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문제 정의
- 이 연구는 넓은 대역폭을 가진 GPS 패치안테나를 설계하고 이를 구현하는 연구이다. 대역폭을 넓히기 위하여 윌킨슨 전력분배기와 90도 하이브리드를 적용하여 출력 2포트를 패치안테나에 90도 위상차로 공급함으로써 대역을 넓힌다.
제안 방법
- 윌킨슨 전력분배기는 마이크로스트립 회로를, 90도 하이브리드는 칩 소자를 이용한 집중정수회로로 구성하였다. FR4 기판에 패치안테나와 회로를 각각 구현하고 이들을 결합하였다. 구현된 윌킨슨 전력분배기 적용모델 안테나와 90도 하이브리드 적용모델 안테나를 측정한 결과 VSWR 2: 1 기준으로 각각 36.
- 이 연구는 넓은 대역폭을 가진 GPS 패치안테나를 설계하고 이를 구현하는 연구이다. 대역폭을 넓히기 위하여 윌킨슨 전력분배기와 90도 하이브리드를 적용하여 출력 2포트를 패치안테나에 90도 위상차로 공급함으로써 대역을 넓힌다. 패치는 정사각형 패치로 설계하며[5, 6], 윌킨슨 전력분배기는 마이크로스트립 회로를, 90도 하이브리드는 칩(chip)소자 회로로 구성한다[6].
- 제작한 안테나의 대역특성을 network analyzer로 측정하고 각 회로에 대한 %BW(percent Band Width)을 나타낸다. 무반사실에서 방사패턴 및 이득을 측정하고 설계에 의한 값과 비교 검토한다.
- 윌킨슨 전력분배기는 전력의 1/2씩 분배하는 이등분 분배기와 임의 크기로 분배하는 비 이등분 분배기가 있다. 본 연구에서는 원 편파 특성을 갖는 조건인 동일 크기의 전력 및 90도 위상차를 갖도록 이등분 분배기를 설계하였다. 출력 포트 간 90도 위상차를 위하여 출력 2와 3의 길이 차이를 1/4파장 나도록 하였다.
- <그림 7>은 패치안테나의 대역폭을 비교한 그림이다. 비교는 FR4 기판일 때 1포트 패치안테나, 윌킨슨 전력분배기 적용모델 및 90도 하이브리드 적용모델 등 3가지를 비교하여 나타내었다. VSWR 2:1 기준으로 각각의 경우 31.
- 우회전 원 편파를 사용하는 GPS용 패치안테나의 대역특성을 넓히기 위하여 윌킨슨 전력분배기와 90도 하이브리드를 적용하는 2포트 패치안테나를 각각 제작하고 이들 특성을 비교하였다. 패치는 정사각형 패치안테나를 설계하였고 뒷면에 2가지 회로를 각각 구현하여 그 출력 포트를 안테나에 급전하였다.
- 본 연구에서는 원 편파 특성을 갖는 조건인 동일 크기의 전력 및 90도 위상차를 갖도록 이등분 분배기를 설계하였다. 출력 포트 간 90도 위상차를 위하여 출력 2와 3의 길이 차이를 1/4파장 나도록 하였다.
- 우회전 원 편파를 사용하는 GPS용 패치안테나의 대역특성을 넓히기 위하여 윌킨슨 전력분배기와 90도 하이브리드를 적용하는 2포트 패치안테나를 각각 제작하고 이들 특성을 비교하였다. 패치는 정사각형 패치안테나를 설계하였고 뒷면에 2가지 회로를 각각 구현하여 그 출력 포트를 안테나에 급전하였다. 윌킨슨 전력분배기는 마이크로스트립 회로를, 90도 하이브리드는 칩 소자를 이용한 집중정수회로로 구성하였다.
대상 데이터
- 2 mm인 FR4이다. 기판의 전체 크기는 가로x세로 = 80x75 mm이다. 패치는 정사각형이며, GPS 주파수인 1,575 MHz에서 공진을 갖기 위한 한 변의 길이는 44.
- 본 연구에 사용된 기판은 비유전율이 4.5이며 두께가 1.2 mm인 FR4이다. 기판의 전체 크기는 가로x세로 = 80x75 mm이다.
- 본 연구에서 대역특성 비교를 위하여 채택한 또 하나의 회로는 90도 하이브리드이다. 90도 하이브리드는 4포트 회로로써, 출력 포트인 2와 3포트에 –3 dB씩 전력이 분배되고 더불어 위상차 90도 나는 특성을 갖는 회로이다.
- 본 연구에서는 90도 하이브리드를 마이크로스트립인 분포정수 회로를 이용하지 않고 집중정수 소자인 인덕터 및 커패시터 칩(chip) 소자를 이용한 회로를 이용하였다. 이는 패치안테나 후면에 소형으로 적용하기 위함이다.
- 이들 재원은 참고문헌 [5, 6]에 있는 수식으로 계산한 뒤, HFSS로 설계하여 얻은 값이다. 설계에 사용된 HFSS는 Ansoft사 v13이다.
- 기판의 전체 크기는 가로x세로 = 80x75 mm이다. 패치는 정사각형이며, GPS 주파수인 1,575 MHz에서 공진을 갖기 위한 한 변의 길이는 44.3 mm이며, 기판으로부터 d1, d2가 각각 17.85 mm 및 12.85 mm 위치에 배치하였다. 이는 후면에 있는 90도 하이브리드 회로와 결합하기 위해서이다.
성능/효과
- 87% 대역폭으로써 넓은 대역특성을 얻었다. GPS중심주파수에서의 최대이득 및 축비는 각각 2.84 dBi, 2.75 dBi 및 1.5 dB, 0.87 dB의 우수한 특성을 보였다. 본 연구는 세라믹 등 유전율이 높은 GPS용 패치안테나의 대역확보 연구에 유용하리라 생각한다.
- FR4 기판에 패치안테나와 회로를 각각 구현하고 이들을 결합하였다. 구현된 윌킨슨 전력분배기 적용모델 안테나와 90도 하이브리드 적용모델 안테나를 측정한 결과 VSWR 2: 1 기준으로 각각 36.5% 및 29.84% 대역폭의 넓은 특성을 얻었다. 3dB 기준의 축비 역시 각각 17.
- <그림 6>에서 (a)는 윌킨슨 전력분배기를 적용한 모델에 대한 시뮬레이션 및 측정 입력 반사계수를 비교한 것이다. 측정치로 볼 때 VSWR 2: 1 기준으로 1,200~1,775 MHz의 575 MHz로써 36.5% 대역폭을 가짐을 볼 수 있다. <그림 6> (b)는 90도 하이브리드 적용한 모델로써 측정치로 볼 때 1,230~1,700 MHz의 470 MHz, 29.
후속연구
- 87 dB의 우수한 특성을 보였다. 본 연구는 세라믹 등 유전율이 높은 GPS용 패치안테나의 대역확보 연구에 유용하리라 생각한다.
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