[논문]직사각형 및 삼각형 기생패치를 이용한 860MHz 대역 광대역 적층 마이크로스트립 안테나

고진현; 김건균; 이승엽; 이종익

doi:10.6109/jkiice.2016.20.5.874

직사각형 및 삼각형 기생패치를 이용한 860MHz 대역 광대역 적층 마이크로스트립 안테나
Wideband Stacked Microstrip Antenna with Rectangular and Triangular Parasitic Patches for 860MHz Band 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.20 no.5, 2016년, pp.874 - 879

고진현 (Electronic Communication Engineering. Chonnam National University) , 김건균 (Electronic Communication Engineering. Chonnam National University) , 이승엽 (Electronic Communication Engineering. Chonnam National University) , 이종익 (Division of Mechatroics Engineering. Dongseo University)

초록
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본 논문에서는 직사각형 및 삼각형 기생 패치를 이용한 광대역 마이크로스트립 패치 안테나를 제안하였다. 직사각형 마이크로스트립 패치 위에 직사각형 및 삼각형 모양의 기생 패치들을 적층하여 860MHz대역에서 광대역 특성을 얻었다. 주 방사부인 마이크로스트립안테나와 기생 패치와의 효과적인 결합은 이들 사이에 두꺼운 공기층을 두어 구현하였다. 또한, 이들 공기층 두께와 기생 패치의 위치는 광대역 정합에 중요한 요소임을 알 수 있었다. 제안된 안테나는 향후 소형 트랜시버에 적용하기 위해 $119mm{\times}109mm$ 크기의 소형 접지면 위에 설계 및 제작되었다. FR4기판에 제작된 안테나의 임피던스 대역은 818~919MHz(11.7%)이다. 방사패턴은 기존 마이크로스트립 패치 안테나와 유사했으며, 최대 이득은 주파수 824MHz에서 2.11dBi로 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A wideband stacked patch antenna with parasitic elements, rectangular and triangle shaped patches, is proposed. Two different shaped parasitic elements are placed in the above of main rectangular microstrip patch antenna in order to achieve wide bandwidth for 860 MHz band. Coupling between the main patch and parasitic patches is realized by thick air gap. The gap and locations of parasitic patches are found to be the main factor of the wideband impedance matching. The proposed antenna is designed and fabricated on a ground plane with small size of $119mm{\times}109mm$ for application of compact transceivers. The fabricated antenna on an FR4 substrate shows that the minimum measured return loss is below -11.68dB at 824 MHz and an impedance band of 818~919 MHz(11.7%) at 10dB return loss level. The measured radiation patterns are similar to those of a conventional patch antenna with maximum gain of 2.11 dBi at 824 MHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 단일 사각형 패치 안테나 위에 직사각형 및 삼각형 모양의 기생성패치를 적층으로 배치하는 구조의 소형 광대역 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 주방사 패치와 기생 패치를 공기층을 사이에 두고 수직 방향으로 배치하여 이들 간의 상호 결합을 통해 광대역 특성을 갖도록 하였다.
본 논문에서는 직사각형 마이크로 스트립 안테나 위에 직사각형 및 삼각형 모양의 기생패치를 적층 배치함으로써 광대역 특성을 얻을 수 있는 새로운 구조의 안테나를 제안하였다. 마이크로스트립 패치 및 기생 패치의 크기와 정합 스터브의 길이를 조절하여 급전선로와 광대역 임피던스 정합을 얻었다.

