본 논문에서는 프린트 다이폴의 지향성 증가와 동시에 부엽 레벨을 억제하는 기능을 가진 저속파 구조를 제안하고 구성 설계변수의 변화에 따른 전기적 특성의 변화를 알아보고자 한다. 유전체 기판과 도체 막대의 배열로 구성된 프린트 형태의 저속파 구조는 프린트 다이폴 안테나의 여기 방향에 위치하며 안테나의 방사 패턴 및 세기에 영향을 미친다. 이 도체 막대로 된 기생소자는 좁은 간격을 가지고 일정하게 배열되며 소자의 길이는 점차 줄어드는 형상을 가진다. 따라서 본 연구에서는 저속파 구조에서 방사 성능에 영향을 줄 수 있는 변수로 기생소자 배열 간격, 소자 길이, 소자 길이의 테이퍼 각도가 고려되며, 변수들의 변화에 따른 전기장 세기 및 위상 분포가 관찰 및 분석된다. 이를 기반으로 방사패턴이 분석이 되며, 고지향성 특성을 위한 저속파 구조의 기생소자 배열 방안이 제공된다. 제안된 안테나는 Wifi 대역(5.15~5.85 GHz)에서 동작하도록 설계되며, 안테나의 이득을 극대화하고 부엽을 억제하도록 저속파 기생소자의 설계변수가 최적화된다. 제작된 안테나의 시뮬레이션 및 측정 결과 넓은 대역폭 특성을 나타내며, 높은 효율과 이득, 낮은 부엽 레벨을 갖는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 프린트 다이폴의 지향성 증가와 동시에 부엽 레벨을 억제하는 기능을 가진 저속파 구조를 제안하고 구성 설계변수의 변화에 따른 전기적 특성의 변화를 알아보고자 한다. 유전체 기판과 도체 막대의 배열로 구성된 프린트 형태의 저속파 구조는 프린트 다이폴 안테나의 여기 방향에 위치하며 안테나의 방사 패턴 및 세기에 영향을 미친다. 이 도체 막대로 된 기생소자는 좁은 간격을 가지고 일정하게 배열되며 소자의 길이는 점차 줄어드는 형상을 가진다. 따라서 본 연구에서는 저속파 구조에서 방사 성능에 영향을 줄 수 있는 변수로 기생소자 배열 간격, 소자 길이, 소자 길이의 테이퍼 각도가 고려되며, 변수들의 변화에 따른 전기장 세기 및 위상 분포가 관찰 및 분석된다. 이를 기반으로 방사패턴이 분석이 되며, 고지향성 특성을 위한 저속파 구조의 기생소자 배열 방안이 제공된다. 제안된 안테나는 Wifi 대역(5.15~5.85 GHz)에서 동작하도록 설계되며, 안테나의 이득을 극대화하고 부엽을 억제하도록 저속파 기생소자의 설계변수가 최적화된다. 제작된 안테나의 시뮬레이션 및 측정 결과 넓은 대역폭 특성을 나타내며, 높은 효율과 이득, 낮은 부엽 레벨을 갖는 것을 확인할 수 있다.
This paper proposes slow wave structure(SWS) utilized to increase antenna gain of printed dipole antenna(PDA) and to suppress sidelobe level simultaneously, and makes sure of electrical characteristics of the antenna according to parameter variations of components of the slow wave structure. The pri...
This paper proposes slow wave structure(SWS) utilized to increase antenna gain of printed dipole antenna(PDA) and to suppress sidelobe level simultaneously, and makes sure of electrical characteristics of the antenna according to parameter variations of components of the slow wave structure. The printed slow wave structure which is composed of a dielectric substrate and a metal rods array is located on excited direction of the PDA, affecting the radiation pattern and its intensity. Parasitic elements of the metal rods are arrayed in narrow consistent gap and have a tendency to gradually decrease in length. In this paper, array interval, element length, and taper angle are selected as the parameter of the parasitic element that effects radiation characteristics. Magnitude and phase distribution of the electrical field are observed and analyzed for each parameter variations. On the basis of these results, while the radiation pattern is analyzed, array methods of parasitic elements of the SWS for high gain characteristics are provided. The proposed antenna is designed to be operated at the Wifi band(5.15~5.85 GHz), and parameters of the parasitic element are optimized to maximize antenna gain and suppress sidelobe. Simulated and measured results of the fabricated antenna show that it has wide bandwidth, high efficiency, high gain, and low sidelobe level.
