[논문]0.6~6 GHz 초 광대역 쿼드릿지 혼 안테나 설계

최철진; 이문희; 손태호

doi:10.5370/kiee.2019.68.1.77

0.6~6 GHz 초 광대역 쿼드릿지 혼 안테나 설계
Design of 0.6~6 GHz Ultra Wideband Quad-ridge Horn Antenna 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.68 no.1, 2019년, pp.77 - 82

최철진 (Dept. of IT Engineering, Soonchunhyang University) , 이문희 (Dept. of IT Engineering, Soonchunhyang University) , 손태호 (Dept. of IT Engineering, Soonchunhyang University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a 0.6~6GHz quad-ridge horn antenna which can be used for the antenna measurement of 5.8GHz WiFi system from lowest frequency band of mobile LTE (Long Term Evolution) is designed and implemented. The quad-ridge horn antenna has quadruple ridges of exponential function, a back-short and a cavity. Based on this structure, we design the cavity size, ridge gap and feed gap to have broadband characteristics. For implementation, the plates material of aluminum and copper are used for the horn and four ridges, respectively. And the insulator supports are used to maintain the gap between ridges. By measurement, antenna has the gain of 6.2~13.35dBi with the return loss of less than -6dB (under VSWR 3 : 1) in the entire design band. The results of this study can be widely used to the antenna studies on the mobile communication including low frequency band of LTE, the EMI measurement and the standard calibration measurement.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1 제안 안테나의 구조 Fig. 1 Structure of proposed antenna
그림 그림 2 릿지의 수치 Fig. 2 Ridge dimensions
그림 그림 3 안테나의 릿지 구조 Fig. 3 Ridge structure of antenna. (a) ridge model (b) gapand width between ridges
표 표 1 제안 안테나의 치수 Table 1 Dimensions of proposed antenna.
그림 그림 4 릿지 간격 변화에 따른 반사손실 변화 Fig. 4 Return loss as a function of ridge gap
그림 그림 5 캐비티 구조 Fig. 5 Cavity structure
그림 그림 6 급전 지점 단면도 Fig. 6 Section view of feed points. (a) point P₁ (b) point P₂
그림 그림 7 급전 지점의 간격 변화에 따른 반사손실 Fig. 7 Return loss as a function of feed points
그림 그림 8 제작된 쿼드릿지 혼 안테나 Fig. 8 Implemented a quad-ridge antenna
그림 그림 9 제작된 안테나의 반사손실과 정재파비 Fig. 9 Return loss and VSWR of the Implemented antenna. (a) return loss (b) VSWR
그림 그림 10 제작된 혼 안테나의 방사패턴 Fig. 10 The radiation pattern of the Implemented horn antenna. (a) E-plane radiation pattern(0.698 GHz) (b) H-plane radiation pattern(0.698 GHz) (c) E-plane radiation pattern (3.0 GHz) (d) H-plane radiation pattern(3.0 GHz) (e) E-plane radiation pattern(5.8 GHz) (f) H-plane radiation pattern(5.8GHz)
그림 그림 11 주파수에 따른 이득변화 Fig. 11 Gain variation with frequency

AI 본문요약
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문제 정의

혼 안테나의 광대역 특성과 2중 편파를 구현하기 위해 그림 3(a)와 같이 4개의 릿지 구조를 사용한다. 릿지 A1과 A2에 의한 수직 편파를, 릿지 B1과 B2에 의한 수평 편파를 발생시키기 위한 것이다. 급전 지점은 도파관 내부에 4개 릿지의 수직(A1, A2) 및 수평(B1, B2) 급전 포트로 구성된다.
본 논문에서는 LTE 밴드의 가장 낮은 주파수에서 WiFi 5.8GHz 대역까지 사용할 수 있는 0.6~6GHz의 주파수 범위에서 동작하는 쿼드릿지 혼 안테나를 설계하고 이를 제작하였다. 급전단은 도파관 내부에 지수함수 특성을 갖는 4개의 릿지에 수평 및 수직의 급전 포트로 구성되며, 백 쇼트를 이용한 캐비티 구조를 갖는다.
본 논문에서는 사각형 혼 안테나에 4중 날을 추가하여 광대역 특성을 갖는 쿼드릿지 혼 안테나를 설계한다. 4중 날은 서로 대칭으로 설계하고, 이는 수평, 수직 편파 수신 시 동일한 방사패턴 특징을 갖는다.
제안 안테나의 4개의 릿지 사이의 간격, 4개의 릿지 두께, 도파관의 폭, 급전 위치에 따른 특성변화를 설명하기 위해 본 논문에 기재한다. 각각 변수에 따라 반사손실의 특성이 변하게 된다.

