[논문]초광대역 모노폴 유전체 공진기 복합체 안테나 설계

김종성

doi:10.5573/ieek.2013.50.12.022

초광대역 모노폴 유전체 공진기 복합체 안테나 설계
Design of Ultra Wideband Monopole/Dielectric Resonator Antenna 원문보기

Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea = 전자공학회논문지, v.50 no.12, 2013년, pp.22 - 29

김종성 (경성대학교 정보통신공학과)

초록
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광대역 주파수 범위에 대해서 무지향성 방사 패턴을 나타내는 실린더형 유전체 공진기와 1/4 파장 길이의 모노폴의 결합구조를 제안한다. 모노폴은 저주파 대역에서 동작하고 DR 은 고주파 대역에서 동작하며 모노폴이 DR 에 전계 결합에 의하여 급전기로서 작동한다. 실린더형 DR에서 광대역 동작을 위해서 아래쪽에 직사각 구조로 식각이 이루어진다. 안테나의 크기는 DR 의 내경, 외경 및 높이가 5.8 mm, 11.6 mm 및 6.0 mm 의 크기이며 10 dB 대역폭은 4.7-18.2 GHz 범위의 대역폭을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The combined structure of both an annular dielectric resonator and a quarter-wave monopole is proposed to generate an omnidirectional radiation pattern over the wideband frequency range. The monopole works at the lower frequency band and excites the cylindrical dielectric resonator along its center point by electrical coupling mechanism. The rectangular shape of the DR is cut to generate the wideband operation of 4.7-18.2 GHz. The geometrical parameter of cylindrical dielectric resonator is 5.8 mm, 11.6 mm and 6.0 mm in inner diameter, outer diameter and height, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 이들 변형된 DR/모노폴 구조는 제작상의 어려움과 기구적인 안정성이 떨어진다. 본 논문에서는 다중대역 및 광대역 특성을 만족하기 위하여 기존의 실린더형 DRA 의 구조에서 일부를 사각 형태로 식각하여 여러 가지 방법의 공진이 가능하도록 하였다.

제안 방법

앞장에서 서술한 모노폴/DRA 구조의 안테나를 그림 8에 나타내었다. 3cm x 3cm의 접지면위에 13 mm 길이의 모노폴과 식각된 실린더 구조의 DR을 하나의 복합체 형태로 제작하였다. 급전은 모노폴에 프로우브 급전을 이용하였다.
DR 의 설계를 위해서는 먼저 실린더형 구조에서 외경을 고정한 상태에서 내경과 높이를 파라미터 변화를 통하여 공진 특성을 분석한다. 여기에서 DR 의 유전율은 10.
그림 1의 구조에서 DR 의 내경과 외경을 11.6 mm/5.8 mm, 그리고 높이를 6 mm 인 조건에서 모노폴의 길이를 5-15 mm 의 범위에서 2 mm 씩 증가시 반사계수를 관측하였다. 그림 3에 나타난 바와 같이 짧은 길이인 5-9 mm 에서는 15 GHz 의 이상인 상측에서 DR 공진만 발생하고 모노폴의 공진은 발생하지 않는다.
파라미터 분석은 3개의 파라미터인데 DR 의 높이, DR 의 내경 그리고 DR 의 식각 효과 3가지이다. 또한 모노폴에 대해서는 길이와 두께에 대해서 파라미터 분석을 한다. 다중 대역 안테나의 설계에서 모노폴의 길이는 저주파 대역인 5 GHz 의 주파수에 고정시킨다.
이는 모노폴의 길이, DRA 의 크기와 유전율 그리고 접지면의 크기이다. 모노폴의 길이와 두께는 고정한 상태에서 DR 의 크기에서 높이의 변화에 따른 공진 주파수의 변화를 분석한다.
실린더 구조의 DR 과 접지면의 접면 부분에 사각형으로 식각을 하여 안테나의 광대역화를 설계 방법으로 이용하였다. 설계 과정은 식각이 없는 상태에서 DR/모노폴에 대해서 모드해석을 수행하고 이를 바탕으로 DR 의 높이, 내경, 외경, 모노폴의 길이, 두께, 내경과 두께의 간격에 따른 반사계수의 변화를 분석하였다. 이후에 DR 에 식각을 하여 DR/모노폴의 복합체에서 모노폴의 노출부를 가변하여 급전효과를 제어하였다.
실린더 구조의 DR 과 접지면의 접면 부분에 사각형으로 식각을 하여 안테나의 광대역화를 설계 방법으로 이용하였다. 설계 과정은 식각이 없는 상태에서 DR/모노폴에 대해서 모드해석을 수행하고 이를 바탕으로 DR 의 높이, 내경, 외경, 모노폴의 길이, 두께, 내경과 두께의 간격에 따른 반사계수의 변화를 분석하였다.
이 논문은 모노폴과 DRA 의 하이브리드 안테나를 도입하였다. 이 구조에서 모노폴은 저대역에서 동작하고 DR 은 고주파 영역에서 다중공진이 일어난다.
또한 모노폴의 입장에서는 DR 과의 간격이 좁으면 DR이 부하 효과로 작용하여 정합 특성이 떨어진다. 이를 보상하기 위한 하나의 방법으로 그림 1과 같이 DR/모노폴의 복합체에서 DR 의 하측부를 사각 형태로 식각하여 하측 부의 모노폴이 개방되도록 하였다. 따라서 식각부가 커지면 개방 효과에 의하여 모노폴의 정합이 개선되고 반면에 고주파 영역에서의 DR 공진부의 정합이 떨어진다.
설계 과정은 식각이 없는 상태에서 DR/모노폴에 대해서 모드해석을 수행하고 이를 바탕으로 DR 의 높이, 내경, 외경, 모노폴의 길이, 두께, 내경과 두께의 간격에 따른 반사계수의 변화를 분석하였다. 이후에 DR 에 식각을 하여 DR/모노폴의 복합체에서 모노폴의 노출부를 가변하여 급전효과를 제어하였다.