This paper proposes slow wave structure(SWS) utilized to increase antenna gain of printed dipole antenna(PDA) and to suppress sidelobe level simultaneously, and makes sure of electrical characteristics of the antenna according to parameter variations of components of the slow wave structure. The printed slow wave structure which is composed of a dielectric substrate and a metal rods array is located on excited direction of the PDA, affecting the radiation pattern and its intensity. Parasitic elements of the metal rods are arrayed in narrow consistent gap and have a tendency to gradually decrease in length. In this paper, array interval, element length, and taper angle are selected as the parameter of the parasitic element that effects radiation characteristics. Magnitude and phase distribution of the electrical field are observed and analyzed for each parameter variations. On the basis of these results, while the radiation pattern is analyzed, array methods of parasitic elements of the SWS for high gain characteristics are provided. The proposed antenna is designed to be operated at the Wifi band(5.15~5.85 GHz), and parameters of the parasitic element are optimized to maximize antenna gain and suppress sidelobe. Simulated and measured results of the fabricated antenna show that it has wide bandwidth, high efficiency, high gain, and low sidelobe level.
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문제 정의
본론에서는 제안한 안테나의 자세한 구조를 살펴보고, 설계변수 연구를 통해 얻어진 결과를 바탕으로 최적화된 구조를 선정 할 것이다. 그 후 제작 및 측정을 통해 결과에 대해 고찰하고자 한다.
방사패턴 및 이득 증가에 영향을 주는 변수로 기생소자 길이, 기생소자 간격, 테이퍼 각도가 선정되었으며, 그 값에 따른 전기적 특성들의 변화를 확인했다. 또한, 저속파 구조의 전체 길이가 이득에 미치는 영향을 파악하여 정리했다. 설계변수 연구의 결과를 바탕으로 10 λ0 길이에서의 안테나 설계변수를 최적화하여 설계 및 제작을 하였으며, 측정을 통해 17.
본 논문에서는 안테나의 고이득 특성, 부엽 억제를 위한 저속파 구조에 대한 설계변수 연구를 수행하였다. 방사패턴 및 이득 증가에 영향을 주는 변수로 기생소자 길이, 기생소자 간격, 테이퍼 각도가 선정되었으며, 그 값에 따른 전기적 특성들의 변화를 확인했다.
본 논문에서는 위의 단점을 해결하고자 준 야기 안테나를 제안하고, 이득 증가 및 부엽 감소를 위해 사용되는저속파 구조의 설계변수에 대한 영향분석을 하고자 한다. 이 저속파 구조는 프린트 다이폴 안테나가 사용되기 가장 적합한 구조를 가지며, 안테나의 여기 방향에 위치하여 안테나의 전기적 특성을 변화시킨다.
제안 방법
본 논문에서는 안테나의 고이득 특성, 부엽 억제를 위한 저속파 구조에 대한 설계변수 연구를 수행하였다. 방사패턴 및 이득 증가에 영향을 주는 변수로 기생소자 길이, 기생소자 간격, 테이퍼 각도가 선정되었으며, 그 값에 따른 전기적 특성들의 변화를 확인했다. 또한, 저속파 구조의 전체 길이가 이득에 미치는 영향을 파악하여 정리했다.
2-2 시뮬레이션 환경 설정
설계변수 연구에 앞서 초기 환경을 구축하고, 방사 특성에 가장 큰 영향을 미치는 저속파 구조의 설계변수를 선정한다. 제안된 안테나는 타코닉(Taconic) 사의 RF35기판(εr=3.
앞 장에서는 저속파 구조의 설계변수 연구를 수행함으로써 각 변수에 따른 방사패턴 및 전기적 특성 변화를 살펴보았다. 그 결과, 고이득 안테나 설계를 위한 최적의 설계변수는 기생소자 길이와 테이퍼 각도는 증가시키며, 간격은 좁게 설정하는 것이 적절하다.
이러한 이유로 위의 세 설계변수가 방사특성에 영향을 미치는 가장 중요한 요소로 고려되었으며, 이 설계변수에 따른 특성을 관찰하기 위해 다른 모든 변수들은 고정된다. 예측 현상의 검증 및 분석을 위해 안테나와 5.5 mm(0.1 Ⲗₒ) 이격된 거리에서의 전기장 세기와 정규화 된 위상 분포가 관찰되며, 최종적으로 안테나의 특성에 어떠한 영향을 미치는지 확인한다.
