방사개구면에 역 L형 기생소자를 세운 GPS용 이중대역 마이크로스트립 안테나 설계 A Design of Dual-band Microstrip Antenna Loading Inverted-L-shaped Parasitic Elements Vertically at Radiation Apertures for GPS Applications원문보기
본 논문에서는 마이크로스트립 패치 안테나의 방사개구면에 역 L형 기생소자를 수직으로 세운 이중대역 마이크로스트립 안테나를 설계 및 제작하였다. 제안된 안테나는 GPS$L_1(1.575 GHz)$과 $L_2(1.227 GHz)$ 대역을 수용하도록 설계하였다. 먼저, GPS $L_1$ 대역은 반파장 마이크로스트립 패치 안테나를 이용하여 수용하였고, 섭동법을 이용하기 위해 방사개구면에 수직으로 세워 역 L형 기생소자를 패치안테나와 커플링시켜 공진시킴으로써 GPS $L_2$ 대역을 수용하였다. 다음으로 두 대역에서 모두 원형편파를 발생시키기 위해서 급전점 반대편 방사개구면에 각각의 편파에 해당하는 방사개구면에 역 L형 기생소자를 각각 세웠고, 패치 안테나의 급전점을 대각선으로 옮겨 이중대역 원형편파 마이크로스트립 안테나를 설계하였다. 이렇게 설계된 원형편파 안테나의 크기는 $88.5{\times}79{\times}10.4mm^3$ ($0.36{\lambda}_L{\times}0.32{\lambda}_L{\times}0.04{\lambda}_L$, ${\lambda}_L$은 1.227 GHz의 공기 중 파장)의 크기를 가지며, 단층으로 저자세를 유지한다. -10 dB 대역폭은 GPS $L_1$대역에서 116.3 MHz(7.4%), GPS $L_2$대역 64.3 MHz(5.2%)로 측정되어 GPS $L_1$과 $L_2$ 대역의 요구대역폭(각각 24 MHz)을 만족하였다. 3 dB 축비 대역폭은 11.7 MHz(0.74%)와 14 MHz(1.14%)로 각각 측정되었으며, 방사패턴은 두 대역에서 모두 브로드 사이드 방사패턴을 형성하였다.
본 논문에서는 마이크로스트립 패치 안테나의 방사개구면에 역 L형 기생소자를 수직으로 세운 이중대역 마이크로스트립 안테나를 설계 및 제작하였다. 제안된 안테나는 GPS $L_1(1.575 GHz)$과 $L_2(1.227 GHz)$ 대역을 수용하도록 설계하였다. 먼저, GPS $L_1$ 대역은 반파장 마이크로스트립 패치 안테나를 이용하여 수용하였고, 섭동법을 이용하기 위해 방사개구면에 수직으로 세워 역 L형 기생소자를 패치안테나와 커플링시켜 공진시킴으로써 GPS $L_2$ 대역을 수용하였다. 다음으로 두 대역에서 모두 원형편파를 발생시키기 위해서 급전점 반대편 방사개구면에 각각의 편파에 해당하는 방사개구면에 역 L형 기생소자를 각각 세웠고, 패치 안테나의 급전점을 대각선으로 옮겨 이중대역 원형편파 마이크로스트립 안테나를 설계하였다. 이렇게 설계된 원형편파 안테나의 크기는 $88.5{\times}79{\times}10.4mm^3$ ($0.36{\lambda}_L{\times}0.32{\lambda}_L{\times}0.04{\lambda}_L$, ${\lambda}_L$은 1.227 GHz의 공기 중 파장)의 크기를 가지며, 단층으로 저자세를 유지한다. -10 dB 대역폭은 GPS $L_1$대역에서 116.3 MHz(7.4%), GPS $L_2$대역 64.3 MHz(5.2%)로 측정되어 GPS $L_1$과 $L_2$ 대역의 요구대역폭(각각 24 MHz)을 만족하였다. 3 dB 축비 대역폭은 11.7 MHz(0.74%)와 14 MHz(1.14%)로 각각 측정되었으며, 방사패턴은 두 대역에서 모두 브로드 사이드 방사패턴을 형성하였다.
