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문제 정의
- 본 논문에서는 잉크젯 프린팅 기술을 이용한 종이 기반의 방사패턴 가변 안테나를 제안하였다. 저렴한 가격과 접근성, 친환경에 중점을 두어 일반 가정용 프린터와 종이를 이용하여 제작하였다.
- 본 논문에서는 잉크젯 프린팅 기술을 활용해 다중경로 페이딩 문제를 감소시킬 수 있는 방사패턴 가변 안테나를 구현하였다. 제안된 안테나는 일반 인쇄 기판(Printed Circuit Board; PCB) 상의 스위칭 네트워크와 2개의 서로 다른 방사패턴을 가진 Bow-tie 안테나로 구성되어 있다.
제안 방법
- 스위칭 네트워크는 SPDT(Single-Pole Double-Throw) 스위치를 이용하여 방사패턴을 가변하도록 설계하였다. 2개의 서로 다른 방사패턴을 가진 Bow-tie 안테나를 사진 종이 위에 인쇄하였고, 이득을 높이기 위해 반사체를 추가하였다. 잉크젯 프린팅 기술을 활용하였기 때문에 사진 종이 위에 안테나 패턴을 짧은 시간에 제작할 수 있으며, Bow-tie 안테나와 PCB 기판의 접착으로 제안된 방사패턴 가변 안테나가 완성된다.
- Duroid-5870 기판과 안테나의 접착은 비전도성 순 에폭시를 사용하였으며, 신호 선과 방사체 간의 접착은 전도성 실버 에폭시 CW2400을 이용하여 신호가 흐르도록 접착하였다. CW2400의 경우, Volume Resistivity가 0.
- )를 사용하였다. SPDT 스위치를 사용하기 위해 DC 전압을 5 V인가하여 각각의 안테나가 선택적으로 동작할 수 있도록 하였다. DC 전압이 스위치에만 인가될 수 있도록 100 pF의 DC Block 커패시터를 사용하였다.
- 47 dBi를 얻을 수 있었다. 두 안테나의 이득이 차이 나는 이유는 두 개의 안테나가 앞뒷면에 형성되어 있고, 안테나 간의 간섭을 최소화하기 위해 서로 다른 형상으로 안테나를 설계하였다. 이로 인해 이득의 차이가 발생하였다.
- 기판의 높이가 동일할 때 DSPSL은 마이크로스트립 라인보다 더 높은 특성 임피던스를 가지게 된다. 따라서 폭을 더 넓힘으로써 50옴의 임피던스를 가지도록 설계하였다.
- 모의실험 시에 JS-B25P의 Data Sheet를 참조하여 실버잉크의 표면 저항 값을 적용하여 설계를 진행하였다.
- 방사 패턴의 가변을 실험적으로 확인하기 위해 무반향실에서 방사패턴을 측정하였다. 그림 7은 모의실험과 측정을 통해 얻은 2D 방사 패턴의 정규화된 결과 값을 도시하였다.
- 다른 기하하적 변수들은 그림 1에 정의되어 있다. 설계 식을 바탕으로 최초 Bow-tie 안테나를 설계하였으며, 최종적으로 모의실험을 통해 표 1과 같이 안테나를 설계하였다. 2개의 안테나는 1.
- 제안된 안테나는 일반 인쇄 기판(Printed Circuit Board; PCB) 상의 스위칭 네트워크와 2개의 서로 다른 방사패턴을 가진 Bow-tie 안테나로 구성되어 있다. 스위칭 네트워크는 SPDT(Single-Pole Double-Throw) 스위치를 이용하여 방사패턴을 가변하도록 설계하였다. 2개의 서로 다른 방사패턴을 가진 Bow-tie 안테나를 사진 종이 위에 인쇄하였고, 이득을 높이기 위해 반사체를 추가하였다.
- JS-B25P는 실버 함량 25%의 잉크이며, 일반 가정용 프린터의 빈 카트리지에 채운 후 종이 위에 Bow-tie 안테나를 인쇄하였다. 인쇄 후 실버 잉크의 전도성을 높이기 위하여 사진 종이가 최대로 견딜 수 있는 온도 조건을 찾아 180도씨 온도의 오븐에서 5분간의 소결 과정을 거쳤다.
