A Single-Fed Microstrip Parasitic Array Antenna for Low-Cost Three-Dimensional Beam Steering

http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2014.14.5.223

JIIBC 2014-5-31

저가 3차원 빔 조향을 위한 단일급전 마이크로스트립 기생배열 안테나

A Single-Fed Microstrip Parasitic Array Antenna for Low-Cost Three-Dimensional Beam Steering

김영구

, 김태홍

Young-Goo Kim

, Tae-Hong Kim

요 약

본 논문에서는 5.8GHz ISM 대역 (5.725GHz~5.825GHz) 의 저가 3 차원 빔 조향을 위한 단일급전 마이크로스트 립 기생 배열 안테나를 설계 및 제작하였다 . 안테나는 단일 급전 능동소자와 가변 리액턴스 부하를 갖는 4 개의 기생 소자로 구성된다 . 제작된 안테나의 빔 조향 범위는 가변 리액턴스 부하의 조절에 의해 방위각 Φ =0°, Φ =45°, Φ =90°, Φ =135° 에서 ±28° 의 3 차원 빔 조향을 이룰 수 있었다 . 빔 조향 범위 내에서 안테나의 최대이득은 7.23dBi~9.36dBi 를 가지고 , -10dB 이하 반사손실대역폭은 빔 조향각도에 상관없이 항상 5.8GHz ISM 대역을 포함하였다 .

Abstract In this paper, the single-fed microstrip parasitic array antenna for low-cost three-dimensional beam steering in 5.8GHz ISM(5.725GHz～5.825GHz) band is designed and implemented. The antenna is comprised of one feed active element and four passive elements with variable reactance loads. The beam steering range of implemented antenna is achieved three-dimensional beam steering of ±28° at azimuth angle Φ=0°, Φ=45°, Φ

=90°, and Φ=135° by adjusting variable reactance loads. The maximum gain of the antenna in the beam steering range have within 7.23dBi~9.36dBi and the bandwidth of return loss lower than –10dB covers 5.8GHz ISM band regardless of the beam steering angles.

Key Words : Three-Dimensional Beam Steering , Varactor Diode, Microstrip Parasitic Array Antenna

*

정회원, 한국전자통신연구원 사업화본부

**

정회원, 한국전자통신연구원 사업화본부

접수일자 : 2014년 9월 15일, 수정완료 : 2014년 10월 6일 게재확정일자 : 2014년 10월 10일

Received: 15 September, 2014 / Revised: 6 October, 2014 Accepted: 10 October, 2014

*

Corresponding Author: [email protected] Technology Business Division, ETRI, Korea

Ⅰ. 서 론

스마트(smart) 안테나 기술은 배열 안테나의 지향성 빔을 이용하여 간섭신호 및 잡음을 제거함으로써 신호 상호간 최적의 무선 인터페이스(air interface)를 통하여 통화용량 증대와 통화 신뢰도 향상을 동시에 달성하는 기술로 간섭을 줄이고 고품질의 데이터를 전송할 수 있 으며, 한정된 전파자원으로도 대용량의 데이터를 전송할 수 있는 장점이 있다

.

대표적인 스마트 안테나 기술은 크게 고정 빔을 제공 하는 스위치 빔 안테나 시스템(switched beam antenna system)과 적응 빔을 제공하는 적응형 배열 안테나 시스 템(adaptive array antenna system)으로 분류할 수 있다.

고정 빔을 제공하는 스위치 빔 안테나 시스템은 신호

강도를 탐지하고 여러 개의 미리 지정된 빔 중에서 고정

된 빔 하나를 선택하여 빔을 스위칭 하는 구조로 빔 패턴

이 개별방식으로 스위칭 되어 고정된 빔만을 제공하기

때문에 임의의 방사패턴은 구현할 수 없다

. 적응형 안

테나 시스템은 크게 두 가지의 기술에 대하여 많은 연구 가 이루어지고 있다. 첫째는 적응형 배열 안테나를 선택 하는 것으로 크게 위상배열(phased array), 디지털 빔 형 성 배열(DBF array), 기생 배열(parasitic array)로 분류 할 수 있다. 둘째로는 적응형 신호처리 알고리즘 (adaptive DSP algori- thm)을 선택하는 것이다.

