논문 2016-53-6-5
기판 크기가 H-평면 5소자 선형 개구면 결합 패치 배열 안테나의 방사 특성에 미치는 영향
( Impact of Substrate Size on the Radiation Characteristics of an H-plane 5-Elements Linear Aperture Coupled
Microstrip Patch Array Antenna )
박 혜 린*, 김 재 현*, 김 부 균***
( Hye-Lin Bak, Jae-Hyun Kim, and Boo-Gyoun Kim
ⓒ)
요 약
개구면 결합 마이크로스트립 패치 안테나(aperture coupled microstrip patch antenna; ACMPA)를 단위 소자로 가지는 H- 평면 5소자 선형 배열 안테나의 기판 크기 변화가 방사 특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 단일 ACMPA 와 ACMPA 를 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 전방방사 이득이 최대가 되는 패치 중심에서 E 평면 방향의 기판 가장자리까지의 길이()와 H 평면 방향의 기판 가장자리까지의 길이()는 서로 같음을 볼 수 있었다. 또한 선형 배열 안테 나와 단일 ACMPA의 전방방사 이득이 최소가 되는 와 도 거의 같음을 볼 수 있었다. H-평면 선형 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득의 변화는 에 의해서 큰 영향을 받음을 볼 수 있었다. H-평면 선형 배열 안테나의 방사 이득이 최적화된 기판 크기는 선형 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 전방방사 이득이 최적화된 기판 크기로부터 도출할 수 있 음을 볼 수 있었다.
Abstract
The effect of substrate size on the radiation characteristics of an H-plane 5-elements linear array antenna with an aperture coupled microstrip patch antenna (ACMPA) as unit element is investigated. The distance between the patch center and the substrate edge on the E-plane () and that on the H-plane () at which the maximum broadside gain of an H-plane 5-elements linear array antenna occurs are the same to those of single ACMPA using a unit element. Besides,
and at which the minimum broadside gain of an H-plane 5-elements linear array antenna occurs are almost the same to those of single ACMPA using a unit element. The edge effect on the radiation characteristics of an H-plane 5-elements linear array antenna is mainly determined by . The optimum substrate size for the radiation characteristics of an H-plane linear array antenna could be obtained from that of single ACMPA using a unit element of an H-plane linear array antenna.
Keywords: aperture coupled microstrip patch antenna, linear array antenna, substrate size, radiation characteristics, edge effect
*학생회원, **평생회원, 숭실대학교 정보통신전자공학부 (School of Electronic Engineering, Soongsil University)
※ 이 논문은 2013년도 정부(교육부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (N RF-2013R1A1A2009708)
ⓒCorresponding Author (E-mail : [email protected]) Received ; April 1, 2016 Revised ; May 10, 2016 Accepted ; May 27, 2016
Ⅰ. 서 론
마이크로스트립 패치 안테나는 사진 식각 방법으로 제작이 가능한 안테나로써, 제작이 쉽기 때문에 저비용 으로 대량 생산이 가능하며 MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit)-based module의 front end와 집적
모 델
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[]
[] A 2.2 2.2 0.8 3.18 7.2 8.4 0.5 30 2.36 2 0.5 0.5 B 10 2.2 0.8 3.18 7.2 5.6 0.56 30 0.7 0.7 0.5 0.5 C 10 2.2 0.28 3.18 7.2 6.1 0.61 30 0.32 0.82 0.5 0.5
표 1. 전산모의에 사용한 세 가지 단일 패치 안테나 의 설계 변수
Table1. Design parameters of the three kinds of single patch antenna used in computer simulations.
