[논문]지상파 디지털 방송 수신용 소형 반 보우 타이 형 준-야기 안테나

이종익; 여준호; 박진택

doi:10.5762/kais.2013.14.4.1908

지상파 디지털 방송 수신용 소형 반 보우 타이 형 준-야기 안테나
Compact Half Bow-tie-type Quasi-Yagi Antenna for Terrestrial DTV Reception 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.4, 2013년, pp.1908 - 1914

이종익 (동서대학교 전자공학과) , 여준호 (대구대학교 정보통신공학부) , 박진택 (창신대학교 모바일통신공학과)

초록
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본 논문에서는 지상파 디지털 방송 수신용 광대역 평면 야기 안테나의 설계방법에 대해 연구하였다. 다이폴을 급전하는 코플래너 스트립은 스트립에 내장된 마이크로스트립과 연결되고 종단은 단락되어 있다. 급전되는 다이폴에 근접한 영역에 폭이 넓은 직사각형 스트립 도파기를 부가하여 광대역 임피던스 정합과 고주파 대역의 이득특성을 구현하였고, 접지면 반사기를 추가하여 저주파 대역의 이득 특성을 개선하였다. 안테나를 소형화하기 위해 다이폴과 반사기의 모양을 반 보우-타이(V) 형으로 변형하였으며, 여러 가지 파라미터들이 안테나 특성에 미치는 영향을 관찰하였다. 제안된 구조의 안테나를 지상파 DTV 주파수 대역인 470-806 MHz 대역에서 동작하도록 설계하였다. 최적화된 안테나를 FR4 기판 상에 제작하고 특성을 실험한 결과 VSWR < 2 인 대역 450-848 MHz, 이득 > 4.1 dBi, 전후방비 > 10.4 dB 등의 우수한 성능을 갖는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we introduce a design method for a broadband planar quasi-Yagi antenna (QYA) for terrestrial digital television (DTV) reception. The coplanar strip line which feeds the driver dipole is connected to a microstrip line and is terminated by short circuit. By appending a wide strip-type rectangular director at a location close to the driver dipole, broadband impedance matching and gain enhancement in a high frequency region are obtained. The gain characteristics in a low frequency region are improved by adding a reflector formed by a truncated ground plane. To reduce the antenna size, the strip-type dipole and reflector are modified to half bow-tie (V)-shaped elements. The effects of various parameters on the antenna characteristics are examined. An antenna, as a design example for the proposed antenna, is designed for the operation in the frequency band of 470-806 MHz for terrestrial DTV. The optimized antenna is fabricated on an FR4 substrate and the experimental results show that the antenna has a good performance such as a frequency band of 450-848 MHz for a VSWR 4.1 dBi, and front-to-back ratio > 10.4 dB.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

DTV용 대역(470—806 MHz)내에서 VSWR < 2인 광대역 특성(대역폭이 약 53% 이상 혹은 임피던스 대역폭비가 1.72 : 1 이상)을 만족하고, 대역내 이득이 최소 3.5 dBi 이상인 지향성 QYA를 설계하는 방법에 대해 연구하였다.
본 논문에서는 포트 임피던스가 75옴인 지상파 DTV 수신용 광대역 3 소자 QYA를 제안하고 그 설계 방법에 대해 소개하였다. 제안된 안테나는 단락 종단된 코플래너 스트립에 내장되고 단락 종단된 75옴 마이크로스트립 선로로 급전되며, 밸런을 위한 별도의 공간이 필요 없는 구조이다.
본 연구에서는 지상파 DTV 수신용 안테나를 3소자 QYA로 설계하고 소형화하는 방법에 대해 연구하였다. DTV용 대역(470—806 MHz)내에서 VSWR < 2인 광대역 특성(대역폭이 약 53% 이상 혹은 임피던스 대역폭비가 1.

가설 설정

Fig. 2(a) 구조의 평면 다이폴은 단락 종단된 코플래너스트립 선로에 연결되어 있고, 코플래너 스트립은 75옴 특성 임피던스의 마이크로스트립 선로에 의해 급전된다. 급전선로와 다이폴 간의 임피던스 정합은 단락 종단된 마이크로스트립 선로의 급전위치 d_f를 조절하여 얻을 수 있다.

