[논문]2단 2-암 시누어스 안테나의 소형화에 관한 연구

윤성현

doi:10.7840/kics.2017.42.2.374

2단 2-암 시누어스 안테나의 소형화에 관한 연구
Study of Miniaturization of 2 Stages 2-Arm Sinuous Antenna 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.42 no.2, 2017년, pp.374 - 382

윤성현 (Kyugnam College of Information & Technology Subdivision of Communication)

초록
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본 논문에서는 주파수 대역 0.8-6GHz를 포함하는 2단 2-암 시누어스 안테나를 제안하였다. 제안한 안테나는 전체 반경 60mm중 1단 반경 50mm까지는 8개의 셀을 자기 상보구조(셀의 각 폭을 $90^{\circ}$)로 설계하고 2단은 폭 10mm사이에 비 자기상보 구조로 0.5개의 셀 각 폭을 $720^{\circ}$로 구성하였다. 측정 결과, 동일한 제원과 반경을 사용한 기존의 1단 2-암 시누어스 안테나는 반사손실 -10dB가 약 0.878GHz에서부터 발생하였지만, 제안한 안테나는 반사손실 -10dB이 0.807GHz 부터 발생하여, 시누어스 안테나의 소형화의 가능성을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposed a 2 stages 2-arm sinuous antenna that operates in frequency range 0.8-6GHz. The proposed antenna's total radius is 60mm, in which 1st stage's radius is 50mm which is designed as self-complementary structure(cell's angle width $90^{\circ}$) with 8 cell, and 2nd stage is composed of non-self-complementary structure with 0.5 cell of cell's angle width $720^{\circ}$ in the radius width 10mm. Measurement's result shows that -10dB return loss starts at 0.807GHz, but 1 stage 2-arm sinuous antenna that use the same radius starts at about 0.878GHz, so proposed the possibility of the miniaturization of the sinuous antenna.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^[4]따라서 이러한 영향을 최소화하기 위하여 가장 낮은 주파수에서 동작하는 안테나의 크기를 이론 치 보다 약 100%정도 크게 하는 경향이 있다. 본 논문에서는 0.8 - 6GHz 대역에서 현재 사용하고 있는 모든 통신 서비스의 주파수 대역을 포함하는 시누어스 안테나를 제안하였다. 제안한 안테나는 잔류전류의 영향을 최소화하기 위하여 시누어스 암을 2단으로 2개 영역으로 구분하여 설계 하였다.
본 논문에서는 0.8-6[GHz] 주파수 범위에서 동작하는 2단 2-암 시누어스 안테나를 제안하여 안테나의 소형화의 가능성을 제시하였다. 즉, 기존의 방법은 안테나 반경 R에 n개의 셀을 동일한 각 폭을 적용하여 2-암 시누어스 암을 만들었다.
그림에서 1단 반경이 클수록 -10dB 가 더 낮은 주파수에서 발생한다는 것을 알 수 있다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 2단 2-암을 이용하여 시누어스 안테나의 소형화에 대한 연구를 하고자 한다.

