본 연구에서는 원형편파를 양방향으로 복사하는 등각 스파이럴 안테나에 EBG(electromagnetic bandgap) 반사판을 사용하여 단일 방향으로 복사가 발생하게 하였다. EBG 반사판에서 스파이럴 암 까지의 높이가 가장 낮은 동작 주파수의 0.07 파장 높이로 한 경우, 원형편파의 축비가 손상되는 것이 발생하였다. 본 논문에서는, +z 방향에서의 동일 편파인 우선 원형 편파를 발생시키는 $E_{\theta},E_{\phi}$의 크기와 시간 위상차를 해석하여, 전 주파수 영역에서 축비를 개선하는 조건을 제시하였다. 그 결과, 3 ~ 10[dB] 주파수 범위에서 축비는 3[dB] 이하이고, 이득은 자유공간에서의 양방향 복사와 비교해서 약 3[dB] 정도 개선되었고, $S_{11}$은 전 주파수 영역에서 -10[dB]이하를 얻었다.
본 연구에서는 원형편파를 양방향으로 복사하는 등각 스파이럴 안테나에 EBG(electromagnetic bandgap) 반사판을 사용하여 단일 방향으로 복사가 발생하게 하였다. EBG 반사판에서 스파이럴 암 까지의 높이가 가장 낮은 동작 주파수의 0.07 파장 높이로 한 경우, 원형편파의 축비가 손상되는 것이 발생하였다. 본 논문에서는, +z 방향에서의 동일 편파인 우선 원형 편파를 발생시키는 $E_{\theta},E_{\phi}$의 크기와 시간 위상차를 해석하여, 전 주파수 영역에서 축비를 개선하는 조건을 제시하였다. 그 결과, 3 ~ 10[dB] 주파수 범위에서 축비는 3[dB] 이하이고, 이득은 자유공간에서의 양방향 복사와 비교해서 약 3[dB] 정도 개선되었고, $S_{11}$은 전 주파수 영역에서 -10[dB]이하를 얻었다.
In this study, we used EBG(electromagnetic band gap) reflector to change bi-directional radiation of circular polarization into uni-directional radiation of equiangular spiral antenna. When the height of spiral arm from EBG reflector is 0.07 wavelength of the lowest operating frequency, the axial ra...
In this study, we used EBG(electromagnetic band gap) reflector to change bi-directional radiation of circular polarization into uni-directional radiation of equiangular spiral antenna. When the height of spiral arm from EBG reflector is 0.07 wavelength of the lowest operating frequency, the axial ratio of the circular polarization was deteriorated. In this paper, we analyzed the magnitude and the time phase difference of $E_{\theta},E_{\phi}$ that generates right hand circle polarization that is co-polarization at +z direction and proposed the improving condition for axial ratio at all related frequency range. As a result, we obtained that the axial ratio was below 3[dB] at range of 3 ~ 10[dB], the gain was improved about 3[dB] with comparison to bi-directional radiation at free space, and $S_{11}$ was below -10[dB] at all related frequency range.
In this study, we used EBG(electromagnetic band gap) reflector to change bi-directional radiation of circular polarization into uni-directional radiation of equiangular spiral antenna. When the height of spiral arm from EBG reflector is 0.07 wavelength of the lowest operating frequency, the axial ratio of the circular polarization was deteriorated. In this paper, we analyzed the magnitude and the time phase difference of $E_{\theta},E_{\phi}$ that generates right hand circle polarization that is co-polarization at +z direction and proposed the improving condition for axial ratio at all related frequency range. As a result, we obtained that the axial ratio was below 3[dB] at range of 3 ~ 10[dB], the gain was improved about 3[dB] with comparison to bi-directional radiation at free space, and $S_{11}$ was below -10[dB] at all related frequency range.
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문제 정의
8[GHz] 주파수의 전류 분포를 보인 것인데, 전류 분포가 EBG 반사판의 중심에서 테두리로 진행하는 진행파와, 중심으로 반사 되어 되돌아오는 반사파의 합인 정재파 형태로 존재함을 알 수 있다. EBG 반사판에서의 이러한 전류 정재파에 의해서 축비가 손상된다는 관점에서, 정재파가 많이 존재하는 EBG 반사판의 중심 근처의 셀을 제거 하여 5[GHz]와 7[GHz] 주파수 사이의 축비를 개선하고, 스파이럴 암 끝부분 근처에 저항을 삽입하여 낮은 주파수 성분의 반사파를 제거하여 저주파에서의 축비를 개선하고자 하였다.