제안 방법

평면 다이폴은 코플래너 스트립(coplanar strip)에 의해 급전되며, 전체 QYA는 코플래너 스트립에 내장되고 종단이 단락된 마이크로스트립으로 급전되어 밸런(Balun)을 위한 별도의 공간이 필요치 않다[7]. 광대역 특성을 얻기 위해 각 소자의 폭, 길이, 소자 사이 간격 등을 조절하고 다이폴과 반사기를 반 보우-타이(half bow-tie) 형태로 변형하여 소형화하는 방법을 택하였다. 국내외를 막론하고 기존 DTV 수신용 안테나에 대한 거의 대부분의 연구가 포트 임피던스를 50옴으로 설정하였는데 반해 본 연구에서는 실제 DTV의 포트 임피던스인 75옴을 기준 임피던스로 설정하고 시뮬레이션과 실험을 수행하였다.
광대역 특성을 얻기 위해 각 소자의 폭, 길이, 소자 사이 간격 등을 조절하고 다이폴과 반사기를 반 보우-타이(half bow-tie) 형태로 변형하여 소형화하는 방법을 택하였다. 국내외를 막론하고 기존 DTV 수신용 안테나에 대한 거의 대부분의 연구가 포트 임피던스를 50옴으로 설정하였는데 반해 본 연구에서는 실제 DTV의 포트 임피던스인 75옴을 기준 임피던스로 설정하고 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 제안된 구조의 안테나를 설계하는 절차를 제시하고 각 파라미터들이 안테나의 특성에 미치는 영향 등을 시뮬레이션 결과들을 통해 설명하였다.
한 가지 주의할 것은 75옴에 정합되도록 설계된 제안된 안테나의 복사특성을 측정하는 방법이다. 본 연구에서는 50옴용으로 설계된 안테나를 측정하기 위한 일반적인 초고주파 대역 시스템을 활용하되, 75옴 안테나와 50옴 시스템 사이에 임피던스 변환기(50옴-75옴)를 삽입하고 복사패턴과 이득 성능을 측정한 후 임피던스 변환기의 영향을 보정하는 방법으로 측정하였다. 측정결과들은 시뮬레이션에 의해 예측된 결과들과 잘 일치하였고, 제작된 안테나의 성능을 측정한 위의 결과들을 볼 때, 제안된 안테나가 지상파 DTV 수신용으로 적합하다고 볼 수 있다.
5 dBi 이상인 지향성 QYA를 설계하는 방법에 대해 연구하였다. 제안된 3소자 QYA는 평면 다이폴과 이에 근접하는 직사각 패치 형태의 도파기, 그리고 접지면 반사기로 구성된다. 평면 다이폴은 코플래너 스트립(coplanar strip)에 의해 급전되며, 전체 QYA는 코플래너 스트립에 내장되고 종단이 단락된 마이크로스트립으로 급전되어 밸런(Balun)을 위한 별도의 공간이 필요치 않다[7].
국내외를 막론하고 기존 DTV 수신용 안테나에 대한 거의 대부분의 연구가 포트 임피던스를 50옴으로 설정하였는데 반해 본 연구에서는 실제 DTV의 포트 임피던스인 75옴을 기준 임피던스로 설정하고 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 제안된 구조의 안테나를 설계하는 절차를 제시하고 각 파라미터들이 안테나의 특성에 미치는 영향 등을 시뮬레이션 결과들을 통해 설명하였다. 최적화된 안테나를 FR4 기판에 제작하고 성능을 실험한 결과를 시뮬레이션 예측치와 비교하여 본 연구의 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 포트 임피던스가 75옴인 지상파 DTV 수신용 광대역 3 소자 QYA를 제안하고 그 설계 방법에 대해 소개하였다. 제안된 안테나는 단락 종단된 코플래너 스트립에 내장되고 단락 종단된 75옴 마이크로스트립 선로로 급전되며, 밸런을 위한 별도의 공간이 필요 없는 구조이다. 코플래너 스트립으로 급전되는 평면 다이폴에 사각 패치형 도파기를 근접시켜 광대역 임피던스 정합특성을 얻고 접지면 반사기를 부가하여 대역 내 고른 이득분포를 갖게 하였다.
지상파 DTV용 주파수 대역(470—806 MHz)의 동작에 적합하도록 대역 내에서 VSWR 3.5 dBi 조건을 만족하는 안테나를 FR4 기판(비유전율 4.4, 두께 1.6 mm, 손실 탄젠트 0.025)에 설계하는 과정을 소개한다.
제안된 안테나는 단락 종단된 코플래너 스트립에 내장되고 단락 종단된 75옴 마이크로스트립 선로로 급전되며, 밸런을 위한 별도의 공간이 필요 없는 구조이다. 코플래너 스트립으로 급전되는 평면 다이폴에 사각 패치형 도파기를 근접시켜 광대역 임피던스 정합특성을 얻고 접지면 반사기를 부가하여 대역 내 고른 이득분포를 갖게 하였다. 다이폴과 반사기의 모양을 반 보우-타이 형으로 변형하여 안테나의 크기를 20% 감소시켰으나 안테나의 성능(대역폭, 이득)은 대등한 상태를 유지할 수 있었다.

대상 데이터

DTV용으로 적합하도록 파라미터들을 최적화시킨 제안된 Fig. 2(d) 구조의 QYA를 FR4 기판 상에 Fig. 6과 같이 제작하였으며, 안테나의 사이즈는 240 mm×200 mm이다.

