본 논문에서는 차량 충돌 방지용 밀리미터파 레이더 시스템용 안테나에 적용 가능한 LTCC(low temperature co-fired ceramic) 공정을 사용한 유전체공진기 안테나(DRA, dielectric resonator antenna)를 제안한다. 76-77 GHz에서 공진하는 DRA를 설계하며, LTCC 공정을 사용하여 유전체 공진기 내부에 SRR(split ring resonator)을 넣은 구조와 모노폴을 넣은 구조를 제안한다. 또한 모노폴을 넣은 구조는 선형 편파를 제공하는 안테나와 원형편파를 제공하는 두 가지 구조로 설계한다. 유전체 공진기 내부 구조 및 편파, 급전 마이크로스트립 선로 길이 및 마이크로스트립 구조에 따라 총 3가지 모델의 DRA를 설계하고, EM 해석 소프트웨어인 CST를 사용하여 각 안테나의 반사손실 특성 및 방사 패턴을 계산한다. 설계된 안테나를 실제 제작하여 특성을 측정하고 계산치와 비교한다. 제작된 DRA 측정결과 원하는 대역인 76-77GHz 대역에서 공진 특성을 나타내고, 8.15 dBi에서 10.82 dBi의 안테나 이득을 획득하였다.
본 논문에서는 차량 충돌 방지용 밀리미터파 레이더 시스템용 안테나에 적용 가능한 LTCC(low temperature co-fired ceramic) 공정을 사용한 유전체 공진기 안테나(DRA, dielectric resonator antenna)를 제안한다. 76-77 GHz에서 공진하는 DRA를 설계하며, LTCC 공정을 사용하여 유전체 공진기 내부에 SRR(split ring resonator)을 넣은 구조와 모노폴을 넣은 구조를 제안한다. 또한 모노폴을 넣은 구조는 선형 편파를 제공하는 안테나와 원형편파를 제공하는 두 가지 구조로 설계한다. 유전체 공진기 내부 구조 및 편파, 급전 마이크로스트립 선로 길이 및 마이크로스트립 구조에 따라 총 3가지 모델의 DRA를 설계하고, EM 해석 소프트웨어인 CST를 사용하여 각 안테나의 반사손실 특성 및 방사 패턴을 계산한다. 설계된 안테나를 실제 제작하여 특성을 측정하고 계산치와 비교한다. 제작된 DRA 측정결과 원하는 대역인 76-77GHz 대역에서 공진 특성을 나타내고, 8.15 dBi에서 10.82 dBi의 안테나 이득을 획득하였다.
This paper suggests the dielectric resonator antenna using LTCC process for mm-wave car radar system. In this paper, dielectric resonator antennas (DRA) operated in 76-77 GHz frequency band are designed. And, using the LTCC process, the structures of dielectric resonator with SRR (split ring resonat...
This paper suggests the dielectric resonator antenna using LTCC process for mm-wave car radar system. In this paper, dielectric resonator antennas (DRA) operated in 76-77 GHz frequency band are designed. And, using the LTCC process, the structures of dielectric resonator with SRR (split ring resonator) inside and those of dielectric resonator with probe inside are suggested. Linear polarization antennas and circular polarization antenna are designed for the DRA with probe inside. Three kinds of the DRA antennas are designed and their characteristics are calculated using CST RF simulation tool. The designed antennas are fabricated and measured and the measured results are compared with calculated results. The measured operating frequencies of DRAs are within 76 GHz to 77 GHz, which are close to the calculated results, and the measured gains are about 8.15 dBi to 10.82 dBi.
This paper suggests the dielectric resonator antenna using LTCC process for mm-wave car radar system. In this paper, dielectric resonator antennas (DRA) operated in 76-77 GHz frequency band are designed. And, using the LTCC process, the structures of dielectric resonator with SRR (split ring resonator) inside and those of dielectric resonator with probe inside are suggested. Linear polarization antennas and circular polarization antenna are designed for the DRA with probe inside. Three kinds of the DRA antennas are designed and their characteristics are calculated using CST RF simulation tool. The designed antennas are fabricated and measured and the measured results are compared with calculated results. The measured operating frequencies of DRAs are within 76 GHz to 77 GHz, which are close to the calculated results, and the measured gains are about 8.15 dBi to 10.82 dBi.
