[논문]빔 틸트 특성을 갖는 광대역 Conformal 패치 어레이 안테나

박정수; 김인복; 김홍희; 이성락; 어윤성; 김정근

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.5.416

빔 틸트 특성을 갖는 광대역 Conformal 패치 어레이 안테나
Wideband Microstrip Conformal Patch Array Antenna with Tilted Beam 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.5, 2016년, pp.416 - 423

박정수 (광운대학교 전자공학과) , 김인복 (LIG 넥스원(주)) , 김홍희 (LIG 넥스원(주)) , 이성락 (LIG 넥스원(주)) , 어윤성 (광운대학교 전자공학과) , 김정근 (광운대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 광대역 시스템에서 이용 가능한 빔 틸트 특성을 가지는 Conformal 구조의 $1{\times}4$패치 어레이 안테나를 설계 및 제작하였다. E자 형태의 패치 안테나 및 L-probe 급전 방식을 이용하여 광대역 단일 패치를 설계하였고, 전방으로 20도의 빔 틸트 특성을 얻기 위해 $1{\times}4$ 안테나 어레이를 T-junction 전력분배기와 42 psec의 마이크로스트립 전송선을 이용하였다. 3.6~4.4 GHz에서 9 dB 이상의 반사 손실이 측정되었으며, 3.75~4.25 GHz에서 10 dBi 이상의 안테나 이득을 가지며, 30도 이하의 HPBW 특성이 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a conformal type $1{\times}4$ microstrip patch array antenna with tilted antenna beam is presented for UWB sensor applications. Each antenna element comprises E-shaped patch with L-probe feeding to increase the bandwidth. The tilted antenna beam of 20 degree can be achieved with 42 ps microstrip delay lines at the series feeding network with T-junctions. The measured reflection coefficient is >9 dB at 3.5~4.5 GHz. The measured antenna gain and HPBW are >10 dBi and <30 degree at 3.75~4.25 GHz.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 UWB와 같은 광대역 시스템에 적용하기 위하여 4 GHz 중심주파수에서 Fractional bandwidth 약 25%의 특성을 가지면서 전방으로 20도 빔 틸트된 conformal 구조의 1×4 마이크로스트립 패치 어레이 안테나를 설계 및 제작하였다.
이때 위상변위기를 사용하는 빔 틸트 시스템에서는 위상변위기의 협대역 특성으로 인하여 주파수 별로 빔 틸트 방향이 달라지는 빔 스퀸트(beam squint) 현상이 발생한다. 본 논문에서는 광대역 빔 틸트 시스템에서 빔 스퀸트 현상을 최소화하기 위해 급전라인의 시간지연을 이용하여 사용 주파수 범위 내에서 각 패치 간 급전 시간을 일정하게 지연시켜 빔 틸트가 이루어지도록 하였다. 그림 5는 전방으로 20도 정도 지향하는 안테나 빔 특성을 갖도록 각각의 안테나마다 42 ps의 배수로 시간 지연을 주었다.
본 논문은 low profile의 특성을 가지는 마이크로스트립패치 안테나를 이용하여 광대역의 특성을 만족시키며, 20도의 전방으로 안테나 빔의 방향이 틸트된 conformal 구조의 어레이 안테나의 설계 및 제작에 관한 것이다.

