[논문]기판 크기가 H-평면 5소자 선형 개구면 결합 패치 배열 안테나의 방사 특성에 미치는 영향

박혜린; 김재현; 김부균

doi:10.5573/ieie.2016.53.6.037

기판 크기가 H-평면 5소자 선형 개구면 결합 패치 배열 안테나의 방사 특성에 미치는 영향
Impact of Substrate Size on the Radiation Characteristics of an H-plane 5-Elements Linear Aperture Coupled Microstrip Patch Array Antenna 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.53 no.6 = no.463, 2016년, pp.37 - 45

박혜린 (숭실대학교 정보통신전자공학부) , 김재현 (숭실대학교 정보통신전자공학부) , 김부균 (숭실대학교 정보통신전자공학부)

초록
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개구면 결합 마이크로스트립 패치 안테나(aperture coupled microstrip patch antenna; ACMPA)를 단위 소자로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 기판 크기 변화가 방사 특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 단일 ACMPA 와 ACMPA를 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 전방방사 이득이 최대가 되는 패치 중심에서 E 평면 방향의 기판 가장자리까지의 길이($d_E$)와 H 평면 방향의 기판 가장자리까지의 길이($d_H$)는 서로 같음을 볼 수 있었다. 또한 선형 배열 안테나와 단일 ACMPA의 전방방사 이득이 최소가 되는 $d_E$ 와 $d_H$도 거의 같음을 볼 수 있었다. H-평면 선형 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득의 변화는 $d_E$에 의해서 큰 영향을 받음을 볼 수 있었다. H-평면 선형 배열 안테나의 방사 이득이 최적화된 기판 크기는 선형 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 전방방사 이득이 최적화된 기판 크기로부터 도출할 수 있음을 볼 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of substrate size on the radiation characteristics of an H-plane 5-elements linear array antenna with an aperture coupled microstrip patch antenna (ACMPA) as unit element is investigated. The distance between the patch center and the substrate edge on the E-plane ($d_E$) and that on the H-plane ($d_H$) at which the maximum broadside gain of an H-plane 5-elements linear array antenna occurs are the same to those of single ACMPA using a unit element. Besides, $d_E$ and $d_H$ at which the minimum broadside gain of an H-plane 5-elements linear array antenna occurs are almost the same to those of single ACMPA using a unit element. The edge effect on the radiation characteristics of an H-plane 5-elements linear array antenna is mainly determined by $d_E$. The optimum substrate size for the radiation characteristics of an H-plane linear array antenna could be obtained from that of single ACMPA using a unit element of an H-plane linear array antenna.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 배열 안테나에 적합한 급전 구조를 가지는 개구면 결합 구조를 사용한 마이크로스트립 패치 안테나^[5]를 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 기판 크기가 방사 특성에 미치는 영향을 전산모의 하였다. 또한 개구면 결합 구조를 가지는 단일 패치 안테나의 기판 크기가 방사 특성에 미치는 영향을 전산모의한 결과를 배열 안테나의 기판 크기가 방사 특성에 미치는 영향을 전산모의한 결과와 비교하였다.
그러나 표면파가 기판 크기에 따른 배열 안테나의 방사 특성에 미치는 영향에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 본 연구팀은 H-평면 선형 프로브 급전 패치 배열 안테나의 기 판 크기가 방사특성에 미치는 영향에 대하여 연구한 결과를 보고하였다^[4]. 기판의 두께는 같아도 유전상수가 다른 기판을 사용하는 경우 H-평면 선형 프로브 급전 패치 배열 안테나의 방사특성이 가장 좋은 기판 크기가 다름을 확인하였다.