제안 방법

급전선의 특성 임피던스는 50 Ω이며, 패치의 양측 복사에지 모두 급전되도록 이중급전 구조를 갖게 하였다.
본 논문에서는 직사각형 마이크로 스트립 안테나 위에 직사각형 및 삼각형 모양의 기생패치를 적층 배치함으로써 광대역 특성을 얻을 수 있는 새로운 구조의 안테나를 제안하였다. 마이크로스트립 패치 및 기생 패치의 크기와 정합 스터브의 길이를 조절하여 급전선로와 광대역 임피던스 정합을 얻었다.
본 논문에서 제안한 800MHz 대역 광대역 안테나의 기본 규격은 CDMA 대역에 사용되는 대역인 824 MHz ~894 MHz(수신: 824 MHz~849 MHz, 송신: 869 MHz~ 894 MHz) 규격과 일치되도록 하였다. CDMA 대역으로부터 알 수 있듯이 안테나의 대역폭은 70MHz로 중심 주파수 860 MHz를 기준으로 8.
안테나는 아래 패치와 위 패치로 두 장의 PCB를 사용하였으며, 중계기 기구(크기 121mm × 111mm×16.5mm) 내부에 장착되도록 일체형으로 설계되었다.
본 논문에서는 단일 사각형 패치 안테나 위에 직사각형 및 삼각형 모양의 기생성패치를 적층으로 배치하는 구조의 소형 광대역 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 주방사 패치와 기생 패치를 공기층을 사이에 두고 수직 방향으로 배치하여 이들 간의 상호 결합을 통해 광대역 특성을 갖도록 하였다. 또한 180° 위상차를 이용하며 대칭적 급전구조를 갖는 이중 급전 방식[7]은 패치면의 전류 분포를 좌우 대칭적으로 만들어 단일 급전 방식보다 교차 편파 방사(cross-polarized radiation)를 작게 한 구조를 도입함으로써, 단일 급전 방식보다 안테나의 수직방향으로 소형화를 갖도록 하였다.
제안된 안테나를 860MHz 대역 광대역 안테나로 동작하도록 안테나 치수들을 조절한 후 FR4 기판 상에 안테나를 제작하고 성능을 측정하였다.
037 파장에 해당)를 두었으며, 상부기판의 아랫면과 윗면에는 직사각형 패치와 삼각형패치가 각각 배치된다. 특히, 삼각형 기생 패치는 수직 접지 케이스와 근접시켜 접지와의 결합도 이루어지도록 하였다.

대상 데이터

/ 4 거리만큼 이동시켰다[9]. 광대역특성을 얻기 위해 기생패치들이 인쇄된 상부기판은 주패치 기판과 충분한 거리 (13.0 mm; 860MHz에서 0.037 파장에 해당)를 두었으며, 상부기판의 아랫면과 윗면에는 직사각형 패치와 삼각형패치가 각각 배치된다. 특히, 삼각형 기생 패치는 수직 접지 케이스와 근접시켜 접지와의 결합도 이루어지도록 하였다.
안테나의 제작에 사용된 기판은 FR4(∊r)로 1.6 mm의 두께를 가지며, 크기는 119.0 mm × 109.0 mm로 제작하였다.

성능/효과

835 MHz 주파수에서 3 dB 빔폭은 수직패턴 약 94° 및 수평패턴 약 88°이며, 기존 단일 마이크로스트립안테나의 방사패턴과 유사한 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
CDMA 송수신대역의 주파수인 4개 주파수(824MHz, 849MHz, 869MHz, 894MHz)에 대해 E-면 및 H-면에서의 방사패턴을 측정한 결과이다. 각 방사패턴은 주파수에 따른 크게 변화하지 않아 주파수에 따라 일정한 방사 패턴이 유지됨을 볼 수 있었다. 전체적으로 3 dB 빔 폭은 평균 80~90도의 특성을 나타내었고, 이득은 최소 –1.
전체적으로 3 dB 빔 폭은 평균 80~90도의 특성을 나타내었고, 이득은 최소 –1.79 dBi에서 최대 2.11 dBi로 측정되었다.
제안된 구조의 광대역안테나를 860MHz대역으로 설 계하고 제작하여 실험한 결과 VSWR≤2인 주파수 대역(818~919MHz)이 시뮬레이션 결과(780~890MHz)와 잘 일치하였다.
제안된 구조의 광대역안테나를 860MHz대역으로 설 계하고 제작하여 실험한 결과 VSWR≤2인 주파수 대역(818~919MHz)이 시뮬레이션 결과(780~890MHz)와 잘 일치하였다. 제작된 안테나의 방사패턴을 측정한 결과 전후방비는 15dB 이상이고, 최대 이득은 2.11dBi 임을 확인하였다. 본 연구에서 설계된 안테나는 일반적인 적층형 안테나들에 비해 소형이지만 대역폭이 약 12%인 광대역 특성을 갖고 있으며, 금속지그에서 장착된 상태에서 측정된 것이므로 설계 및 측정결과가 실제 소형 중계기 시스템 설계에 바로 활용될 수 있다.

