[논문]IR-UWB 시스템 응용을 위한 시간- 및 주파수-영역에서의 앤티포달 비발디 안테나 성능 평가

고영목; 김근용; 나극환

doi:10.5515/kjkiees.2012.23.2.159

IR-UWB 시스템 응용을 위한 시간- 및 주파수-영역에서의 앤티포달 비발디 안테나 성능 평가
Performance Evaluation of Antipodal Vivaldi Antenna in the Time- and Frequency-Domains for IR-UWB Systems Application 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.23 no.2, 2012년, pp.159 - 168

고영목 (광운대학교 전자공학과) , 김근용 (광운대학교 전자공학과) , 나극환 (광운대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 IR-UWB(Impulse Radio Ultra Wideband) 시스템 응용을 위한 앤티포달 비발디 안테나를 설계하고, 시간 및 주파수 영역에서 나노 초 단위의 초광대역 임펄스 신호 전송을 위한 IR-UWB 안테나 성능 평가를 수행하였다. 설계된 앤티포달 비발디 안테나는 저가 생산이 가능한 두께 1.6 mm, 유전율 ${\epsilon}_r=4.7$, $tan{\delta}=0.002$인 FR-4 기판을 이용하여 제작하였다. 제작된 안테나는 무반사실에서 주파수 영역 파라메타인 반사 손실, Far 필드방사 패턴을 측정하였다. 또한, 시간 영역에서 나노 초 단위의 임펄스 신호 전송에 따른 펄스 충실도 분석을 수행하여 UWB 대역에서 안정적으로 초광대역 신호 전송이 가능함을 증명하였다. 본 논문에서 설계/제작된 앤티포달 비발디 안테나는 낮은 왜곡과 양호한 방사 특성을 갖고, 나노 초 단위의 초광대역 임펄스를 방사 또는 수신할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we designed the antipodal vivaldi antenna for IR-UWB systems application and evaluated IR-UWB antenna performance for the ultra wideband impulse signal transmission in the time- and frequency-domain. The designed antipodal vivaldi antenna was fabricated using FR-4 substrate which thickness 1.6 mm, dielectric constant ${\epsilon}_r=4.7$ and $tan{\delta}=0.002$. We measured the return loss, far filed radiation pattern at the anechoic chamber in the frequency-domain. We also performed the pulse fidelity analysis in the time-domain using nano-second impulse signal transmission and demonstrated the feasibility of ultra wideband signal stable transmission in the UWB band. The designed and fabricated antipodal vivaldi antenna could be emitting and receiving the IR-UWB signal while preserving low pulse distortion and good radiation pattern in time- and frequency-domain.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