제안 방법

(a)와 같이 RHODE & SCHWARZ ZNB8 회로망분석기를 이용하여 측정하였다.
이 문제를 해결하기 위하여 기존의 방법은 이론적인 안테나의 반경 보다 약 2배 정도로 크게 하기 때문에 안테나의 크기가 매우 커진다. 그러나 본 연구에서는 안테나의 반경을 2단으로 나누어 1단은 기존의 자기 상보의 조건이 만족하도록 하고, 추가적 2단은 0.5개의 셀과 셀의 각 폭을 720⁰로 매우 크게 한 2단 2-암 시누어스 안테나를 제시하였다. 이렇게 할 경우, 능동영역에서 발생하는 잔류전류의 이동 경로가 길기 때문에 안테나 종단에 도달하고, 급전 점으로 다시 반사되는 잔류 전류가 작아져서 입력 임피던스의 진동이 작아짐을 알 수 있었다.
본 연구에서 제안한 2단 2-암 시누어스 안테나의 시뮬레이션을 위한 안테나 및 바룬의 파라메타는 표 1과 같고, 이러한 파라메타를 이용하여 시제품을 제작하였다.
안테나와 바룬의 설계 및 시뮬레이션은 CST MWS를 이용하여 수행하였고, 시제품의 특성 측정은 RHODE & SCHWARZ ZNB8 회로망 분석기를 이용하였다.
이러한 관점에서 본 연구에서는 R1을 자기상보 구조로 동작하는 α1 = 900 각 폭 영역과, 비자기 상보 구조로 동작하는 α1 = 7200 각 폭 영역, 두 단계로 나누어서 1차 능동 영역에서 복사되지 않은 잔류 전류의 경로를 길게 하여 안테나 종단에서 반사된 전류의 영향을 최소화하여 안테나의 크기를 소형화에 하고자한다.
8 - 6GHz 대역에서 현재 사용하고 있는 모든 통신 서비스의 주파수 대역을 포함하는 시누어스 안테나를 제안하였다. 제안한 안테나는 잔류전류의 영향을 최소화하기 위하여 시누어스 암을 2단으로 2개 영역으로 구분하여 설계 하였다. 안테나와 바룬의 설계 및 시뮬레이션은 CST MWS를 이용하여 수행하였고, 시제품의 특성 측정은 RHODE & SCHWARZ ZNB8 회로망 분석기를 이용하였다.

대상 데이터

이러한 관점에서 본 연구에서는 2-암 시누어스 안테나의 소형화를 위하여 2단 2-암 시누어스를 이용하고, 두께 04mm, 비유전율 4.4인 FR4를 안테나의 기판으로 사용 한다. 또한 50 Ω의 동축케이블로 급전하기 위하여 바룬이 필요한데, 본 연구에서는 그림 12와 같은 테이퍼 구조의 바룬을 사용한다.
전체 반경은 60 mm로 동일하지만, 2단 2-암 시누어스 안테나는 60 mm 중, 1단 반경을 50 mm, 2단의 간격을 10 mm, 2단 셀의 각 폭 α를 7200로 하여 제작하였다.
즉, 포트 1의 임피던스 50Ω, 포트 2의 임피던스는 110Ω, 길이 140 mm, 폭 30 mm, 두께 1.6 mm의 FR4를 사용하였다.

