[논문]기생소자를 이용한 편파 전환 패치 안테나 설계

이원준

doi:10.12673/jant.2024.28.5.720

초록
AI-Helper

본 논문에서는 마이크로스트립 패치 안테나의 패치면 측면에 배치된 기생 소자와 PIN 다이오드를 이용하여 편파 전환 특성을 가지는 마이크로스트립 패치 안테나를 제안한다. 제안된 안테나는 정사각형 구조의 마이크로스트립 패치면 측면에 일자형 기생 소자 4개를 배치하고, 각 기생 소자에 PIN 다이오드를 연결하여 설계하였다. PIN 다이오드의 바이어스에 따른 개방 및 단락 특성을 활용하여 기생 소자의 슬롯의 전기적 길이를 변화시키며, 이를 통해 우현편파(RHCP)와 좌현편파(LHCP) 간의 편파 전환 특성을 구현하였다. 제안된 안테나는 4.21 GHz에서 공진하며, 우현편파로 동작 시 17.5 dB의 반사 손실과 135 MHz의 대역폭을, 좌현편파로 동작 시 18.4 dB의 반사 손실과 144 MHz의 대역폭을 가진다. 또한, 우현편파와 좌현편파의 축비는 각각 2.53 dB, 2.52 dB이며, 이득은 각각 6.62 dBic, 6.32 dBic이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a microstrip patch antenna with polarization-switching characteristics using parasitic elements and PIN diodes placed at the sides of the microstrip patch. The proposed antenna is designed by arranging four linear parasitic elements along the sides of a square-shaped micros...

In this paper, we propose a microstrip patch antenna with polarization-switching characteristics using parasitic elements and PIN diodes placed at the sides of the microstrip patch. The proposed antenna is designed by arranging four linear parasitic elements along the sides of a square-shaped microstrip patch, with each parasitic element connected to a PIN diode. By utilizing the open and short circuit characteristics of the PIN diodes based on the applied bias, the electrical length of the parasitic element slots is altered, enabling polarization switching between right-hand circular polarization (RHCP) and left-hand circular polarization (LHCP). The proposed antenna resonates at 4.21 GHz, with a return loss of 17.5 dB and a bandwidth of 135 MHz when operating in RHCP mode, and a return loss of 18.4 dB and a bandwidth of 144 MHz when operating in LHCP mode. Additionally, the axial ratios for RHCP and LHCP are 2.53 dB and 2.52 dB, respectively, and the gains are 6.62 dBic and 6.32 dBic, respectively.

Keyword

표/그림 (17)

그림 그림 1. 기생소자 패치 안테나의 구조 Fig. 1. Structure of parasitic elements patch antenna.
그림 그림 2. 기생소자 패치 안테나의 전류분포 (a)좌현 편파 (b)우현 편파 Fig. 2. Current distributions of parasitic elements patch antenna (a)LHCP (b)RHCP.
그림 그림 3. gap 변화에 따른 반사손실 시뮬레이션 Fig. 3. Simulation of return loss for various gap.
그림 그림 4. gap 변화에 따른 축비 시뮬레이션 Fig. 4. Simulation of Axial Ratio for various gap.
그림 그림 5. a 변화에 따른 반사손실 시뮬레이션 Fig. 5. Simulation of return loss for various a.
그림 그림 6. a 변화에 따른 축비 시뮬레이션 Fig. 6. Simulation of Axial Ratio for various a.
표 표 1. 안테나 설계 변수 Table 1. Parameters of antenna design.
표 표 2. 바이어스에 의한 편파 전환 Table 2. Polarization switching by bias.
그림 그림 7. 핀 다이오드 등가 모델 Fig. 7. PIN diode equivalent model.
그림 그림 8. 기생소자와 PIN 다이오드를 이용한 편파전환 패치 안테나 구조 Fig. 8. Structure a polarization-switching patch antenna using parasitic elements.
그림 그림 9. 순방향 바이어스 방사패턴 시뮬레이션 결과 Fig. 9. Foward bias radiation pattern simulated result.
그림 그림 10. 역방향 바이어스 방사패턴 시뮬레이션 결과 Fig. 10. Reverse bias radiation pattern simulated result.
그림 그림 11. 제작된 패치 안테나 (a) 앞면 (b) 뒷면 Fig. 11. Fabricated patch antenna (a) Top (b) Bottom.
그림 그림 12. 안테나 측정 사진 Fig. 12. Antenna measurement.
그림 그림 13. 안테나의 반사손실 측정결과 Fig. 13. Measurement of antenna return loss.
그림 그림 14. 안테나의 이득 측정결과 Fig. 14. Measurement of antenna gain.
그림 그림 15. 안테나의 축비 측정결과 Fig. 15. Measurement of antenna axial ratios