In this paper, we present novel dual-band microstrip antennas using inverted-L-shaped parasitic elements vertically at radiation apertures for GPS L1(1.575 GHz) and L2(1.227 GHz) bands. For making dual band which has large interval, the inverted-L-shaped parasitic element was loaded at the radiation...
In this paper, we present novel dual-band microstrip antennas using inverted-L-shaped parasitic elements vertically at radiation apertures for GPS L1(1.575 GHz) and L2(1.227 GHz) bands. For making dual band which has large interval, the inverted-L-shaped parasitic element was loaded at the radiation aperture of a half-wavelength patch antenna(GPS L1) in opposite direction of the feeding point for receiving the low frequency(GPS L2). The low frequency occurs by perturbation and coupling between the patch and parasitic. Next, due to use circular polarizations at the GPS applications, two inverted-L-shaped parasitic elements were loaded at radiation apertures of each polarizations and the feeding point was moved at diagonal part of the patch. The dimensions of the designed circularly polarized antenna were $88.5{\times}79{\times}10.4mm^3$ ($0.36{\lambda}L{\times}0.32{\lambda}L{\times}0.04{\lambda}L$, ${\lambda}L$ is the free-space wavelength at 1.227 GHz). Measured -10 dB bandwidths were 116.3 MHz(7.4%) and 64.3 MHz(5.2%) at GPS L1 and L2 bands, respectively. All of these cover the respective required system bandwidths. The measured 3 dB axial ratio bandwidths were 11.7 MHz(0.74%) and 14 MHz(1.14%), respectively. Within each of the designed bands, broadside radiation patterns were observed.
In this paper, we present novel dual-band microstrip antennas using inverted-L-shaped parasitic elements vertically at radiation apertures for GPS L1(1.575 GHz) and L2(1.227 GHz) bands. For making dual band which has large interval, the inverted-L-shaped parasitic element was loaded at the radiation aperture of a half-wavelength patch antenna(GPS L1) in opposite direction of the feeding point for receiving the low frequency(GPS L2). The low frequency occurs by perturbation and coupling between the patch and parasitic. Next, due to use circular polarizations at the GPS applications, two inverted-L-shaped parasitic elements were loaded at radiation apertures of each polarizations and the feeding point was moved at diagonal part of the patch. The dimensions of the designed circularly polarized antenna were $88.5{\times}79{\times}10.4mm^3$ ($0.36{\lambda}L{\times}0.32{\lambda}L{\times}0.04{\lambda}L$, ${\lambda}L$ is the free-space wavelength at 1.227 GHz). Measured -10 dB bandwidths were 116.3 MHz(7.4%) and 64.3 MHz(5.2%) at GPS L1 and L2 bands, respectively. All of these cover the respective required system bandwidths. The measured 3 dB axial ratio bandwidths were 11.7 MHz(0.74%) and 14 MHz(1.14%), respectively. Within each of the designed bands, broadside radiation patterns were observed.
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문제 정의
본 논문에서는 GPS L1 및 L2대역을 수용할 수 있는 새로운 형태의 이중대역 마이크로스트립 안테나를 설계하였다. 기본 마이크로스트립 패치 안테나의 방사개구면에 역 L형 기생 소자를 세움으로써, 패치와 기생소자의 커플링과 섭동법을 통해 두 주파수대역 간격이 넓은 대역을 공진시켰을 뿐만 아니라 소형화까지 하였다.
본 논문에서는 GPS L1(1.575 GHz)과 L2(1.227 GHz)대역을 수용할 수 있는 이중대역 마이크로스 트립 패치 안테나를 설계하였다. 방사개구면에 역 L형 기생소자를 세웠고, 패치 소자와 기생소자간의 커플링과 섭동법[7]을 통해 GPS L1 대역과 L2 대역을 수신할 수 있는 단층의 저자세인 새로운 형태의 다중대역 안테나를 설계하였다.
