본 논문에서는 composit right-left handed(CRLH) 전송 선로에서 발생하는 -1 모드를 이용하여 단일 급전을 갖는 소형 원형 편파 메타 물질 안테나를 제안한다. -1 모드는 일반적인 패치 안테나의 기본 모드인 +1 모드와 같은 성질을 가지고 있기 때문에, 원형 편파의 동작 원리를 동일하게 적용할 수 있다. 따라서 서로 수직하는 편파와 $90^{\circ}$의 위상차를 갖는 두 개의 -1 모드들을 이용하여 원형 편파 특성을 갖는 메타 물질 안테나의 설계가 가능하다. 두 개의 -1 모드를 얻기 위해서 삼각형의 형태를 갖는 4개의 버섯 구조를 이용하였고, 모드 간에 $90^{\circ}$의 위상차를 인가하기 위해서 삽입된 inter-digital gap의 크기를 최적화 하였다. 추가적으로 임피던스 매칭을 위해 coupled-fed 급전 구조를 사용하였다. 제안된 안테나의 4개로 배열된 버섯 구조의 면적은 $0.161{\lambda}_0{\times}0.161{\lambda}_0$이며, RT/duroid5880 기판에 설계되었다. 제작된 안테나의 중심 주파수는 2.845 GHz로 측정되었고, 2.830 GHz부터 2.850 GHz까지 동작하는 것을 확인하였다. 또한, 2.842 GHz부터 2.847 GHz까지 원형 편파의 특성이 확인되었고, 방사 효율은 46 %로 측정되었다.
본 논문에서는 composit right-left handed(CRLH) 전송 선로에서 발생하는 -1 모드를 이용하여 단일 급전을 갖는 소형 원형 편파 메타 물질 안테나를 제안한다. -1 모드는 일반적인 패치 안테나의 기본 모드인 +1 모드와 같은 성질을 가지고 있기 때문에, 원형 편파의 동작 원리를 동일하게 적용할 수 있다. 따라서 서로 수직하는 편파와 $90^{\circ}$의 위상차를 갖는 두 개의 -1 모드들을 이용하여 원형 편파 특성을 갖는 메타 물질 안테나의 설계가 가능하다. 두 개의 -1 모드를 얻기 위해서 삼각형의 형태를 갖는 4개의 버섯 구조를 이용하였고, 모드 간에 $90^{\circ}$의 위상차를 인가하기 위해서 삽입된 inter-digital gap의 크기를 최적화 하였다. 추가적으로 임피던스 매칭을 위해 coupled-fed 급전 구조를 사용하였다. 제안된 안테나의 4개로 배열된 버섯 구조의 면적은 $0.161{\lambda}_0{\times}0.161{\lambda}_0$이며, RT/duroid5880 기판에 설계되었다. 제작된 안테나의 중심 주파수는 2.845 GHz로 측정되었고, 2.830 GHz부터 2.850 GHz까지 동작하는 것을 확인하였다. 또한, 2.842 GHz부터 2.847 GHz까지 원형 편파의 특성이 확인되었고, 방사 효율은 46 %로 측정되었다.
In this paper, a compact circularly polarized metamaterial patch antenna using the -1 mode that is induced by the composit right-left handed(CRLH) transmission line is proposed. Basically, since the -1 mode is the same properties with the +1 mode of the conventional patch antenna, the circular polar...
In this paper, a compact circularly polarized metamaterial patch antenna using the -1 mode that is induced by the composit right-left handed(CRLH) transmission line is proposed. Basically, since the -1 mode is the same properties with the +1 mode of the conventional patch antenna, the circular polarization(CP) is realized. If two orthogonal -1 modes are excited with $90^{\circ}$ phase difference, the CP property can be obtained. In order to obtain two orthogonal modes and $90^{\circ}$ phase difference, 4 mushroom structures having the shape of triangle are employed and the inter-digital gaps are optimized, respectively. The fabricated antenna is based on RT/duroid5880 substrate and the total area of the 4 mushrooms is $0.161{\lambda}_0{\times}0.161{\lambda}_0$. It is confirmed that the center frequency of the proposed antenna is measured as 2.845 GHz and it operates from 2.830 GHz to 2.850 GHz. In addition, the antenna maintains the CP property from 2.842 GHz to 2.847 GHz at the peak gain and the measured radiation efficiency is 46 %.
In this paper, a compact circularly polarized metamaterial patch antenna using the -1 mode that is induced by the composit right-left handed(CRLH) transmission line is proposed. Basically, since the -1 mode is the same properties with the +1 mode of the conventional patch antenna, the circular polarization(CP) is realized. If two orthogonal -1 modes are excited with $90^{\circ}$ phase difference, the CP property can be obtained. In order to obtain two orthogonal modes and $90^{\circ}$ phase difference, 4 mushroom structures having the shape of triangle are employed and the inter-digital gaps are optimized, respectively. The fabricated antenna is based on RT/duroid5880 substrate and the total area of the 4 mushrooms is $0.161{\lambda}_0{\times}0.161{\lambda}_0$. It is confirmed that the center frequency of the proposed antenna is measured as 2.845 GHz and it operates from 2.830 GHz to 2.850 GHz. In addition, the antenna maintains the CP property from 2.842 GHz to 2.847 GHz at the peak gain and the measured radiation efficiency is 46 %.