제안 방법

기판 크기에 따른 선형 배열 안테나의 방사 특 성을 알아보기 위해 기판 크기 dE와 dH를 0.3 λ0에서 1 λ0까지 0.05 λ0 간격으로 변화시켜가며 방사 특성을 전산모의 하였다.
단일 ACMPA의 기판 크기에 따른 전방방사 이득을 전산모의하기 위하여 dE(dH)를 0.3 λ0에서 1.0 λ0까지 0.05 λ0 간격으로 변화시켰다.
를 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 기판 크기가 방사 특성에 미치는 영향을 전산모의 하였다. 또한 개구면 결합 구조를 가지는 단일 패치 안테나의 기판 크기가 방사 특성에 미치는 영향을 전산모의한 결과를 배열 안테나의 기판 크기가 방사 특성에 미치는 영향을 전산모의한 결과와 비교하였다. 전산모의에는 Ansys사의 HFSS를 사용하였다.
제 Ⅲ 장에서는 제 Ⅱ 장에서 연구한 ACMPA를 단위 안테나로 가지는 H-평면 5 소자 선형 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득과 평균 AEP의 전방방사 이득 특성 및 안테나 소자 간 상호 결합 특성을 살펴본다. 또한 기판 크기에 따른 단일 안테나의 전방방사 이득 특성과 5소자 배열 안테나의 전방방사 이득 특성을 비교한다. 마지막으로 제 Ⅳ 장에서는 본 논문의 결론을 맺는다.
본 장에서는 H-평면 5소자 선형 개구면 결합 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득의 특성을 알아보고, 단일 개구면 결합 마이크로스트립 패치 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득의 특성과 비교하였다. 또한 기판 크기에 따른 배열 안테나의 평균 AEP(Active Element Pattern)의 전방방사 이득 특성과 인접 안테나 간 평균 상호 결합 특성을 구하고 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득 의 특성과 비교하였다.
본 논문에서는 중심 주파수가 10 GHz인 세 가지 모델의 광대역 개구면 결합 마이크로스트립 패치 안테나 (ACMPA)를 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나를 설계하고 H-평면과 E-평면으로의 기판 크기를 변화시키면서 단일 ACMPA와 선형 배열 안테나의 방사 특성을 분석하였다.
본 장에서는 H-평면 5소자 선형 개구면 결합 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득의 특성을 알아보고, 단일 개구면 결합 마이크로스트립 패치 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득의 특성과 비교하였다. 또한 기판 크기에 따른 배열 안테나의 평균 AEP(Active Element Pattern)의 전방방사 이득 특성과 인접 안테나 간 평균 상호 결합 특성을 구하고 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득 의 특성과 비교하였다.
안테나 소자 중심 간의 거리는 dA로 표현하였으며 0.5 λ0와 0.7 λ0의 두 경우에 대하여 특성을 살펴 보았다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 제 Ⅱ 장에서는 단일 개구면 결합 마이크로스트립 패치 안테나(Aperture Coupled Microstrip Patch Antenna; ACMPA)의 기본 특성과 기판 크기에 따른 전방방사 이득을 전산모의하고 단일 안테나에서 발생하는 표면파의 기판 가장자리 회절 효과를 분석한다. 제 Ⅲ 장에서는 제 Ⅱ 장에서 연구한 ACMPA를 단위 안테나로 가지는 H-평면 5 소자 선형 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득과 평균 AEP의 전방방사 이득 특성 및 안테나 소자 간 상호 결합 특성을 살펴본다.
제 Ⅱ 장에서는 단일 개구면 결합 마이크로스트립 패치 안테나(Aperture Coupled Microstrip Patch Antenna; ACMPA)의 기본 특성과 기판 크기에 따른 전방방사 이득을 전산모의하고 단일 안테나에서 발생하는 표면파의 기판 가장자리 회절 효과를 분석한다. 제 Ⅲ 장에서는 제 Ⅱ 장에서 연구한 ACMPA를 단위 안테나로 가지는 H-평면 5 소자 선형 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득과 평균 AEP의 전방방사 이득 특성 및 안테나 소자 간 상호 결합 특성을 살펴본다. 또한 기판 크기에 따른 단일 안테나의 전방방사 이득 특성과 5소자 배열 안테나의 전방방사 이득 특성을 비교한다.

대상 데이터

18 mm인 Taconic사의 TLY-5 기판을 사용하였다. 모델 A는 많이 사용하는 모델로서 급전 기판은 안테나 기판과 같은 TLY-5 기판을 사용하였고 두께는 0.8 mm이다. 모델 B 와 C는 MMIC-based module의 front end 와의 집적화를 고려하여 반도체의 유전상수와 비슷한 유전상수가 10이고 loss tangent는 0.
8 mm이다. 모델 B 와 C는 MMIC-based module의 front end 와의 집적화를 고려하여 반도체의 유전상수와 비슷한 유전상수가 10이고 loss tangent는 0.0035인 Taconic사의 CER-10 기판을 급전 기판으로 사용하였다. 모델 B의 급전기판 두께는 모델 A의 급전 기판 두께와 같은 0.
0035인 Taconic사의 CER-10 기판을 급전 기판으로 사용하였다. 모델 B의 급전기판 두께는 모델 A의 급전 기판 두께와 같은 0.8 mm를 사용하였고, 모델 C는 그보다 얇은 두께인 0.28 mm를 사용하였다. 그 이유는 ACMPA에서 급전 기판의 유전상수가 큰 경우 얇은 두께를 가질수록 대역폭이 넓어지기 때문이다^[6].
설계에 사용한 세 가지 모델의 구조 변수를 표 1이다. 설계 시 사용된 안테나 기판은 세 가지 모델모두 넓은 대역폭과 좋은 방사 특성을 가지기 위하여 유전상수가 2.2이고 loss tangent가 0.0009이며 두께가 3.18 mm인 Taconic사의 TLY-5 기판을 사용하였다. 모델 A는 많이 사용하는 모델로서 급전 기판은 안테나 기판과 같은 TLY-5 기판을 사용하였고 두께는 0.
개구면 결합 마이크로스트립 패치 안테나(ACMPA)의 구조도를 그림 1에 보인다. 설계한 ACMPA의 중심 주파수는 10 GHz이고 기판은 한 변의 길이 L_S가 30 mm인 정사각형 형태이다. ACMPA는 안테나 부분과 급전 부분이 개구면을 포함하는 접지면을 기준으로 나누어져 구성된다.
임을 볼 수 있다. 세 가지 모델 모두 안테나 기판으로 유전상수가 2.2이고 두께가 3.18 mm인 기판을 사용한다. 이러한 기판을 따라 진행하는 표면파의 유효유전상수는 1.