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문제 정의
DRA의 파라미터를 추정하기 위한 여러 가지 수치해석적인 방법이 연구되어 공진주파수, 방사패턴에 관해서는 상대적으로 간단한 모델이 있으나, 입력 임피던스를 수치 해석적으로 추정하기 위해 시뮬레이션 또는 실험적인 측정에 의해서 구해야 한다. 따라서 이 장에서는 TE111모드로 급전되는 직육면체 유전체 공진기의 공진주파수와 방사패턴에 대하여 알아본다.
본 논문에서는 LTCC 공법을 적용한 밀리미터파 대역에서 동작하는 고유전율의 직육면체 DRA를 설계하여, 특성을 실험적으로 고찰하였다. 직육면체 DRA의 방사모델과 공진주파수를 구하는 이론적 근거를 살펴보고, 프루브 구조 및 SRR 구조를 이용한 직육면체 유전체공진기 안테나를 설계·제작하여 그 특성을 고찰하였다.
본 논문에서는 밀리미터파 차량용 충돌 방지 레이더 시스템에 사용 가능하도록 고유전율의 DRA를 설계한다. 차량 충돌 방지용 레이더에 사용될 배열 안테나의 기본 소자로써 적합한 DRA를 탐색하기 위하여 SRR (split-ring resonator) 구조가 들어간 고유전율의 DRA를 포함하여 여러 가지 DRA를 설계하고 비교한다.
제안 방법
본 논문에 설계된 안테나는 급전 방법, 안테나 구조, 마이크로스트립라인의 길이에 따라 모델명을 분류한다. DRA를 나타내기 위해 모델명을 D로 시작했고, 안테나 구조에 따라서 모노폴 구조는 M을, SRR 구조는 S를 붙이고, Miter된 구조는 M을 추가한다. 마이크로스트립라인으로 급전되는 경우 모델명에 라인의 길이를 추가하고, 반전된(Inverted) 마이크로스트립라인의 경우 마지막에 I를 추가한다.
LTCC 공법을 사용한 밀리미터파 차량용 레이더 시스템에 관한 네가지의 DRA를 설계한다. 표 1은 설계하고자 하는 안테나의 사양을 나타낸 것이다.
직육면체 DRA의 방사모델과 공진주파수를 구하는 이론적 근거를 살펴보고, 프루브 구조 및 SRR 구조를 이용한 직육면체 유전체공진기 안테나를 설계·제작하여 그 특성을 고찰하였다. 그리고 원형편파를 얻기 위하여 DR의 대각선 모서리를 자른 직사각형 DRA도 설계 제작하여 특성을 고찰하였다.
본 논문에 설계된 안테나는 급전 방법, 안테나 구조, 마이크로스트립라인의 길이에 따라 모델명을 분류한다. DRA를 나타내기 위해 모델명을 D로 시작했고, 안테나 구조에 따라서 모노폴 구조는 M을, SRR 구조는 S를 붙이고, Miter된 구조는 M을 추가한다.
본 논문의 Ⅰ장은 논문의 서론으로 연구 배경, 연구 내용과 논문의 구성을 소개하고, Ⅱ장에는 직육면체 유전체공진기 안테나 이론으로 안테나의 방사모델, 그리고 공진 주파수에 대하여 기술하고, LTCC 공법을 소개한다. Ⅲ장에서는 설계하고자 하는 안테나의 특성을 계산하여 최적화된 설계 파라미터를 이용하여 안테나를 제작한다.
2006)를 사용하여 계산한다. 설계한 안테나의 반사 손실과 입력 임피던스, 방사패턴 및 이득특성의 계산치와 실제 안테나를 제작 측정한 측정치를 비교한다.
계산치와 비교하여 안테나 이득은 실제 측정치가 계산치보다 더 나은 특성을 나타내었다. 안테나 공진 주파수가 약간 차이가 있으나 원하는 주파수 대역에서 공진을 하였다. 계산치와 측정치의 차이는 계산상의 오차와 제작과 측정에서 포함된 오차로 인해 나타난 것으로 판단된다.