후속연구

11dBi 임을 확인하였다. 본 연구에서 설계된 안테나는 일반적인 적층형 안테나들에 비해 소형이지만 대역폭이 약 12%인 광대역 특성을 갖고 있으며, 금속지그에서 장착된 상태에서 측정된 것이므로 설계 및 측정결과가 실제 소형 중계기 시스템 설계에 바로 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로스트립 안테나의 단점은?	마이크로스트립 안테나는 금속 패치(patch)와 얇은 유전체 기판으로 이루어진 기본 구조가 Q(quality factor)가 매우 높은 공진기(cavity) 형태이므로 대역폭이 수 퍼센트에 불과할 정도로 매우 좁고 방사효율도 낮다는 단점이 있다. 마이크로스트립 안테나가 실제 통신시스템에 사용되기 위해서는 보다 넓은 대역폭을 가져야 하므로 이에 대한 많은 연구가 이루어져 왔다[2,3].
	마이크로스트립 안테나의 대역폭을 넓히는 가장 대표적인 방법은?	이러한 방법 중 쉽고 간단한 대표적인 것은 두꺼운 유전체 기판을 사용하는 것이다. 그러나 두꺼운 유전체 기판은 경제적인 면에서 바람직하지 않을 뿐만 아니라고 안테나의 효율을 감소시키며 의사 결합을 생성하는 불필요한 표면파를 만드는 역효과를 가지며, 이는 안테나 설계를 어렵게 하고 위상배열에서 주사할 수 없는 영역을 만든다는 단점을 가지고 있다.
	마이크로트립 안테나에 두꺼운 유전체 기판을 적용할 때의 문제점은?	이러한 방법 중 쉽고 간단한 대표적인 것은 두꺼운 유전체 기판을 사용하는 것이다. 그러나 두꺼운 유전체 기판은 경제적인 면에서 바람직하지 않을 뿐만 아니라고 안테나의 효율을 감소시키며 의사 결합을 생성하는 불필요한 표면파를 만드는 역효과를 가지며, 이는 안테나 설계를 어렵게 하고 위상배열에서 주사할 수 없는 영역을 만든다는 단점을 가지고 있다.

참고문헌 (9)

J. R. James and P. S. Hall, Handbook of microstrip antennas. vol. 1, London: Peter Pregrinus, Ltd., 1999.
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상세보기
G. Humar and K. P. Ray, Broadband microstrip antennas. ch. 4, Artech House, Boston London, 2003.
G. Kumar and K. C. Gupta, "Nonradiating edges and four edges gap-coupled multiple resonator broad-band microstrip antennas," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 33, no. 2, pp.173-185, Feb. 1985.

상세보기
P. S. Bhatnagar, J. P. Daniel, K. Mahdjoubi, and C. Terret, "Experimental study of stacked triangluar microstrip antenna," Electron. Lett., vol. 22, no. 16, pp. 864-865, 1986.

상세보기
J. P. Daniel, G. Dubost, C. Terret, J. Citerne, and M. Drissi, "Research on planar antennas and arrays: 'structures Rayonnantes'," IEEE Trans. Antennas and Propag. Magazine., vol. 35, no. 1, pp. 14-38, Feb. 1993.
Z. N. Chen and M. Y. W. Chia, "Experimental study on radiation performance of probe-fed suspended plate antenna," IEEE Trans. on Antennas and Propag., vol. 51, no. 8, pp. 1964-1971, 2003.

상세보기
T. Moura, L. Bras, P. Pinho, N. Carvalho, R. Goncalves, and P. Pinho, "Parasitic stacked slot patch antenna for DTT energy harvesting," in Proc. 2015 IEEE International Symp. on Antennas and Propag. & USNC/URSI National Radio Science Meeting, pp. 2445-2446, 2015.
W. H. Hsu and K. L. Wong, "A dual capacitively fed broadband patch antenna with reduced cross-polarization radiation," Microw.Opt. Tech. Lett., vol. 26, no.3, pp. 169-171, Aug. 2000.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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