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 기생소자와 PIN 다이오드를 활용하여 안테나의 편파 전환 특성을 분석하고, 이를 기반으로 편파 전환 패치 안테나를 제안하였다. PIN 다이오드의 ON/OFF 스위칭 특성을 통해 RF 신호가 기생소자의 슬롯에서 개방 및 단락되어 우현 편파(RHCP)와 좌현 편파(LHCP)로 전환됨을 확인하였다.

제안 방법

본 논문에서는 기생소자를 이용하여 패치면과 기생소자 간의 커플링을 통해 원형 편파를 구현하고, 편파 전환을 위해 각 기생소자의 끝단에 PIN 다이오드를 삽입하였다. 제안된 안테나는 PIN 다이오드에 인가되는 DC 바이어스를 이용해 스위치처럼 ON/OFF 특성을 가지며 편파를 전환할 수 있다.
본 논문에서는 기생소자를 이용하여 패치면과 기생소자 간의 커플링을 통해 원형 편파를 구현하고, 편파 전환을 위해 각 기생소자의 끝단에 PIN 다이오드를 삽입하였다. 제안된 안테나는 PIN 다이오드에 인가되는 DC 바이어스를 이용해 스위치처럼 ON/OFF 특성을 가지며 편파를 전환할 수 있다.
본 논문에서는 기생소자에 PIN 다이오드의 바이어스 방향에 따른 임피던스 변화를 이용하여 스위칭 특성을 결합한 설계를 제안한다. 이를 통해 바이어스에 의해 기생소자가 단락되거나 개방되어 좌현 편파와 우현 편파를 전환할 수 있는 패치 안테나를 구현하였으며, 이를 그림 8에 나타내었다.
본 논문에서는 기생소자에 PIN 다이오드의 바이어스 방향에 따른 임피던스 변화를 이용하여 스위칭 특성을 결합한 설계를 제안한다. 이를 통해 바이어스에 의해 기생소자가 단락되거나 개방되어 좌현 편파와 우현 편파를 전환할 수 있는 패치 안테나를 구현하였으며, 이를 그림 8에 나타내었다. 정사각형 패치 안테나의 패치면에 I-형태의 기생소자 4개를 배치하고, 각 기생소자의 끝단에 PIN 다이오드를 하나씩 연결하였으며 바이어스를 인가하기 위하여 서로 대칭면에 있는 기생소자끼리 바이어스를 묶었다.
이를 통해 바이어스에 의해 기생소자가 단락되거나 개방되어 좌현 편파와 우현 편파를 전환할 수 있는 패치 안테나를 구현하였으며, 이를 그림 8에 나타내었다. 정사각형 패치 안테나의 패치면에 I-형태의 기생소자 4개를 배치하고, 각 기생소자의 끝단에 PIN 다이오드를 하나씩 연결하였으며 바이어스를 인가하기 위하여 서로 대칭면에 있는 기생소자끼리 바이어스를 묶었다. 제안된 안테나는 기생소자에 직접 바이어스를 인가하므로, 일반적인 바이어스 회로에서 요구되는 DC 블록이나 RF 초크와 같은 추가적인 회로가 필요 없어 회로 구성이 비교적 간단하다.
정사각형 패치 안테나의 패치면에 I-형태의 기생소자 4개를 배치하고, 각 기생소자의 끝단에 PIN 다이오드를 하나씩 연결하였으며 바이어스를 인가하기 위하여 서로 대칭면에 있는 기생소자끼리 바이어스를 묶었다. 제안된 안테나는 기생소자에 직접 바이어스를 인가하므로, 일반적인 바이어스 회로에서 요구되는 DC 블록이나 RF 초크와 같은 추가적인 회로가 필요 없어 회로 구성이 비교적 간단하다. 안테나 기판은 유전율 2.
그림 11은 3장에서 설계한 안테나의 제작 사진이며, 서로 대칭인 기생소자끼리 바이어스 회로를 구성하였으며, 안테나의 성능을 확인하기 위해 무반향 안테나 챔버에서 측정한 사진을 그림 12에 나타내었다. 안테나 성능 측정 시 안테나의 기생소자에 바이어스를 인가하기 위해 별도의 전원 공급기를 사용하였다.