대역을 패치 안테나로 수용하였다. 하위주파수인 GPS L2 대역을 수용하기 위해서 방사개구면에 역 L형 기생소자를 수직으로 세웠는데, 이는 역 L형 기생소자와 패치 간의 커플링을 통하여 이중대역을 형성할 뿐만 아니라, 전계 에너지가 강한 패치의 끝 부분에 기생 소자를 배치함으로써 섭동법 효과로 안테나를 소형화하기 위해서이다. 또한, 급전쪽 방사개구면의 전류세기가 강하기 때문에 기생소자를 내장할 경우 급전점과 접지면이 상당히 가깝게 되어 대역폭이 좁아지므로 급전점 반대편에 기생소자를 배치하였다.
제안 방법
대역을 수용할 수 있는 새로운 형태의 이중대역 마이크로스트립 안테나를 설계하였다. 기본 마이크로스트립 패치 안테나의 방사개구면에 역 L형 기생 소자를 세움으로써, 패치와 기생소자의 커플링과 섭동법을 통해 두 주파수대역 간격이 넓은 대역을 공진시켰을 뿐만 아니라 소형화까지 하였다. 이렇게 설계된 선형편파 마이크로스트립 안테나는 단층이면서 이중대역 특성을 가지며, 파라미터 연구를 통해 각각의 파라미터에 의해 독립적인 공진주파수 조절 가능함을 확인하였다.
먼저, 패치 소자를 상위주파수(L1 대역)에 공진시켰고, 다음으로 역 L형 기생소자를 방사개구면에 세움으로써 하위주파수 (L2 대역)을 공진시켜 이중대역을 형성하였다. 기존의 선행 연구된 3중대역 마이크로스트립 안테나[8]는 역 L형과 T형의 기생소자를 선형편파 마이크로 스트립 안테나의 양쪽 방사개구면에 세워 3중대역 선형편파 마이크로스트립 안테나를 설계하였지만, GPS의 경우 원형편파를 사용하고 있기 때문에, 본 논문에서는 각각의 편파의 방사개구면에 역 L형 기생소자를 하나씩 세우고, 급전점을 패치 안테나의 대각선에 위치하였다. 아래에는 위에 설명된 이론을 바탕으로 설계되고 제작된 안테나들에 관해 기술하고자 한다.
다음으로 이중대역 원형편파를 발생시키기 위해서 급전점 반대편 각각의 편파 방사개구면에 역 L형 기생소자를 배치하였다. 또한, 급전점을 패치 안테나의 대각선에 배치하였다.
이렇게 설계된 선형편파 마이크로스트립 안테나는 단층이면서 이중대역 특성을 가지며, 파라미터 연구를 통해 각각의 파라미터에 의해 독립적인 공진주파수 조절 가능함을 확인하였다. 또한, 원형편파를 발생시키기 위해서 역 L형 기생소자를 각각의 편파의 급전점 반대편의 방사개구면에 하나씩 세웠고, 패치 안테나 대각선에 급전하였다. 제작된 원형편파 이중대역 안테나는 0.
방사개구면에 역 L형 기생소자를 세웠고, 패치 소자와 기생소자간의 커플링과 섭동법[7]을 통해 GPS L1 대역과 L2 대역을 수신할 수 있는 단층의 저자세인 새로운 형태의 다중대역 안테나를 설계하였다. 먼저, 패치 소자를 상위주파수(L1 대역)에 공진시켰고, 다음으로 역 L형 기생소자를 방사개구면에 세움으로써 하위주파수 (L2 대역)을 공진시켜 이중대역을 형성하였다. 기존의 선행 연구된 3중대역 마이크로스트립 안테나[8]는 역 L형과 T형의 기생소자를 선형편파 마이크로 스트립 안테나의 양쪽 방사개구면에 세워 3중대역 선형편파 마이크로스트립 안테나를 설계하였지만, GPS의 경우 원형편파를 사용하고 있기 때문에, 본 논문에서는 각각의 편파의 방사개구면에 역 L형 기생소자를 하나씩 세우고, 급전점을 패치 안테나의 대각선에 위치하였다.
