본 논문에서는 간접급전 패드를 이용한 이중 대역 GPS패치 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 GPS L1 대역에서 공진하는 상부패치, L2 대역에서 공진하는 하부패치, 중간층에 위치하는 2개의 간접급전 패드로 구성되며, 광대역 원형 편파 특성구현을 위해 하이브리드 칩커플러를 사용하여 두 급전 포트 사이에 $90^{\circ}$의 위상차를 갖도록 급전하였다. 제안된 개별 안테나의 측정 결과, 전면 방향 이득은 GPS L1, L2 대역에서 각각 3.0 dBic, 5.1 dBic를 나타내며, 축비 특성은 각각 3.3 dB, 0.3 dB를 나타내는 것을 확인하였다. 제안된 안테나를 동일한 유전체 기판 가장자리에 7소자 배열하여 제작하여 active element pattern을 측정한 결과, 전면 방향 이득은 GPS L1, L2 대역에서 각각 -0.4 dBic, -2.4 dBic를 나타내어 GPS 배열안테나의 개별 소자로 사용 가능함을 확인하였다.
본 논문에서는 간접급전 패드를 이용한 이중 대역 GPS 패치 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 GPS L1 대역에서 공진하는 상부패치, L2 대역에서 공진하는 하부패치, 중간층에 위치하는 2개의 간접급전 패드로 구성되며, 광대역 원형 편파 특성구현을 위해 하이브리드 칩커플러를 사용하여 두 급전 포트 사이에 $90^{\circ}$의 위상차를 갖도록 급전하였다. 제안된 개별 안테나의 측정 결과, 전면 방향 이득은 GPS L1, L2 대역에서 각각 3.0 dBic, 5.1 dBic를 나타내며, 축비 특성은 각각 3.3 dB, 0.3 dB를 나타내는 것을 확인하였다. 제안된 안테나를 동일한 유전체 기판 가장자리에 7소자 배열하여 제작하여 active element pattern을 측정한 결과, 전면 방향 이득은 GPS L1, L2 대역에서 각각 -0.4 dBic, -2.4 dBic를 나타내어 GPS 배열안테나의 개별 소자로 사용 가능함을 확인하였다.
In this paper, we propose the design of a dual-band GPS antenna using in-direct feeding pads. The antenna consists of an upper patch for the GPS L1 band, a lower patch for the GPS L2 band, and two pads on the middle layer for feeding the two radiating patches. A hybrid chip coupler with a phase diff...
In this paper, we propose the design of a dual-band GPS antenna using in-direct feeding pads. The antenna consists of an upper patch for the GPS L1 band, a lower patch for the GPS L2 band, and two pads on the middle layer for feeding the two radiating patches. A hybrid chip coupler with a phase difference of $90^{\circ}$ is employed at the two feeding ports for achieving a broad circular polarization (CP) bandwidth. The proposed antenna shows bore-sight gains of 3.0 dBic(L1) and 5.1 dBic(L2), and axial ratios of 3.3 dB(L1) and 0.3 dB(L2) by measurement. The active element patterns of the fabricated array with 7 elements show bore-sight gains of -0.4 dBic (L1) and -2.4 dBic(L2), respectively. It proves that the proposed antenna structure is suitable for use in GPS array applications.
In this paper, we propose the design of a dual-band GPS antenna using in-direct feeding pads. The antenna consists of an upper patch for the GPS L1 band, a lower patch for the GPS L2 band, and two pads on the middle layer for feeding the two radiating patches. A hybrid chip coupler with a phase difference of $90^{\circ}$ is employed at the two feeding ports for achieving a broad circular polarization (CP) bandwidth. The proposed antenna shows bore-sight gains of 3.0 dBic(L1) and 5.1 dBic(L2), and axial ratios of 3.3 dB(L1) and 0.3 dB(L2) by measurement. The active element patterns of the fabricated array with 7 elements show bore-sight gains of -0.4 dBic (L1) and -2.4 dBic(L2), respectively. It proves that the proposed antenna structure is suitable for use in GPS array applications.
