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문제 정의
- 본 논문에서는 IR-UWB를 위한 테이퍼 슬롯 안테나를 설계 및 제작 하였다. 설계된 테이퍼 슬롯 안테나는 광대역 임피던스 변환기를 사용하여 3.
제안 방법
- 그림 2와같이 입력 부분인 마이크로스트립 선로 임피던스는 광대역 임피던스 변환기중 하나인 지수 변환기를 사용하여 임펄스 신호에 대한 펄스 왜곡 없이 광대역으로 동작하기 위해서 50 Ω 임피던스를 갖는 급전부에서 100 Ω임피던스를 가지도록 하여 UWB 주파수 대역에 반사 손실이 최소가 되도록 설계를 하였다.
- 본 논문에서는 테이퍼 슬롯 안테나의 시간 영역 특성을 분석하기 위해서 그림 8과 같이 시간 영역의 해석이 가능한 시뮬레이션인 CST microwave studio를 사용하였고, 제작된 안테나의 측정은 그림 9와 같이 무반사실에서 Network Analyzer를 사용하여 측정을 하였다. 측정 및 시뮬레이션에서는 송·수신 안테나를 자유 공간에서 Far-field 상태에 있도록 안테나 사이를 0.
- 6GHz 까지 대역에서 반사손실이 VSWR≤2 이하를 만족함으로 UWB대역에서의 사용이 적합하게 설계를 하였다. 설계된 및 제작 된 안테나는 주파수 영역에서의 해석과 시간영역에서의 분석을 하였다. 주파수 영역에서의 해석은 주파수 마다 방사패턴 및 반사손실을 확인하였고, 시간영역에서의 분석은 군 지연과 충실도를 사용하여 안테나의 특성을 확인하였다.
- 설계된 테이퍼 슬롯 안테나는 광대역 임피던스 변환기를 사용하여 3.1 GHz∼10.6GHz 까지 대역에서 반사손실이 VSWR≤2 이하를 만족함으로 UWB대역에서의 사용이 적합하게 설계를 하였다.
- 설계한 테이퍼 슬롯 안테나 사이즈는 50 mm X 50 mm이고, 입력 부분인 피드라인은 각각 50 Ω을 맞추어서 설계를 하였다.
- 주파수 영역에서의 해석은 주파수 마다 방사패턴 및 반사손실을 확인하였고, 시간영역에서의 분석은 군 지연과 충실도를 사용하여 안테나의 특성을 확인하였다. 안테나의 이득은 군 지연과의 상간관계로 인해 이득이 낮은 부분은 펄스의 왜곡이 발생을 하였고, 이러한 현상으로 인해 충실도를 이용한 방사패턴이라는 방법으로 안테나의 방사패턴을 해석하였다. 기존의 안테나 방사패턴 해석 방식은 하나의 주파수를 사용하여 표 1과 같이 여러 주파수별 3-dB bandwidth 빔 폭을 확인하였다.
- 주파수 영역에서의 분석은 Network Analyzer와 HFSS 사용하여 방사 패턴 및 반사손실을 분석을 하였고, 3.1 ~ 10.6 GHz 대역에서 VSWR≤2를 만족함을 제시 하였다.
- 설계된 및 제작 된 안테나는 주파수 영역에서의 해석과 시간영역에서의 분석을 하였다. 주파수 영역에서의 해석은 주파수 마다 방사패턴 및 반사손실을 확인하였고, 시간영역에서의 분석은 군 지연과 충실도를 사용하여 안테나의 특성을 확인하였다. 안테나의 이득은 군 지연과의 상간관계로 인해 이득이 낮은 부분은 펄스의 왜곡이 발생을 하였고, 이러한 현상으로 인해 충실도를 이용한 방사패턴이라는 방법으로 안테나의 방사패턴을 해석하였다.
- 그림 2와같이 입력 부분인 마이크로스트립 선로 임피던스는 광대역 임피던스 변환기중 하나인 지수 변환기를 사용하여 임펄스 신호에 대한 펄스 왜곡 없이 광대역으로 동작하기 위해서 50 Ω 임피던스를 갖는 급전부에서 100 Ω임피던스를 가지도록 하여 UWB 주파수 대역에 반사 손실이 최소가 되도록 설계를 하였다. 지수함수 변환기는 수식 (3)을 통해 설계를 하였다.[12～13] 그림 3은 Ansoft사의 HFSS를 사용하여 테이퍼 슬롯 안테나의 반사손실을 도시하였다.
- 측정 및 시뮬레이션에서는 송·수신 안테나를 자유 공간에서 Far-field 상태에 있도록 안테나 사이를 0.5 m 간격으로 이격을 시켰다.
- 제작된 안테나의 반사손실은 그림 6에 측정 및 시 뮬레이션 결과를 비교하여 나타내었다. 측정은 HP 8720D Network Analyzer를 사용하여 측정을 하였다. 반사손실 측정결과 Ansoft사의 HFSS의 시뮬레이션 결과와 유사함을 보이며 3.
- 테이프 슬롯 안테나의 방사 패턴에 의한 시간 영역 특성을 분석하기 위해서 Tx 안테나를 고정 후 Rx 안테나를 10° 단위로 360° 회전을 하여 각각의 송·수신 펄스의 충실도를 측정 하였다.