위와 같은 결과를 바탕으로, 10 λ0의 저속파 구조 기생소자를 사용한 고이득 프린트 다이폴 안테나를 설계 및 제작했다.
제안된 구조의 초기 설계변수는 표 1에 정리하였다. 이 설계변수를 기반으로 하여 CST Microwave Studio를 사용해 그 특성을 확인하고 선정되는 설계변수의 변화에 따른 방사특성 변화를 분석한다.
프린트 안테나 및 캐비티의 설계변수는 고정한 채 저속파 구조의 설계변수의 변화만으로 이득 증가 및 부엽레벨을 억제하기 위한 연구가 진행된다. 이를 위해 도체 기생소자의 길이(Lp), 기생소자 간 간격(Sp), 기생소자 길이의 테이퍼(taper) 각도(\(\alpha\))가 설계변수로 선정되었다. 각 기생소자는 전자기 유도체임과 동시에 방사체, 그리고 전파 진행에 있어서는 간섭체로 해석된다[8].
제안된 안테나의 구조는 프린트 다이폴 안테나와 도체캐비티(cavity) 그리고 저속파 구조로 구성되며, 그림 1에 전체 안테나의 프린트된 앞면(좌)과 뒷면(우)이 자세히 묘사된다. 앞면은 다이폴 안테나와 저속파 구조가 프린트되어 있으며, 뒷면에는 프린트 다이폴에 직접 급전되는 급전 소자만이 포함된다.
그림 8에서는 시뮬레이션 및 측정을 통해 얻은 제작된 안테나의 전기적 특성이 주어진다. 제작된 안테나의 금속캐비티를 탈착시키며 실험을 진행하였으며, 캐비티의 효과를 보여주고자 한다. 그림 8(a)는 제작된 안테나의 입력 반사 특성을 나타낸다.
대상 데이터
제안된 안테나는 타코닉(Taconic) 사의 RF35기판(εr=3.5, 유전체 두께=30 mils, 동박 두께=18 μm, tanδ=0.0021)과 안테나 급전을 위한 50Ω 동축 케이블이 사용되며, 중심주파수 5.5 GHz에 대해 700 MHz 이상의 대역폭을 가지도록 설계된다.
성능/효과
앞 장에서는 저속파 구조의 설계변수 연구를 수행함으로써 각 변수에 따른 방사패턴 및 전기적 특성 변화를 살펴보았다. 그 결과, 고이득 안테나 설계를 위한 최적의 설계변수는 기생소자 길이와 테이퍼 각도는 증가시키며, 간격은 좁게 설정하는 것이 적절하다. 위와 같은 결과를 바탕으로, 10 λ0의 저속파 구조 기생소자를 사용한 고이득 프린트 다이폴 안테나를 설계 및 제작했다.
이것은 안테나와 기생소자, 기생소자 간의 상호결합이 증가함으로써 전달되는 전체 전기장 세기(또는 전력 세기)가 증가하고, 기생소자의 길이가 길어짐에 따라 측면으로의 위상지연에 영향을 미친 것으로 해석될 수 있다. 두 번째로 기생소자 간격(Sp)은 좁아짐에 따라 상호 결합이 증가하고, 이로 인해 저속파 구조가 배열된 방향으로의 진행파는 강화될 수 있다. 따라서 실제적인 방사점은 여기소자로부터 멀어지는 것을 의미하며, 이것이 전달된 전기장의 세기와 위상오차를 증가시키는 것으로 보이게 만든다.
하지만 효율은 직접 측정이 불가능하므로 시뮬레이션과 측정의 이득 차이를 바탕으로 추측될 수 있다. 따라서 효율은 1 dB 감소한 약 76 %로 추측 가능하며, 위에서 언급한 것과 같이 측정, 제작 상의 오차를 줄이면 95%에 근접할 수 있다.
71 GHz로 고주파 방향으로 190 MHz 가량 차이가 발생하며, 입력반사계수가 40 dB에서 25 dB로 약화는 것이 관찰된다. 또한, 기생소자 간격은 공진점의 위치편차는 50 MHz 이내로 큰 차이를 보이지 않지만, 상호결합이 증가함에 따라 입력반사계수는 30 dB에서 39dB까지 개선되는 것을 볼 수 있다. 마지막으로 테이퍼 각도는 공진점의 위치에서는 70 MHz의 편차로 크지 않은 차이를 만드는 것으로 확인되지만, 1.