대상 데이터

편파전환을 위한 원형편파 패치 안테나의 기본 구조는 기생소자를 이용한 원형 편파 패치 안테나이며, 그림 1에 나타난 바와 같이 유전체 기판 상단부의 패치면 옆에 L형 기생소자를 배치하여 설계하였다. 이때 안테나의 급전 방식은 대칭성을 유지하기 위해 동축 급전 방식을 사용하였다.
제안된 안테나는 기생소자에 직접 바이어스를 인가하므로, 일반적인 바이어스 회로에서 요구되는 DC 블록이나 RF 초크와 같은 추가적인 회로가 필요 없어 회로 구성이 비교적 간단하다. 안테나 기판은 유전율 2.94, 두께 1.5 mm 의 Duroid 6002 기판을 사용하였고, PIN 다이오드는 Infineon사의 BAR 64-03W E6327 모델을 사용하였으며, 안테나 설계에 사용된 주요 변수는 표 1에 정리되어 있다.

이론/모형

편파전환을 위한 원형편파 패치 안테나의 기본 구조는 기생소자를 이용한 원형 편파 패치 안테나이며, 그림 1에 나타난 바와 같이 유전체 기판 상단부의 패치면 옆에 L형 기생소자를 배치하여 설계하였다. 이때 안테나의 급전 방식은 대칭성을 유지하기 위해 동축 급전 방식을 사용하였다.

성능/효과

3 mm일 때, 기생소자의 폭 a의 길이를 변화시켜 반사손실과 축비의 변화를 나타낸다. 기생소자의 폭 a는 제안된 안테나에서 안테나 크기에 직접적인 영향을 미치는 변수이며, 이는 중심 주파수와 축비 특성에도 영향을 준다. 그림 5는 a의 변화에 따른 안테나의 반사손실을 보여주며, a가 커질수록 안테나의 전체적인 크기가 커져 공진 주파수가 낮아지며,축비는 올라가는 결과가 나타났으며, a = 1.
13 GHz에서 순방향(+5V)과 역방향 바이어스(-5V) 일 때 안테나 이득을 시뮬레이션 한 그림이다. 순방향 바이어스일 때 좌현편파 (LHCP)로 동작하며 이때 이득은 7.08 dBic이며, 역방향 바이어스 일 때 우현 편파(RHCP)로 동작하며 이때 이득은 7.28 dBic 로 바이어스 전환 시 편파만 전환되고 안테나의 방사패턴 및 이득에는 큰 영향이 없음을 확인하였다.
32 dBic이다. 역방향 바이어스에서는 우현 편파(RHCP)로 동작하고, 이득은 6.62 dBic으로, 바이어스 전환 시 편파만 전환되고 방사 패턴과 이득에는 큰 변화가 없음을 확인하였다.
그림 15는 4.21 GHz에서의 안테나 축비 측정 결과로, 순방향 및 역방향 바이어스 시 각각 2.52 dB, 2.53 dB로 두 바이어스 모두 3 dB 이하의 축비 성능을 충족하였다.
본 논문에서는 기생소자와 PIN 다이오드를 활용하여 안테나의 편파 전환 특성을 분석하고, 이를 기반으로 편파 전환 패치 안테나를 제안하였다. PIN 다이오드의 ON/OFF 스위칭 특성을 통해 RF 신호가 기생소자의 슬롯에서 개방 및 단락되어 우현 편파(RHCP)와 좌현 편파(LHCP)로 전환됨을 확인하였다. 제안된 안테나는 편파 전환 시에도 안테나의 방사 패턴에 변형이 발생하지 않으며, 이를 통해 다양한 응용 분야에서 단일 안테나로 유용하게 활용될 가능성이 높다고 판단된다.