대표적인 적응형 배열 안테나는 안테나 소자의 수에 따라 각종 증폭기와 더불어 주파수 변환기와 D/A 또는 A/D변환기 등도 동일한 수로 요구되어 고가, 고 중량 등 의 문제를 초래한다

. 그리고 위상 배열 안테나는 각 소자 안테나의 급전부 위상을 조정함으로써 바라는 패턴 (지향성)을 만들어 낼 수 있고, 주위전파환경변화에 따라 적응적으로 빔의 패턴을 제어할 수 있으나 부엽의 까다 로운 제어, 높은 손실, 복잡한 구조, 그리고 무거운 장치 등이 문제가 된다

.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 다양한 연구들이 진행되고 있으며, 대표적인 저가의 적응형 안테나 시스 템적용을 위한 안테나로 단일 급전 능동소자와 기생소자 로 구성된 기생 배열안테나에 기생소자에 종단되는 리액 턴스를 조절하여 전자적으로 빔 조향을 구현하는 연구가 현재 매우 활발하게 진행되고 있다

.

이에 본 논문에서는 이러한 전자 빔 조향 배열 안테나 의 문제를 해결하기 위하여 바랙터 다이오드를 이용한 가변리액턴스 회로(VRC, Variable Reactance Circuit]를 설계하여 안테나의 빔 조향범위를 넓히고 3차원 빔 조향 이 가능한 단일 급전 빔 조향 마이크로스트립 기생배열 안테나를 설계 및 제작하였다. 그리고 저가 적응형 안테 나 시스템에 적용하기 위한 성능평가항목을 아래와 같이 3가지로 설정하여 안테나의 성능을 평가하고 그 결과를 기술하였다.

본 논문에서 제안한 성능평가항목은 다음과 같다.

1. 기생소자에 부하되는 리액턴스의 조절에 따른 빔 조향 능력

2. 리액턴스 변화에 따른 안테나의 반사손실 특성 3. 사용 주파수대역 내에서 리액턴스 차이에 따른 방

사패턴의 변화

Ⅱ. 안테나 구조 및 설계

저가의 3차원 빔 조향을 위해 제안한 안테나의 구조는

그림 1과 같다

.

(a)

(b)

Fig. 1. Antenna: (a) layout, (b) configuration

안테나는 단일 급전 능동소자(#1)와 능동소자를 중심

으로 방위각 Φ=45°, Φ=135° 대각선 방향으로 각각 2개씩

위치시킨 기생소자(#2, #3, #4, #5) 그리고 각각의 기생소

자의 부하에 SMA 커넥터로 연결한 VRC 회로로 구성된

다. 안테나의 유전체기판은 로저스(Roger)사의

ULM-2000기판을 사용하였으며, 급전은 50Ω SMA커넥

터(내심반경 0.15mm)을 이용하여 프로브 급전하였다. 배

열안테나 소자는 5.8GHz ISM대역에서 -10dB 이하의 반

사손실 특성을 갖고, 7dB 이상의 이득특성을 갖도록 배

열소자인 원형 패치를 Ansys사의 3차원 구조해석 시뮬

레이터인 HFSS를 이용하여 설계하고 전체 배열안테나

도 동일하게 최적화하였으며, 전체 배열 안테나의 설계

파라미터의 최적화된 값은 표 1과 같다. 소자간의 간격 d

는 기생소자를 이용한 빔 조향 안테나에서 중요한 설계

파라미터로 시뮬레이션을 통해 넓은 빔 폭과 안정적인

입력반사손실 특성을 보인 0.4λ

(f

= 5.775GHz)로 정하였

다.

