[논문]비선형 소자 탐지용 광대역 스파이럴 안테나의 설계

김태근; 민경식; 이광근

doi:10.5515/kjkiees.2011.22.1.081

[국내논문] 비선형 소자 탐지용 광대역 스파이럴 안테나의 설계
Design of Broadband Spiral Antenna for Non-Linear Junction Detector 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.22 no.1 = no.164, 2011년, pp.81 - 88

김태근 (한국해양대학교 전파공학과) , 민경식 (한국해양대학교 전파공학과) , 이광근 ((주)한썸)

초록
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본 논문은 비선형 소자 탐지기용 광대역 스파이럴 안테나의 설계를 제안한 것이다. 방사면 위의 스파이럴 소자뿐만 아니라 방사면 중심부에 위치한 방사 소자인 타원형 패치가 스파이럴 안테나의 광대역화를 위하여 설계되었다. 또한, 그라운드면 위에 스파이럴 슬릿을 삽입함으로써 다중 공진을 일으키는 안테나 그라운드 구조가 제안되었다. 제안된 안테나의 높은 지향성과 고이득을 실현하기 위해, Fr4-epoxy로 만든 캐비티 벽과 금속캡이 설계에 고려되었다. 그 결과, 금속 캡을 가진 안테나의 계산된 이득은 금속 캡이 없는 안테나의 이득과 비교하여 약 3 dBi 개선되었으며, -z축 방향으로의 측정된 주 빔 지향성도 계산 결과와 잘 일치하였다. 설계 주파수 대역에서 측정된 축비도 -z축을 기준으로 ${\pm}45^{\circ}$의 범위에서 원편파를 만족하였으며, 예상과 잘 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a design of spiral antenna with broad bandwidth for non-linear junction detector(NLJD). An elliptical patch as radiating element located on center position of radiating surface, as well as the spiral elements on radiating surface was designed for broad bandwidth of spiral antenna. An antenna ground structure generating the multi resonance by spiral slit inserted on ground surface was also proposed. In order to realize high directivity and high gain of the proposed antenna, the cavity wall made of Fr4-epoxy and the metal cap were considered in design. As a result, the calculated gain of antenna with metal cap was improved about 3 dB with comparison of antenna without metal cap and the measured main beam directivity toward -z axis direction agreed well with calculation result. The measured axial ratio satisfied the circular polarization within -z axis ${\pm}45^{\circ}$ at design frequency bands and showed reasonable agreement with prediction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 금속과 반도체를 동시에 탐지할 수 있는 스파이럴 광대역 안테나를 설계하였다. 비선형 소자 탐지기의 수신 주파수는 송신 주파수의 체배 주파수에서 나타나는 특성이 있다^[9].
본 논문에서는 비선형 소자를 탐지할 목적으로 고이득을 가지는 스파이럴 안테나를 제안하였다. 다중 대역을 설계하기 위해 방사면에 방사 소자와 스파이럴의 권선수를 증가시키고, 그라운드면에서도 스파이럴 슬릿을 사용하였다.
본 논문에서는 송신 주파수 대역 0.8～1 GHz와 은닉 디바이스로부터 반사되어 오는 수신 주파수의 대역 1.6～3 GHz를 모두 수용하기 위한 광대역 안테나 설계를 목표로 하였다.