CST Microwave Studio를 이용한 앤티포달 비발디 안테나의 시간 영역 특성 분석을 위해, 동일한 안테나 한 쌍을 그림 9와 같이 자유 공간의 Far Field에서무선 링크 되도록 0.6 m 이격시켰다.
본 논문에서는 앤티포달 비발디 안테나가 UWB 동작 대역폭 3.1～10.6 GHz에서 시작 주파수인 3.1 GHz에서 적절한 방사 특성을 만족해야 하므로 하한저주파수를 2.0 GHz로 설정하였다.
본 논문에서는 양면 평행 스트립의 동작 특성을 확인하기 위해 지수증가율 R =0.34인 지수함수로 테이퍼한 접지 스트립을 갖는 마이크로스트립을 입출력으로 하고, 중간에 양면 평행 스트립 천이를 갖는구조를 그림 4와 같이 구성하여 HFSS를 이용하여 시뮬레이션하였다. 마이크로스트립 폭 W_m은 특성임피던스가 Z0=50 Ω으로, 접지면은 앤티포달 비발디 안테나를 따라 한 쌍의 마이크로스트립 전송선로로 변환시키기 위해 서서히 테이퍼(taper)된다.
본 논문에서는 임펄스 신호 전송이 가능한 앤티포달 비발디 안테나를 설계하고, UWB 대역에서 나노 초 단위의 임펄스 신호를 송/수신할 경우 안테나단에서 발생할 수 있는 왜곡을 펄스 충실도 식을 이용하여 분석하였다. 이러한 펄스 충실도 식을 안테나 설계 및 제작 단계에서 적용할 경우, 안테나를 구성하는 각 부분별 분석과 펄스 왜곡 최소화를 위한 최적화가 가능하고, 통합 구성시 최소의 펄스 왜곡을 갖는 안테나 설계가 가능하다.
본 논문에서는 테이퍼 슬롯 설계를 위해 식 (3)과같이 지수 증가율(exponential rate)이 R인 지수 함수구조를 이용하였다.
안테나 설계는 FEM(Finite Element Momentum) 분석이 가능한 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structure Simulation)를 이용하여 최적화 하였으며, 시간 영역 신호인 나노 초 단위의 펄스 전송에 따른 안테나의 펄스 분산 특성을 분석하기 위해 FDTD(Finite Difference Time Domain) 분석이 가능한 CST Micro-wave Studio를 이용하여 가우시안 펄스 신호 여기를 통해 시간 영역 분석을 수행하였다.
안테나 설계는 주파수 영역 시뮬레이션이 가능한 HFSS를 이용하여 방사 패턴, VSWR 및 이득 등을 분석하였으며, FDTD 시뮬레이션이 가능한 CST Mi-crowave Studio를 이용하여 시간 영역 펄스 파형 여기에 따른 펄스 왜곡을 분석하고 정량화 하였다.
그림 7(a)는 본 논문에서 설계/제작한 앤티포달 비발디 안테나를 나타낸다. 안테나 입력단은 방사되는 전자기파에 대한 영향을 최소화 하고 시스템 장착이용이하도록 50 Ω 임피던스의 마이크로스트립 선로를 이용하였으며, 방사부 임피던스와 부드러운 천이를 위해 이중평행 선(twin line) 천이 구조의 양면 평행 스트립 선로를 입력단과 테이퍼 슬롯 방사부 사이에 배치하였다. 테이퍼 슬롯 구조의 방사부 가장자리에서 반사를 감소시키고 방사부 표면 전류에 대해 매끄러운 전류 흐름 제공을 위해 슬롯 끝의 날카로운 모서리와 슬롯 안쪽 테이퍼를 원호로 부드럽게 마무리하였다.
앞에서 설계한 앤티포달 비발디 안테나의 방사부와 천이부 및 입력부를 조합 구성하여 HFSS로 시뮬레이션하였다. 상세 설계 규격은 표 1과 같으며, 시뮬레이션 결과는 그림 6과 같다.
초광대역 송신 신호는 표준 네트워크 분석 장치를 이용하여 식 (5)와 같은 코사인 변조 가우시안 펄스를 3.1～10.6 GHz 대역의 신호로 변조하여 송신안테나에 인가하였으며, 수신 안테나로 사용되는 동일한 안테나를 반경 0.6미터 거리에서 송신 안테나빔 폭 기준 0 ± 15 n°(여기서 n=0, 1, 2, 3) 위치에 순차적으로 배치하면서 측정하였다.
안테나 입력단은 방사되는 전자기파에 대한 영향을 최소화 하고 시스템 장착이용이하도록 50 Ω 임피던스의 마이크로스트립 선로를 이용하였으며, 방사부 임피던스와 부드러운 천이를 위해 이중평행 선(twin line) 천이 구조의 양면 평행 스트립 선로를 입력단과 테이퍼 슬롯 방사부 사이에 배치하였다. 테이퍼 슬롯 구조의 방사부 가장자리에서 반사를 감소시키고 방사부 표면 전류에 대해 매끄러운 전류 흐름 제공을 위해 슬롯 끝의 날카로운 모서리와 슬롯 안쪽 테이퍼를 원호로 부드럽게 마무리하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 마이크로스트립 선로에 의해 급전되는 앤티포달 비발디 안테나를 설계하였으며, 안테나 제작을 위해 εr=4.7, tanδ=0.002, 두께 1.6 mm인 FR-4 기판을 사용하였다.

이론/모형

마이크로스트립 선로에 입력된 고주파수 성분은 테이퍼 슬롯의 불연속 및 임피던스 부정합으로 인한 반사 신호 증가에 따라 광대역 성능이 열화되며, 임펄스 신호 전송시 양호한 펄스 분해능과 안정적인 이미지 특성화를 요구하는 GPR, 벽투과 레이더 등의 IR-UWB 시스템에서 펄스 왜곡을 유발하게 된다. 따라서 마이크로스트립 선로와 테이퍼 슬롯 사이에 연속적인 천이 특성을 갖고 광대역 특성의 선로 구현이 가능한 양면 평행 스트립 선로(double-sided parallel strip line)를 이용한다^[9].
본 논문에서는 설계 검증 단계에서 IR-UWB 안테시간 영역 성능 분석을 위해 FDTD(Finite Difference Time Domain)와 같은 시간 영역 해석이 가능한 CST Microwave Studio를 이용하였다. IR-UWB