화가 가능하므로 많은 응용분야에 이용되고 있다[1]. 그 러나 마이크로스트립 패치 안테나를 이용한 배열 안테 나 설계 시 유전상수가 크거나 두꺼운 기판을 사용하는 경우 접지된 유전체 기판을 따라 진행하는 표면파의 크 기가 커진다[2]. 표면파는 단위 안테나 간의 상호 결합을 발생시키거나 기판 가장자리에서 회절 되어 배열 안테 나의 방사 특성을 저하시킬 수 있다[3]. 그러나 표면파가 기판 크기에 따른 배열 안테나의 방사 특성에 미치는 영향에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 본 연구 팀은 H-평면 선형 프로브 급전 패치 배열 안테나의 기 판 크기가 방사특성에 미치는 영향에 대하여 연구한 결 과를 보고하였다[4]. 기판의 두께는 같아도 유전상수가 다른 기판을 사용하는 경우 H-평면 선형 프로브 급전 패치 배열 안테나의 방사특성이 가장 좋은 기판 크기가 다름을 확인하였다. 또한 인접 안테나간의 평균 상호 결합이 최소인 기판 크기에서 전방방사 이득이 최대가 발생하는 것이 아니라 평균 AEP(Active Element Pattern)의 전방방사 이득이 최대가 되는 기판 크기에 서 배열 안테나의 전방방사 이득이 최대가 발생함을 확 인하였다[4].
본 논문에서는 배열 안테나에 적합한 급전 구조를 가 지는 개구면 결합 구조를 사용한 마이크로스트립 패치 안테나[5]를 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 기판 크기가 방사 특성에 미치는 영향을 전산모의 하였다. 또한 개구면 결합 구조를 가지는 단 일 패치 안테나의 기판 크기가 방사 특성에 미치는 영 향을 전산모의한 결과를 배열 안테나의 기판 크기가 방 사 특성에 미치는 영향을 전산모의한 결과와 비교하였 다. 전산모의에는 Ansys사의 HFSS를 사용하였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 제 Ⅱ 장에서는 단일 개구면 결합 마이크로스트립 패치 안테나(Aperture Coupled Microstrip Patch Antenna; ACMPA)의 기본 특성과 기판 크기에 따른 전방방사 이득을 전산모의하 고 단일 안테나에서 발생하는 표면파의 기판 가장자리 회절 효과를 분석한다. 제 Ⅲ 장에서는 제 Ⅱ 장에서
그림 1. 개구면 결합 마이크로스트립 패치 안테나(ACMPA) 의 구조도
Fig. 1. Geometry of an aperture coupled microstrip patch antenna.
연구한 ACMPA를 단위 안테나로 가지는 H-평면 5 소자 선형 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득과 평균 AEP의 전방방사 이득 특성 및 안테나 소 자 간 상호 결합 특성을 살펴본다. 또한 기판 크기에 따 른 단일 안테나의 전방방사 이득 특성과 5소자 배열 안 테나의 전방방사 이득 특성을 비교한다. 마지막으로 제
Ⅳ 장에서는 본 논문의 결론을 맺는다.
Ⅱ. 단일 안테나의 기판 크기에 따른 방사특성
개구면 결합 마이크로스트립 패치 안테나(ACMPA) 의 구조도를 그림 1에 보인다. 설계한 ACMPA의 중심 주파수는 10 GHz이고 기판은 한 변의 길이 가 30 mm인 정사각형 형태이다. ACMPA는 안테나 부분과 급전 부분이 개구면을 포함하는 접지면을 기준으로 나 누어져 구성된다. 안테나 부분은 접지면을 기준으로 상 부에 위치한다. 안테나 기판의 두께는 로 나타냈으 며, 방사 패치는 안테나 기판의 상부에 위치하며 한 변 의 길이가 인 정사각형 형태이다. 급전 부분은 접지 면을 기준으로 하부에 위치하며 급전 기판의 두께는
으로 나타내었다. 급전 선로의 폭 는 급전 선로가 50 Ω의 특성 임피던스를 가지도록 설계하였다. 접지면 의 중앙에 식각된 개구면의 형태는 길이 와 폭
를 가지는 직사각형이다.
패치 안테나 소자의 중심에서 E-평면(x-z 평면) 방 향 기판 가장자리까지의 거리는 로 H-평면(y-z 평 면) 방향 기판 가장자리까지의 거리는 로 나타내었 다. 설계에 사용한 세 가지 모델의 구조 변수를 표 1 이
모 델
전방방사 [dBi]
E-평면 H-평면
후방방사 [dBi]
전후방방 사비 [dB]
후방방사 [dBi]
전후방방 사비 [dB]
A 6.79 -1.35 8.14 -7.3 14.09 B 7.39 -2.4 9.79 -7.92 15.31 C 6.25 -1.86 8.11 -15.16 21.41 표 2. 세 가지 ACMPA의 10 GHz에서의 방사특성 Table2. Radiation characteristics at 10 GHz of the three
kinds of ACMPA.