성능/효과

ACMPA를 단위 안테나로 가지는 세 가지 모델의 H-평면 5소자 선형 배열 안테나와 단일 ACMPA의 전방방사 이득이 최댓값을 가지는 d_E와 d_H가 거의 같음을 볼 수 있었다. 전방방사 이득이 최솟값을 가지는 d_E는 모델 별로 0.
22 dB 이하로 매우 작음을 볼 수 있었다. 그러나 선형 배열 안테나에서 d_E에 따른 전방방사 이득의 최댓값과 최솟값의 차이는 최대 3.77 dB 발생하여 매우 큼을 볼 수 있었다.
첫째는 단일 안테나의 경우와 마찬가지로 E-평면 방향으로 진행하는 표면파의 크기가 H-평면 방향으로 진행하는 표면파의 크기보다 크기 때문이다. 둘째는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 경우, H-평면 방향의 기판 가장자리에서 회절되는 전자파가 배열 안테나의 방사 특성에 미치는 효과는 양 끝에 있는 두 개의 패치 안테나에서 H-평면 방향으로 진행하는 표면파만 영향을 주지만 E-평면 방향의 기판 가장자리에서 회절되는 전자파가 배열 안테나의 방사 특성에 미치는 효과는 배열 안테나를 구성하는 모든 단위 안테나에서 E-평면 방향으로 진행하는 표면파가 영향을 주기 때문이다.
따라서 H-평면 선형 배열 안테나의 전방방사 이득이 최적화된 기판 크기는 선형 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 전방방사 이득이 최적화된 기판 크기로부터 도출할 수 있음을 볼 수 있었다. 또한 H-평면 선형 배열 안테나의 전방방사 이득은 패치 중심에서 E 평면 방향의 기판 가장자리까지의 길이에 의해서 큰 영향을 받음을 볼 수 있었다.
따라서 H-평면 선형 배열 안테나의 전방방사 이득이 최적화된 기판 크기는 선형 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 전방방사 이득이 최적화된 기판 크기로부터 도출할 수 있음을 볼 수 있었다. 또한 H-평면 선형 배열 안테나의 전방방사 이득은 패치 중심에서 E 평면 방향의 기판 가장자리까지의 길이에 의해서 큰 영향을 받음을 볼 수 있었다.
9 λ₀로 매우 넓기 때문이라고 생각된다. 또한 본 논문에서 연구한 모든 배열 안테나와 단일 안테 나에서 전방방사 이득이 최솟값을 가지는 d_E는 가장 작은 0.3 λ₀에서 발생함을 볼 수 있었다.
세 가지 ACMPA를 단위 안테나로 가지는 세 가지 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득 변화는 배열 안테나의 평균 AEP의 전방방사 이득 변화와 같음을 볼 수 있었다. 또한 선형 배열 안테나의 전방방사 이득이 최댓값 (최솟값)을 가지는 기판 크기와 선형 배열 안테나의 단위 안테나 간 평균 상호결합 크기의 최솟값 (최댓값)을 가지는 기판 크기 사이에는 상관관계가 미약함을 볼 수 있었다.
각 모델의 패치 공진주파수, 개구면 공진주파수와 그 차이는 다음과 같다. 모델 A, B, C 의 패치 공진주파수는 각각 9.13 GHz, 9.51 GHz, 8.99 GHz이고 개구면 공진주파수는 각각 13.87 GHz, 12.06 GHz, 11.94 GHz 로서 그 차이는 각각 4.74 GHz, 2.55 GHz, 2.92 GHz로 모델 A가 가장 크고 모델 B가 가장 작아, 대역폭도 모델 A가 가장 크고 모델 B가 가장 작음을 볼 수 있었다.
선형 배열 안테나에서 dH에 따른 전방방사 이득의 최댓값과 최솟값의 차이는 0.22 dB 이하로 매우 작음을 볼 수 있었다. 그러나 선형 배열 안테나에서 d_E에 따른 전방방사 이득의 최댓값과 최솟값의 차이는 최대 3.
세 가지 ACMPA를 단위 안테나로 가지는 세 가지 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득 변화는 배열 안테나의 평균 AEP의 전방방사 이득 변화와 같음을 볼 수 있었다. 또한 선형 배열 안테나의 전방방사 이득이 최댓값 (최솟값)을 가지는 기판 크기와 선형 배열 안테나의 단위 안테나 간 평균 상호결합 크기의 최솟값 (최댓값)을 가지는 기판 크기 사이에는 상관관계가 미약함을 볼 수 있었다.
세 가지 모델 모두 가장 작은 0.3 λ0에서 최소 전방방사 이득을 가지며 0.85 λ0 근처 까지 전방방사 이득이 약간씩 증가하다가 그 후로는 다시 감소함을 볼 수 있다.
최대 전방방사 이득과 최소 전방방사 이득 의 차이는 모델 B를 단위 안테나로 가지는 선형 배열 안테나의 소자 간 거리가 0.5 λ0일 때 최대 3.77 dB로 나타났다.