제안 방법

급전단은 도파관 내부에 지수함수 특성을 갖는 4개의 릿지에 수평 및 수직의 급전 포트로 구성되며, 백 쇼트를 이용한 캐비티 구조를 갖는다. 광대역 특성을 얻기 위하여 캐비티 크기를 조절하고 릿지 간격 및 급전간격을 최적화하여 반사손실을 개선하였다. 제작된 안테나 측정 결과 설계 대역에서 –6dB 이하 (VSWR 3 : 1 이하)를 만족하였으며, 무반사실에서 측정된 방사특성에서 이득은 6.
따라서 릿지 간격 W가 1.6mm일 때 설계 대역에서 반사손실 –10dB 이하로 시뮬레이션 결과 본 논 문에서는 릿지 간격을 1.6mm로 설계하였다.
이들은 백 쇼트, 캐비티 둘과 서로 상호관계가 있기 때문에 광대역 특성을 얻도록 신중히 설계하여야 한다. 본 논문에서는 릿지 간격 변화에 의한 대역 특성을 먼저 구하고 백 쇼트 및 캐비티에 따른 최적 급전 지점을 구하도록 진행하였다.
4개의 릿지는 도파관의 내벽에 균등하게 배치되며 광대역 임피던스의 매칭을 통해 안테나 대역폭을 증가시킨다. 본 논문에서는 혼의 두께가 넓을수록 안테나의 방사패턴을 열화시킬 수 있기 때문에 릿지의 두께를 1.2mm로 고정하였다. 설계 대역 내에서 50Ω의 특성 임피던스에 가깝도록 릿지의 간격 W를 조절하였다.
설계 대역 내에서 50Ω의 특성 임피던스에 가깝도록 릿지의 간격 W를 조절하였다.
혼의 두께가 넓은 경우, 신호의 산 란 및 표면 전류에 의해 불요방사가 발생 되어 안테나의 방사패 턴을 열화시킬 수 있다. 이를 방지하기 위해 본 논문에서는 혼의 두께를 1.2 mm로 하였다. 또한, 4개의 릿지 사이를 고정할 수 있 는 절연체 지지대를 사용하였으며, 이는 릿지 사이의 간격이 안테나 특성에 많은 영향을 끼치므로 제작 시 발생할 수 있는 오차를 줄이기 위해서이다.
백 쇼트 및 캐비 티 구조의 크기와 함께 릿지 간격 및 급전간격을 조절하여 안테나의 주파수 대역을 기존보다 더 넓은 대역으로 개선할 수 있음을 보인다. 제안 안테나는 LTE 밴드의 가장 낮은 주파수인 CH12(698-746MHz)에서 WiFi 5.8GHz 대역까지 사용할 수 있는 0.6~6GHz의 주파수 범위에서 동작하도록 설계한다. 본 논문에서 제안된 쿼드릿지 혼 안테나를 설계하기 위하여 EM 시뮬레이션 툴인 Ansoft사 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 사용한다.
제작된 쿼드릿지 안테나의 혼은 알루미늄, 4개의 릿지는 동판으로 구현하며, 제작 시 4개의 릿지 사이의 간격이 안테나 특성에 많은 영향을 끼치므로 4개의 릿지 사이를 고정할 수 있는 절연체 지지대를 사용한다. 제작된 쿼드릿지 혼 안테나는 Agilent사의 네트워크 분석기 및 MTG사의 무반사실에서 안테나의 제반 특성을 측정한다. 본 논문의 구성은 2장에서 제안 안테나에 대한 구조와 설계에 대해서, 3장에서 안테나에 대한 제작과 측정 결과를 나타내며, 결론을 4장에서 맺는다.

대상 데이터

HFSS 시뮬레이션으로 설계한 제안 안테나의 전체 크기는 245.4mm(A1) × 245.4mm(A2) × 245.7mm (A3)이며, 119.2mm × 241mm 크기의 4개의 지수함수형 릿지의 완만한 날을 서로 대칭으로 설계하였다.
그림 8은 시뮬레이션 설계를 바탕으로 설계하여 이를 제작한 안테나 사진이다. 앞의 설계 이론을 바탕으로 제안된 안테나의 개구면 크기는 표 1과 같고, 혼과 캐비티의 재질은 알루미늄으로, 릿지는 동판으로 제작하였다. 혼의 두께가 넓은 경우, 신호의 산 란 및 표면 전류에 의해 불요방사가 발생 되어 안테나의 방사패 턴을 열화시킬 수 있다.

이론/모형

6~6GHz의 주파수 범위에서 동작하도록 설계한다. 본 논문에서 제안된 쿼드릿지 혼 안테나를 설계하기 위하여 EM 시뮬레이션 툴인 Ansoft사 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 사용한다. 제작된 쿼드릿지 안테나의 혼은 알루미늄, 4개의 릿지는 동판으로 구현하며, 제작 시 4개의 릿지 사이의 간격이 안테나 특성에 많은 영향을 끼치므로 4개의 릿지 사이를 고정할 수 있는 절연체 지지대를 사용한다.