그림 2. 표 1과 같은 설계 변수를 가지는 세 가지 ACMPA 의 반사손실 스펙트럼
Fig. 2. Return loss spectrum of the three kinds of ACMPA with the dimensions shown in Table 1.
다. 설계 시 사용된 안테나 기판은 세 가지 모델모두 넓 은 대역폭과 좋은 방사 특성을 가지기 위하여 유전상수 가 2.2이고 loss tangent가 0.0009이며 두께가 3.18 mm인 Taconic사의 TLY-5 기판을 사용하였다. 모델 A는 많이 사용하는 모델로서 급전 기판은 안테나 기판과 같은 TLY-5 기판을 사용하였고 두께는 0.8 mm이다. 모델 B 와 C는 MMIC-based module의 front end 와의 집적화를 고려하여 반도체의 유전상수와 비슷한 유전상수가 10이 고 loss tangent는 0.0035인 Taconic사의 CER-10 기판을 급전 기판으로 사용하였다. 모델 B의 급전기판 두께는 모델 A의 급전 기판 두께와 같은 0.8 mm를 사용하였고, 모델 C는 그보다 얇은 두께인 0.28 mm를 사용하였다. 그 이유는 ACMPA에서 급전 기판의 유전상수가 큰 경우 얇 은 두께를 가질수록 대역폭이 넓어지기 때문이다[6]. 넓은 대역폭을 가지기 위해서 개구면 공진과 패치 공진 사이 의 상호 공진 영역을 이용한 10 GHz를 중심주파수로 가 지는 세 가지 모델의 설계 변수를 표 1에 보인다.
그림 2는 표 1과 같은 설계 변수를 가지는 세 가지 모델의 반사손실 스펙트럼을 보인다. 모델 A, B, C 의 10 dB 반사손실 임피던스 대역폭은 각각 32.8 %, 21.8
%, 25.4 %임을 볼 수 있다. 임피던스 대역폭이 다른 이 유는 패치 공진과 개구면 공진 사이의 상호공진 영역의
(a) (b)
그림 3. 표 1과 같은 설계 파라미터를 가지는 세 가지 ACMPA의 방사패턴 (a) E-평면 (b) H-평면 Fig. 3. Radiation pattern of the three kinds of ACMPA
with the dimensions shown in Table 1 (a) E-Plane and (b) H-Plane.
크기가 다르기 때문이라 생각된다.
각 모델의 패치 공진주파수, 개구면 공진주파수와 그 차이는 다음과 같다. 모델 A, B, C 의 패치 공진주파수 는 각각 9.13 GHz, 9.51 GHz, 8.99 GHz이고 개구면 공 진주파수는 각각 13.87 GHz, 12.06 GHz, 11.94 GHz 로 서 그 차이는 각각 4.74 GHz, 2.55 GHz, 2.92 GHz로 모 델 A가 가장 크고 모델 B가 가장 작아, 대역폭도 모델 A가 가장 크고 모델 B가 가장 작음을 볼 수 있었다.
그림 3 (a)와 (b)는 각각 표 1에 제시된 세 가지 모델 의 중심 주파수에서 E-평면과 H-평면의 방사패턴을 보 인다. 그림 3(a)에 보인 E-평면 방사패턴에서는 모델 B 의 전방방사 이득이 7.4 dBi로 가장 큰 값을 보인다. 또 한, 후방 방사 이득은 –2.4 dBi이어서 세 가지 모델 중 가장 좋은 9.79 dB의 전후방방사비를 가진다. 여기서 후방 방사 이득은 ≤ ≤ 에서 이득의 최댓 값으로 정의하였다. 그림 3(b)에 보인 H-평면 방사패턴 에서는 전방방사 이득은 E-평면과 같은 값을 가지나 후방 방사 이득은 모델 C가 세 가지 모델 중 가장 작은 값인 –15.16 dBi를 가져 세 가지 모델 중 가장 좋은 21.41 dB의 전후방방사비를 가진다. 세 가지 모델의 10 GHz에서의 방사 특성을 정리한 결과를 표 2에 보인다.