제안 방법

하지만 직사각형 구조로 인해 완전한 방사가 되지 못하고 선로상의 반사되어 오는 전류가 많아 송신 주파수 대역에서 —10 dB의 반사 손실을 만족하지 못하고 있으며, 수신 주파수 대역에서도 전체적으로—10 dB를 만족하지 못하는 대역이 많이 나타나고 있다. ③번 설계는 방사부를 둥근 반원형으로 설계하여 전류의 반사를 줄이고, 임피던스 변화를 완만하게 하여 대역폭을 증가시킬 수 있도록 하였다.
따라서 겉면의 동박을 제거하고, 안쪽면만 동박을 입힘으로써 전류가 겉으로 나가지 못하고 그라운드면과 접지가 되어 그라운드가 커지는 효과가 있다. 그리고 금속 캡과 캐비티 벽 내에서만 전파가 존재하도록 하여 전파의 방사를 최소화하였다. 그림 10에 캐비티 벽과 금속 캡을 사용했을 때와 하지 않았을 때의 S₁₁ 특성을 나타내었다.
급전부에 50 [Ω] port를 연결시켜 Network analyzer로 측정하였다.
본 논문에서는 비선형 소자를 탐지할 목적으로 고이득을 가지는 스파이럴 안테나를 제안하였다. 다중 대역을 설계하기 위해 방사면에 방사 소자와 스파이럴의 권선수를 증가시키고, 그라운드면에서도 스파이럴 슬릿을 사용하였다. 또한, 안테나의 지향성과 이득을 높이기 위해 캐비티 벽과 금속 캡을 제안하였다.
스파이럴 안테나를 탐지용으로 설계하기 위해서는 방사 패턴을 무지향성이 아닌 지향성을 가지는 안테나로 설계할 필요가 있다. 따라서 그림 9와 같이 그라운드와 일정 거리를 가지는 위치에 반사판과 같은 역할을 하는 금속 캡 및 전파의 누설 방지와 그라운드면과 금속 캡 사이의 높이 유지를 위한 캐비티 벽을 설계하였다.
다중 대역을 설계하기 위해 방사면에 방사 소자와 스파이럴의 권선수를 증가시키고, 그라운드면에서도 스파이럴 슬릿을 사용하였다. 또한, 안테나의 지향성과 이득을 높이기 위해 캐비티 벽과 금속 캡을 제안하였다. 그 결과, 이득은 약 3 dB 정도 개선되었으며, —z축 방향으로의 지향 특성도 시뮬레이션과 잘 일치하였다.
이 성질을 이용하여 선형 소자는 물론이고, 비선형 소자도 탐지할 수 있게 된다. 또한, 원편파 안테나를 탐지에 이용함으로써 탐지된 소자로부터의 반사에 의한 편파의 손실을 최소화 할 수 있기 때문에 본 연구에서 원편파 특성을 가지는 스파이럴 안테나를 고려하였다.
그림 3은 스파이럴 안테나의 구조를 나타낸다. 방사면에 단일 암 패턴의 형태를 구현하였다. 설계에 있어서 선로의 폭(w)을 0.
설계한 안테나의 신뢰성 확인을 위해 안테나를 실제로 제작하여 측정을 하였다. 제작된 안테나의 반사 손실 및 대역폭 측정은 Anritsu사의 Vector network analyzer 37369D를 사용하였다.
그림 8은 그림 6의 ③번 방사 소자에 대한 목표 주파수에서의 이론적 방사 패턴을 나타내고 있다. 송신 주파수 대역 및 수신 주파수 대역 중심 주파수에서의 방사 패턴 및 이득, 원편파 특성을 알아보았다. 방사면이 있는 —z 방향으로 원편파 특성이 나타나고 있다.
001의 Teflon 기판을 고려하였다. 유전율이 낮은 기판을 사용하여 관내 파장을 길게 유지하여 광대역 특성을 가지기 쉽도록 하였다. 안테나의 시뮬레이션 툴은 HFSS을 사용하였다.
일반적으로 반도체는 실리콘이나 GsAs 기판을 사용하는데, 이런 접합 물질로 부터 반사되어 오는 주파수의 특성은 체배 주파수로 나타난다. 이것을 이용하여 송신 주파수는 0.8～1 GHz, 수신 주파수는 1.6～3 GHz로 2nd harmonic과 3rd harmonic을 동시에 수용하는 수신 대역폭 설정을 하였다. 수신 주파수 대역은 체배 주파수 대역을 이용하는 만큼 2nd harmonic(1.
하지만 방사면과 그라운드면이 임피던스 매칭이 되지 않고, 전류의 위상이 상쇄되어 설계 주파수 대역에서 공진이 발생하지 않는다. 이를 개선하기 위하여 그림 4처럼 그라운드면에 스파이럴 슬릿을 삽입한 구조를 제안하였다. 전류와 위상이 방사면과 동일한 방향으로 흐르도록 설계를 하였다.
이를 개선하기 위하여 그림 4처럼 그라운드면에 스파이럴 슬릿을 삽입한 구조를 제안하였다. 전류와 위상이 방사면과 동일한 방향으로 흐르도록 설계를 하였다. w=8 mm, s=1 mm로 하였다.
따라서 전파의 방사 진행 방향은 —z축 방향이 된다. 캐비티 벽의 높이와 크기를 최소화하기 위해 그림 9에서 보는 바와 같이 안테나 패턴이 있는 기판보다도 복소 비유전율이 큰 4.4+j0.02인 Fr4-epoxy를 설계에 고려하였다.