성능/효과

즉, 시간 영역에서 펄스 충실도 분석 결과, 제작된 앤티포달 비발디 안테나는 ±30° 빔 폭 이내에서 평균 92 % 이상의 충실도를 얻을 수 있었으며, 방사 빔 폭을 벗어난 ± 45°이상의 빔 영역에서는 펄스 왜곡이 심하여 펄스 충실도 값이 각각 64 %와 76 %로 분석되어, 주파수 영역에서 측정된 E-필드와 H-필드 빔 폭이 시간 영역에서도 안정되게 유지됨을 알 수 있다. 따라서 제작된 앤티포달 비발디 안테나는 시간 및 주파수 영역의 초광대역 신호 전송이 가능함을 알 수 있다.
설계된 안테나는 저가 제작이 가능한 FR-4 기판을 이용하여 제작하였으며, 무반사실에서 수행한 주파수 영역 측정을 통해서 섹터 안테나로서 일정 빔폭 내에서 초광대역 신호의 안정적인 송/수신이 가능함을 확인하였다.
수신 안테나의 ±30° 빔 폭 이내에서 펄스 충실도는 그림 10의 FDTD 시뮬레이션 결과를 이용한 충실도 분석 결과와 비교하여 거의 차이가 없으며, 그림 8의 방사 패턴 측정 결과에서 얻은 빔 폭과 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
시뮬레이션 결과, 테이퍼 슬롯 길이 l_ts 증가는 UWB 대역의 저역 차단 주파수를 낮춤으로서 대역폭이 넓어지지만 안테나 길이가 증가하는 단점이 발생하며, 테이퍼 슬롯 개구 폭 W_slot을 넓게 할 경우 대역폭이 좁아지며, W_slot을 좁게 할 경우 방사 지향성이 열화되는 단점이 발생한다. 따라서 앤티포달 비발디 안테나를 설계할 경우 각 부분의 모든 파라메타를 종합적으로 고려하여 최적의 동작 특성을 갖도록 하여야 한다.
제작된 안테나는 무반사실에서 이득, 방사 패턴, VSWR과 같은 주파수 영역 파라메타를 추출하여 시뮬레이션 결과와 비교하였으며, 3.1～10.6 GHz 대역에서 안테나 무선 링크 실험을 통해서 획득된 펄스 정보를 이용하여 펄스 충실도 분석을 통해, 방사되는 빔 폭 내에서 92 % 이상의 펄스 충실도를 갖고 안정적으로 초광대역 펄스 송/수신이 가능함을 증명하였다.
주파수 영역에서 측정된 방사 패턴 분석 결과, 설계/제작된 앤티포달 비발디 안테나는 일정 빔 폭내송/수신이 가능한 섹터 안테나로 사용이 가능하며, 따라서 일정 빔 폭 이내에서 나노 초 단위의 초광대역 신호 전송이 가능하여야 한다.
즉, 시간 영역에서 펄스 충실도 분석 결과, 제작된 앤티포달 비발디 안테나는 ±30° 빔 폭 이내에서 평균 92 % 이상의 충실도를 얻을 수 있었으며, 방사 빔 폭을 벗어난 ± 45°이상의 빔 영역에서는 펄스 왜곡이 심하여 펄스 충실도 값이 각각 64 %와 76 %로 분석되어, 주파수 영역에서 측정된 E-필드와 H-필드 빔 폭이 시간 영역에서도 안정되게 유지됨을 알 수 있다.
그림 7(b)는 제작된 앤티포달 비발디 안테나에 대해 전파 무반사실에서 측정한 이득 및 반사 손실(dB[S11])을 시뮬레이션 결과와 비교한 것이다. 측정설계 결과는 양호한 일치를 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UWB 시스템에 사용되는 안테나는 어떻게 설계해야하나?	UWB 시스템에 사용되는 안테나는 광대역폭과 대칭적인 빔 폭, 낮은 교차 편파, 낮은 펄스 왜곡 및낮은 전파 지연을 갖도록 충분히 작은 크기로 설계가 가능해야 한다[1]～[3].
	비발디 안테나란?	비발디 안테나는 1979년 P. J. Gibson이 빔이 형성되는 슬롯 부분을 지수 또는 선형 구조를 이용하여 점진적으로 테이퍼(taper)시킨 광대역 진행파 안테나(traveling wave antenna)로, 넓은 대역폭과 낮은 교차편파 및 높은 지향성 패턴[4],[5]으로 여러 UWB 무선장치와 GPR(Ground Penetrating Radar), 벽 투과 레이더(through-wall radar), 항공기 SAR(Synthetic Aper-ture Radar) 및 전자전 장비 등을 포함한 다양한 무선센서 분야에서 널리 사용된다[14],[15].
	지수 증가율 R값을 안테나 동작 대역폭과 이득 사이에 적절한 절충을 통해 결정해야 하는 이유는?	지수 증가율 R은 전류가 집중된 테이퍼 가장자리곡선을 결정하는데, 지수 증가율이 증가할수록 UWB 주파수 대역의 저역 동작 주파수 하한과 이득이 감소한다. 따라서 지수 증가율 R값은 안테나 동작 대역폭과 이득 사이에 적절한 절충을 통해 결정하여야 한다.

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