개구면 결합 방식 마이크로스트립 안테나

4 .3 .1 설 계 시 고 려 사 항

마이크로스트립 패치 안테나의 급전 방식을 변화시켜 개구면을 통하여 급전 시키는 방식은 D.M . P ozar에 의해 제안되었으며[15], 이에 대한 구조는 그림

(4 - 11)과 같다.

그림 4- 11. 개구면 결합 급전 방식 마이크로스트립 안테나의 구조

그림 (4- 11)에서 보는 바와 같이, 마이크로스트립 라인을 통해 급전되며, 접지 면으로 둘러싸인 개구면을 통해 위쪽 기판에 위치한 패치가 방사소자로 작용하 게 된다. 두 기판은 각자 유전율과 두께를 다르게 할 수 있으며, 주로 위쪽 패치 가 위치한 기판은 대역폭을 늘리고, 표면파를 제거하기 위해 유전율은 낮으며, 두께는 두꺼운 기판을 사용하게 된다. 또한 아래쪽 마이크로스트립 라인이 위치 한 기판은 다른 소자들과의 결합 시를 고려해 유전율은 크고 두께는 작은 기판 을 사용하게 된다[11].

개구면 결합 패치 안테나에 있어 가장 중요한 파라미터는 개구면의 폭 W a

과 급전선이 개구면을 지나서 연장된 개방 스터브의 길이 L s이다. 개구면의 폭

그림 4- 13. 스터브의 길이 증가에 따른 임피던스의 변화

그림 4- 14. 개구면의 길이 증가에 따른 임피던스의 변화

스터브 길이의 변화에 따른 임피던스의 변화는 그림 (4- 13)과 같이 스터브의 길이가 증가할수록 입력 임피던스는 스미스 도표에서 시계방향으로 변화한다. 스 터브의 길이를 적절히 조절함으로써, 입력 임피던스를 실수 축에 위치하게 조정 해야 한다. 개구면의 길이에 따른 임피던스의 변화는 그림 (4- 14)와 같이 개구면 의 길이가 증가할수록 입력 임피던스의 궤적은 스미스 도표 상에서 오른쪽으로 향하게 된다. 즉, 스터브의 길이를 조정함으로써, 원하는 주파수에서 입력 임피던 스 실수 값을 갖도록 하고, 개구면의 길이를 조정함으로써, 50 Ω 혹은 원하는 임피던스에 맞추어야 한다.

개구면의 길이를 조정할 때, 주의하여야 할 점은 임피던스 매칭 뿐만 아니라, 개구면의 크기가 증가함으로써, 개구면에서 생기는 후방 방사량의 증가와 이에 따른 안테나의 효율 감소를 들 수 있다. 따라서 개구면의 크기는 허용되는 범위 내에서 가능한 작게 설계하는 것이 바람직하다 [11,13,14].

4 .3 .2 제 작 및 실 험

그림 4- 15. 개구면 결합 마이크로스트립 안테나의 시뮬레이션 모델

그림 (4- 15)는 개구면 결합 방식 마이크로스트립 안테나의 시뮬레이션 모델을 나타낸 것으로써, 급전선과 패치가 위치한 두 개의 기판을 사용하였다. 스터브와 개구면의 길이를 적절히 조정함으로써, 임피던스 매칭을 하였다.

그림 4- 16. 개구면 결합 안테나의 입력 반사 손실 시뮬레이션 결과

개구면 결합 안테나의 입력 반사 손실 시뮬레이션 결과는 그림 (4- 16)과 같이 나타났다. 5.8 GH z에서 입력 반사 손실이 약 16.7 dB 정도인 것으로 나타났으며, 이는 패치 안테나의 경우와 거의 비슷한 결과를 보이는 것으로 나타났다.

그림 4- 17. 개구면 결합 안테나의 원방계 방사 패턴 시뮬레이션 결과

그림 (4- 17)은 개구면 결합 마이크로스트립 안테나의 원방계 패턴의 시뮬레이 션 결과로써, 5.8 GH z에서 약 5.8 dBi 의 이득을 얻었으며, 주 빔의 방향은 5。

정도 기울어진 것으로 나타났다. 또한 3 dB 빔폭은 77.1。로 나타났다.

그림 4- 18. 개구면 결합 마이크로스트립 안테나의 제작 실물

그림 (4- 18)은 제작된 5.8 GHz 개구면 결합 마이크로스트립 안테나의 모양으 로써, 패치의 크기는 14.9×18.8 m m 이며, 사용된 기판은 상층기판은 비유전율 2.52, 두께 1.57 m m 의 T LX - 9을 이용하였고, 하층 기판은 비유전율 10, 두께는 1.27 m m 의 CE R - 10 기판을 이용하였다.

그림 4- 19. 개구면 결합 마이크로스트립 안테나의 입력 반사 손실 측정 결과

그림 (4- 19)는 제작된 안테나의 입력 반사 손실 측정 결과로써, 중심 주파수 는 약 160 M Hz 의 오차가 생겼다. 유전체 간의 커플링을 이용한 다층 기판의 제작에 있어서 유전체 간의 접합시에 발생한 아주 미세한 오차가 측정 결과에는 굉장히 커다란 영향을 미치게 된다. 따라서, 위와 같이 중심주파수가 틀어진 원 인은 다음과 같은 두 가지의 이유를 생각해 볼 수 있다. 우선 첫째로, 방사소자 가 위치하는 상층 기판과 개구면과 급전 선로가 위치하는 하층 기판이 처음 설 계할 때의 위치를 벗어났기 때문이며, 두 번째로 하층 기판은 기판의 양면을 정 밀하게 맞추어 가며 제작해야 하는데, 여기에서 오차가 발생할 경우, 개구면과 급전 선로의 개방 스터브가 설계할 때의 위치와 달라지게 되며, 이로 인해 개방 스터브의 길이가 길거나 짧게 되어 임피던스 매칭에 문제가 발생하게 된다.

입력 반사 손실 10 dB 이상의 대역폭을 보면 약 230 M Hz 로써, 패치 안테나

의 경우보다는 약 40 M H z 정도의 증가를 보였다.

그림 4- 20. 개구면 결합 마이크로스트립 안테나의 방사 패턴 측정 결과

제작한 안테나의 방사패턴 측정 결과는 그림 (4- 20)에 나타내었다. 마이크로 스트립 패치 안테나의 경우와 다르게 지향성을 가진 후방 방사가 측정되었다. 이 것은 안테나의 뒷면에 위치한 급전 마이크로스트립 선로에 의한 것이며, 전방 방 사량에 비하면 대단히 작은 양이며, 일반적으로 마이크로스트립 안테나를 사용할 때에는 뒷면에 반사체를 장착하므로, 별 문제 될 것이 없다고 보인다. 반 전력 빔폭은 약 55°로 측정 되었다.