대상 데이터

그러나 이것은 r_out일 때, 암의 중심까지의 거리이므로 암 패턴의 폭을 고려하여 안테나 기판의 반지름은 75 mm로 결정하였다. 설계에서 안테나의 유전체 기판은 비유전율 2.1+j0.001의 Teflon 기판을 고려하였다. 유전율이 낮은 기판을 사용하여 관내 파장을 길게 유지하여 광대역 특성을 가지기 쉽도록 하였다.
안테나의 지향성 이득 및 방사 패턴 측정은 16 m×8 m×6 m 크기의 전파 암실을 사용하였다. 안테나의 기판은 Teflon 기판을 사용하였고, 캐비티 벽은 Fr4-epoxy 기판을 사용하였다. 그림 12에 제작된 안테나의 사진을 나타내었다.
안테나의 지향성 이득 및 방사 패턴 측정은 16 m×8 m×6 m 크기의 전파 암실을 사용하였다.
설계한 안테나의 신뢰성 확인을 위해 안테나를 실제로 제작하여 측정을 하였다. 제작된 안테나의 반사 손실 및 대역폭 측정은 Anritsu사의 Vector network analyzer 37369D를 사용하였다. 안테나의 지향성 이득 및 방사 패턴 측정은 16 m×8 m×6 m 크기의 전파 암실을 사용하였다.

이론/모형

유전율이 낮은 기판을 사용하여 관내 파장을 길게 유지하여 광대역 특성을 가지기 쉽도록 하였다. 안테나의 시뮬레이션 툴은 HFSS을 사용하였다.

