[논문]DSRR을 이용한 비발디 안테나 소자 간 격리도 향상

윤주호; 박대성; 장동혁; 황금철

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.10.739

초록
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본 논문에서는 비발디 안테나 소자 간 격리도 향상을 위해, 메타구조 기반 흡수체의 한 종류인 double split ring resonator(DSRR)를 제안하였다. Unitcell 모의실험을 통하여 흡수체로 동작하는 DSRR을 설계하였으며, DSRR을 통한 격리도 향상을 확인하기 위하여 $1{\times}2$ 비발디 안테나에 적용하였다. 제안된 DSRR의 unitcell 크기는 $5mm{\times}5mm{\times}1.52mm$이며, 총 6개의 unitcell이 사용되었다. 제안된 DSRR의 성능 검증을 위하여 DSRR 적용 유무에 따른 $1{\times}2$ 비발디 안테나를 제작 및 측정하였으며, 측정 결과 DSRR이 적용된 비발디 안테나는 DSRR이 적용되지 않은 비발디 안테나에 비해 20 dB의 격리도 향상을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a double split-ring resonator(DSRR) is proposed to improve the isolation between Vivaldi antenna elements. The DSRR was designed using a unit cell simulation and applied to a $1{\times}2$ Vivaldi antenna array to confirm the improvement in the isolation. The unit cell size ...

In this paper, a double split-ring resonator(DSRR) is proposed to improve the isolation between Vivaldi antenna elements. The DSRR was designed using a unit cell simulation and applied to a $1{\times}2$ Vivaldi antenna array to confirm the improvement in the isolation. The unit cell size of the proposed DSRR is $5mm{\times}5mm{\times}1.52mm$ and six unit cells are used. To verify the performance of the proposed DSRR, $1{\times}2$ Vivaldi antenna arrays with and without the DSRR were fabricated and measured. The results show an isolation improvement of 20 dB in the Vivaldi antennas with the DSRR when compared to the Vivaldi antennas without the DSRR.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 메타구조 기반 흡수체의 한 종류인 DSRR을 이용하여 비발디 안테나 소자 간 격리도를 향상시켰다. DSRR의 표면파 차단 특성을 확인하기 위하여 unitcell 모의실험을 통해 유효 유전율과 투자율을 계산하였으며, 1×2 비발디 안테나 사이에 DSRR을 적용하였다.

제안 방법

그림 6은 DSRR 유무에 따른 산란계수를 보여준다. DSRR로 인한 표면파 감소 특성을 확인하기 위하여 DSRR이 존재하는 모델과 존재하지 않는 모델에 대하여 비교하였으며, 두 모델 모두 비발디 안테나의 설계 파라미터는 동일하다. S₁₁특성은 DSRR 유무에 상관없이 9.
본 논문에서는 메타구조 기반 흡수체의 한 종류인 DSRR을 이용하여 비발디 안테나 소자 간 격리도를 향상시켰다. DSRR의 표면파 차단 특성을 확인하기 위하여 unitcell 모의실험을 통해 유효 유전율과 투자율을 계산하였으며, 1×2 비발디 안테나 사이에 DSRR을 적용하였다. DSRR 유무에 상관없이 1×2 비발디 안테나의 S₁₁은 9.

대상 데이터

그림 4(a)는 제안된 DSRR을 적용하기 위한 비발디 안테나 각 층의 구조이다. 3의 유전율과 0.76 mm의 두께를 갖는 Taconic사의 RF-30 기판을 사용하였으며, 총 3개의 층으로 이루어져 있다. 위층과 아래층에는 비발디 형상이 도입되었으며, 중간층에는 급전을 위한 50 Ω의 strip line이 존재한다.
그림 1은 제안된 DSRR의 unitcell 구조이다. 3의 유전율과 0.76 mm의 두께를 갖는 Taconic사의 RF-30기판을 사용하였으며, 2장을 적층하여 사용하였다. DSRR은 적층된 기판의 위층과 아래층에 적용되었으며, split ring reso- nator(SRR)가 2개 겹쳐진 구조로 이루어져 있다.

이론/모형

, 이 방법은 크기적 제한과 복잡성에서 벗어나 효율적으로 안테나 소자 간 격리도를 향상시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 안테나 사이의 격리도를 향상시키기 위해 메타 구조 기반 흡수체의 한 종류인 double split ring resonator (DSRR)를 사용하였다. 모의실험을 위한 tool은 ANSYS사의 HFSS를 이용하였다.
따라서 본 논문에서는 안테나 사이의 격리도를 향상시키기 위해 메타 구조 기반 흡수체의 한 종류인 double split ring resonator (DSRR)를 사용하였다. 모의실험을 위한 tool은 ANSYS사의 HFSS를 이용하였다.