후속연구

마이크로스트립 패치 안테나는 낮은 제조 비용, 높은 신뢰성, 지향성, 그리고 평면형 구조로 인한 설치 용이성 등 여러 장점을 가지고 있어 대량 생산에 적합하다. 그러나 낮은 대역폭과 고정된 편파 특성으로 인해 다양한 응용 환경에서 활용하는 데 한계가 있다.
PIN 다이오드의 ON/OFF 스위칭 특성을 통해 RF 신호가 기생소자의 슬롯에서 개방 및 단락되어 우현 편파(RHCP)와 좌현 편파(LHCP)로 전환됨을 확인하였다. 제안된 안테나는 편파 전환 시에도 안테나의 방사 패턴에 변형이 발생하지 않으며, 이를 통해 다양한 응용 분야에서 단일 안테나로 유용하게 활용될 가능성이 높다고 판단된다.

참고문헌 (6)

D.-H. Lee, W.-S. Yoon, S.-M. Han, S. M. Pyo, and Y.-S.？Kim, "A switchable circularly polarized microstrip antenna？using asymmetric U-shaped slotted ground structures,"？Journal of Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 11, No. 1, pp. 95-91, Jan. 2010. DOI: 10.5762/KAIS.2010.11.1.085.

원문보기 상세보기
F. Yang and Y. Rahmat-Samii, "A reconfigurable patch？antenna using switchable slots for circular polarization？diversity," IEEE Microwave and Wireless Components？Letters, Vol. 12, No. 3, pp. 96-98, 2002. DOI: 10.1109/7260.989863.

상세보기
W.-S. Yoon, J.-W. Baik, H.-S. Lee, S. Pyo, S.-M. Han, and？Y.-S. Kim, "A reconfigurable circularly polarized？microstrip antenna with a slotted ground plane," IEEE？Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 9, No. 1,？pp. 1161-1164, Dec. 2010. DOI: 10.1109/LAWP.2010.2096794.

상세보기
C.-W. Park, T.-H. Lee, J. H. Choi, W.-S. Yoon, S. Pyo, and？Y.-S. Kim, "A polarization-switchable microstrip patch？antenna using corner slots on ground plane and PIN？diodes," The Journal of Korean Institute of？Electromagnetic Engineering and Science, Vol. 21, No. 7,？pp. 769-777, 2010. DOI:10.5515/KJKIEES.2010.21.7.769.

원문보기 상세보기
M. K. Fries, M. Grani, and R. Vahldieck, "A reconfigurable？slot antenna with switchable polarization," IEEE？Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 13, No.？11, pp. 490-492, Nov. 2003. DOI: 10.1109/LMWC.2003.817148.

상세보기
W.-S. Yoon, S.-M. Han, D.-H. Lee, K.-J. Lee, S. Pyo, and Y.？-S. Kim, "A reconfigurable circularly polarized microstrip？antenna on a cross-shape slotted ground," The Journal of？Korean Institute of Electromagnetic Engineering and？Science, Vol. 21, No. 1, pp. 46-52, 2010. https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2010.21.1.046.

원문보기 상세보기

이 논문을 인용한 문헌

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 기생소자를 이용한 편파 전환 패치 안테나 설계
Design of a Polarization-Switching Patch Antenna Using Parasitic Elements 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

표/그림 (17)

표/그림 (17)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 기생소자를 이용한 편파 전환 패치 안테나 설계 Design of a Polarization-Switching Patch Antenna Using Parasitic Elements 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

표/그림 (17) 모든 표/그림 보기

표/그림 (17) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문 더보기

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 기생소자를 이용한 편파 전환 패치 안테나 설계
Design of a Polarization-Switching Patch Antenna Using Parasitic Elements 원문보기

초록
AI-Helper

표/그림 (17)

표/그림 (17)

AI 본문요약
AI-Helper

활용도 Top5 논문