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EBG 표면 위의 단일 방향 복사 등각 안테나의 성능 해석
Performance Analysis of the Uni-Directional Radiation Equiangular Antenna over EBG Surface 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.40 no.8, 2015년, pp.1622 - 1630  

윤성현 ,  김재관 (영도산업전자)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

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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.
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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.
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참고문헌 (8)

  1. J. Dyson, "Equiangular spiral antenna," IRE Trans. Ant. Propag., vol. 7, no. 2, pp. 181-187, Apr. 1959. 

  2. 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. 

  3. 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. 

  4. 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. 

  5. S. H. Yoon, "Study on performance enhancement of microstrip antenna using EBG structure," J. KICS, vol. 39B, no. 1, pp. 44-52, Jan. 2014. 

  6. D. Sievenpiper, "High-impedance electromagnetic surfaces," Ph.D. dissertation, Dept. Elect. Eng. Univ. California at Los Angels, CA, 1999. pp. 434-436, Sept. 2004. 

  7. 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. 

  8. C. A. Balanis, Advanced Engineering Electomagnetics, John Wiley & Sons, pp. 154-168, 1989. 

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