기생소자 길이는 안테나와 저속파 구조 간 상호 결합량 및 위상속도 지연의 발생 방향에, 기생소자의 간격은 기생소자간의 상호 결합량과 방사 방향으로의 위상속도 감소에 영향을 줄 것으로 예상된다. 또한, 테이퍼 각도는 목표 방향으로의 진행파를 유도 및 진행 방향에 대한 차등한 위상속도의 감소를 유발함으로써 위상오차를 감소 시킬 것으로 예상된다. 이러한 이유로 위의 세 설계변수가 방사특성에 영향을 미치는 가장 중요한 요소로 고려되었으며, 이 설계변수에 따른 특성을 관찰하기 위해 다른 모든 변수들은 고정된다.
마지막으로 테이퍼 각도는 공진점의 위치에서는 70 MHz의 편차로 크지 않은 차이를 만드는 것으로 확인되지만, 1.5°에서는 0.5°의 테이퍼 각도에 비해 입력반사계수가 29 dB에서 42 dB까지 개선되는 것이 확인된다.
7 dBc(H-plane)으로 측정되었다. 부엽 특성이 다소 열화되었지만, 대체적으로 시뮬레이션과 유사한 방사 패턴을 가지며, 전체적으로 이득은 약 1 dB 감소한 것으로 확인된다. 이는 입력커넥터 손실, 측정 환경의 오차, 제작상의 오차 등의 요인으로 발생한 것으로 판단된다.
설계변수 연구의 결과를 바탕으로 10 λ0 길이에서의 안테나 설계변수를 최적화하여 설계 및 제작을 하였으며, 측정을 통해 17.8 dBi의 높은 이득과 16.2 dBc(Eplane), 19.7 dBc(H-plane)의 부엽 레벨을 가질 수 있음을 확인하였다.
그림 8(a)는 제작된 안테나의 입력 반사 특성을 나타낸다. 이는 목표 대역(5.15～5.85 GHz)에서 VSWR 1.5:1의 동작 특성을 만족하지만, 시뮬레이션 결과에 비해 측정된 입력반사손실은 열화되었으며, 기준특성에서의 대역폭도 줄어들었다. VSWR 2:1 기준으로는 모두 40% 이상의 광대역 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
저속파 구조 길이(Hsws )를 0 mm부터 550 mm(10 λ0)까지 1 λ0씩 증가시키며 안테나 이득을 확인하였으며, 그 길이가 2배씩 증가할 때마다 약 3 dB의 이득이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
제안된 안테나는 시뮬레이션 상 약 95%(-0.2 dB)의 고효율 특성을 가진다. 하지만 효율은 직접 측정이 불가능하므로 시뮬레이션과 측정의 이득 차이를 바탕으로 추측될 수 있다.
이 저속파 구조는 프린트 다이폴 안테나가 사용되기 가장 적합한 구조를 가지며, 안테나의 여기 방향에 위치하여 안테나의 전기적 특성을 변화시킨다. 제안된 안테나는 프린트 타입으로 설계되어 방사 특성을 최적화하기 위한 설계변수 조정과 제작이 편리하다는 장점을 가진다. 즉, 참고문헌 [5]와 비교해 같은 이득에서 방사 특성의 최적화를 통해 보다 낮은 부엽 레벨을 가질 수 있다.
기생소자가 존재하는 x축을 기준으로 그 특성이 관찰되며, 이것은 기생소자의 고유한 특성을 보여줄 수 있다. 첫 번째 설계변수인 기생 소자 길이(Lp)는 값이 증가함에 따라 중앙으로 전달되는 전기장의 세기가 크게 증가되며, 위상 오차를 증가시키는 것으로 관찰된다. 이것은 안테나와 기생소자, 기생소자 간의 상호결합이 증가함으로써 전달되는 전체 전기장 세기(또는 전력 세기)가 증가하고, 기생소자의 길이가 길어짐에 따라 측면으로의 위상지연에 영향을 미친 것으로 해석될 수 있다.
캐비티가 장착된 것을 기준으로 비교되었으며, 프린트 다이폴 안테나는 제작된 안테나의 저속파 구조만을 잘라냄으로써 구현되었다. 측정 결과, 단일 프린트 다이폴 안테나를 사용하였을 때 주 빔의 안테나 이득은 8.9dBi에 불과하지만, 저속파 구조를 가질 경우는 17.8 dBi로, 약 8.9 dB 만큼의 이득이 증가하는 것을 확인하였다.