그림 4는 안테나 중심에서 E-평면(H-평면)방향의 기 판 가장자리까지의 길이 ()에 따른 세 가지 단일 ACMPA의 전방방사 이득을 보인다. 단일 ACMPA의 기판 크기에 따른 전방방사 이득을 전산모의하기 위하 여 ()를 0.3 에서 1.0 까지 0.05 간격으로 변화시켰다.
그림 4(a)는 를 0.5 로 고정시키고 를 변화시 키며 전산 모의한 전방방사 이득을 보인다. 세 가지 모 델 모두 최소 기판 크기 0.3 에서 기판 크기를 증가
(a) (b)
그림 4. 세 가지 ACMPA의 기판 크기에 따른 전방방사 이득 (a) 의 변화 (b) 의 변화
Fig. 4. Broadside gain of the three kinds of ACMPA as a function of the substrate size (a) versus
and (b) versus . 모
델
전방방사 이득 최대 전방방사 이득 최소
최댓값과 최솟값의 차이 [dB]
[]
Gain [dBi]
[]
Gain [dBi]
[]
Gain [dBi]
[]
Gain
[dBi] A 0.45 7.01 0.85 7.45 0.9 4.35 0.3 6.49 2.68 0.96 B 0.5 7.4 0.8 7.8 0.9 4.46 0.3 6.39 2.94 1.41 C 0.45 6.75 0.9 6.86 0.75 4.24 0.3 5.67 2.5 1.19 표 3. 세 가지 ACMPA에서 기판 크기에 따른 전방방사
이득의 최댓값과 최솟값, 그리고 최댓값과 최솟값 을 가지는 와 및 최댓값과 최솟값의 차이 Table3. Maximum and minimum values of the broadside
gain versus the substrate size of the three kinds of ACMPA, and at which those occur, and the difference between the maximum and minimum values of the broadside gain.
시키면 가 0.5 근처에서 최댓값을 가진 후 0.65
까지 전방방사 이득이 급격히 감소함을 볼 수 있다.
에 따른 전방방사 이득의 최댓값과 최솟값의 차이는 모델 A, B, C에서 각각 2.68 dB, 2.94 dB, 2.5 dB이다.
그림 4(b)는 를 0.5 로 고정시키고 를 변화시 키며 전산 모의한 전방방사 이득을 보인다. 세 가지 모 델 모두 가장 작은 0.3 에서 최소 전방방사 이득을 가지며 0.85 근처 까지 전방방사 이득이 약간씩 증 가하다가 그 후로는 다시 감소함을 볼 수 있다. 에 따른 전방방사 이득의 최댓값과 최솟값의 차이는 모델 A, B, C 에서 각각 0.96 dB, 1.41 dB, 1.19 dB 로서 세 가지 모델 모두 최소 전방방사 이득과 최대 전방방사이 득의 차이는 약 1 dB 근처 값을 가짐을 볼 수 있다. 에 따른 전방방사 이득의 변화가 에 따른 전방방사 이득의 변화보다 큰 이유는 E-평면 방향으로 진행하는 표면파의 크기가 H-평면 방향으로 진행하는 표면파의
그림 5. H-평면 5소자 선형 개구면 결합 패치 배열 안 테나의 구조도
Fig. 5. Geometry of an H-plane 5-elements linear aperture coupled patch array antenna.
크기보다 크기 때문이다.
세 가지 모델에서 전방방사 이득이 최댓값, 최솟값을 가지는 와 및 전방방사 이득의 최댓값 과 최솟 값, 그리고 최대 전방방사 이득과 최소 전방방사 이득 의 차이를 표 3에 보인다.
Ⅲ. H-평면 선형 배열 안테나의 기판 크기에 따른 방사특성
본 장에서는 H-평면 5소자 선형 개구면 결합 마이크 로스트립 패치 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방 사 이득의 특성을 알아보고, 단일 개구면 결합 마이크 로스트립 패치 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이 득의 특성과 비교하였다. 또한 기판 크기에 따른 배열 안테나의 평균 AEP(Active Element Pattern)의 전방방 사 이득 특성과 인접 안테나 간 평균 상호 결합 특성을 구하고 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득 의 특성과 비교하였다.