성능/효과

5GHz보다 낮은 주파수 대역은 반사손실 특성이 거의 유사함을 보이고 있다. 또한, 릿지 간의 간격이 감소함으로써 1~5GHz에서 대역폭 특성이 나빠지며, 5~6GHz에서는 좋은 대역 특성이 나타나고 있다. 따라서 릿지 간격 W가 1.
제안된 쿼드릿지 혼 안테나는 백 쇼트(backshort)를 이용한 캐비티(cavity) 구조를 가진다. 백 쇼트 및 캐비 티 구조의 크기와 함께 릿지 간격 및 급전간격을 조절하여 안테나의 주파수 대역을 기존보다 더 넓은 대역으로 개선할 수 있음을 보인다. 제안 안테나는 LTE 밴드의 가장 낮은 주파수인 CH12(698-746MHz)에서 WiFi 5.
본 논문은 같은 용도로 사용되는 쿼드릿지 혼 안테나보다 더 넓은 대역을 나타내고 있으며[10], M사의 0.8~6 GHz 대역 특성을 보이는 쿼드릿지 혼 안테나에 비해 대역이 넓다.
8GHz에서 Ø = 90°로 E-평면(y-z 평면)으로, θ = 90° 일 경우 H-평면(x-z 평면)으로 측정된 결과이다. 시뮬레이션과 제작된 안테나를 비교한 결과 방사특성이 서로 잘 부합되고 있음을 보이고 있다. 혼 안테나에 대한 방사패턴의 시뮬레이션의 경우 주파수 0.
제작된 안테나 측정 결과 설계 대역에서 –6dB 이하 (VSWR 3 : 1 이하)를 만족하였으며, 무반사실에서 측정된 방사특성에서 이득은 6.2~13.35dBi, 빔폭은 E면에서 25°~75.5°, H면에서 27°~ 83.1° 특성을 얻었다.

후속연구

이는 측정 결과가 설계치와 잘 맞고 있음을 보이고 있다. 제작된 쿼드릿지 혼 안테나는 작은 크기이면서도 광대역 특성을 보이고 있기 때문에 이동통신용 안테나 방사측정 챔버 혹은 EMI 측정실 등에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제안된 쿼드릿지 혼 안테나가 가지는 구조는?	4중 날은 서로 대칭으로 설계하고, 이는 수평, 수직 편파 수신 시 동일한 방사패턴 특징을 갖는다. 제안된 쿼드릿지 혼 안테나는 백 쇼트(backshort)를 이용한 캐비티(cavity) 구조를 가진다. 백 쇼트 및 캐비 티 구조의 크기와 함께 릿지 간격 및 급전간격을 조절하여 안테나의 주파수 대역을 기존보다 더 넓은 대역으로 개선할 수 있음을 보인다.
	혼 안테나를 사용하여 전자계 강도를 측정할 때 문제점이 무엇인가요?	또한, 마이크로파 측정, 무반사실 측정, 레이더 및 탐지 시스템에 광범위하게 사용되고 있으며, 점차적으로 넓은 주파수 대역 폭뿐만 아니라 다양한 편파가 가능한 안테나를 요구하는 추세이다 [5]. 그러나 일반적으로 혼 안테나는 야외시험장(OATS : Open Area Test Site)에서 전자계 강도를 측정할 때 방송이나 이동통신 등 많은 주파수 대역에 간섭받고 환경잡음이 일정하지 않아 정확한 측정이 어렵다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 높은 신뢰성을 갖는 EMC 챔버를 제작하여 특성을 측정하고, 안테나로 쿼드릿지 (quad-ridge) 혼 안테나가 적용되며, 소형화 및 성능 개선에 대한 연구가 진행되고 있다[6]-[9].
	제작된 쿼드릿지 혼 안테나가 광대역 특성을 보인다고 보는 근거는 무엇인가요?	급전단은 도파관 내부에 지수함수 특성을 갖는 4개의 릿지에 수평 및 수직의 급전 포트로 구성되며, 백 쇼트를 이용한 캐비티 구조를 갖는다. 광대역 특성을 얻기 위하여 캐비티 크기를 조절하고 릿지 간격 및 급전간격을 최적화하여 반사손실을 개선하였다. 제작된 안테나 측정 결과 설계 대역에서 –6dB 이하 (VSWR 3 : 1 이하)를 만족하였으며, 무반사실에서 측정된 방사특성에서 이득은 6.2~13.35dBi, 빔폭은 E면에서 25°~75.5°, H면에서 27°~ 83.1° 특성을 얻었다. 이는 측정 결과가 설계치와 잘 맞고 있음을 보이고 있다.

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].

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