- 본 논문에서는 잉크젯 프린팅 기술을 이용한 종이 기반의 방사패턴 가변 안테나를 제안하였다. 저렴한 가격과 접근성, 친환경에 중점을 두어 일반 가정용 프린터와 종이를 이용하여 제작하였다. SPDT 스위치를 활용하여 2개의 서로 다른 방사패턴을 가변함으로써 다이버시티 환경에서 활용 가능성을 보였다.
- 제안된 안테나는 SPDT 스위치를 이용하여 방사 패턴을 가변하게 된다. SPDT 스위치는 1.
- 특히 저렴한 비용을 달성하기 위한 방법으로 고가의 산업용 프린터 대신 가정용 프린터를 사용하였다. 저렴하고 환경 친화적인 목적으로 사진 종이를 Bow-tie 안테나의 기판으로 사용하였다.
- 안테나 #1과 안테나 #2는 비전도성 접착제를 이용하여 양면을 서로 접착하였고, 부착 방향은 좌표축을 통해 확인할 수 있다. 한편, 상대적으로 안테나 #1에 비해 좁은 10 dB 임피던스 대역폭을 가지는 안테나 #2의 대역폭을 늘리기 위하여 Wc의 폭을 조절하여 10 dB 임피던스 대역폭은 안테나 #1은 1.69～2.07 GHz, 안테나 #2는 1.69～2.19 GHz를 만족하도록 설계하였다[10].
대상 데이터
- Bow-tie 안테나를 인쇄하기 위하여 일반 가정용 프린터와 전도성 실버 잉크를 사용하였다. 인쇄하기 위한 전도성 실버 잉크로는 Novacentrix사의 JS-B25P를 사용하였다.
- 제안된 안테나는 SPDT 스위치를 이용하여 방사 패턴을 가변하게 된다. SPDT 스위치는 1.0～2.0 GHz에서 평균 0.45 dB의 삽입 손실, 평균 19 dB의 격리도, 1.0～2.5GHz에서 평균 1.3:1의 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)를 가지는 AS193-73LF(Skyworks Solution, Inc.)를 사용하였다. SPDT 스위치를 사용하기 위해 DC 전압을 5 V인가하여 각각의 안테나가 선택적으로 동작할 수 있도록 하였다.
- 마이크로스트립 라인의 폭은 2.35 mm이며, DSPSL의 폭은 2.4 mm이다. 구리로 구성된 두 선의 폭이 다른 이유는 그림 2(b)에서와 같이 아랫면의 구리 패턴의 차이에 기인한다.
- 본 논문의 안테나는 총 2개의 Bow-tie 안테나로 구성되어 있고, 각각의 Bow-tie 안테나의 공진 주파수는 다음 식(1)～(5)에 의해 결정된다[7]～[9].
- Bow-tie 안테나를 인쇄하기 위하여 일반 가정용 프린터와 전도성 실버 잉크를 사용하였다. 인쇄하기 위한 전도성 실버 잉크로는 Novacentrix사의 JS-B25P를 사용하였다. JS-B25P는 실버 함량 25%의 잉크이며, 일반 가정용 프린터의 빈 카트리지에 채운 후 종이 위에 Bow-tie 안테나를 인쇄하였다.
- 2개의 Bow-tie 안테나는 그림 4의 가정용 프린터(EpsonWF7011)를 사용하여 2개의 사진 종이에 각각 인쇄하였다. 인쇄한 2개의 Bow-tie 안테나는 비전도성 접착제를 사용하여 양면을 서로 접착하였고, 신호 선은 상대 유전율 2.33, 유전 손실 0.0012, 두께 0.78 mm의 Duroid-5870 기판 위에 제작하였다. 그림 5는 제작된 안테나의 모습을 나타낸다.