그림 5는 H-평면 5소자 선형 개구면 결합 마이크로 스트립 패치 배열 안테나의 구조도를 보인다. 패치 중 심에서 x-z 평면 방향의 기판 가장자리까지의 길이는
, 그리고 양 끝에 위치한 안테나의 패치 중심에서 y-z 평면 방향의 기판 가장자리까지의 길이는 로 나 타냈다. 안테나 소자 중심 간의 거리는 로 표현하였 으며 0.5 와 0.7 의 두 경우에 대하여 특성을 살펴 보았다. 기판 크기에 따른 선형 배열 안테나의 방사 특 성을 알아보기 위해 기판 크기 와 를 0.3 에서 1 까지 0.05 간격으로 변화시켜가며 방사 특성을 전산모의 하였다. 를 변화시킬 때는 를 0.5 로
모 델
[]
전방방사 이득 최대 전방방사 이득 최소
최댓값과 최솟값의 차이 [dB]
[]
Gain [dBi]
[]
Gain [dBi]
[]
Gain [dBi]
[]
Gain
[dBi] A 0.5 0.45 12.73 0.85 12.73 0.85 9.9 0.3 12.57 2.83 0.16
0.7 0.55 13.8 0.85 13.89 1 10.46 0.3 13.75 3.34 0.14 B 0.5 0.5 13.3 0.8 13.34 0.8 9.53 0.3 13.12 3.77 0.22 0.7 0.5 14.31 0.8 14.37 0.8 10.78 0.3 14.17 3.53 0.2 C 0.5 0.45 12 0.9 11.78 0.7 9.86 0.3 11.65 2.14 0.13
0.7 0.45 13.2 0.85 12.87 0.75 11.11 0.3 12.7 2.09 0.17 표 4. 세 가지 모델을 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소
자 선형 배열 안테나에서 = 0.5 와 0.7 인 경우 기판 크기에 따른 전방방사 이득의 최댓값과 최솟값, 그리고 최댓값과 최솟값을 가지는 와
및 최댓값과 최솟값의 차이
Table 4. Maximum and minimum values of the broadside gain versus the substrate size of the three kinds of H-plane 5-elements linear array antenna for = 0.5 and 0.7 , and at which those occur, and the difference between the maximum and minimum values of the broadside gain.
(a) (b)
그림 6. 세 가지 모델을 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소 자 선형 배열 안테나에서 = 0.5 와 0.7 인 경우 기판 크기에 따른 전방방사 이득 (a) 의 변화 (b) 의 변화
Fig. 6. Broadside gain of the three kinds of H-plane 5-elements linear array antenna for = 0.5
and 0.7 as a function of the substrate size (a) versus and (b) versus .
고정시켰고, 를 변화시킬 때는 를 0.5 로 고정 시켰다.
그림 6은 표 1에 제시된 파라미터를 가지는 세 가지 모델을 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 안테나 소자 간 거리 가 0.5 와 0.7
인 경우 기판 크기에 따른 전방방사 이득을 보인다. 그 림 6(a)는 에 따른 전방방사 이득의 변화를 보인다.
최대 전방방사 이득을 가지는 는 약 0.5 근처에서 발생하였고 최소 전방방사 이득은 약 0.8 근처에서 발생하였다. 최대 전방방사 이득과 최소 전방방사 이득 의 차이는 모델 B를 단위 안테나로 가지는 선형 배열 안테나의 소자 간 거리가 0.5 일 때 최대 3.77 dB로 나타났다.
그림 6(b)는 에 따른 전방방사 이득의 변화를 보 인다. 를 최소 기판 크기 0.3 에서 1 까지 변화 시킬 때 6 가지 경우 모두 전방방사 이득 변화가 거의 없음을 볼 수 있다. 최소 전방방사 이득은 가 0.3 에서 발생하였으며 최대 전방방사 이득은 0.85 근처 에서 발생하였고 최댓값과 최솟값의 차이는 최대 0.22 dB로 매우 작았다. 또한 각 모델을 단위 안테나로 가지 는 배열 안테나에서는 가 0.7 인 경우(실선)가 0.5
인 경우(점선)보다 이득이 큼을 볼 수 있었다. 그 이 유는 가 크면 빔 폭이 좁아져 전방방사 이득이 증가 하기 때문이라 생각된다.