0 30

60

90

120

150 180 210 240 270

300 330

30°

-30°

Relative power [dB]

θ [deg]

-30

-40 -20-10 0

0 30

60

90

120

150 180 210 240 270

300 330

30°

-30°

Relative power [dB]

θ [deg]

-30

-40 -20-10 0

0 30

60

90

120

150 180 210 240 270

300 330

30°

-30°

Relative power [dB]

θ [deg]

-30

-40 -20-10 0

0 30

60

90

120

150 180 210 240 270

300 330

30°

-30°

Relative power [dB]

θ [deg]

-30

-40 -20-10 0

(a) (b) (c) (d)

Fig. 3. Simulated results of the radiation pattern according to beam steering angle: (a) Φ=0°와 Φ

=90°, (b) Φ=45°와 Φ=135°

표 1. 최적화된 설계파라미터

Table 1. Optimized design parameter

설계파라미터 설계 값 단위

a 8.95 [mm]

p 2.8 [mm]

d 20.78 [mm]

W 80 [mm]

h 1.524 [mm]



그림 2는 단일소자의 입력반사손실 특성과 기생소자 와의 상호결합특성을 HFSS를 이용하여 시뮬레이션 한 결과를 나타낸다. 각 기생소자와의 상호결합은 약 1dB~2dB정도의 차이를 보인다. 기생소자를 이용하는 빔 조향 배열안테나의 경우, 상호결합특성을 이용하여 빔 조향을 하는 원리이므로 리액턴스 회로구현과 함께 상호 결합특성은 안테나 설계에 있어 아주 중요한 설계 인자 이다.

그림 2. 반사손실 및 상호결합 시뮬레이션 결과 Fig. 2. Simulated results of the return loss

and mutual coupling

표 2. 빔 조향각도에 따른 정규화된 리액턴스(중심주파수 5.775 GHz)

Table 2. Normalized reactance according to beam steering angle(center frequency 5.775GHz)

빔 조향각도

기생소자

#2 #3 #4 #5

정규화된 리액턴스

정규화된 리액턴스

정규화된 리액턴스

정규화된 리액턴스



30° -0.51 -0.51 1.47 1.47

-30° 1.47 1.47 -0.51 -0.51



-30° -0.60 1.47 1.47 -0.60



-30° -0.51 6.52 1.47 6.52



30° 7.34 1.47 7.34 -0.51

—30° 7.34 -0.51 7.34 1.47

방위각 Φ=0°, Φ=90°, Φ=45° 그리고 Φ=135°의 앙각(θ) 으로 30°와 -30°의 빔 조향을 위한 VRC 회로의 리액턴 스는 시뮬레이션을 통하여 표 2와 같이 얻을 수 있었다.

제안된 안테나 구조는 능동소자를 중심으로 대칭적인 구조이지만 급전 점의 위치에 따라 상호결합이 그림 2와 같이 틀려지므로 완전한 대칭이라고 볼 수는 없어 약간 의 리액턴스의 차이를 보인다.

안테나 반사손실의 시뮬레이션 결과는 각각 그림 3과

같으며, 빔 조향각도에 따라 대역폭의 변화가 없는 것을

확인할 수 있었다. 그림 4는 기생배열안테나 위치에 따른

방위각에서의 앙각으로 각각 30°와 -30°의 빔 조향 시 방

사패턴 시뮬레이션 결과이다.

(a)

(b)

그림 4. 빔조향각도에 따른 반사손실 시뮬레이션 결과: (a) Φ

=0°와 Φ=90°, (b) Φ=45°와 Φ=135°

Fig 4. Simulated results of the return loss according to beam steering angle: (a) Φ

=0°와 Φ=90°, (b) Φ=45°와 Φ=135°

Ⅲ. VRC 설계 및 제작

본 논문에서는 바렉터 다이오드를 사용하여 위상 또 는 리액턴스를 변화시키고 제어할 수 있는 VRC 회로를 설계하였다.

VRC 회로의 기본 블록 다이어그램은 그림 5와 같다.