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문제 정의
본 논문에서는 두 개의 간접급전 패드를 이용하여 L1 대역의 CP 대역폭을 개선한 소형 이중대역 GPS 안테나 구조를 제안하였다. 제안된 안테나는 적층된 두 개의 패치 사이 층에 급전 핀과 연결되는 간접급전 패드가 위치하며, 상층 패치는 간접급전 패드에 의하여, 하층 패치는 직접 연결되지 않고 통과하는 급전 핀에 의하여 전류가 유도되는 형태로 동작하며, εr = 20의 고유전체를 사용하여 소자의 크기를 소형화하였다.
본 논문에서는 패치 간접급전 구조의 대역폭 저감을 개선할 수 있는, 간접급전 패드 구조를 활용한 2중 대역 GPS 안테나를 제안하였다. 상부에 위치한 사각 패치는 L1 대역에서 공진하며, 하부에 위치한 사각 패치는 L2 대역에서 공진하고, 두 패치 사이에 위치한 분리된 두 개의 사각패드로부터 급전된다.
제안 방법
7은 50 Ω termination을 연결하고, Ant. 1에만 신호를 인가하여 시뮬레이션하였으며, 측정은 전면 방향에서의 active element pattern 이득을 측정하였다. 제작된 배열안테나는 1.
CP특성을 구현하기 위하여 FR-4로 제작된 칩커플러 회로를 통하여 두 개의 급전 핀 사이에 90°의 위상차를 주어 급전하였다.
안테나 제작에 사용된 기판은 세라믹 파우더를 소성하고, 각 층의 두께가 2 mm, 5 mm, 2 mm가 되도록 가공하여 제작하였다. 공진패치 및 간접급전패드는 세라믹 기판 상단과 사이에 삽입하여 제작하였다. 칩커플러 회로기판은 Anaren사의 XC1400P-03S[9] 하이브리드 칩커플러, coplanar wave- guide, 50 Ω 칩저항으로 구성되어 있으며, 1∼2 GHz 범위에서 두 개의 급전 핀 사이에 90°의 위상차와 3 dB 감쇄된 전력이 두 개의 출력포트로 전달된다.
제안된 안테나는 적층된 두 개의 패치 사이 층에 급전 핀과 연결되는 간접급전 패드가 위치하며, 상층 패치는 간접급전 패드에 의하여, 하층 패치는 직접 연결되지 않고 통과하는 급전 핀에 의하여 전류가 유도되는 형태로 동작하며, εr = 20의 고유전체를 사용하여 소자의 크기를 소형화하였다.
제안된 안테나의 급전 구조는 두 공진 대역에 모두 간접급전하기 위하여 상·하부패치 사이에 w3 mm × w3 mm 크기의 사각패드가 위치하며, 패드의 중심에 급전 핀이 직접 연결된다.
제안된 안테나의 성능을 검증하기 위하여 제작된 안테나는 전파 무반사실에서 성능을 측정하였다. 그림 3은 제안된 안테나의 하이브리드 칩커플러 입력단에서의 반사 계수 측정값과 시뮬레이션값을 비교한 그래프이다.
4°씩 회전하도록 배치하였다. 칩커플러 회로 기판은 7개의 하이브리드 칩커플러가 접지면을 공유하되, 개별적으로 신호 전달이 가능하도록 coplanar waveguide를 삽입하여 제작하였다.
하이브리드 칩커플러를 포함한 시뮬레이션값을 계산하기 위하여 Advanced Design Software(ADS)[8]를 사용하여 4포트 칩커플러 회로(1입력, 2출력, 50 Ω 터미네이션)를 모델링 하였고, EM 시뮬레이션을 통하여 도출된 안테나의 2 ports S-parameter 정보와 칩커플러 회로의 2 × 2 S-parameter를 결합하였다.