에 따른 전방방사 이득의 변화가 에 따른 변화보 다 큰 이유는 다음과 같다고 생각된다. 첫째는 단일 안 테나의 경우와 마찬가지로 E-평면 방향으로 진행하는
표면파의 크기가 H-평면 방향으로 진행하는 표면파의 크기보다 크기 때문이다. 둘째는 H-평면 5소자 선형 배 열 안테나의 경우, H-평면 방향의 기판 가장자리에서 회절 되는 전자파가 배열 안테나의 방사 특성에 미치는 효과는 양 끝에 있는 두 개의 패치 안테나에서 H-평면 방향으로 진행하는 표면파만 영향을 주지만 E-평면 방 향의 기판 가장자리에서 회절 되는 전자파가 배열 안테 나의 방사 특성에 미치는 효과는 배열 안테나를 구성하 는 모든 단위 안테나에서 E-평면 방향으로 진행하는 표면파가 영향을 주기 때문이다.
표 1에 제시된 파라미터를 가지는 세 가지 모델을 각 각 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안 테나의 안테나 소자 간 거리 가 0.5 와 0.7 인 경우 전방방사 이득이 최댓값, 최솟값을 가지는 와
및 전방방사 이득의 최댓값과 최솟값, 그리고 최대 전방방사 이득과 최소 전방방사 이득의 차이를 표 4에 보인다.
그림 7은 표 1에 제시된 세 가지 모델을 단위 안테나 로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 안테나 소자 간 거리 가 0.5 와 0.7 인 경우 와 에 따른 평균 AEP의 전방방사 이득을 보인다. 그림 7 과 그림 6을 비교하면 기판 크기에 따른 배열 안테나의 전방방사 이득의 변화와 평균 AEP의 전방방사 이득의
(a) (b)
그림 8. 세 가지 모델을 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나에서 =0.5 와 0.7
인 경우 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 기판 크기에 따른 인접 안테나 간 평균 상호결 합 (a) 의 변화 (b) 의 변화
Fig. 8. Average mutual coupling between nearest antenna elements of the three kinds of H-plane 5-elements linear array antenna for =0.5
and 0.7 as a function of the substrate size (a) versus and (b) versus .
표 5. 세 가지 모델을 단위 안테나로 가지는 H-평면 5 소자 선형 배열 안테나에서 = 0.5 와 0.7
인 경우 기판 크기에 따른 평균 AEP의 전방 방사 이득의 최댓값과 최솟값, 그리고 최댓값과 최솟값을 가지는 와
Table5. Maximum and minimum values of the broadside gain of the average AEP versus the substrate size of the three kinds of H-plane 5-elements linear array antenna for = 0.5 and 0.7 , and and at which those occur.
모 델
[]
평균 AEP의 전방방사 이득 최대
평균 AEP의 전방방사 이득 최소
[]
Gain [dBi]
[]
Gain [dBi]
[]
Gain [dBi]
[]
Gain [dBi]
A 0.5 0.45 5.75 0.85 5.69 0.85 3.04 0.3 5.58 0.7 0.55 6.81 0.85 6.9 1 3.49 0.3 6.76 B 0.5 0.5 6.33 0.8 6.3 0.8 2.61 0.3 6.12 0.7 0.5 7.32 0.8 7.39 0.8 3.8 0.3 7.18 C 0.5 0.45 5.05 0.9 4.72 0.7 2.9 0.3 4.54 0.7 0.45 6.21 0.85 5.69 0.75 4.12 0.3 5.7
(a) (b)
그림 7. 세 가지 모델을 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나에서 =0.5 와 0.7
인 경우 기판 크기에 따른 평균 AEP의 전방 방사 이득 (a) 의 변화 (b) 의 변화
Fig. 7. Broadside gain of the average AEP of the three kinds of H-plane 5-elements linear array antenna for =0.5 and 0.7 as a function of the substrate size (a) versus and (b) versus .