VRC 회로는 리액턴스 회로와 제어회로로 구성된다. 그 림 5(a)의 리액턴스 회로에서 바렉터 다이오드는 Metelics사의 MGV-075-08-E28을 사용하였으며, 그림 5(b) 제어 회로의 바이어스전압 제어를 위한 컨트롤러는 저 전력 8-비트 컨트롤러인 Atmel사의 ATMEGA128을 사용하여 전압 제어할 수 있도록 설계하였다. 리액턴스 는 바랙터 다이오드에 공급되는 제어회로의 바이어스 전 압 제어에 의해서 조절된다. 리액턴스 회로는 안테나와 같은 동일한 ULM-2000 Woven Glass PTFE Laminates 기판을 사용하였으며, 제어회로는 FR-4 다층기판을 이

용하였다. 안테나와 연결되는 부분은 SMA 커넥터(내심 반경 0.15mm)를 가지고 기생소자와 연결하였다.

원하는 리액턴스의 범위는 그림 5(a)의 리액턴스 회로 에서 마이크로스트립 선로(MSL: Microstrip Line)의 길 이 L을 조절하여 얻을 수 있으며, 본 논문에서는 회로시 뮬레이션 툴인 애질런트사의 ADS를 이용하여 표 2의 시 뮬레이션 결과를 바탕으로 리액턴스 범위를 가지도록 리 액턴스 회로의 마이크로스트립 선로의 길이 L을 18.3mm 로 설계하였으며, 실제 제작한 리액턴스회로는 그림 6(a) 와 같다.

그림 5(b) 제어회로는 컨트롤러와 2개의 Analog Device사의 AD5314 디지털아날로그 가변기(DAC:

Digital Analog Convertor) 그리고 3개의 LM358 연산증 폭기(op-amp)를 이용하여 1-비트 당 0.015V를 제어할 수 있게 설계되었으며, 실제 제작한 제어회로의 사진은 그림 6(b)와 같다.

제작한 VRC 회로의 리액턴스는 애질런트사의 벡터 네트워크 분석기 E8364A를 이용하여 바이어스 전압 0 V～20V까지 1V씩 제어하며 측정하였다. VRC 회로의 측정된 위상과 50Ω으로 정규화한 리액턴스는 그림 7에 나타내었다. 5V∼6V 사이의 리액턴스는 단락(open)으로

∞의 리액턴스를 가지나, 그림 7에서는 전압에 따른 리액 턴스 값만을 표시하고 ∞의 리액턴스는 그림의 복잡함을 고려하여 표시하지 않았다.

(a)

(b)

그림 5. VRC 회로 구성도: (a) 리액턴스 회로 (b) 제어회로 Fig. 5. Configuration of VRC circuit: (a) reactance

circuit, (b) control circuit

(a) (b)

그림 6. 제작한 VRC 회로 사진: (a) 리액턴스 회로, (b) 제어 회로

Fig. 6. Photograph of fabricated VRC circuit: (a) reactance circuit, (b) control circuit

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

at 5.725 GHz at 5.775 GHz at 5.825 GHz at 5.725 GHz at 5.775 GHz at 5.825 GHz

Bias Voltage (V)

Reanctance(nomalized to 50Ω)

-150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120

Phase (degree)

그림 7. 바이어스 전압에 따른 리액턴스 및 위상

Fig. 7. Measured reactance and phase according to bias voltage

그림 7의 바이어스 전압에 따른 리액턴스의 변화 특성 에서 0V～18V까지는 어느 정도 선형성을 가지므로 본 논문에서는 이 구간을 사용하였다. 그림 7에서 5.8GHz ISM대역내의 최대, 최소 그리고 중심 주파수에서 리액턴 스와 위상은 거의 일정한 간격으로 차이를 보였다. 이것 은 빔 조향 안테나에서 매우 중요하게 고려해야할 문제 점으로 사용 주파수 대역 내에서 주파수에 따라 리액턴 스의 차이 때문에 방사패턴은 주파수의존성을 가질 수밖 에 없게 된다는 것이다. 이에 기생소자의 리액턴스를 이 용한 빔 조향 안테나의 경우, 실제 제품에 적용하기 위해 서는 중요한 성능평가항목 중에 하나가 된다.