최소 전방방사 이득은 dH가 0.3 λ0에서 발생하였으며 최대 전방방사 이득은 0.85 λ0 근처 에서 발생하였고 최댓값과 최솟값의 차이는 최대 0.22 dB로 매우 작았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	H-평면 선형 배열 안테나의 전방방사 이득이 최적화된 기판 크기는 선형 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 전방방사 이득이 최적화된 기판 크기로부터 도출할 수 있음을 알 수 있는 근거는?	ACMPA를 단위 안테나로 가지는 세 가지 모델의 H-평면 5소자 선형 배열 안테나와 단일 ACMPA의 전방방사 이득이 최댓값을 가지는 dE와 dH가 거의 같음을 볼 수 있었다. 전방방사 이득이 최솟값을 가지는 dE는 모델 별로 0.05 λ0～0.1 λ0의 차이를 가짐을 볼 수 있었다. 그 이유는 선형 배열 안테나와 단일 안테나의 전방방사 이득이 작은 값을 가지는 dE의 범위가 0.65 λ0에서 0.9 λ0로 매우 넓기 때문이라고 생각된다. 또한 본 논문에서 연구한 모든 배열 안테나와 단일 안테 나에서 전방방사 이득이 최솟값을 가지는 dE는 가장 작은 0.3 λ0에서 발생함을 볼 수 있었다.
	마이크로스트립 패치 안테나란?	마이크로스트립 패치 안테나는 사진 식각 방법으로 제작이 가능한 안테나로써, 제작이 쉽기 때문에 저비용으로 대량 생산이 가능하며 MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit)-based module의 front end와 집적화가 가능하므로 많은 응용분야에 이용되고 있다[1]. 그러나 마이크로스트립 패치 안테나를 이용한 배열 안테나 설계 시 유전상수가 크거나 두꺼운 기판을 사용하는 경우 접지된 유전체 기판을 따라 진행하는 표면파의 크기가 커진다[2].
	마이크로스트립 패치 안테나의 특징은?	마이크로스트립 패치 안테나는 사진 식각 방법으로 제작이 가능한 안테나로써, 제작이 쉽기 때문에 저비용으로 대량 생산이 가능하며 MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit)-based module의 front end와 집적화가 가능하므로 많은 응용분야에 이용되고 있다[1]. 그러나 마이크로스트립 패치 안테나를 이용한 배열 안테나 설계 시 유전상수가 크거나 두꺼운 기판을 사용하는 경우 접지된 유전체 기판을 따라 진행하는 표면파의 크기가 커진다[2].

참고문헌 (6)

R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl, and A. Ittipiboon, "Microstrip Antenna Design Handbook," 2nd edition, Boston.London, Artech House, 2000.
D. M. Pozar and D. H. Schaubert, "Scan blindness in infinite phase arrays of printed dipoles," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 32, no. 6, pp. 602-610, 1984.

상세보기
M. Coulombe, S. F. Koodiani, and C. Caloz, "Compact elongated mushroom (EM)-EBG structure for enhancement of patch antenna array performance," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 58, no. 4, Apl. 2010.
YM Yoon, BG Kim, "Radiation Characteristics of an H-plane Linear Microstrip Array Antenna on a Finite Substrate," Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea-TC, Vol. 50, no. 5, pp 39-49, May 2013.
D. M. Pozar, "Microstrip antenna aperturecoupled to a microstripline," Electronics Letters, vol. 21, issue 2, pp. 49-50, Jan. 1985.

상세보기
HL Bak, HM Koo, BG Kim, "Effects of the Dielectric Constant and Thickness of a Feed Substrate on the Characteristics of an Aperture Coupled Microstrip Patch Antenna," Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea-TC, Vol. 51, no. 7, pp 49-59, July 2014.

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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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