로 모델을 배열 안테나에 적용하여 패치 폭을 산출하였다.
또한, 각각의 패치를 잇는 연결선이 복사 특성에 미치는 영향을 최소화하기 위해 120-Ω의 임피던스를 갖도록 설계하였다. 여기서 연결선의 길이를 미세 조정함으로써 각각의 패치에 동위상으로 급전되도록 하였다.
본 설계에서는 #을 적용하여, 부엽 레벨 -20 dB 이하를 차 패턴 설계 목표로 하였으며, 앞 절과 동일한 방법으로 도출된 설계 결과를 표 2에 나타내었다. 합 패턴 배열 설계와 동일하게 연결선의 길이를 미세 조정하여 패치에 급전되는 위상을 조절하였다. 그림 3은 최종 설계된 파라미터를 적용한 안테나 형상을 보여주고 있다.

대상 데이터

제작된 안테나는 Taconic TLY-5 기판(εr=2.2, h=0.51 mm)을 사용하였다.

성능/효과

69 dBi를 보였다. 시뮬레이션 된 합/차 패턴의 이득은 각각 17.32 dBi, 15.48 dBi으로, 기판 및 커넥터 손실로 인해 측정 이득이 시뮬레이션 결과보다 다소 낮은 것을 확인할 수 있다.
또한, 연결선의 길이를 미세 조절함으로써 각각의 패치가 패턴 형성에 필요한 이상적인 급전 분포를 갖도록 설계하였다. 제안된 안테나는 측정 결과로부터 설계의 타당함을 입증하였고, 밀리미터파 대역 응용으로서도 적합함을 보였다.
4 mm connector를 안테나에 고정하기 위해서 별도의 측정 기구를 제작하여 connector와 결합하였다. 제작된 안테나의 측정 결과는 설계 주파수의 10 dB 반사 손실 대역폭 내에서 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 이용한 시뮬레이션 결과와 비교적 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 그림 6은 35 GHz에서 측정된 E-plane의 합 및 차 패턴 결과를 보여주고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파장이 작은 밀리미터파 기술은 어떤 분야에서 중요한가?	밀리미터파 응용 기술은 고해상도 의료 이미지 획득, 혁신적인 보안 장치, 원격 환경 모니터링, 위성 데이터 링크와 원격 탐사 등의 응용 분야가 해마다 발전함에 따라 중요한 역할을 하고 있다. 또한, 파장이 작은 밀리미터파 기술은 한정된 공간의 안테나 하우징에 많은 배열 소자를 집적해야 하는 배열 안테나 설계의 어려움을 해결할 수 있는 중요한 기반 기술로 연구되고 있다. 직렬 급전 패치 배열 안테나는 통신 분야 및 레이더 센서 안테나로서 널리 사용되어 왔다.
	밀리미터파 응용 기술의 응용 분야는?	밀리미터파 응용 기술은 고해상도 의료 이미지 획득, 혁신적인 보안 장치, 원격 환경 모니터링, 위성 데이터 링크와 원격 탐사 등의 응용 분야가 해마다 발전함에 따라 중요한 역할을 하고 있다. 또한, 파장이 작은 밀리미터파 기술은 한정된 공간의 안테나 하우징에 많은 배열 소자를 집적해야 하는 배열 안테나 설계의 어려움을 해결할 수 있는 중요한 기반 기술로 연구되고 있다.
	마이크로스트립 배열 안테나를 사용하므로 직렬 급전 방식을 택할 시 어떤 이점이 있는가?	마이크로스트립 배열 안테나를 구성하는 경우, 병렬 급전 방식보다는 급전선의 구조가 간단한 직렬 급전 방식을 택할 수 있다. 이러한 직렬 급전 배열 구조는 급전 길이를 최소화할 수 있어, 안테나의 효율을 저감시키는 급전선에 의한 손실과 누설 복사를 줄일 수 있는 장점이 있다[1] . 또한, 배열 소자 간의 커플링을 줄일 수 있어 배열 소자 각각의 전류 분포를 비교적 정확히 예측할 수 있다. 본 논문에서는 링 하이브리드를 적용하지 않고 밀리미터파 대역에서 합/차 패턴을 갖는 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 설계하였다.

참고문헌 (6)

박의준, 정익수, "모노 펄스 레이더 센서용 직렬 급전 마이크로스트립 패치 배열 안테나 설계", 한국전자파학회논문지, 21(11), pp. 1248-1258, 2010년 11월.

원문보기 상세보기
A. G. Derneryd, "Linearly polarized microstrip antennas", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 24, no. 6, pp. 846-851, Nov. 1976.

상세보기
I. J. Bahl, P. Bhartia, Microstrip Antennas, Artech House, Dedham, MA, 1980.
E. O. Hammerstad, "Equations for microstrip circuit design", in Proc. Fifth European Microwave Conf., Hamburg, Germany, pp. 268-272, Sep. 1975.
T. T. Taylor, "One parameter family of line-sources producing modified $Sin({\pi}u)/{\pi}u$ patterns", Hughes Aircraft Co. Tech. Mem. 324, Culver City, Calif., Contract AF 19(604)-262-F-14, Sep. 1953.
E. T. Bayliss, "Design of monopulse antenna difference patterns with low sidelobes", Bell Syst. Tech. J., vol. 47, pp. 623-650, May-Jun. 1968.

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