Ⅳ. 제작 및 측정결과

최적화된 설계파라미터를 가지고 제작한 안테나의 사 진은 그림 8과 같으며, 제작한 안테나의 반사손실과 상호 결합특성은 애질런트사의 E8364A 벡터 네트워크분석기 를 이용하여 측정하였다. 안테나의 반사손실 및 상호결

합특성측정결과는 그림 9와 같다.

제작한 안테나의 상호결합은 시뮬레이션 결과보다 더 좋은 특성을 보였다. 그리고 반사손실 대역폭도 150MHz 정도로 5.8GHz ISM대역을 포함하였다.

표 2의 리액턴스를 각각의 기생소자의 부하에 연결된 VRC 회로를 이용하여 구현했을 때, 제안한 배열 안테나 의 빔 조향에 따른 반사손실 측정결과는 그림 10에 나타 내었다. 그림 10에서 방위각 Φ=0°, Φ=90°, Φ=45° 그리고 Φ=135° 의 ±30°의 앙각으로 빔 조향 시에 제안한 안테나 는 5.8GHz ISM대역에서 –10dB 이하의 반사손실 특성 을 잘 유지함을 확인할 수 있어 서론에서 제안한 성능평 가항목 중 두 번째 항을 만족하였다. 반사손실 특성은 설 계파라미터에서 능동소자와 기생소자간의 거리 d에 따 라서 현저하게 차이를 보이므로 설계 시 중요하게 고려 되어야 한다. 제안한 안테나의 경우는 각각의 기생소자 에 여기 되는 상호결합계수가 약 1dB정도의 차이를 보였 으므로 표 2와 같이 각각의 리액턴스를 상호 대칭적으로 적용하여 3차원으로 빔을 조향할 수 있다.

그림 8. 제작한 안테나 사진

Fig. 8. Photograph of fabricated antenna

그림 9 반사손실 및 상호결합 측정 결과

Fig. 9. Measured results of the return loss and mutual coupling

0 30

60

90

120

150 180 210 240 270

300 330

28°

-28°

Relative power [dB]

θ [deg]

-30

-40 -20-100

0 30

60

90

120

150 180 210 240 270

300 330

0°

31°

-32°

Relative power [dB]

θ [deg]

-30

-40 -20-100

0 30

60

90

120

150 180 210 240 270

300 330

28°

-28°

Relative power [dB]

θ [deg]

-30

-40 -20-10 0

0 30

60

90

120

150 180 210 240 270

300 330

28°

-28°

Relative power [dB]

θ [deg]

-30

-40 -20-10 0

(a) (b) (c) (d)

Fig. 11. Measured results of the radiation pattern according to beam steering angle: (a) Φ=0°와 Φ=90°, (b) Φ=45°와 Φ=135°

(a)

(b)

그림 10. 빔 조향각도에 따른 반사손실 측정결과: (a) Φ

=45°와 Φ=135°, (b) Φ=0°와 Φ=90°

Fig. 10. Measured results of the return loss according to beam steering angle: (a) Φ=45°와 Φ=135°, (b) Φ=0°와 Φ=90°

그림 11은 중심주파수 5.775 GHz에서의 리액턴스 조 절에 따른 방사패턴의 측정결과를 나타낸 것으로 리액턴 스 조절에 따라 원하는 빔 조향을 얻을 수 있으므로 서론 에서 제안한 성능평가항목 첫 번째 항에도 만족하는 결 과를 보였다. 방위각 Φ=0°, Φ=90°, Φ=45°, Φ=135°의 앙각

으로 ±28°이사의 빔을 조향할 수 있어 시뮬레이션 결과 와 약 2°정도의 차이를 보였다. 이것은 상호결합의 차이 에 따른 오차로 사료된다. 표 3은 빔 조향각도에 따른 이 득 및 반치 전력 빔 폭의 측정 결과를 나타내었다. 각각 의 방위각으로 빔 조향을 위해 동일한 리액턴스 값을 가 지고 변화시켰을 때 이득은 빔 조향 방위각에 따라 최대 2dB 정도의 편차를 보였다. 이것은 급전점의 위치에 따 라 상호결합특성이 차이를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다.