제안 방법

광대역 특성을 얻기 위해서 E자형패치와 L-probe 급전을 이용하였으며, 10 dBi 이상의 고이득과 전방으로 20도의 안테나 빔을 틸트하기 위하여 1×4 패치 어레이 안테나에 T-junction 분배기와 마이크로스트립 지연선로를 이용하였다.
또한, 마이크로스트립 안테나에서 많이 이용되는 edge feeding이나 probe feeding 방식의 경우 협대역 특성을 갖기 때문에 패치로 직접 급전을 하지 않고, L-probe 형태의 proximity coupling 방식을 이용하여 패치와 급전라인 간의 coupling을 유도하여 대역폭을 추가적으로 개선하였다^[3]. 또한, 다중 기판을 적층함에 따라 발생하는 기판 간의 alignment가 틀어질 경우 안테나 동작 특성이 바뀔 수 있기 때문에 이러한 기판 간의 alignment에 따른 안테나 성능 열화를 최소화하기 위해 그림 1에서처럼 Substrate 2의 기판에서만 전면에는 패치를, 후면에는 feedline을 패터닝을 해서 다른 기판간의 alignment가 정확하지 않더라도 안테나 특성에 열화가 되지 않도록 설계하였다.
또한, 단일 패치 안테나의 입력 임피던스를 250 Ω이 되도록 하여, T-junction 전력 분배기를 이용하여 최종 커넥터와 연결되는 부분이 50 Ω에 임피던스 정합에 용이하도록 설계하였다.
방사 패치 내부에 E자 형태의 slot을 만들어 패치와 slot의 다중 공진을 이용하여 안테나의 대역폭을 개선하였다^[1],[2]. 또한, 마이크로스트립 안테나에서 많이 이용되는 edge feeding이나 probe feeding 방식의 경우 협대역 특성을 갖기 때문에 패치로 직접 급전을 하지 않고, L-probe 형태의 proximity coupling 방식을 이용하여 패치와 급전라인 간의 coupling을 유도하여 대역폭을 추가적으로 개선하였다^[3]. 또한, 다중 기판을 적층함에 따라 발생하는 기판 간의 alignment가 틀어질 경우 안테나 동작 특성이 바뀔 수 있기 때문에 이러한 기판 간의 alignment에 따른 안테나 성능 열화를 최소화하기 위해 그림 1에서처럼 Substrate 2의 기판에서만 전면에는 패치를, 후면에는 feedline을 패터닝을 해서 다른 기판간의 alignment가 정확하지 않더라도 안테나 특성에 열화가 되지 않도록 설계하였다.
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 그림 1과 같이 conformal하게 제작이 가능하도록 잘 휘어질 수 있는 얇은 두께의 기판들을 이용하여 radome 기판, 패치 및 feedline 기판(Substrate 1), 안테나 하부 기판(Substrate 2-5)의 총 6층의 PCB를 적층하여 설계하였다. 방사 패치 내부에 E자 형태의 slot을 만들어 패치와 slot의 다중 공진을 이용하여 안테나의 대역폭을 개선하였다^[1],[2]. 또한, 마이크로스트립 안테나에서 많이 이용되는 edge feeding이나 probe feeding 방식의 경우 협대역 특성을 갖기 때문에 패치로 직접 급전을 하지 않고, L-probe 형태의 proximity coupling 방식을 이용하여 패치와 급전라인 간의 coupling을 유도하여 대역폭을 추가적으로 개선하였다^[3].
일반적으로 마이크로스트립 패치 안테나는 안테나 기판 두께와 대역폭이 반비례 관계에 있어 두께가 얇아질 경우 대역폭이 협소해지는 문제가 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 그림 1과 같이 conformal하게 제작이 가능하도록 잘 휘어질 수 있는 얇은 두께의 기판들을 이용하여 radome 기판, 패치 및 feedline 기판(Substrate 1), 안테나 하부 기판(Substrate 2-5)의 총 6층의 PCB를 적층하여 설계하였다. 방사 패치 내부에 E자 형태의 slot을 만들어 패치와 slot의 다중 공진을 이용하여 안테나의 대역폭을 개선하였다^[1],[2].
앞서 설계한 평면 구조의 1×4 어레이 안테나를 이용하여 20도의 전방 틸트 특성을 갖는 conformal 구조 1×4 광대역 패치 어레이 안테나를 설계하였다.
앞서 제안한 단일 안테나와 급전라인을 결합하여 본 논문에서 목표하는 20도의 전방 틸트 특성을 갖는 평면구조 1×4 광대역 패치 어레이 안테나를 설계하였다.

대상 데이터

그림 3은 제안한 단일 안테나의 반사 손실 시뮬레이션 결과로 설계된 단일 안테나의 경우 6층의 얇은 기판을 적층하여서 1×4 패치 어레이 안테나의 급전을 단순하게 할 수 있도록 하기 위해서 입력 임피던스를 250 Ω이 되도록 설계하였다. 설계된 안테나는 UWB 주파수 대역인 4 GHz의 주파수를 기준으로 약 500 MHz의 대역폭(fractional bandwidth 12.5 %)으로 시뮬레이션 되었다.
제작한 1×4 conformal 안테나의 크기는 185×65 mm2이며, aluminum 구조물은 길이 30 cm, 외경 12 cm의 원통형 구조이다.
제작한 1×4 어레이 안테나의 총 6층으로 구성된 기판 두께는 4 mm이며, 안테나의 크기는 180×65 mm2이다.