성능/효과

DSRR의 표면파 차단 특성을 확인하기 위하여 unitcell 모의실험을 통해 유효 유전율과 투자율을 계산하였으며, 1×2 비발디 안테나 사이에 DSRR을 적용하였다. DSRR 유무에 상관없이 1×2 비발디 안테나의 S₁₁은 9.5GHz 대역에서 −10 dB 이하의 값을 보였으며, S₂₁은 DSRR이 존재할 경우 존재하지 않는 경우보다 20 dB 정도 감소되었다. 이를 통하여 DSRR을 통한 격리도 향상을 확인하였으며, 방사패턴은 두 경우 모두 +x-축 방향으로 지향성을 갖는 패턴을 보였다.
8 GHz에서 이루어졌다. DSRR의 유무와 관계없이 방사패턴은 +x-축 방향으로 지향성을 갖는 패턴을 보이고 있으며, 인접된 안테나의 영향으로 E-plane 방사패턴이 +y-축 방향으로 기울어진 것을 확인할 수 있다. DSRR 유무에 따른 측정된 최대 이득은 각각 4.
65GHz로 Ⅱ절에서 설계한 DSRR의 동작 주파수와 거의 일치한다. 따라서 설계된 DSRR로 인한 안테나 소자 간 격리도 향상을 확인하였다.
5GHz 대역에서 −10 dB 이하의 값을 보였으며, S₂₁은 DSRR이 존재할 경우 존재하지 않는 경우보다 20 dB 정도 감소되었다. 이를 통하여 DSRR을 통한 격리도 향상을 확인하였으며, 방사패턴은 두 경우 모두 +x-축 방향으로 지향성을 갖는 패턴을 보였다. 따라서 DSRR 구조는 안테나 소자 간 격리도 향상이 필요한 어플리케이션에 적용이 가능할 것으로 보인다.

후속연구

이를 통하여 DSRR을 통한 격리도 향상을 확인하였으며, 방사패턴은 두 경우 모두 +x-축 방향으로 지향성을 갖는 패턴을 보였다. 따라서 DSRR 구조는 안테나 소자 간 격리도 향상이 필요한 어플리케이션에 적용이 가능할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	안테나 사이의 상호결합 현상의 주된 원인은 무엇인가?	다수의 안테나를 사용하는 경우, 안테나 사이의 상호결합 현상이 일어나게 되며, 이러한 상호결합은 안테나 성능의 저하를 야기시킨다. 상호결합의 주된 원인으로는 안테나의 유전체를 통해 인접 안테나로 넘어가는 표면파가 있다. 이러한 표면파를 줄이기 위한 기본적인 방법으로는 안테나 사이의 물리적 거리를 증가시킴으로써 인접 안테나에 영향을 미치는 표면파의 크기를 줄여주는 방법이 있다.
	다수의 안테나를 사용할 때 안테나 성능이 저하되는 이유는 무엇인가?	다수의 안테나를 사용하는 배열 안테나 기술은 높은 이득과 빔형성 기법을 적용할 수 있어 레이다, 통신 등의 분야에 사용되고 있다[1]. 다수의 안테나를 사용하는 경우, 안테나 사이의 상호결합 현상이 일어나게 되며, 이러한 상호결합은 안테나 성능의 저하를 야기시킨다. 상호결합의 주된 원인으로는 안테나의 유전체를 통해 인접 안테나로 넘어가는 표면파가 있다.
	배열 안테나 성능을 저하하는 상호결합의 원인인 표면파의 크기를 줄이기 위해 안테나 사이의 물리적 거리를 증가시킬 경우의 문제점은 무엇인가?	이러한 표면파를 줄이기 위한 기본적인 방법으로는 안테나 사이의 물리적 거리를 증가시킴으로써 인접 안테나에 영향을 미치는 표면파의 크기를 줄여주는 방법이 있다. 하지만 안테나 사이의 거리가 멀어지게 될 경우, 배열 안테나 기술에 있어 grating lobe가 발생된다. 표면파를 차단하는 또 다른 방법으로는 안테나 사이에 금속 벽을 만드는 방법[2]과 electromag- netic band gap(EBG)[3] 구조를 사용하는 방법 등이 있다.

참고문헌 (7)

R. J. Mailloux, Phased Array Antenna Handbook, Boston, Artech House, 2005, pp. 1-79.
B. A. Arand, A. Bazrkar, and A. Zahedi, "Design of a phased array in triangular grid with an efficient matching network and reduced mutual coupling for wide-angle scanning," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 65, no. 6, pp. 2983-2991, 2017.

상세보기
Q. R. Zheng, Y. Q. Fu, and N. C. Yuan, "A novel compact spiral Electromagnetic Band-Gap(EBG) structure," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 56, no. 6, pp. 1656-1660, Jun. 2008.

상세보기
M. M. Bait-Suwailam, O. F. Siddiqui, and O. M. Ramahi, "Mutual coupling reduction between microstrip patch antennas using slotted complementary split-ring resonators," IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, vol. 9, pp. 876-878, 2010.

상세보기
C. C. Hsu, K. H. Lin, and H. L. Su, "Implementation of broadband isolator using metamaterial-inspired resonators and a T-shaped branch for MIMO antennas," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 59, no. 10, pp. 3936-3939, Oct. 2011.

상세보기
Z. Szabo, G. H. Park, R. Hedge, and E. P. Li, "A unique extraction of metamaterial parameters based on Kramers-Kronig relationship," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 58, no. 10, pp. 2646-2653, Oct. 2010.

상세보기
C. Caloz, T. Itoh, Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications: The Engineering Approach, Hoboken, John Wiley & Sons, 2005.

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