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문제 정의
- 이 반사파는 그라운드면 위의 전류 흐름에 영향을 주어 송신 대역의 축비 저하가 일어난 것으로 사료된다. 그래서 송신 대역의 축비를 개선하기 위하여 금속 캡이 있을 때와 없을 때 그라운드면 위의 스파이럴의 표면 전류 밀도를 비교하여 그라운드면 위의 스파이럴에 강한 전류가 흘러 편파에 영향을 주는 부분을 제거하여 해결책을 찾고자 하였다. 그림 9(c)는 그라운드면 위의 스파이럴에 강한 전류가 흘러 LHCP에 영향을 주는 그라운드면 위의 도체를 제거한 상태에서의 표면 전류 밀도이다.
- 본 논문에서는 이종 접합 반도체와 순수 반도체를 동시에 탐지할 수 있는 휴대형 원형 편파 스파이럴 안테나를 설계하였다. 비선형 소자 탐지기의 수신 주파수는 송신 주파수의 체배 주파수에서 나타나는 특성에 맞추어 주기적 공진 특성을 가지는 마이크로스트립 패치 안테나를 설계에 고려하였다.
- 본 논문에서는 초소형 비선형 은닉 소자인 반도체와 이종 접합된 반도체를 탐지하기 위해 고 이득 RHCP 스파이럴 안테나를 제안하였다. 고 이득, 고지향성을 가지는 안테나를 설계하기 위해 안테나에 금속 캡을 추가하였으며, 금속 캡으로부터 반사되는 편파를 그라운드면에서도 방사면의 편파와 동일하도록 설계하여 이득은 획기적으로 증가되었지만, 반면에 축비가 매우 나빠졌다.
제안 방법
- 그림 2로부터 알 수 있는 것처럼 그라운드면에 Archimedean 스파이럴 슬릿이 없으면 관심 대역에서 공진이 발생하지 않아 반사 손실의 특성이 나빠지고, 방사면이 스파이럴 구조를 가진다고 하더라도, 그라운드의 영향으로 원형 편파의 특성을 얻을 수가 없다. 따라서 양호한 반사 손실과 원형 편파의 특성을 구현하기 위해서는 그라운드면에 Archimedean 스파이럴 슬릿을 도입하여 전류와 위상이 방사면과 동일한 방향으로 흐르도록 설계를 하였다. 그라운드면에 Archimedean 스파이럴 슬릿을 도입함으로써 그림 2(b)와 같이 관심 대역에서 축비 값이 5 dB 이하로 계산되어졌다[4],[5].
- 그리고 cavity wall의 안쪽 면에는 금속 도금이 되어 있다. 또한, cavity wall과 metal cap을 합친 것을 금속 캡으로 기술하기로 하겠다. 금속 캡을 추가함으로써 후방으로 방사되는 전파를 방사면 방향으로 모아주므로 고 이득과 지향성을 필요로 하는 안테나에는 아주 유용한 구조로 사료된다[6],[7].
- 위에서 언급한 송수신 주파수들과 그 대역들은 NLJD시스템에서 요구되어지는 규격이다. 또한, 수신 주파수 대역은 편의상 제 2차 고조파 대역(4.84～4.92 GHz)과 제 3차 고조파 대역(7.28～7.36GHz)으로 구분하여 기술하기로 하겠다. 설계 안테나의 유전체 기판은 비유전율 2.
- 본 연구에서는 관심 대역에서의 우수한 반사 손실의 특성이 필요하므로 스파이럴 턴 수에 대한 파라미터 시뮬레이션을 통하여 그림 5로부터 1.25-turn으로 정하였다.
- 본 논문에서는 이종 접합 반도체와 순수 반도체를 동시에 탐지할 수 있는 휴대형 원형 편파 스파이럴 안테나를 설계하였다. 비선형 소자 탐지기의 수신 주파수는 송신 주파수의 체배 주파수에서 나타나는 특성에 맞추어 주기적 공진 특성을 가지는 마이크로스트립 패치 안테나를 설계에 고려하였다. 일반적으로 반도체는 실리콘이나 GsAs 기판을 사용하고, 이종 접합 반도체는 반도체와 주변에 금속으로 접합된 물질이다.
- 설계한 안테나의 신뢰성과 타당성을 확인하기 위해 안테나를 실제로 제작하여 측정하였다. 제작된 안테나의 반사 손실 및 대역폭 측정은 Anritsu사의 Vector Network Analyzer (VNA) 37369D를 사용하였다.
- 안테나의 지향성 이득 및 방사 패턴 측정은 20m×7 m×7 m 크기의 전파 암실에서 행하였다.