대상 데이터
- 그림 1같이 테이퍼 슬롯 안테나 FR4 (εr=4.7, t=1.6 mm) 기판을 사용하였고, Ansoft사의 HFSS를 사용하 여 안테나를 설계를 하였다.
- 그림 5와 같이 테이퍼 슬롯 안테나를 FR4 (εr=4.7) 의 기판을 사용하여 테이퍼 슬롯 안테나를 제작 하였다.
- 본 논문에서는 유전율이 4.7인 FR4 기판을 선택하여 Ansoft사의 HFSS를 사용하여 테이퍼 슬롯 안테나를 설계 및 제작하였다. 주파수 영역에서의 분석은 Network Analyzer와 HFSS 사용하여 방사 패턴 및 반사손실을 분석을 하였고, 3.
- 그림 7은 제작된 테이퍼 슬롯 안테나에 대해 3, 6, 10GHz에 대해 측정한 E-plane와 H-plane 방사 패턴과 HFSS 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타냈다. 제작된 테이퍼 슬롯 안테나의 방사패턴의 특성은 국립전파연구원 전자파측정센터에서 측정 하였다. 측정결과 테이프 슬롯 안테나의 전체적 이득은 최소 3.
데이터처리
- 테이프 슬롯 안테나의 방사 패턴에 의한 시간 영역 특성을 분석하기 위해서 Tx 안테나를 고정 후 Rx 안테나를 10° 단위로 360° 회전을 하여 각각의 송·수신 펄스의 충실도를 측정 하였다. 무반 사실에서 펄스 충실도를 측정하기 위해서는 Network Analyzer를 사용을 하였고 수신된 결과는 주파수 영역상의 S21의 값을 vector 값으로 데이터 값을 받아 Chirp-Z transform을 사용하여 시간 영역의 데이터로 변환하여 분석하였다.
이론/모형
- 6 GHz 대역에서 VSWR≤2를 만족함을 제시 하였다. 시간 영역에서의 분석은 CST microwave studio와 Network Analyzer를 사용하였다. 여기서 Network Analyzer는 주파수 영역에서 수신된 파라메타를 Chirp-Z transform 알고리즘을 통하여 시간영역으로 변환하여 분석을 하였다.
- 시간 영역에서의 분석은 CST microwave studio와 Network Analyzer를 사용하였다. 여기서 Network Analyzer는 주파수 영역에서 수신된 파라메타를 Chirp-Z transform 알고리즘을 통하여 시간영역으로 변환하여 분석을 하였다. 이러한 시간 영역에서의 분석으로 전파의 군 지연 및 충실도(Fidelity)를 구하여 안테나의 특성을 해석하였고, 충실도를 이용한 방사패턴이라는 부수적인 해석 방식을 사용하여 기존의 싱글 주파수에서의 안테나 빔 폭 분석보다 펄스에 대한 안타나의 빔 폭을 분석함으로써 UWB 안테나의 쉽게 해석 할 수가 있다.
성능/효과
- 반사손실 측정결과 Ansoft사의 HFSS의 시뮬레이션 결과와 유사함을 보이며 3.1 GHz ∼10.6 GHz대역의 반사 손실 특성이 VSWR≤2 이하를 만족함을 보인다.
- 시뮬레이션 결과 3.1 ∼ 10.6 GHz 대역에서의 VSWR≤2 임으로 UWB 안테나로 사용하기에 적합하게 설계를 하였다.
- 여기서 Network Analyzer는 주파수 영역에서 수신된 파라메타를 Chirp-Z transform 알고리즘을 통하여 시간영역으로 변환하여 분석을 하였다. 이러한 시간 영역에서의 분석으로 전파의 군 지연 및 충실도(Fidelity)를 구하여 안테나의 특성을 해석하였고, 충실도를 이용한 방사패턴이라는 부수적인 해석 방식을 사용하여 기존의 싱글 주파수에서의 안테나 빔 폭 분석보다 펄스에 대한 안타나의 빔 폭을 분석함으로써 UWB 안테나의 쉽게 해석 할 수가 있다.
- 시뮬레이션과 측정된 방사패턴의 각도와 안테나 이득이 비교적 비슷함을 알 수가 있다. 제작된 안타나의 측정된 방사 특성은 표 1에 간략하게 요약 하였고, 제작된 테이퍼 슬롯 안테나는 IR-UWB 신호 전송이 가능 함을 알 수가 있다.
- 충실도 측정 결과 그림 4와 같이 시뮬레이션과 측정값이 비슷함을 얻을 수 있었고, 수신 안테나가 0° 일 경우 94 % 충실도를 얻었다.
- 측정결과 테이프 슬롯 안테나의 전체적 이득은 최소 3.88 dBi에서 최대 6.97 dBi이며 E-Plane의 3-dB 빔 폭은 27.37°에서 69.81°, H-plane에서는 40.62 °에서 134.98 °값을 얻었으며 지향성을 갖는 안테나로 설계가 되었음을 확인하였다.
- 테이퍼 슬롯 안테나는 ±40° 까지 90 % 의 충실도를 얻었고 그 외의 각도에서는 90% 이하임을 알 수 있다.
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