대상 데이터
2 ports S-parameter 정보는 FEKO EM simulation software를 이용하여 도출하였으며, 측정 데이터와 동일하게 1∼2 GHz에서 201개의 주파수 포인트에서 계산된 데이터를 이용하였다.
두 개의 사각패드는 그라운드 하단의 PCB 기판에 위치한 하이브리드 칩커플러의 두 출력포트와 비아를 통해 연결되며, 두 개의 출력포트는 90도의 위상차를 가지고, 소형화를 위하여 εr = 20의 세라믹 유전체를 사용하였다.
그림 2는 제작된 안테나의 사진을 나타낸다. 안테나 제작에 사용된 기판은 세라믹 파우더를 소성하고, 각 층의 두께가 2 mm, 5 mm, 2 mm가 되도록 가공하여 제작하였다. 공진패치 및 간접급전패드는 세라믹 기판 상단과 사이에 삽입하여 제작하였다.
성능/효과
1.5∼2.0 GHz까지 약 500 MHz 주파수 범위에서 0 dBic 이상의 전면 방향 이득을 나타내므로, 제안된 안테나 급전구조는 GPS L1 대역에서 설계 민감도가 낮음을 확인할 수 있다.
1.55∼1.85 GHz의 주파수 범위에서 모두 3 dB 이하의 축비 성능을 나타내며, 이는 약 19 %의 CP 대역폭을 나타낸다.
제안된 7소자 배열안테나의 인접 소자 간 최소 거리는 λ/20이며, 제안된 안테나가 전기적으로 작은 공간에 밀집하여 장착될 경우, 배열소자 간 커플링에 의해 이득이 저감되는 것이 일반적이다. 1.5754 GHz에서 제안된 안테나의 배열 시 이득 저감은 3.2 dB로 유사한 공간에 더 적은 수의 안테나 소자를 배열한 참고문헌 [18]의 결과와 유사하므로, 제안된 안테나는 소형 배열안테나 시스템에 적합하다.
제안된 안테나 구조를 배열안테나로 확장하기 위하여, 동일한 크기와의 유전체 기판에 7소자 배열하여 active element pattern을 측정한 결과, Ant. 1에 대하여 GPS L1/L2 대역에서 각각 전면 방향 이득 -0.2 dBic, -2.4 dBic를 나타내는 것을 확인하여, 제안된 안테나를 배열안테나로 확장하여 사용 가능함을 확인하였다.
안테나의 전면방향 주파수 특성은 하이브리드 칩 커플러의 출력포트와 연결된 각 안테나 포트의 임피던스 정합특성에 의해 결정되는 방사효율과 관계되므로, w2에 따라 전면방향 이득의 주파수 특성이 변한다. 따라서 w2의 변화에 무관하게 저주파수 쪽의 공진주파수는 1.227 GHz로 일정하지만, 고주파수 쪽의 공진주파수는 w2가 20 mm일 때 1.625 GHz, 23 mm일 때 1.475 GHz로 변하는 것을 확인할 수 있다.
CP특성을 구현하기 위하여 FR-4로 제작된 칩커플러 회로를 통하여 두 개의 급전 핀 사이에 90°의 위상차를 주어 급전하였다. 안테나 성능 측정 결과, 제작된 안테나는 전면 방향 이득이 각각 3.0 dBic, 5.2 dBic를 나타내며, 축비 특성은 0.3 dB, 3.3 dB를 나타낸다. 제안된 안테나는 1.
표 2는 제안된 안테나의 전면방향이득과 3 dB 축비 대역폭을 참고문헌 [2], [4], [5], [15]에 제안된 다른 GPS 안테나와 비교한 표를 나타낸다. 제시된 참고문헌에 나타난 GPS 안테나의 CP 대역폭이 5 % 이하의 범위인 것에 비해 제안된 안테나의 3 dB 축비 대역폭은 20 %에 가까운 값을 나타낸다.