성능/효과

또한, 안테나의 지향성과 이득을 높이기 위해 캐비티 벽과 금속 캡을 제안하였다. 그 결과, 이득은 약 3 dB 정도 개선되었으며, —z축 방향으로의 지향 특성도 시뮬레이션과 잘 일치하였다. 축비도 —z축 방향을 기준으로 ±45°의 범위에서 0.
그리고 수신 주파수 2nd harmonic과 3rd harmonic 대역에서 —10 dB의 반사 손실을 만족하고, 전체 설계 목표 대역에 걸쳐, 최소 —6 dB의 기준을 만족하여 상용화 제품들에서 요구하는 기준을 만족하고 있다.
또한, 그림 11로부터 알 수 있는 것처럼 —z축 방향의 축비가 ±45°까지 0.9 GHz와 1.8 GHz에서 0.3 dB 이내를 나타냄으로써 완전한 원편파가 방사되는 것으로 나타났다.
송수신 주파수 대역에서 축비는 —z축 방향으로 ±45°의 범위에서 0.9 GHz와 1.8 GHz에서는 약 0.3 dB 이내로 측정되었으며, 2.7 GHz에서는 약간 뒤틀림 현상이 일어나 약 2 dB 정도의 구간도 있으나 계산값과 잘 일치하였다.
그림 10에 캐비티 벽과 금속 캡을 사용했을 때와 하지 않았을 때의 S₁₁ 특성을 나타내었다. 캐비티 벽과 메탈 캡을 사용하였을 때 반사 손실의 레벨이 구간별로 차이가 있지만 평균 약 4 dB 정도의 반사 손실 개선이 있었다. 그리고 수신 주파수 2nd harmonic과 3rd harmonic 대역에서 —10 dB의 반사 손실을 만족하고, 전체 설계 목표 대역에 걸쳐, 최소 —6 dB의 기준을 만족하여 상용화 제품들에서 요구하는 기준을 만족하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	불순 목적의 무단 은닉 디바이스의 국외유출이 문제가 된 배경은?	최근 극소형 전자 디바이스 산업의 비약적 발전으로 불순 목적의 무단 은닉 디바이스의 국외 유출이 국가적 문제로 대두되고 있다. 이를 위해 국외에서는 유출 방지를 위한 디텍터의 개발이 꾸준히 연구되어 왔다[1].
	캐비티 백 방식이란?	디텍터에 쓰이는 탐지용 안테나로는 주로 스파이럴 안테나가 사용된다. 은닉 디바이스를 찾기 위해서 방향 탐지용 안테나가 사용되며, 안테나의 방사 패턴은 디바이스를 탐지하기 위한 방향으로만 방사되도록 제작된 캐비티 백(cavity-backed) 방식이 보편적이다[2],[3]. 탐지용 스파이럴 안테나에 대해서는 최근 국내에서도 정보 보안의 중요성이 높아짐에 따라 국산화 및 연구 개발에 힘쓰고 있는 추세이다[2],[3].
	탐지용 스파이럴 안테나의 대역폭은 어떻게 제어하는가?	탐지용 스파이럴 안테나에 대해서는 최근 국내에서도 정보 보안의 중요성이 높아짐에 따라 국산화 및 연구 개발에 힘쓰고 있는 추세이다[2],[3]. 스파이럴 안테나의 대역폭은 주파수에 따른 안테나의 길이 변화를 권선수 및 주회 각도로 제어[4],[5]할 수 있기 때문에 광대역 설계에 사용될 수 있고, 후방 캐비티를 사용함으로써 방향 탐지용 안테나로 많이 사용되고 있다[6],[7]. 그리고 스파이럴 구조를 가지므로 원편파가 생성되며, 이 원편파는 탐색 대상의 편파에 영향을 받지 않으므로 탐색용 안테나로는 최적이라 할 수 있다[8].

참고문헌 (10)

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전남두, 신동훈, 박동철, "0.5-2 GHz 캐비티 백스파이럴 안테나 설계", 한국전자파학회논문지, 21(3), pp. 269-277, 2010년 3월.

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조정래, 박진오, 유병석, 정운섭, 정우성, 박동철, "2-18 GHz 광대역 캐비티 백 스파이럴 안테나 설계", 한국전자파학회논문지, 19(10), pp. 1166-1174, 2008년 10월.

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W. L. Curtis, "Spiral antenna", IRE Trans. Antennas Propagat., vol. 8, pp. 298-306, May 1960.

상세보기
Warren L. Stutzman, Gary A. Thiele, Antenna Theory and Design, Wiley, pp. 309-329, 2004.
Julius A. Kaiser, "The archimedean two-wire spiral antenna", IRE Trans. Antennas Propagat., vol. 8, pp. 312-323, May 1960.

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김명기, 오대영, 박익모, "다양한 복사 패턴을 가지는 이중대역용 다기능 마이크로스트립 스파이럴 안테나", 대한전자공학회논문지, 40(11), pp. 77-84, 2003년 10월.
윤영, RF 능동회로, 홍릉과학출판사, pp. 393-482, 2005년.
Eric D. Caswell, "Design and analysis of star spiral with application to wideband arrays with variable element size", Electrical and Computer Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State Univ., Dec. 2001.

저자의 다른 논문 :

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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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