대상 데이터

DR 의 공진 주파수가 높이에 증가할수록 8 GHz 의 공진 주파수는 증가하고 12 GHz 에서는 공진 주파수가 감소하기 때문에 전체적인 대역폭이 넓어지는 경향을 나타낸다. 2개의 공진대역의정합 특성을 최적화한 특성으로 DR 의 높이를 6 mm 를 선택하였다. 여기에서 모노폴은 5.
모노폴의 길이는 저대역 주파수를 5 GHz 의 설정값으로 부터 13 mm 이고 반지름은 0.9 mm 인 조건을 선택하였다. DR 의 높이를 조정하므로 모노폴의 공진 주파수 5.

이론/모형

모노폴/DR 복합체의 모드해석은 참고문헌 [5]에서의 슬롯 결합형 링 구조의 DR에서 행한 방법을 따른다. DR에 대해서는 HEM_1nδ (n=1,3,5) 하이브리드 모드를 먼저 설계하며 그 공진 주파수는 전체 대역중 상 측을 위치하도록 한다.

성능/효과

DR/모노폴의 복합체에서 DR과 모노폴의 간격이 DR 에 밀접한 영향을 갖는다는 것이 확인되었다. 또한 모노폴의 입장에서는 DR 과의 간격이 좁으면 DR이 부하 효과로 작용하여 정합 특성이 떨어진다.
8 GHz 로 감소한다. 또한 모노폴의 길이가 길어질 수록 DR 의 공진에서 급전 효율이 개선되어 다중공진 모드의 급전이 효과적으로 일어나는 것을 확인할 수 있다. 11 mm 의 길이에서 가장 최적의 저대역 특성과 대역폭이 발생함을 알 수 있다.
프로토 타입 안테나의 시뮬레이션 및 측정 결과는 100% 이상의 광대역 및 무지향성 방사특성을 나타내었다. 식각 효과에 의하여 모노폴/DR 의 급전 효과에 의한 정합 특성의 제어가 가능함을 확인하였다.
DR 의 높이, 내외경, 모노폴의 길이 및 두께에 따라서 파라미터 분석을 모노폴과 동축 DRA 의 크기를 잘 성택하여 초광대역 안테나로서 동작이 가능하다. 프로토 타입 안테나의 시뮬레이션 및 측정 결과는 100% 이상의 광대역 및 무지향성 방사특성을 나타내었다. 식각 효과에 의하여 모노폴/DR 의 급전 효과에 의한 정합 특성의 제어가 가능함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	식각부가 커지면 개방 효과에 의하여 모노폴의 정합이 개선되고 반면에 고주파 영역에서의 DR 공진부의 정합이 떨어지는 이유는?	또한 모노폴의 입장에서는 DR 과의 간격이 좁으면 DR이 부하 효과로 작용하여 정합 특성이 떨어진다. 이를 보상하기 위한 하나의 방법으로 그림 1과 같이 DR/모노폴의 복합체에서 DR 의 하측부를 사각 형태로 식각하여 하측 부의 모노폴이 개방되도록 하였다. 따라서 식각부가 커지면 개방 효과에 의하여 모노폴의 정합이 개선되고 반면에 고주파 영역에서의 DR 공진부의 정합이 떨어진다.
	모노폴은 어떤 주파수 대역에서 작동하는가?	광대역 주파수 범위에 대해서 무지향성 방사 패턴을 나타내는 실린더형 유전체 공진기와 1/4 파장 길이의 모노폴의 결합구조를 제안한다. 모노폴은 저주파 대역에서 동작하고 DR 은 고주파 대역에서 동작하며 모노폴이 DR 에 전계 결합에 의하여 급전기로서 작동한다. 실린더형 DR에서 광대역 동작을 위해서 아래쪽에 직사각 구조로 식각이 이루어진다.
	DR은 어떤 주파수 대역에서 작동하는가?	광대역 주파수 범위에 대해서 무지향성 방사 패턴을 나타내는 실린더형 유전체 공진기와 1/4 파장 길이의 모노폴의 결합구조를 제안한다. 모노폴은 저주파 대역에서 동작하고 DR 은 고주파 대역에서 동작하며 모노폴이 DR 에 전계 결합에 의하여 급전기로서 작동한다. 실린더형 DR에서 광대역 동작을 위해서 아래쪽에 직사각 구조로 식각이 이루어진다.

참고문헌 (5)

M. Lapierre, Y. M. M. Antar, A. Ittipiboon, and A. Petosa, "Ultra wideband monopole/dielectric resonator antenna," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 15, no. 1, pp. 7-9, Jan. 2005.

상세보기
Ghosh, S. "Hybrid T-shaped monopole / dielectric resonator antenna as EMI sensor", International Conference on Industrial and Information Systems (ICIIS), pp. 94-97, 2009.
M. N. Jazi, and, T. A. Denidni, "Design and Implementation of an Ultrawideband Hybrid Skirt Monopole Dielectric Resonator Antenna," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 7, pp. 493-496, 2008.

상세보기
C. Ozzaim, F. Ustuner, and Nevat Tarim, "Stacked Conical Ring Dielectric Resonator Antenna Excited by a Monopole for Improved Ultrawide Bandwidth," IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 61, no. 3, pp. 1435-1438, March. 2013.

상세보기
A. Perron, T. A. Denidni, and A. Sebak, "High-Gain Hybrid Dielectric Resonator Antenna for Millimeter-Wave Applications: Design and Implementation," IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 57, no. 10, pp. 2882-2892, Oct. 2009.

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