안테나의 반사계수(Reflection coefficient)는 Vector Network Analyzer (Anritsu ME7808A)를 사용하여 측정되었으며, 안테나 패턴은 전자파 무반향실에서 측정되었다. 측정장비의 Waveguide 포트와 제작된 안테나를 연결하기 위하여 Waveguide to Microstrip 어댑터를 제작하여 안테나를 연결 측정을 수행하였다.
여기서 DR의 모서리를 잘라내어 원형 편파(RHCP)를 얻을 수 있다. 잘라낸 길이는 초기에 DRA 크기의 20 %로 두고 EM 해석 소프트웨어를 통하여 최적화하여 크기를 결정하였다.
직육면체 DRA의 방사모델과 공진주파수를 구하는 이론적 근거를 살펴보고, 프루브 구조 및 SRR 구조를 이용한 직육면체 유전체공진기 안테나를 설계·제작하여 그 특성을 고찰하였다.
본 논문에서는 밀리미터파 차량용 충돌 방지 레이더 시스템에 사용 가능하도록 고유전율의 DRA를 설계한다. 차량 충돌 방지용 레이더에 사용될 배열 안테나의 기본 소자로써 적합한 DRA를 탐색하기 위하여 SRR (split-ring resonator) 구조가 들어간 고유전율의 DRA를 포함하여 여러 가지 DRA를 설계하고 비교한다. SRR 구조를 삽입한 복잡한 DRA 제작을 위해 LTCC (low temperature co-fired ceramic) 공법을 사용한다.
안테나의 반사계수(Reflection coefficient)는 Vector Network Analyzer (Anritsu ME7808A)를 사용하여 측정되었으며, 안테나 패턴은 전자파 무반향실에서 측정되었다. 측정장비의 Waveguide 포트와 제작된 안테나를 연결하기 위하여 Waveguide to Microstrip 어댑터를 제작하여 안테나를 연결 측정을 수행하였다.
표 3에 본 논문에서 설계·제작한 직육면체 DRA의 중심주파수 및 안테나 이득의 계산치와 측정치를 타나내었다.
이론/모형
차량 충돌 방지용 레이더에 사용될 배열 안테나의 기본 소자로써 적합한 DRA를 탐색하기 위하여 SRR (split-ring resonator) 구조가 들어간 고유전율의 DRA를 포함하여 여러 가지 DRA를 설계하고 비교한다. SRR 구조를 삽입한 복잡한 DRA 제작을 위해 LTCC (low temperature co-fired ceramic) 공법을 사용한다.
본 논문에서는 DRA 내부에 SRR 구조 및 모노폴을 사용하기 위하여 LTCC 공법을 적용한다.
안테나의 반사손실과 방사패턴은 3차원 FDTD (finite difference time domain) 법을 이용한 시뮬레이션 소프트웨어 CST MWS(CST ver.2006)를 사용하여 계산한다. 설계한 안테나의 반사 손실과 입력 임피던스, 방사패턴 및 이득특성의 계산치와 실제 안테나를 제작 측정한 측정치를 비교한다.
성능/효과
계산된 임피던스 특성은 그림 6과 같고, 74.5～78.3 GHz에서 공진하며, 중심주파수에서 안테나 이득 및 축 비는 각각 7.7 dBi와 0.2 dB로 계산되며, 원현편파 특성을 제공함을 알 수 있다.
계산치와 비교하여 안테나 이득은 실제 측정치가 계산치보다 더 나은 특성을 나타내었다. 안테나 공진 주파수가 약간 차이가 있으나 원하는 주파수 대역에서 공진을 하였다.
첫째, 공진기의 크기, 즉 길이와 높이, 폭을 적당히 선택하여 모드 축퇴(mode degeneracy)를 막을 수 있다. 둘째, 주어진 공진 주파수에서 직육면체 유전체공진기는 두 종횡비(높이/길이와 폭/길이)를 독립적으로 선택할 수 있다. 따라서 안테나의 대역폭은 직육면체 유전체공진기의 두 종횡비에 따라 유연하게 조절할 수 있다.