성능/효과

그림 9는 4 GHz를 중심 주파수로 500 MHz 대역폭에서 측정한 평면 구조 1×4 패치 어레이 안테나의 안테나 빔패턴 측정결과이다. 4 GHz 중심 주파수에서 안테나 이득의 설계 결과는 약 12 dBi이며, 제작된 모듈은 약 11.7 dBi의 안테나 이득 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. HPBW(Half Power Beam Width)는 약 27°로 측정이 되었다.
그림 13은 4 GHz를 중심 주파수로 500 MHz 대역폭에서 측정한 1×4 conformal 어레이 안테나의 안테나 빔패턴 측정결과이다. 4 GHz 중심주파수에서 안테나 이득 설계 결과는 약 11.5 dBi이며, 제작된 모듈의 측정 결과는 약 11 dBi의 안테나 이득 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. HPBW는 약 25°로 측정이 되었다.
광대역 특성을 얻기 위해서 E자형패치와 L-probe 급전을 이용하였으며, 10 dBi 이상의 고이득과 전방으로 20도의 안테나 빔을 틸트하기 위하여 1×4 패치 어레이 안테나에 T-junction 분배기와 마이크로스트립 지연선로를 이용하였다. 개발한 안테나는 잘 휘어질 수 있는 얇은 기판 여러 장을 적층하여 low profile로 제작이 가능하고, 적층 기판간의 alignment가 틀어지더라도 안테나 성능 열화가 적어서 후면 그라운드가 있는 미사일과 같은 원통형 또는 곡면형 탑재체 등에 conformal하게 이용이 가능하다.
빔 지향각은 약 18° 정도로 안테나 빔이 전방으로 틸트된 것을 확인할 수 있으며, SRR(Sidelobe Rejection Ratio)는 약 10 dB 정도이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로스트립 패치 안테나의 단점은?	일반적으로 마이크로스트립 패치 안테나는 안테나 기판 두께와 대역폭이 반비례 관계에 있어 두께가 얇아질 경우 대역폭이 협소해지는 문제가 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 그림 1과 같이 conformal하게 제작이 가능하도록 잘 휘어질 수 있는 얇은 두께의 기판들을 이용하여 radome 기판, 패치 및 feedline 기판(Sub- strate 1), 안테나 하부 기판(Substrate 2-5)의 총 6층의 PCB를 적층하여 설계하였다.
	마이크로스트립 패치 안테나의 단점을 해결하기 위한 방법은?	일반적으로 마이크로스트립 패치 안테나는 안테나 기판 두께와 대역폭이 반비례 관계에 있어 두께가 얇아질 경우 대역폭이 협소해지는 문제가 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 그림 1과 같이 conformal하게 제작이 가능하도록 잘 휘어질 수 있는 얇은 두께의 기판들을 이용하여 radome 기판, 패치 및 feedline 기판(Sub- strate 1), 안테나 하부 기판(Substrate 2-5)의 총 6층의 PCB를 적층하여 설계하였다. 방사 패치 내부에 E자 형태의slot을 만들어 패치와 slot의 다중 공진을 이용하여 안테나의 대역폭을 개선하였다[1],[2].
	마이크로스트립 패치 안테나의 장점은?	일반적으로 마이크로스트립 패치 안테나는 얇은 PCB기판을 이용하여 제작을 하기 때문에 두께가 얇고 값이 싸다는 장점이 있으나, 후반 그라운드가 있는 시스템의 경우 얇은 기판으로 인하여 협대역 동작을 하는 단점 때문에 UWB와 같은 광대역 레이더 센서나 무선통신 시스템에서는 사용이 제한되고 있다. 또한, 일부 무선 송수신시스템 응용의 경우 원하는 방향으로 안테나 빔의 틸트가 필요하며, 이러한 빔 틸트 특성을 갖기 위해서는 각각의 안테나 소자의 위상을 조정하여 원하는 방향으로 안테나 빔을 틸트하게 된다.

참고문헌 (4)

Amit A. Deshmukh, K. P. Ray, "Analysis of broadband Psi( $\Psi$ )-shaped microstrip antennas", IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 55, issue. 2, Apr. 201.
B. -K. Ang, B. -K. Chung, "A wideband e-shpaed microstrip patch antenna for 5-6 GHz wireless communications", Progress in Electromagnetics Research, PIER 75, pp. 397-407, 2007.

상세보기
김태우, 최경, 황희용, "평면형 보우타이 모노폴 안테나의 초광대역 설계", 한국전자파학회논문지, 25(12), pp. 1212-1218, 2014년 12월.

원문보기 상세보기
하재권, 박동철, "빔 틸팅 특성을 갖는 개구 급전 마이크로스트립 안테나 설계 연구", 한국전자파학회논문지, 12(5), pp. 705-712, 2001년 8월.

원문보기 상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증