제안된 7소자 배열안테나의 인접 소자 간 최소 거리는 λ/20이며, 제안된 안테나가 전기적으로 작은 공간에 밀집하여 장착될 경우, 배열소자 간 커플링에 의해 이득이 저감되는 것이 일반적이다.
제안된 안테나는 1.5∼2.0 GHz 주파수 범위에서 0 dBic 이상의 전면 방향 이득을 가지며, 1.55∼1.85 GHz 주파수 범위에서 3 dB 이하의 축비 특성을 나타낸다.
85 GHz 주파수 범위에서 3 dB 이하의 축비 특성을 나타낸다. 제안된 안테나는 두 주파수 대역에서 독립적인 주파수 튜닝이 가능한 특성을 가지며, 간접급전 패드가 접지면의 역할을 하지 않아 직접급전 구조의 특징을 나타내지 않는 것을 자계분포를 통해 확인하였다. 제안된 안테나 구조를 배열안테나로 확장하기 위하여, 동일한 크기와의 유전체 기판에 7소자 배열하여 active element pattern을 측정한 결과, Ant.
두 개의 사각패드는 그라운드 하단의 PCB 기판에 위치한 하이브리드 칩커플러의 두 출력포트와 비아를 통해 연결되며, 두 개의 출력포트는 90도의 위상차를 가지고, 소형화를 위하여 εr = 20의 세라믹 유전체를 사용하였다. 제작된 안테나는 전면 방향 이득이 GPS L1/L2 대역에서 각각 3 dBic, 5.2 dBic로 이중대역 GPS 안테나로 적합함을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제안된 안테나의 성능을 검증하기 위하여 제작된 안테나는 에디에서 성능을 측정하였는가?
제안된 안테나의 성능을 검증하기 위하여 제작된 안테나는 전파 무반사실에서 성능을 측정하였다. 그림 3은 제안된 안테나의 하이브리드 칩커플러 입력단에서의 반사 계수 측정값과 시뮬레이션값을 비교한 그래프이다.
w2의 변화에 무관하게 저주파수 쪽의 공진주파수는 1.227 GHz로 일정하지만, 고주파수 쪽의 공진주파수는 w2가 20 mm일 때 1.625 GHz, 23 mm일 때 1.475 GHz로 변하는 것을 확인할 수 있는 근거는?
그림 8은 제안된 안테나 형상에서 다른 모든 설계 변수는 고정하고, 상부패치의 한 변의 길이(w2)만 20∼23 mm까지 1 mm 간격으로 변화시켰을 때 전면 방향 이득의 변화를 시뮬레이션을 통하여 비교하여 나타낸 그래프이다. 안테나의 전면방향 주파수 특성은 하이브리드 칩 커플러의 출력포트와 연결된 각 안테나 포트의 임피던스 정합특성에 의해 결정되는 방사효율과 관계되므로, w2에 따라 전면방향 이득의 주파수 특성이 변한다. 따라서 w2의 변화에 무관하게 저주파수 쪽의 공진주파수는 1.
위성 위치 확인 시스템은 무엇을 제공하는가?
위성 위치 확인 시스템(GPS)은 실시간으로 물체에 대한 정확한 위치 정보를 제공하며, 과거에는 차량, 선박, 항공 등 제한된 분야에서 사용하였지만, 최근 GPS 시스템은 개개인의 휴대용 무선 통신기기, 디지털 카메라 등 일상생활 전반에서 사용되고 있다[1],[2]. 이에 따라 고성능 다기능 소형 GPS 수신 안테나에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 최근에는 GPS 신호 수신율을 높이기 위하여, 다수 소자의 안테나를 배열하여 다중경로 전파 환경이나 재밍에 의한 간섭을 최소화 하는 연구가 많이 진행되고 있다[2],[3].
참고문헌 (18)
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G. Byun, S. M. Seo, I. Park, and H. Choo, "Design of small CRPA arrays for dual-band GPS applications", IEICE Trans. Commun., vol. 97-B, no. 6, pp. 1130-1138, Jun. 2014.
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