227 GHz)대역을 수용할 수 있는 이중대역 마이크로스 트립 패치 안테나를 설계하였다. 방사개구면에 역 L형 기생소자를 세웠고, 패치 소자와 기생소자간의 커플링과 섭동법[7]을 통해 GPS L1 대역과 L2 대역을 수신할 수 있는 단층의 저자세인 새로운 형태의 다중대역 안테나를 설계하였다. 먼저, 패치 소자를 상위주파수(L1 대역)에 공진시켰고, 다음으로 역 L형 기생소자를 방사개구면에 세움으로써 하위주파수 (L2 대역)을 공진시켜 이중대역을 형성하였다.
설계된 안테나는 상위주파수인 GPS L1 대역을 패치 안테나로 수용하였다. 하위주파수인 GPS L2 대역을 수용하기 위해서 방사개구면에 역 L형 기생소자를 수직으로 세웠는데, 이는 역 L형 기생소자와 패치 간의 커플링을 통하여 이중대역을 형성할 뿐만 아니라, 전계 에너지가 강한 패치의 끝 부분에 기생 소자를 배치함으로써 섭동법 효과로 안테나를 소형화하기 위해서이다.
제안된 방사개구면에 기생소자를 세운 이중대역 선형편파 안테나의 경우 각각의 공진주파수를 독립적인 파라미터에 의해서 조절이 가능하다. 이를 증명하기 위해서 CST MWS 2010의 시뮬레이터를 이용하여 파라미터 연구를 하였다.
대상 데이터
설계된 안테나는 300 × 300 mm2(1.227λL × 1.227λL, λL은 자유 공간에서 1.227 GHz의 파장)로 충분히 큰 접지면 위에서 설계하였고, 패치와 역 L형 기생소자를 지지하기 위해서 0.4 mm 두께의 FR-4(ϵr = 4.3) 기판을 사용하였다.
성능/효과
설계된 안테나는 기존의 다중대역 마이크로스트립 안테나와 달리 단층의 저자세를 유지하면서, 소형화된 크기로 이중대역 특성을 얻었다. 그리고 모든 대역에서 브로드 사이드한 방사패턴을 얻었고, 주파수대역 간격이 큰 GPS 이중대역 수신용 안테나로 적합함을 확인하였다.
따라서 설계된 이중대역 선형편파 마이크로스트립 안테나의 경우 단층의 저자세로 이중대역 특성을 가지며 독립적인 공진주파수 조절이 가능함을 확인하였다. 또한, 제안된 안테나의 특성 결과를 바탕으로 이중대역 원형편파 안테나로 확대 가능함을 제시하였다.
따라서 설계된 이중대역 선형편파 마이크로스트립 안테나의 경우 단층의 저자세로 이중대역 특성을 가지며 독립적인 공진주파수 조절이 가능함을 확인하였다. 또한, 제안된 안테나의 특성 결과를 바탕으로 이중대역 원형편파 안테나로 확대 가능함을 제시하였다.
설계된 안테나는 기존의 다중대역 마이크로스트립 안테나와 달리 단층의 저자세를 유지하면서, 소형화된 크기로 이중대역 특성을 얻었다. 그리고 모든 대역에서 브로드 사이드한 방사패턴을 얻었고, 주파수대역 간격이 큰 GPS 이중대역 수신용 안테나로 적합함을 확인하였다.
을 나타내었다. 시뮬레이션 -10 dB 대역폭은 GPS L1 대역(1.575 GHz, 요구대역폭 24 MHz)에서 57.8 MHz(3.67 %), GPS L2 대역(1.227 GHz, 요구대역폭 24 MHz)에서 40.8 MHz(3.33 %)로 두 대역에서 모두 시스템의 요구 대역폭을 만족한다. 한편, 공진된 상, 하위주파수 사이에 공진이 발생하는데, 비대칭 구조를 가지는 역 L형 기생소자에 의해서 발생하는 교차 편파의 공진이다.
및 축비를 나타내었다. 시뮬레이션과 측정치는 거의 같으며, 측정된 -10 dB 대역폭은 GPS L1 대역에서 116.3 MHz(7.4 %)이며, GPS L2 대역에서는 64.3 MHz(5.2 %)로 두 대역에서 모두 GPS 요구 대역폭을 만족한다. 한편, 3 dB 축비 대역폭은 각각 11.
