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문제 정의
- 본 논문에서는 마이크로스트립라인의 직접 급전방식을 이용한 위성 DMB용(2.63∼2.65GHz) 마이크로스트립 안테나를 설계 및 시뮬레이션하고 각각의 파라미터에 따른 변화를 연구하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 위성 DMB용 안테나에서 필요로 하는 원형편파를 얻기 위해 패치 중앙부에 대각선으로 슬롯을 가지는 마이크로 스트립 패치 안테나를 이론적인 수식과 내용을 바탕으로 시뮬레이션을 한 후, 패치의 크기 및 슬롯의 특성 등과 같은 각각의 파라미터에 따른 영향을 연구하고 최적화된 형태의 안테나를 제작하여 안테나 특성을 비교 분석하였다. 제작한 안테나는 직접급전방식을 이용하였으며 시뮬레이션은 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Struc -tural Simulator) 사용하였고, 실제 제작한 안테나의 주파수 특성은 회로망 분석기(Network Analyzer, Anritsu MS4623B)를 이용하여 특성을 평가하였다.
- 1과 같이 설계한 안테나는 마이크로스트립 패치 형태로, 중앙에 대각선 슬롯을 갖는다. 패치 가운데에 대각선으로 슬롯을 만듦으로써 전계의 방향을 바꾸어 좌원편파(LHCP)를 발생하도록 안테나를 설계하였다[5,6].
- 따라서 본 연구에서 구현하고자 하는 좌원편파를 얻기 위해 슬롯이 필요한 것을 알 수 있다. 또한 패치에 전원을 공급하기 위한 급전 방식은 마이크로스트립 급전 방법으로 패치 하단부에 연결되는 직접 급전방식을 이용하여 안테나를 설계하였다.
- 설계된 슬롯이 삽입된 마이크로 스트립 패치 안테나는 유전율 4.4인 FR-4 기판을 사용하여 안테나를 제작하였으며 제작된 안테나의 특성은 회로망 분석기(Network Analyzer, Anritsu MS 4623B)를 이용하여 Fig. 2와 같은 측정시스템으로 제작한 안테나의 주파수 특성을 측정하였다.
- 본 연구에서는 슬롯이 삽입된 마이크로 스트립 패치 방식을 이용해 좌원편파를 갖는 2.630 ~ 2.655GHz 주파수를 사용하는 위성 DMB 안테나를 시뮬레이션하고 그 특성을 비교 분석하였다. 마이크로 스트립 패치 안테나에 방사소자인 패치의 폭과 방사소자의 길이가 안테나의 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 또한 패치에 삽입된 슬롯이 중심 주파수 및 반사손실에 큰 영향을 미치기 때문에 안테나의 방사소자인 패치의 폭(W), 길이(L), 슬롯의 폭(d), 길이(c) 및 급전선의 길이(F)에 대한 안테나의 특성을 연구하였다.
- Table 2는 슬롯의 폭, 길이 및 급전선의 길이를 다음과 같이 (c=10mm, d=3mm, F=10mm)로 고정한 후 안테나의 패치의 크기(W=L) 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 23.5mm ~ 26.5mm까지 0.5mm 간격으로 값을 감소시키며 안테나의 주파수 특성을 분석하였다.
- 패치의 크기를 24.5mm로 고정하고 슬롯의 길이 c=10mm 및 폭을 d=3mm로 고정한 채 피드라인 길이(F)에 따른 시뮬레이션 특성을 분석하였다. Table 5는 피드 길이에 따른 시뮬레이션 특성과 측정 특성의 결과를 나타낸 것이다.
- 본 논문의 3장에서 슬롯이 삽입된 마이크로 스트립 패치 방식을 이용해 안테나의 방사소자인 패치의 폭(W), 길이(L), 슬롯의 폭(d), 길이(c) 및 급전선의 길이(F)에 대한 안테나의 특성을 분석한 결과를 바탕으로 최적의 특성을 갖는 2.630 ~ 2.655GHz 주파수를 사용하는 슬롯이 삽입된 마이크로스트립 패치구조의 위성 DMB용 안테나를 설계하였다. Fig.
대상 데이터
- 시뮬레이션 결과를 바탕으로 Table 5와 같은 규격을 갖는 마이크로스트립 안테나를 FR-4 기판을 사용하여 제작하였다.
데이터처리
- 본 논문에서는 위성 DMB용 안테나에서 필요로 하는 원형편파를 얻기 위해 패치 중앙부에 대각선으로 슬롯을 가지는 마이크로 스트립 패치 안테나를 이론적인 수식과 내용을 바탕으로 시뮬레이션을 한 후, 패치의 크기 및 슬롯의 특성 등과 같은 각각의 파라미터에 따른 영향을 연구하고 최적화된 형태의 안테나를 제작하여 안테나 특성을 비교 분석하였다. 제작한 안테나는 직접급전방식을 이용하였으며 시뮬레이션은 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Struc -tural Simulator) 사용하였고, 실제 제작한 안테나의 주파수 특성은 회로망 분석기(Network Analyzer, Anritsu MS4623B)를 이용하여 특성을 평가하였다.