DRA는 마이크로스트립 패치 안테나에 비해서 대역폭이 넓고 (약 10%)[1], 도체 손실이 없으므로 방사효율이 높으면서 표면파 모드에 의한 왜곡이 생기지 않는다. 또한 그 구조가 간단하고 여러 가지 모드를 사용하여 서로 다른 방사패턴을 얻을 수 있으며, MIC (microwave integrated circuit)화가 용이한 특징을 갖고 있으므로 소형이며 저가인 마이크로파 및 밀리미터파 무선 통신 시스템 안테나용으로 적합하다. 유전체공진기(dielectric resonator: DR)는 1939년 Richtmeyer[2]가 이론적으로 처음 제안한 이후 필터나 발진기 등의 초고주파 회로 소자용으로 많이 사용되고 있다.
후속연구
안테나의 계산 및 측정결과 원하는 공진 특성 및 임피던스 매칭, 안테나 이득을 얻을 수 있었으며, 따라서 본 연구에서 제안된 안테나를 차량충돌 방지용 밀리미터파 레이더 시스템에 사용될 소형 배열 안테나의 소자로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마이크로스트립 패치 안테나의 단점은?
지난 수십 년 동안 마이크로스트립 패치 안테나가 마이크로파 및 밀리미터파 무선 통신 시스템 안테나로 폭넓게 연구되어 왔으나 동작주파수가 밀리미터파 영역으로 높아짐에 따라 금속패치의 도체손실이 증가하여 안테나 방사효율이 떨어지고 대역폭이 좁아지는 단점이 있다. 유전체공진기 안테나(DRA, dielectric resonator antenna)는 마이크로스트립 패치 안테나의 이러한 단점을 극복하면서 온도특성이 안정된 방사소자로 많은 관심을 받고 있다.
유전체공진기의 형태에는 무엇이 있는가?
유전체공진기의 형태로는 원통형, 직육면체형, 반구형, 반쪽 원통형, 삼각형 캐비티 등이 있다.[3～7] 직육면체형 유전체 공진기 안테나는 원통형이나 반구형 등에 비하여 몇 가지 이점이 있다.
직육면체형 유전체 공진기 안테나의 이점은?
[3～7] 직육면체형 유전체 공진기 안테나는 원통형이나 반구형 등에 비하여 몇 가지 이점이 있다. 첫째, 공진기의 크기, 즉 길이와 높이, 폭을 적당히 선택하여 모드 축퇴(mode degeneracy)를 막을 수 있다. 둘째, 주어진 공진 주파수에서 직육면체 유전체공진기는 두 종횡비(높이/길이와 폭/길이)를 독립적으로 선택할 수 있다. 따라서 안테나의 대역폭은 직육면체 유전체공진기의 두 종횡비에 따라 유연하게 조절할 수 있다.
참고문헌 (8)
K. M. Luk and K. W. Leung, 2003. Dielectric resonator antennas, Research Studies Press LTD.
R. D. Richtmeyer, Jun. 1939, Dielectric resonator, Journal of applied physics vol. 10 : 391-398.
S. A. Long, M. W. McAllister and L. C. Shen, May 1983, The resonant cylindrical dielectric cavity antenna, IEEE trans. antennas and propagation, vol. AP-31 : 406-412
M. W. McAllister, S. A. Long, Mar. 1983, Rectangular dielectric resonator antenna, Electron. Lett., vol. 19 : 218-219.
R. K. Mongia, P. Bhartia and M. Cuhaci, Feb. 1993, Half-split cylindrical dielectric resonator antenna using slot coupling, IEEE microwave and guided wave letters, vol. 3 no. 2 : 38-39.
A. Ittipiboon, et al., Sep. 1993, Aperture fed rectangular and triangular dielectric resonators for use as magnetic dipole antennas, IEEE Electronics Letters, EL-29.
Warren L. Stutzman and Gary A. Thiele, Antenna theory and design, John Wiley & Sons, Inc., Chap 5.
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