즉, 완전 도체인 PEC를 반사판으로 사용하여 높이가 낮은(low-profile) 등각 스파이럴 안테나를 설계 할 경우, 높은 주파수일수록 안테나의 높이가 h ≈ λ/4에 근접하므로, 축비가 원형편파로 간주할 수 있을 정도로 충분히 작지만, 낮은 주파수에서는 반사판으로부터 안테나의 높이가 h ≪ λ/4 가 되어 역위상이 되고, 또한 스파이럴 안테나의 복사가 발생하는 능동영역의 반경이 커져서 안테나 암의 종단으로부터 반사되어 급전점으로 되돌아오는 반사파의 양이 많아져서 축비가 커지므로, 원형편파로 사용할 수 있는 유용한 축비 대역폭이 감소한다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 낮은 주파수 영역에서 축비를 개선하여 축비 대역폭을 개선하기 위하여 PEC 대신에 EBG 반사판을 사용하여 유용한 축비 대역폭을 3[GHz]에서 10[GHz]까지 개선하는 방법을 제시하고자 한다.
따라서 EBG 반사판을 안테나의 반사판으로 사용 하여, 낮은 높이(low-profile)의 안테나를 설계시, EBG의 PMC 주파수를 저주파에서 발생시키고, 동위상 대역폭을 크게하면, EBG 반사판과 스파이럴 안테나 사이의 높이 h가 고정되어 있으므로, 저주파에서 h ≪ λ 일지라도, 동위상 반사를 발생시키고, 고주파에서는 EBG가 PEC로 작용하고 높이도 h ≈ λ/4에 근접하므로, 전 주파수 영역에서 안테나의 복사 효율 향상 시킬 것이라 사료된다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 단일 방향 복사 등각 스파이럴 안테나를 위하여 EBG 반사판을 사용하는 경우, 원형 편파의 기준이 되는 축비(Axial Ratio)의 대역폭, 이득, S11 및 입력 임피던스의 특성을 개선하는 방법에 대하여 제시하고자 한다.
이러한 관점에서 본 연구에서는 문헌 [4]에서 사용한 동일한 안테나 암의 반경을 사용하여 3-10[GHz] 주파수 범위에서 축비를 해석하여 문헌 [4]의 결과와 비교하여 EBG 반사판 위에 h ≪ λ/4로 배치한, 단일 방향 등각 스파이럴 안테나의 성능을 해석하고자 한다.
이러한 관점에서 본 연구에서는 스파이럴 암의 끝부분에서 반사 전류를 줄이기 위하여, 암의 끝부분을 원호 처리하여 유효길이를 길게 하였는데, 그림 12는 암의 끝부분에서 원호의 길이를 0.5π 로 하고, 각각의 스파이럴 안테나에서 AR를 관심의주파수 범위에서 자유공간에서 계산한 것인데, 암의 끝부분에 원호를 사용한 경우가 절단면을 사용한 경우보다 AR이 개선된 것을 알 수 있다.
제안 방법
원형 편파를 +z 방향으로만 복사하는, 높이가 낮은 (low-profile) 안테나의 축비를 개선하기 위하여 PEC 반사판 대신 그림 19와 같이 EBG 반사판 위에 앞에서 사용한 등각 스파이럴 안테나를 위치시키고 축비를 계산하였다. 즉, 안테나의 중심에서 스파이럴 암의 최대 반경은 약 56.
한편, 본 연구에서는, 가능한 AR값이 관심의 주파수영역에서 제일 작은 경우인, 회전각도 Θ = 10π인 경우를 선택하여 해석하고자 한다.
성능/효과
따라서 EBG 반사판을 안테나의 반사판으로 사용 하여, 낮은 높이(low-profile)의 안테나를 설계시, EBG의 PMC 주파수를 저주파에서 발생시키고, 동위상 대역폭을 크게하면, EBG 반사판과 스파이럴 안테나 사이의 높이 h가 고정되어 있으므로, 저주파에서 h ≪ λ 일지라도, 동위상 반사를 발생시키고, 고주파에서는 EBG가 PEC로 작용하고 높이도 h ≈ λ/4에 근접하므로, 전 주파수 영역에서 안테나의 복사 효율 향상 시킬 것이라 사료된다.
이것은, EBG 반사판 중심에 정재파 전류가 모이고, 이것이 + z에서 교차 편파를 발생시키고, 축비를 크게 만드는 원인으로 판단하고, 정재파 전류를 제거하기 위하여 EBG 반사판의 중심에서부터 일부를 제거하여 축비, 입력 임피던스, 이득, S11를 개선하였다. 즉, 관심의 주파수 대역 3 - 10[GHz]에서 축비가 3[dB]이하가 되고, 입력 임피던스는 변화의 폭이 작고, 이득은 반사판을 사용하지 않는 자유공간의 경우 보다 약 3[dB] 정도 크고, S11은 낮은 주파수에서도 - 10[dB]이하의 값을 얻어 기존의 문헌[4]의 연구결과보다 매우 개선된 결과를 얻었다. 향후의 연구 방향은 EBG 반사판 셀에 존재하는 전류 정재파와 금지대역사이의 관계를 해석하여, EBG 반사판을 이용하여 단일 방향 복사 스파이럴 안테나의 최적화 설계를 연구방향으로 하고자 한다.