데이터처리

2(d)는 다이폴과 반사기의 모양을 반 보우-타이 형으로 변형하여 안테나를 소형화한 것(‘D₀^BT +D₁ +R₀^BT ’ 경우로 함)이다. 상용 EM 시뮬레이션 툴인 CST사의 Microwave Studio(MWS)를 이용하여 제시된 안테나 구조를 해석하였다. 먼저 각 소자가 곧은 스트립 형태인 Fig.
제안된 구조의 안테나를 설계하는 절차를 제시하고 각 파라미터들이 안테나의 특성에 미치는 영향 등을 시뮬레이션 결과들을 통해 설명하였다. 최적화된 안테나를 FR4 기판에 제작하고 성능을 실험한 결과를 시뮬레이션 예측치와 비교하여 본 연구의 타당성을 검증하였다.

성능/효과

DTV용으로 최적화된 안테나를 FR4 기판 상에 제작하고 특성을 실험한 결과 VSWR < 2 인 대역은 450—848 MHz, 반 전력 빔 폭은 E-면에서 70―81도, H-면에서 162―198도, 이득은 4.1 dBi 이상, 전후방비는 10.4 dB 이상인 우수한 성능을 확인할 수 있었다.
5는 반사기(R₀)는 그대로 둔 채 다이폴만 반 보우-타이 형으로 변형한 경우(h₀=40, L₀=220, h_r=0, L_r=300)와 반사기도 반 보우-타이 형으로 변형한 경우(h₀=40, L₀=220, h_r=50, L_r=240)의 특성을 변형을 하지 않은 경우(h₀=h_r=0)의 결과와 함께 비교한 것이고 Table 2에 결과가 요약되어 있다. Fig. 5와 Table 2의 결과에서 보는 바와 같이 반 보우-타이 형의 경우 안테나의 크기(L_r=240)가 변형하지 않은 경우의 크기(L_r=300)에 비해 20 % 감소되었음에도 불구하고 가장 넓은 대역폭과 안정된 이득분포를 갖는 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있다. 임피던스 대역폭비가 약 2 : 1에 이르고 이득변화가 4.
코플래너 스트립으로 급전되는 평면 다이폴에 사각 패치형 도파기를 근접시켜 광대역 임피던스 정합특성을 얻고 접지면 반사기를 부가하여 대역 내 고른 이득분포를 갖게 하였다. 다이폴과 반사기의 모양을 반 보우-타이 형으로 변형하여 안테나의 크기를 20% 감소시켰으나 안테나의 성능(대역폭, 이득)은 대등한 상태를 유지할 수 있었다. DTV용으로 최적화된 안테나를 FR4 기판 상에 제작하고 특성을 실험한 결과 VSWR < 2 인 대역은 450—848 MHz, 반 전력 빔 폭은 E-면에서 70―81도, H-면에서 162―198도, 이득은 4.
동일한 상태에서 급전위치를 감소시켰을 때, 급전점 df가 감소됨에 따라 고주파 대역의 정합특성이 점차 개선되었고, Fig. 3에서 보는 바와 같이, df=70일 때 VSWR < 2 를 만족하는 대역(446―890 MHz)이 원하는 대역(470―806 MHz)을 포함하고 대역폭(444 MHz)이 66.47%, 임피던스 대역폭 비(impedance bandwidth ratio)가 2 : 1에 근접하는 우수한 광대역 특성을 갖는 것을 관찰할 수 있다.
5와 Table 2의 결과에서 보는 바와 같이 반 보우-타이 형의 경우 안테나의 크기(L_r=240)가 변형하지 않은 경우의 크기(L_r=300)에 비해 20 % 감소되었음에도 불구하고 가장 넓은 대역폭과 안정된 이득분포를 갖는 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있다. 임피던스 대역폭비가 약 2 : 1에 이르고 이득변화가 4.31 dBi 로부터 0.32 dB 이내인 고른 이득분포는 LPA에서나 구현할 수 있는 우수한 특성이고 QYA에 대한 대부분의 기존 연구결과들에서 구현하기 힘든 성능이었다.
본 연구에서는 50옴용으로 설계된 안테나를 측정하기 위한 일반적인 초고주파 대역 시스템을 활용하되, 75옴 안테나와 50옴 시스템 사이에 임피던스 변환기(50옴-75옴)를 삽입하고 복사패턴과 이득 성능을 측정한 후 임피던스 변환기의 영향을 보정하는 방법으로 측정하였다. 측정결과들은 시뮬레이션에 의해 예측된 결과들과 잘 일치하였고, 제작된 안테나의 성능을 측정한 위의 결과들을 볼 때, 제안된 안테나가 지상파 DTV 수신용으로 적합하다고 볼 수 있다. 그리고 제안된 구조의 QYA 설계방법을 이용하면 다른 주파수 대역의 광대역 지향성 안테나 설계가 용이할 것으로 생각된다.
측정결과에 의하면 제작된 안테나는 VSWR < 2인 대역(450—848 MHz, 대역폭 61.3%)이 DTV용 대역을 포함하고 임피던스 대역폭 비가 1.88: 1인 광대역 특성을 갖는다.