- 특히 저렴한 비용을 달성하기 위한 방법으로 고가의 산업용 프린터 대신 가정용 프린터를 사용하였다. 저렴하고 환경 친화적인 목적으로 사진 종이를 Bow-tie 안테나의 기판으로 사용하였다.
- 본 논문에서는 잉크젯 프린팅 기술을 활용해 다중경로 페이딩 문제를 감소시킬 수 있는 방사패턴 가변 안테나를 구현하였다. 제안된 안테나는 일반 인쇄 기판(Printed Circuit Board; PCB) 상의 스위칭 네트워크와 2개의 서로 다른 방사패턴을 가진 Bow-tie 안테나로 구성되어 있다. 스위칭 네트워크는 SPDT(Single-Pole Double-Throw) 스위치를 이용하여 방사패턴을 가변하도록 설계하였다.
이론/모형
- Bow-tie 안테나는 평형 신호가 필요하며, 평형 신호를 인가하기 위한 방법으로 DSPSL(Double-Sided Parallel-Strip Line)을 사용하였다[11],[12]. DSPSL은 그림 2에서와 같이 두 개의 동일한 마이크로스트립 라인을 기판의 위와 아래로 평행하게 위치시켜 불평형 신호를 평형 신호로 바꾸는 역할을 한다.
- 제안된 안테나의 측정을 위하여 Vector Network Analyzer를 이용하였다. 그림 6은 모의 설계 값과 측정값의 반사 손실을 나타내었다.
성능/효과
- 제작된 안테나의 10 dB 임피던스 대역폭과 방사 이득의 모의실험 결과와 측정 결과를 표 1에 요약 정리하였다. 2개의 방사모드 모두 10 dB 임피던스 대역폭이 1.66GHz에서 2.2 GHz까지 만족하는 것을 확인할 수 있으며, 제작 상의 오차로 인해 안테나 #1의 측정결과는 모의실험에서 얻은 성능보다 다소 낮은 결과를 얻을 수 있었다.
- 2 GHz까지 10 dB 임피던스 대역폭을 만족함을 확인하였다. 2개의 방사모드에서 4.72 dBi와 3.96 dBi의 최대이득을 얻으며, 방사패턴이 성공적으로 가변됨을 확인하였다. 추후 PCB 기판에 구현된 스위칭 네트워크를 종이 위에 안테나와 함께 일체화여 3차원 구조가 아닌 평면 구조로 연구할 예정이다.
- SPDT 스위치를 활용하여 2개의 서로 다른 방사패턴을 가변함으로써 다이버시티 환경에서 활용 가능성을 보였다. 2개의 방사모드에서 공통적으로 1.66 GHz에서 2.2 GHz까지 10 dB 임피던스 대역폭을 만족함을 확인하였다. 2개의 방사모드에서 4.
- 저렴한 가격과 접근성, 친환경에 중점을 두어 일반 가정용 프린터와 종이를 이용하여 제작하였다. SPDT 스위치를 활용하여 2개의 서로 다른 방사패턴을 가변함으로써 다이버시티 환경에서 활용 가능성을 보였다. 2개의 방사모드에서 공통적으로 1.
- 그림 7은 모의실험과 측정을 통해 얻은 2D 방사 패턴의 정규화된 결과 값을 도시하였다. 측정된 방사패턴이 성공적으로 가변됨을 확인할 수 있으며, 측정된 안테나 #1의 최대 이득은 3.96 dBi, 안테나 #2의 최대 이득은 4.72 dBi를 얻을 수 있었다. 측정된 방사패턴의 빔 폭이 모의실험치보다 넓은 이유는 PCB 상에 구현된 스위칭 네트워크 회로와 SPDT, 커패시터 등의 칩 소자로 인한 오차로 보여진다.
후속연구
- 96 dBi의 최대이득을 얻으며, 방사패턴이 성공적으로 가변됨을 확인하였다. 추후 PCB 기판에 구현된 스위칭 네트워크를 종이 위에 안테나와 함께 일체화여 3차원 구조가 아닌 평면 구조로 연구할 예정이다.
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