표 3. 안테나 이득과 반치전력빔폭 측정결과

Table 3. Measured results of antenna gain and HPBW

파라미터 Φ=0° Φ=90° Φ=45° Φ=135°

-28° 28° -32° 31° -28° 28° -28° 28°

이득 [dBi] 7.23 7.45 8.73 9.36 7.35 8.6 8.25 7.5 HPBW

[degree] 68.2 61.9 55.6 57.5 86.5 56.4 58. 81.4

그림 12는 빔 조향 시에 5.8GHz ISM대역 내에서

25MHz 간격의 주파수(빨간색:5.725GHz, 초록색:5.75GHz,

파란색:5.775GHz, 검정색:5.8GHz, 주황색:5.825GHz)에

따른 방사패턴 측정결과를 나타내었다. 측정결과에서 빔

조향각도는 지향성이 낮은 안테나 특성을 고려할 때 동

일한 빔 조향 성능을 보여 성능평가항목 중 세 번째 항목

을 만족하는 결과를 보였다. 안테나의 부엽 특성은 측정

주파수에 따라 약간의 차이를 보였다. 차이를 보이는 이

유는 그림 7의 VRC 회로의 주파수에 따른 리액턴스 차

이 때문이며, 실제 안테나 설계 시에는 5.775GHz의 리액

턴스를 가지고 최적화하여 설계하였기 때문으로 사료된

다.

그림 12. 대역 내 주파수에 따른 방사패턴 측정 결과: (a) Φ=0°, (b) Φ=90°, (c) Φ=45°, (d) Φ=135°

Fig. 12. Measured results of the radiation pattern according to frequency in band: (a) Φ=0°와 Φ=90°, (b) Φ=45°와 Φ=135°

(a)

(b)

(c)

(d)

Ⅴ. 결 론

본 논문에서 제안한 3차원 빔 조향을 위한 단일급전 능동소자와 4개의 기생소자로 구성된 단일급전 빔 조향 마이크로스트립 기생 배열 안테나는 빔 조향 각도에 따 라 -10dB 반사손실 대역폭은 5.8GHz ISM대역을 항상 포함하면서, 동일한 기생소자의 리액턴스 부하조건에서 방위각 Φ=0°, Φ=45°, Φ=90°, Φ=135°에 대하여 각각 앙각 으로 ±28°, ±31°, ±28°, ±28°의 3차원 빔 조향이 가능함을 실험결과를 통해 확인할 수 있었다. 또한, 본 논문의 서론 에서 제시한 상용화를 위한 빔 조향 안테나의 성능 평가 항목에도 모두 만족한 성능을 보여 저가 적응형 안테나 시스템에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

향후 고 이득특성을 갖는 지향성 향상방법에 대한 연 구, 다중대역 안테나를 기생 배열소자로 이용하는 방법 에 대한 연구 그리고 수신신호를 분석하여 빔을 형성할 수 있는 리액턴스 제어 알고리즘에 대한 연구가 진행되 어야 할 것이다.

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저자 소개

김 영 구(정회원)

∙2002년 2월 : 충북대학교 전파공학과 석사

∙2009년 9월 : 충북대학교 전파공학과 박사

∙2002년 3월 ～ 현재 : 한국전자통신 연구원 사업화본부 선임연구원

<주관심분야 : RF/MW 부품 및 시스템, 안테나, 신뢰성 등>

김 태 홍(정회원)

∙1989년 2월 : 경북대학교 금속공학과 석사

∙2002년 2월 : 연세대학교 세라믹공학 과 박사

∙1989년 ～ 현재 : 한국전자통신연구 원 사업화본부 책임연구원

<주관심분야 : RF/MW 소재 및 부품, RF 소재 측정기법, 신

뢰성 등>