후속연구

측정결과들은 시뮬레이션에 의해 예측된 결과들과 잘 일치하였고, 제작된 안테나의 성능을 측정한 위의 결과들을 볼 때, 제안된 안테나가 지상파 DTV 수신용으로 적합하다고 볼 수 있다. 그리고 제안된 구조의 QYA 설계방법을 이용하면 다른 주파수 대역의 광대역 지향성 안테나 설계가 용이할 것으로 생각된다.
4 dB 이상인 우수한 성능을 확인할 수 있었다. 제안된 구조의 안테나는 주파수 변환 설계가 용이하여 다양한 용도의 광대역 지향성 안테나로 응용될 수 있으며, 고 이득 배열 안테나의 요소 안테나로 사용되기에 유망할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대수주기 안테나의 단점은?	현재 DTV 용으로 할당된 주파수대역은 470―806 MHz로서 주파수 범위가 매우 넓어서, 수신용 안테나는 광대역 특성을 갖도록 설계하여야 한다. 광대역이면서 적절한 이득과 지향성을 갖는 안테나는 대수주기 안테나(LPA; Log periodic antenna)가 대표적이나 설계과정이 다소 복잡하고 고 이득 특성을 갖도록 배열 안테나를 구성하는 것이 용이하지 않다는 단점을 갖고 있다[1].
	지상파 디지털 TV는 무엇이 가능한가?	지상파 디지털 TV(DTV)는 아날로그 TV에 비해 2배 이상의 뛰어난 품질의 선명한 화면을 제공하고 다양한 응용 서비스가 가능하여 최근 10년 동안 급속히 보급되었고, 2013년 현재 대한민국은 전국이 100% 디지털 방송으로 전환된 상태이다. 현재 DTV 용으로 할당된 주파수대역은 470―806 MHz로서 주파수 범위가 매우 넓어서, 수신용 안테나는 광대역 특성을 갖도록 설계하여야 한다.
	지상파 디지털 TV의 할당된 주파수 대역은?	지상파 디지털 TV(DTV)는 아날로그 TV에 비해 2배 이상의 뛰어난 품질의 선명한 화면을 제공하고 다양한 응용 서비스가 가능하여 최근 10년 동안 급속히 보급되었고, 2013년 현재 대한민국은 전국이 100% 디지털 방송으로 전환된 상태이다. 현재 DTV 용으로 할당된 주파수대역은 470―806 MHz로서 주파수 범위가 매우 넓어서, 수신용 안테나는 광대역 특성을 갖도록 설계하여야 한다. 광대역이면서 적절한 이득과 지향성을 갖는 안테나는 대수주기 안테나(LPA; Log periodic antenna)가 대표적이나 설계과정이 다소 복잡하고 고 이득 특성을 갖도록 배열 안테나를 구성하는 것이 용이하지 않다는 단점을 갖고 있다[1].

참고문헌 (7)

C.A. Balanis, Antenna theory: Analysis and design, 3rd ed., Hoboken, NJ: Wiley, 2005.
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상세보기
N. Kaneda, W.R. Deal, Y. Qian, R. Waterhouse, and T. Itoh, "A broad-band quasi-Yagi antenna," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 50, no. 8, pp. 1158-1160, Aug. 2002. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TAP.2002.801299

상세보기
G. Zheng, A.A. Kishk, A.W. Glisson, and A.B. Yakovlev, "Simplified feed for modified printed Yagi antenna," Electron. Lett., vol. 40, no. 8, pp. 464-466, Apr. 2004. DOI: http://dx.doi.org/10.1049/el:20040348

상세보기
C.-J. Lee, C. Caloz, K.M.K.H. Leong, S.-M. Han, and T. Itoh, "A planar broadband antenna for UWB pulse transmission," in Proc. 2004 European Microw. Conf., Amsterdam, Netherlands, Oct. 2004, pp. 1329-1332.
K. Han, Y. Park, and I. Park, "Broadband CPS-fed Yagi-Uda antenna," Electron. Lett., vol. 45, no. 24, pp. 1207-1209, Nov. 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1049/el.2009.1330

상세보기
J.-I. Lee and J. Yeo, "Modified broadband quasi-Yagi antenna with enhanced gain and bandwidth," Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 55, no. 2, pp. 405-409, Feb. 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/mop.27325

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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