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문제 정의
본 논문에서는 −1 모드로 동작하는 소형 원형 편파 메타물질 패치 안테나를 제안하였다.
제안 방법
본 논문에서는 이러한 +1 모드에서 동작하는 원형 편파 안테나의 동작 원리를 −1 모드에 동일하게 적용하였다.
먼저 −1 모드가 갖는 성질을 +1 모드와 비교하였고, 두 개의 수직하는 −1 모드를 얻기 위해 안테나 구조를 제안하였다.
또한, 두 모드 간에 90° 위상차를 주기 위해 inter-digital 갭에 따른 모드의 변화를 확인하였다.
따라서 먼저 하나의 −1 모드만 갖는 안테나 두 개를 설계하고, 이 두 안테나에서 발생되는 −1 모드가 서로 직교하는 편파를 갖도록 구조를 제안하였다.
5 mm이다. 실제로 삼각형의 버섯 구조와 inter-digital 갭은 시뮬레이션을 통해 분산 특성을 확인할 수 없기 때문에, 이 구조를 등가적으로 사각형의 버섯 구조와 직선 갭으로 변형하여 분산 곡선을 추출하였다[7]. 시뮬레이션 결과, 제안된 단위 구조는 2.
따라서 4개의 버섯 구조와 삽입된 inter-digital 갭을 조절하여 수직하는 두 개의 −1 모드가 발생하도록 구조를 제안하였고, 그 모드들 간에 90°의 위상차를 갖도록 하였다.
대상 데이터
사용된 기판은 RT/duroid5880(εr=2.2, h=3.175 mm)이고, 안테나의 총 길이는 동일하게 설정하였다.
제안된 안테나는 높이가 3.175 mm인 RT/duroid5880(ε r=2.2) 기판에 설계되었다.
데이터처리
또한, 두 모드 간에 90° 위상차를 주기 위해 inter-digital 갭에 따른 모드의 변화를 확인하였다. 마지막으로 최적화된 안테나를 제작하여 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교하여 원형 편파 특성을 검증하였다.
이론/모형
버섯 구조는 삼각형의 패치와 비아로 구성되어 있고, 하나의 −1 모드만 발생되도록 한쪽 대각선 방향으로 inter-digital 갭이 삽입되어 있다. 추가적으로 임피던스 매칭을 위해서 coupled-fed 급전 방식을 이용하였다. 이때 사용된 원형 패치 급전 구조의 반지름은 3.
성능/효과
위의 결과를 간단히 정리하면 +1 모드와 동일한 성질을 갖는 −1 모드를 이용하여 기존의 원형 편파 안테나의 기술을 −1 모드에서도 동일하게 적용할 수 있다.
버섯구조 사이의 갭을 기준으로 양쪽에 반대 방향의 전계가 분포되어 있고, 따라서 등가 자계 전류 역시 버섯 구조의 양 끝에서 동일한 방향으로 흐르게 된다. 결과적으로 전계 분포와 등가 자계 전류를 통해 두 모드가 동일한 성질을 가지고 있다는 것을 알 수 있다.
결과적으로 삽입된 inter-digital의 갭들을 이용하여 각각의 −1 모드의 주파수를 독립적으로 조절할 수 있다.
시뮬레이션 결과, 제안된 단위 구조는 2.890 GHz에서 −1 모드가 발생됨을 알 수 있다.
86 GHz 사이에 두 안테나의 −1 모드가 90°에 근접한 위상차를 갖는 것을 볼 수 있다. 또한, 두 모드에서 발생하는 전계 분포의 최대값의 차이는 0.1 dB로 확인되었다. 결과적으로 두 모드가 동시에 발생되었을 경우 원형 편파로 동작하는 것을 예상할 수 있다.
결과적으로 중심 주파수에서 직교하는 편파인 두 모드가 90°의 위상차로 발생하여 원형 편파로 동작하는 것을 알 수 있다.
그림 10은 제안된 안테나의 z-방향 축비를 나타낸 것이다. 중심 주파수 2.849 GHz에서 0.82 dB의 축비가 확인되고, 2.845 GHz부터 2.851 GHz 사이에 원형 편파의 특성을 보여준다. 그림 11은 중심 주파수인 2.
그림 13에 제작된 안테나의 반사 손실을 나타내었다. 측정 결과에서도 역시 두 개의 공진이 합쳐진 것을 확인할 수 있고, 시뮬레이션 결과와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 측정 결과에서 중심 주파수는 2.