- 고 이득, 고지향성을 가지는 안테나를 설계하기 위해 안테나에 금속 캡을 추가하였으며, 금속 캡으로부터 반사되는 편파를 그라운드면에서도 방사면의 편파와 동일하도록 설계하여 이득은 획기적으로 증가되었지만, 반면에 축비가 매우 나빠졌다. 이 문제를 해결하기 위하여 금속 캡의 높이를 25 mm로 고정한 채로 축비를 개선하기 위해, 표면 전류 밀도를 근거로 축비와 편파에 영향을 주는 그라운드면 위의 스파이럴을 부분적으로 제거함으로써 관심 대역에서 3 dB 이하의 양호한 축비를 얻었다. 송신 대역인 2.
- 25 turn의 이득이 가장 양호한 것을 알 수 있다. 이는 위에서 설명한 것과 같이, 방사면 위의 스파이럴 턴 수를 조절하여 편파의 축비와 이득이 최대가 되도록 설계하였다. 그 결과, 1.
- 일반적으로 방사면 위의 스파이럴 길이가 공진주파수에 영향을 주므로 이 길이의 조정으로 반사 손실 특성을 설계하였다. 하지만 그라운드면 위의 스파이럴에 강한 전류가 흐르도록 설계하면 방사면 위의 스파이럴에 흐르는 전류의 세기는 강하게 나타나지만, 편파 특성이 그라운드면 위의 스파이럴과 상반되는 특성을 가진다.
- 참고문헌 [3]의 NLJD용 안테나는 표 1과 같이 송신주파수를 900 MHz 대역으로 하고 있으나, 본 논문에서는 국내의 ISM 대역인 2.4 GHz 대역으로 사용함으로써 고주파수 대역의 정밀 설계를 행하였다. 참고문헌 [3]의 송신 주파수 대역의 파장에 비례하여 안테나의 크기도 작아졌지만, 그라운드면 위의 Archimedean 스파이럴 슬릿을 도입함으로써, 참고문헌 [3]의 그라운드면 위의 대칭 슬릿 구조 대신 편파면을 고려한 비대칭적 구조의 스파이럴 슬릿을 설계함으로써 높은 이득과 안정된 축비를 얻었으며, 참고문헌 [3]과 비교하여 소형이면서도 매우 향상된 이득과 축비를 구현할 수 있었다.
- 매칭 소자가 안테나의 중심부에 추가됨으로써 반사 손실 특성 레벨이 개선된 것을 볼 수 있다. 하지만 관심 대역에서 VSWR 2:1 기준을 여전히 만족하지 못하고 있다 또한 다중 공진으로 인한 반사 손실의 열화가 발생하는데, 이를 개선하기 위해 방사면 위의 스파이럴 선로의 턴 수를 조절하였다.
- 그리고 일반적인 스파이럴 안테나는 중앙에서 급전이 이루어져 가장자리로 전류가 흐르도록 임피던스 제어 설계를 한다. 하지만 제안된 안테나는 금속 캡과 캐비티 벽 효과를 극대화하기 위해 가장자리에서 급전이 이루어지며, 안테나의 중심으로 전류가 흐르도록 임피던스 제어 설계를 하여 그림 4처럼 방사면에서 전류가 전반사되는 것을 매칭 소자를 통하여 반사 손실 특성을 개선하였다.
대상 데이터
- 그림 7(c)의 금속 캡 구조를 안테나에 추가한 이유는 탐지하고자 하는 비선형 반도체 소자가 소형이므로 고이득과 예리한 지향성을 필요하기 때문이다. 금속 캡을 지지하는 cavity wall은 FR4-epoxy 기판을 사용하였으며, 두께는 0.2 mm이다. 비유전율은 4.
- 금속 캡의 높이 H는 2.44 GHz의 λg/4인 약 30 mm, 4.88 GHz의 λg/4인 약 15 mm와 7.32GHz의 λg /4인 10 mm에서 시뮬레이션 하였다.
- 안테나의 지향성 이득 및 방사 패턴 측정은 20m×7 m×7 m 크기의 전파 암실에서 행하였다. 안테나는 Teflon 기판을 사용하여 패턴을 제작하였다. 그림 13은 제작된 안테나의 사진을 나타낸다.
이론/모형
- 6 mm이다. 안테나의 시뮬레이션은 상용 툴인 HFSS를 사용하였다.
- 설계한 안테나의 신뢰성과 타당성을 확인하기 위해 안테나를 실제로 제작하여 측정하였다. 제작된 안테나의 반사 손실 및 대역폭 측정은 Anritsu사의 Vector Network Analyzer (VNA) 37369D를 사용하였다. 안테나의 지향성 이득 및 방사 패턴 측정은 20m×7 m×7 m 크기의 전파 암실에서 행하였다.
성능/효과
- 그림 9(c)는 그라운드면 위의 스파이럴에 강한 전류가 흘러 LHCP에 영향을 주는 그라운드면 위의 도체를 제거한 상태에서의 표면 전류 밀도이다. RHCP 방사에 영향을 주던 그라운드면 위의 도체를 제거함으로써 이득의 증가와 축비 개선의 모의 실험된 결과를 얻을 수 있었다.