캐비티가 장착되었을 때를 기준으로, 시뮬레이션을 통해 얻어진 안테나 이득은 18.8 dBi, 3 dB 빔폭은 21.9°(E-plane), 23.0°(H-plane),그리고 18.9 dBc(E-plane), 22.6 dBc(H-plane)의 부엽 레벨을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.
그림 8(b), (c)는 각각 제작된 안테나의 E-plane/H-plane에 대한 이득 및 방사패턴을 보여준다. 캐비티로 인해 주빔의 이득은 E-plane/H-plane 모두 약 0.3 dB씩 증가했으며, 부엽은 1～2 dB까지 전반적으로 레벨이 억압된 것이 확인되었다. 이는 앞서 캐비티의 용도에 대한 설명을 통해 논의된 내용과 일치함을 알 수 있다.
후속연구
즉, 참고문헌 [5]와 비교해 같은 이득에서 방사 특성의 최적화를 통해 보다 낮은 부엽 레벨을 가질 수 있다. 본론에서는 제안한 안테나의 자세한 구조를 살펴보고, 설계변수 연구를 통해 얻어진 결과를 바탕으로 최적화된 구조를 선정 할 것이다. 그 후 제작 및 측정을 통해 결과에 대해 고찰하고자 한다.
7 dBc(H-plane)의 부엽 레벨을 가질 수 있음을 확인하였다. 이와 같은 결과는 유사한 이득을 가진 안테나에 비해 낮은 부엽레벨을 가질 수 있으며, 향후 장거리 무선 통신 시스템과 같이 고지향성, 고효율 안테나가 필요한 분야에서 널리 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고전적 야기-우다 안테나의 단점을 해결하고자 제안된 구조는?
지향소자를 사용하는 야기-우다 안테나는 높은 이득을 얻기 용이하지만, 이득 증가에 한계가 존재하며, 부엽 특성을 개선하기에는 어려움이 있다. 고전적 야기-우다 안테나의 단점을 해결하고자 다층 원형 도체를 적층하는 구조가 제안되었다[5]. 다층 원형 도체를 사용하는 구조는 이득을 증가시키는데 큰 장점을 보이지만, 부엽 억제에는 제작 상에서 어려움을 가진다.
프린트 다이폴 안테나의 특성은?
구성소자의 일부인 프린트 다이폴 안테나는 패치 모양의 다이폴 안테나와, 밸런스 급전 및 임피던스 변환을 위해 머천트 발룬(marchant balun)이프린트된 타입으로 설계된 방사 소자이다. 이는 광대역에서 동작이 가능하며, 설계가 비교적 간단하고 제작이 편리한 특성을 갖는다[6]. 참고문헌 [6]과 원형 도체 캐비티는 프린트 다이폴 안테나를 측면에서 둘러싸는 구조를 가지며, 이것은 다이폴 안테나의 측엽 방사를 줄여주는 역할을 함과 동시에 방사 방향으로의 이득은 증가시킨다.
프린트 다이폴 안테나란?
앞면은 다이폴 안테나와 저속파 구조가 프린트되어 있으며, 뒷면에는 프린트 다이폴에 직접 급전되는 급전 소자만이 포함된다. 구성소자의 일부인 프린트 다이폴 안테나는 패치 모양의 다이폴 안테나와, 밸런스 급전 및 임피던스 변환을 위해 머천트 발룬(marchant balun)이프린트된 타입으로 설계된 방사 소자이다. 이는 광대역에서 동작이 가능하며, 설계가 비교적 간단하고 제작이 편리한 특성을 갖는다[6].
참고문헌 (8)
D. M. Pozar, D. H. Schaubert, Microstrip Antennas: The Analysis and Design of Microstrip Antennas and Arrays, John Wiley & Sons, 1995.
Sang-Rok Lee, "Analysis of the effects by multi-stacking of superstrates on circular-polarized patch antenna", Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers, vol. 51, no. 3, pp. 202-209, 2014.
H. Vettikalladi, O. Lafond, and M. Himdi, "High-efficient and high-gain superstrate antenna for 60-GHz indoor communication", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 8, pp. 1422-1425, 2009.
D. M. Pozar, S. D. Targonski, and H. D. Syrigos, "Design of millimeter wave microstrip reflectarrays", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 45, no. 2, pp. 287-296, 1997.
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