첫째로 −1 모드의 특성을 +1 모드와 비교하여 원형 편파 안테나로 설계할 수 있는 가능성을 확인하였다.
0 dB로 측정되었다. 또한, 2.842 GHz부터 2.847 GHz까지 원형 편파로 동작하는 것을 확인하였다.
그림 15는 중심 주파수에서 방사 패턴을 나타낸 것이다. 제안된 안테나는 left-hand circular polarization(LHCP)로 동작하는 것을 알 수 있고, +1 모드로 동작하는 안테나와 동일한 방사 패턴을 보여준다. 따라서 최대 이득은 2.
52 dBic로 측정되었고, 이때 right-hand circular polarization(RHCP)와 18 dB 이상 차이를 보여준다. 결과적으로 두 평면에서 측정된 결과가 시뮬레이션 결과와 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. 마지막으로 3D 패턴 측정 방법으로 확인된 방사 효율은 46 %로 확인되었다.
결과적으로 두 평면에서 측정된 결과가 시뮬레이션 결과와 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. 마지막으로 3D 패턴 측정 방법으로 확인된 방사 효율은 46 %로 확인되었다.
따라서 4개의 버섯 구조와 삽입된 inter-digital 갭을 조절하여 수직하는 두 개의 −1 모드가 발생하도록 구조를 제안하였고, 그 모드들 간에 90°의 위상차를 갖도록 하였다. 측정 결과 제작된 안테나는 2.845 GHz에서 1.0 dB의 축비를 가지고 있고, 2.842 GHz부터 2.847 GHz까지 원형 편파로 동작하는 것을 확인하였다. 마지막으로 측정된 방사 효율은 46 %이며, 시뮬레이션 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다.
847 GHz까지 원형 편파로 동작하는 것을 확인하였다. 마지막으로 측정된 방사 효율은 46 %이며, 시뮬레이션 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
-1 모드에 원형 편파의 동작 원리를 적용할 수 있는 이유는 무엇인가?
본 논문에서는 composit right-left handed(CRLH) 전송 선로에서 발생하는 -1 모드를 이용하여 단일 급전을 갖는 소형 원형 편파 메타 물질 안테나를 제안한다. -1 모드는 일반적인 패치 안테나의 기본 모드인 +1 모드와 같은 성질을 가지고 있기 때문에, 원형 편파의 동작 원리를 동일하게 적용할 수 있다. 따라서 서로 수직하는 편파와 $90^{\circ}$의 위상차를 갖는 두 개의 -1 모드들을 이용하여 원형 편파 특성을 갖는 메타 물질 안테나의 설계가 가능하다.
원형 편파 패치 안테나의 장점은 무엇인가?
원형 편파 패치 안테나는 그 특성상 송수신 간에 통신조건을 자유롭게 하는 장점을 가지고 있기 때문에 GPS, 위성통신, 휴대용 기기 등의 다양한 무선통신 시스템에 널리 사용되고 있다[1],[2]. 일반적으로 원형 편파 패치 안테나는 반파장 모드인 +1 모드로 동작하며, 다양한 방법들을 적용하여 원형 편파 특성을 구현할 수 있다.
단일 급전이 요구될 경우에 원형 편파 특성을 구현할 수 있는 대표적인 방법들은 어떤 것이 있는가?
일반적으로 원형 편파 패치 안테나는 반파장 모드인 +1 모드로 동작하며, 다양한 방법들을 적용하여 원형 편파 특성을 구현할 수 있다. 특히 단일 급전이 요구될 경우에는 nearly square 패치, 슬랏이 삽입된 square 패치, 그리고 대각선 양 끝을 에칭한 trimmed square 패치를 이용한 방법들이 대표적이다[3]. 이 안테나들은 수직하는 편파를 갖는 두 개의 +1 모드가 발생되고, 두개의 모드의 공진 주파수 사이에 90°의 위상차가 발생하게 되어 원형 편파로 동작하게 된다.
참고문헌 (7)
P. C. Sharma, K. C. Gupta, "Analysis and optimized design of single feed circularly polarized microstrip antennas", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 31, pp. 945-955, Nov. 1983.
D. M. Pozar, S. M. Duffy, "A dual-band circularly polarized aperture-coupled stacked microstrip antenna for global positioning satellite", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 45, pp. 1618-1625, Nov. 1997.
C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd Ed, New York: Wiley, 2005.
V. Eleftheriades, A. K. Iyer, and P. C. Kremer, "Planar negative refractive index media using periodically L-C loaded transmission lines", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 50, no. 12, pp. 2702- 2712, Dec. 2002.
C. Caloz, A. Sanada, and T. Itoh, "A novel composite right-/left-handed coupled-line directional coupler with arbitrary coupling level and broad bandwidth", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 52, pp. 980-992, Mar. 2004.
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