- 위 측정된 값은 식 (1)에 의해 구해진 ER, EL 값을 로그 스케일로 변환하여 얻었다. 각각의 관심 주파수에서 15 dB 이상의 XPD 값을 얻었으며, 우수 원형 편파(RHCP)가 양호하게 얻어지는 것을 볼 수 있다. 송신 대역인 2.
- 그림 16에 나타낸 측정한 값들은 위의 식 (1)에 의해 구하고, 이를 20 logAXR [dB]에 의해서 계산되어진 값을 표시한 것이다. 관심 대역의 측정된 축비 값은 모두 3 dB 이하의 값을 가졌으며, 시뮬레이션 결과 값과 비교하였을 때 잘 일치하였다.
- 이는 위에서 설명한 것과 같이, 방사면 위의 스파이럴 턴 수를 조절하여 편파의 축비와 이득이 최대가 되도록 설계하였다. 그 결과, 1.25-turn의 경우, 방사면의 최대 지향 이득이 송신 대역에서는 4.68dBi, 수신 대역인 제 2고조파와 제 3고조파에서는 각각 6.83 dBi, 7.17 dBi가 모의 실험에 의해 얻어졌다.
- 따라서 방사면의 전류에 방해되는 그라운드면 위의 도체에 흐르는 전류를 없애기 위해 모의 실험으로부터 전류 분포를 확인하여 슬릿을 부분적으로 제거함으로써 축비와 이득의 향상을 얻게 되었다. 그림 11(b)로부터 알 수 있는 것처럼, 송신 대역의 축비 값이 3 dB 이하로 향상되었으며 수신 대역인 4.
- 342 dB로 NLJD 시스템에서 요구되어지는 이득과 축비를 잘 만족하였다. 또한, 요구되는 모든 공진 대역에서 양호한 반사 손실이 얻어졌으며, 모의 실험 값과 측정값이 잘 일치하였다.
- 5-turn일 경우, 축비 특성은 제 2고조파에서는 3 dB 이하로 양호하나, 송신 대역과 제 3고조파의 축비 값이 5 dB 이상의 값이 얻어졌다. 모의실험에 의해 구해진 이득의 경우를 살펴보면, 0.5-turn과 4-turn에서 계산된 관심 대역에서의 이득을 1.25-turn의 경우와 비교해 보면, 1.25 turn의 이득이 가장 양호한 것을 알 수 있다. 이는 위에서 설명한 것과 같이, 방사면 위의 스파이럴 턴 수를 조절하여 편파의 축비와 이득이 최대가 되도록 설계하였다.
- 이 문제를 해결하기 위하여 금속 캡의 높이를 25 mm로 고정한 채로 축비를 개선하기 위해, 표면 전류 밀도를 근거로 축비와 편파에 영향을 주는 그라운드면 위의 스파이럴을 부분적으로 제거함으로써 관심 대역에서 3 dB 이하의 양호한 축비를 얻었다. 송신 대역인 2.44 GHz 대역에서 측정된 이득은 6.84 dBi이고, 축비는 1.518 dB였으며, 수신 대역인 4.88 GHz 대역과 7.32 GHz 대역에서의 측정된 이득은 각각 8.96 dBi, 10.85 dBi이고, 축비는 각각 1.483 dB, 2.342 dB로 NLJD 시스템에서 요구되어지는 이득과 축비를 잘 만족하였다. 또한, 요구되는 모든 공진 대역에서 양호한 반사 손실이 얻어졌으며, 모의 실험 값과 측정값이 잘 일치하였다.
- 각각의 관심 주파수에서 15 dB 이상의 XPD 값을 얻었으며, 우수 원형 편파(RHCP)가 양호하게 얻어지는 것을 볼 수 있다. 송신 대역인 2.44 GHz에서 XPD 값은 약 21.2 dB(축비: 1.518 dB), 제 2고조파인 4.88 GHz에서의 XPD 값은 약 21.4 dB(축비: 1.483 dB), 제 3고조파인 7.32 GHz에서의 XPD 값은 약 17.5 dB(축비:2.342 dB)로 측정되었다.
- 그림 14는 시뮬레이션에 의해 모의 실험된 반사 손실과 VNA에 의해 측정된 반사 손실을 비교하였다. 제작된 안테나의 반사 손실은 모의 실험에 의해 계산된 값과 매우 잘 일치하는 결과를 보였으며, NLJD 시스템에서 요구되어지는 대역폭도 잘 만족하는 것을 볼 수 있었다.
- 25-turn 일 경우 XPD 값이 15 dB 이상 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 즉, 방사면의 스파이럴 턴 수가 1.25 turn일 때, LHCP 성분이 줄어들어 최대의 RHCP 방사가 되어 양호한 축비가 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.
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