기본 마이크로스트립 패치 안테나의 방사개구면에 역 L형 기생 소자를 세움으로써, 패치와 기생소자의 커플링과 섭동법을 통해 두 주파수대역 간격이 넓은 대역을 공진시켰을 뿐만 아니라 소형화까지 하였다. 이렇게 설계된 선형편파 마이크로스트립 안테나는 단층이면서 이중대역 특성을 가지며, 파라미터 연구를 통해 각각의 파라미터에 의해 독립적인 공진주파수 조절 가능함을 확인하였다. 또한, 원형편파를 발생시키기 위해서 역 L형 기생소자를 각각의 편파의 급전점 반대편의 방사개구면에 하나씩 세웠고, 패치 안테나 대각선에 급전하였다.
제안된 방사개구면에 기생소자를 세운 이중대역 선형편파 안테나의 경우 각각의 공진주파수를 독립적인 파라미터에 의해서 조절이 가능하다. 이를 증명하기 위해서 CST MWS 2010의 시뮬레이터를 이용하여 파라미터 연구를 하였다.
제작된 원형편파 이중대역 안테나는 0.35λL × 0.34λL × 0.04λL의 크기를 가지며, 측정된 –10 dB 대역폭은 GPS 요구 대역폭을 만족하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 논문에서 제안한 마이크로스트립 안테나에서 급전점 반대편 각각의 편파 방사개구면에 역 L형 기생소자를 배치한 이유는 무엇인가?
다음으로 이중대역 원형편파를 발생시키기 위해서 급전점 반대편 각각의 편파 방사개구면에 역 L형 기생소자를 배치하였다. 또한, 급전점을 패치 안테나의 대각선에 배치하였다.
마이크로스트립 안테나는 어느 분야에 사용되고 있는가?
마이크로스트립 안테나는 금속성 패치와 접지면 사이에 유전체를 넣어 간단히 제작할 수 있다는 장점과 저자세와 브로드사이드한 방사패턴으로 인하여 현재에는 항공기, 미사일 또는 이동 통신 분야에서의 안테나로 많이 사용되고 있다[1-3]. 마이크로 스트립 패치 안테나의 발달은 1970년대 초 우주선 분야에 응용되면서 매우 인기가 높아져 많은 연구가 되었으며, 그 중 다중대역 특성화 역시 많이 연구되었다.
스터브를 이용한 구조의 단점은 무엇인가?
스터브를 이용한 구조는 패치 안테나에 스터브를 연결하여 다중대역을 형성하였다. 하지만 스터브의 길이에 의해서 안테나의 크기가 증가하게 되는 단점이 있다. 따라서 단층의 저자세를 유지하면서 안테나의 크기가 증가하지 않는 새로운 형태의 다중대역 마이크로스트립 안테나의 연구가 필요하다.
참고문헌 (8)
J. R. James and P. S. Hall, Handbook of microstrip antennas, London, United Kingdom, Peter Peregrinus Ltd., 1989.
D. M. Pozar and D. H. Schauert, Microstrip Antennas, NJ, USA, Wiley-Interscience, 1995.
K. F. Lee and W. Chen, Advances in Microstrip and Printed Antennas, New York, NY, USA, Wiley-Interscience, 1997.
K. F. Lee and K. F. Tong, "Microstrip patch antennas-basic characteristics and some recent advances," Proceedings of the IEEE, Vol. 100, no. 7, pp.2169-2180, Jul. 2012.
J. Anguera, G. Font, C. Puente, C. Borja, and J. Soler, "Multifrequency microstrip patch antenna using multiple stacked elements," IEEE Microwave and Wireless Components Lett., Vol. 13, no. 3, pp. 123-124, Mar. 2003.
A. A. Deshmukh and K. P. Ray, "Multi-band configurations of stub-loaded slotted rectangular microstrip antennas," IEEE Antennas Propag. Mag., Vol. 52, no. 1, pp.89-103, Feb. 2010.
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