후속연구
즉, 관심의 주파수 대역 3 - 10[GHz]에서 축비가 3[dB]이하가 되고, 입력 임피던스는 변화의 폭이 작고, 이득은 반사판을 사용하지 않는 자유공간의 경우 보다 약 3[dB] 정도 크고, S11은 낮은 주파수에서도 - 10[dB]이하의 값을 얻어 기존의 문헌[4]의 연구결과보다 매우 개선된 결과를 얻었다. 향후의 연구 방향은 EBG 반사판 셀에 존재하는 전류 정재파와 금지대역사이의 관계를 해석하여, EBG 반사판을 이용하여 단일 방향 복사 스파이럴 안테나의 최적화 설계를 연구방향으로 하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스파이럴 안테나의 양 방향 복사를 단일 방향 복사 패턴으로 변환하는 간단한 방법은 무엇인가?
스파이럴 안테나의 양 방향 복사를 단일 방향 복사 패턴으로 변환하는 간단한 방법은 완전 도체인 PEC(Perfect Electronic Conductor) 위에 안테나를 위치시키는 것이다. 그림 13에서 PEC 반사판은 정사각형이고 한 변의 길이는 SPEC 이고, 안테나는 PEC 반사판 위에 높이 hPEC 에 위치시킨다.
등각 스파이럴 안테나는 안테나 면의 수직 방향으로 어떤 패턴을 가지는가?
임피던스, 복사 패턴 등이 넓은 주파수 대역에서 크게 변하지 않는 주파수 독립 안테나 중의 하나인, 등각 스파이럴 안테나(Equiangular Sp- iral Antenna)는 안테나 면의 수직 방향으로 원형 편파(Circular Polarization)를 대칭적으로 양 방향(bi-directional) 복사하는 패턴을 가진다[1]. 그러나 방향 탐지 및 신호 탐지와 같은 많은 응용에서 스파이럴 안테나는 원형 편파를 단일 방향(uni-directional)으로 복사하는 패턴을 요구하므로, 양방향 복사를 단일방향으로 복사하는 변환 장치가 필요하다.
돌기형 EBG의 각 패치는 중심에 via를 사용하여 접지 면과 연결하는데 그 이유는 무엇인가?
과 같이 도체 접지 면을 가지는 유전체 위에 사각형 도체 패치를 에칭한 형태인데, Sievenpiper 구조 혹은 버섯(mushroom) 형태 구조라고 한다[6]. 각 패치는 중심에 via를 사용하여 접지 면과 연결하는데, 이것은 병렬 인덕터를 만들기 위한 것이다.
참고문헌 (8)
J. Dyson, "Equiangular spiral antenna," IRE Trans. Ant. Propag., vol. 7, no. 2, pp. 181-187, Apr. 1959.
J. R. Cho, J. O. Park, B. S. You, U. S. Jeong, W. S. Chung, and D. C. Park, "Design of a 2-18 GHz wideband cavity-backed spiral antenna," J. KIEES, vol. 19, no. 10, pp. 1166-1174, Oct. 2008.
N. D. Jeon, D. H. Shin, and D. C. Park, "Design of a 0.5-2 GHz cavity-backed spiral antenna," J. KIEES, vol. 21, no. 3, pp. 269-277, Mar. 2010.
H. Nakano, K. Kokkawa, N. Kondo, Y. Iitsuka, and J. Yamauchi, "Low-Profile equiangular spiral antenna backed by an EBG reflector," IEEE Trans. Ant. Propa., vol. AP. 57, no. 5, pp. 1309-1318, May 2009.
S. H. Yoon, "Study on performance enhancement of microstrip antenna using EBG structure," J. KICS, vol. 39B, no. 1, pp. 44-52, Jan. 2014.
D. Sievenpiper, "High-impedance electromagnetic surfaces," Ph.D. dissertation, Dept. Elect. Eng. Univ. California at Los Angels, CA, 1999. pp. 434-436, Sept. 2004.
D. Sievenpipper, L. Zhang, R. Broas, N. Alexopoulos, and E. Yablonovitch, "Highimpedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band," IEEE Trans. Microw. Theory and Techniques, vol. 47, no. 11. pp. 2059-2074, Nov. 1999.
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