성능/효과

8 GHz부터 안정된 입력 임피던스를 얻기 위해서는 안테나의 반경을 더 크게 해야 한다. 그러나 본 연구에서는 전체반경 60 mm중 1단의 반경은 50 mm, 2단의 간격을 10 mm로 하고, 그 사이에 0.5개 셀을 720⁰로 회전시켜서 제작한 2단 2-암 시누어스 안테나는 약 0.8[GHz] 부터 안정된 입력 임피던스의 진동이 발생하여 시누어스 안테나의 반경을 줄일 수 있는 가능성을 확인하였다.
그림 15는 전체 반경을 60mm로 한, 1단 2-암 시누어스 안테나와 2단의 간격을 50mm에서 60mm로한 2단 2-암 시누어스 안테나의 실수부와 허수부 임피던스의 시뮬레이션 결과를 보인 것인데, 2단 2-암은 실수부가 관심의 전 주파수 영역인 08 GHz에서 6 GHz까지 최소 30 Ω에서 최대 75 Ω 사이를 진동하며, 허수부는 -17 Ω 에서 25 Ω 사이를 진동하지만, 1단 2-암의 실수부는 최소 25 Ω 에서 최대 92 Ω 사이를 진동하고, 허수부도 38 Ω 에서 -27 Ω 사이를 진동한다는 것을 알 수 있었다.
따라서 2단 2-암 시누어스 안테나가 평균적으로 50Ω에 잘 정합되었다고 사료된다.
삽입손실은 0.8 GHz에서 약 -1.87dB이고, 6 GHz에서 약 -6.7 dB이 발생하였고, 전 주파수 영역에서 약 -20 dB 이하의 반사손실 특성이 나타났다. 그림 14는 그림 12의 바룬을 그림 7의 2단 2-암 시누어스 안테나에 연결한 상태를 보인 것이다.
즉, 0.8GHz 근처의 낮은 주파수 영역을 제외하고는 2단 2-암 시누어스 안테나는 전 주파수 영역에서 최대 약 70Ω에서 최소 35Ω사이를 진동하고, 1단 2-암 시누어스 안테나는 최대 약 78Ω에서 최소 35Ω 사이를 진동한다는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시누어스 안테나의 대역폭은 어떤 요소에 의해 좌우되는가?	시누어스 안테나의 대역폭은 시누어스 곡선의 반경에 좌우된다. 시누어스 구조에서 자기상보 형 구조의 능동영역의 공진 주파수 파장은 근사적으로 다음과 같이[7]
	안테나의 입력 임피던스, 복사 패턴, 편파와 같은 특성은 어떻게 결정되는가?	안테나의 입력 임피던스, 복사 패턴, 편파와 같은 특성은 주어진 동작 주파수의 파장 단위로 계산된 안테나 크기, 형태에 의해서 결정된다[1]. 만약에 안테나의 물리적 구조를 임의의 배율로 크기를 작게 혹은 크게 변경해도, 원래의 안테나 구조 형태와 동일하면, 안테나의 모든 특성이 주파수에 독립인 안테나(Frequency Independent Antenna)가 된다.
	안테나의 전체 반경을 더 줄일 수 있는 이유는 무엇인가?	따라서 안테나의 전체 반경을 더 줄일 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 관심 영역의 가장 작은 주파수인 0.8 GHz의 첫 번째 능동 영역 반경인 39.7887 mm 에서 복사되지 않은, 잔류 전류는 1단의 반경이 클수록 2단으로 들어오는 전류가 작아져서, 안테나의 종단에서 급전 점으로 되돌아오는 전류가 작아지기 때문이다. 따라서 이론적으로는 동일한 전체 반경인 경우 1단의 반경을 최대한 크게 하고, 2단의 시누어스 암의 회전 각 폭을 최대한 크게 하면 소형화 된 시누어스 안테나를 만들 수 있다.

참고문헌 (9)

S.-W. Park, N. Kim, S.-Y. Rhee, and S. Lee, "The broadband spiral slot antenna fed by coplanar waveguide," in Proc. KICS Int. Conf. Commun., pp. 2270-2273, Jun. 2008.
Constantine A. Badlands, Antenna theory analysis and design, pp. 413-439, John Wiley & Sons, 1982.
S. H. Yoon and J. K. Kim, "Performance analysis of the uni-directional radiation equiangular antenna over EBG surface," J. KICS, vol. 40, no. 8, pp. 1622-1630, Aug. 2015.

원문보기 상세보기
B. Shanmugam, "Investigation and performance of a cavity backed novel modified balun free archimedean spiral antenna and planar array implementation," Thesis, M.S. San Diego State University, Spring, 2012.
R. H. Duhamel, Dual polarized sinuous antenna, U.S. Pattent 4,658,262, Apr. 1987.
S. H. Yoon, "Study on the linear noncomplementary 2-arm slot sinuous antenna for low input impedance," J. KICS vol. 40, no. 12, pp. 1622-1630, Dec. 2015.

원문보기 상세보기
A. Manna, P. Baldonero, and F. Trotta, "Novel UWB low-profile sinuous slot antenna," EUCAP, pp. 783-786, 2011.
H. S. Lee and T. H. Yoo, "A ultra-wideband two-arm self-complementary sinuous antenna," KJKIEES, pp. 257-267, Mar. 2015.
R. C. Johnson and H. Jasik, Antenna Engineering Handbook, 3rd Ed., chapter 14, McGrraw-Hill, 1993.

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