성능/효과
- 이는 주파수대역이 높아질수록 파장이 짧아지므로 공진점이 올라가는 현상으로 생각된다. 또한 반사손실 특성은 패치가 가장 클 때 -28.67 dB의 값을 가졌으며 패치 크기가 감소 하면서 반사손실이 점점 감소하다가 패치의 크기가 25.5mm에서 -35.05dB로 제일 우수한 특성을 보이다가 삽입손실이 증가하는 결과를 보여주고 있다. -10dB 대역폭과 VSWR 특성은 패치의 크기 변화에 특별한 영향을 나타내지 않았다.
- -10dB 대역폭과 VSWR 특성은 패치의 크기 변화에 특별한 영향을 나타내지 않았다. 패치의 크기에 따른 특성을 살펴보면 패치의 크기가 24.5mm 일 때 반사손실을 제외한 중심주파수, 대역폭 및 VSWR 특성에서 가장 우수한 특성을 보였다.
- Table 3은 슬롯 길이(c) 대한 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 슬롯의 길이가 8.5에서 11.5mm로 길어질수록 중심주파수가 2.70GHz에서 2.57GHz로 감소하는 특성을 보여 주었다. 그러나 슬롯의 길이가 감소할수록 대역폭은 점차 증가하고 반사손실 특성은 10.
- 57GHz로 감소하는 특성을 보여 주었다. 그러나 슬롯의 길이가 감소할수록 대역폭은 점차 증가하고 반사손실 특성은 10.5mm에서 -25.66dB로 가장 우수한 특성을 보였으며 슬롯의 길이가 증가할수록 반사 손실이 -10.26dB로 감소하는 결과를 얻었다. Table 4는 슬롯의 폭(d)를 1.
- 61GHz로 감소하였지만 반사손실 특성은 점차 우수해지는 경향성을 보여주었다. 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이 슬롯의 폭이 3.5mm 일 때 중심주파수 2.64GHz, 반사손실 -34.53dB, 150MHz의 대역폭과 1.07의 VSWR값을 가져 가장 우수한 주파수 특성을 갖는 것을 확인 할 수 있었다.
- Table 5는 피드 길이에 따른 시뮬레이션 특성과 측정 특성의 결과를 나타낸 것이다. 피드라인은 시뮬레이션 결과, 길이가 16mm일 때 -29.38dB로 가장 좋은 반사손실의 특성을 보여주고 있지만, 피드라인의 길이는 중심주파수, 대역폭 및 VSWR 특성에는 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인 할 수 있다.
- 4에 보여주고 있다. 시뮬레이션 결과에서 중심주파수 2.64GHz, 최소반사손실 -27.25dB, -10dB 대역폭 140MHz, VSWR은 1.03로 대역폭을 제외하고 설계목표 값에 대부분 만족한 결과를 보여주고 있음을 알 수 있다.
- 5에 나타내었다. 측정 결과, 중심주파수는 2.64GHz으로 목표 설계 값에 근접한 값을 얻었다. 중심주파수에서의 반사손실은 -34.
- 67dB이고 제작한 안테나의 대역폭은 180 MHz로 설계목표인 150MHz보다 광대역의 값을 보여주고 있다. 또한 VSWR은 1.17로 원하는 목표 값 이상을 얻었으며, 임피던스 매칭은 50Ω에 근접한 49.3Ω을 얻을 수 있었다. 이와 같은 결과는 3장의 시뮬레이션 결과와도 잘 일치하고 있다.
- 67dB이고 제작한 안테나의 대역폭은 180 MHz로 설계목표인 150MHz보다 광대역의 값을 보여주고 있다. 또한 VSWR은 1.17로 원하는 목표 값 이상을 얻었으며, 임피던스 매칭은 50Ω에 근접한 49.3Ω을 얻을 수 있었다. 이와 같은 결과는 3장의 시뮬레이션 결과와도 잘 일치하고 있다.
- 65GHz) 마이크로스트립 안테나를 설계 및 시뮬레이션하고 각각의 파라미터에 따른 변화를 연구하였다. 좌원편파를 얻기 위해 사각 패치 내부 가운데에 대각선으로 슬롯을 삽입하였고, 시뮬레이션으로 특성을 비교한 결과, 패치의 크기는 주파수 위상 이동에 영향을 주었다. 패치의 크기가 거의 동일할 때 최소반사손실의 특성이 가장 좋으며, 피드라인의 길이는 반사손실에 미세한 영향을 주는 것을 확인 할 수 있었다.
- 좌원편파를 얻기 위해 사각 패치 내부 가운데에 대각선으로 슬롯을 삽입하였고, 시뮬레이션으로 특성을 비교한 결과, 패치의 크기는 주파수 위상 이동에 영향을 주었다. 패치의 크기가 거의 동일할 때 최소반사손실의 특성이 가장 좋으며, 피드라인의 길이는 반사손실에 미세한 영향을 주는 것을 확인 할 수 있었다.
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