변화는 매우 유사함을 볼 수 있다. 배열 안테나의 안테 나 소자 개수가 5개이므로 배열 요소에 의한 방사 이득 은 7 dB이기 때문에 그림 6의 5소자 배열 안테나의 전 방방사 이득이 그림 7의 평균 AEP의 전방방사 이득보 다 7 dB 큼을 볼 수 있다.
표 1에 제시된 세 가지 모델을 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 안테나 소자 간 거 리 가 0.5 와 0.7 인 경우 선형 배열 안테나의 평균 AEP의 전방방사 이득이 최댓값, 최솟값을 가지는
와 및 평균 AEP의 전방방사 이득의 최댓값과 최솟값을 표 5에 보인다. 표 4와 표 5를 비교하면 선형
배열 안테나의 전방방사 이득이 최댓값 과 최솟값을 가 지는 와 에서 평균 AEP의 전방방사 이득의 최댓 값 과 최솟값이 발생함을 볼 수 있다.
그림 8은 표 1에 제시된 세 가지 모델을 단위 안테나 로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 안테나 소자 간 거리 가 0.5 와 0.7 인 경우 와 에 따른 인접 안테나 간 평균 상호 결합을 보인다. 그림 8(a)는 에 따른 평균 상호 결합의 크기를 보인다. 그 림 8(a)에서 에 따른 상호 결합 크기의 최댓값과 최 솟값의 차이는 모델 B를 단위 안테나로 가지는 가 0.7 인 선형 배열 안테나에서 최대 5.45 dB이다. 그림 8(b)는 에 따른 평균 상호 결합의 크기를 보인다. 안 테나 소자가 H-평면으로 배열되어있고 의 변화에 따 라 상호 결합이 변화하는 안테나 소자는 양 끝 소자이 므로 에 따른 평균 상호결합 크기의 변화는 작으리 라 예측할 수 있다.
그림 8(b)에서 에 따른 평균 상호 결합 크기의 최 댓값과 최솟값의 차이는 모델 C를 단위 안테나로 가지 는 가 0.7 인 선형 배열 안테나에서 최대 0.96 dB 로서 에 따른 평균 상호결합 크기의 변화가 작음을 알 수 있다. 에 따른 평균 상호 결합의 크기 변화가
에 따른 평균 상호결합 크기의 변화보다 큰 이유는 E-평면 방향으로 진행하는 표면파 크기가 H-평면 방향 으로 진행하는 표면파 크기보다 크고 또한 E-평면 방 향으로 기판 크기가 변화할 경우 기판 가장자리에서 표 면파가 반사되어 소자 간 상호결합이 변화하는 효과는
모 델
[]
평균 상호 결합 최소 평균 상호 결합 최대
[]
[dB]
[]
[dB]
[]
[dB]
[]
[dB]
A 0.5 0.55 -18.11 0.45 -18.04 0.75 -17.4 0.3 -17.75 0.7 0.65 -28.15 0.5 -23.83 0.85 -23.72 0.3 -23.68 B 0.5 0.55 -19.36 0.55 -18.83 0.75 -16.88 0.3 -18.25 0.7 0.6 -27.85 0.6 -25.7 0.8 -22.4 0.4 -25.32 C 0.5 0.55 -19.51 0.6 -18.41 0.85 -16.64 0.35 -17.72 0.7 0.6 -26.74 0.6 -24.27 0.8 -23.83 0.35 -23.31 표 6. 세 가지 모델을 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소
자 선형 배열 안테나에서 =0.5 와 0.7 인 경우 기판 크기에 따른 평균 상호 결합의 최댓값 과 최솟값, 그리고 최댓값과 최솟값을 가지는
와
Table 6. Maximum and minimum values of the average mutual coupling between nearest antenna elements versus the substrate size of the three kinds of H-plane 5-elements linear array antenna for
=0.5 and 0.7 , and and at which those occur.
전체 안테나 소자가 받기 때문이라 생각된다. 표 1에 제시된 세 가지 모델을 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 안테나 소자 간 거리 가 0.5 와 0.7 인 경우 평균 상호 결합이 최댓값, 최솟 값을 가지는 와 및 평균 상호 결합의 최댓값 과 최솟값을 표 6에 보인다. 표 4와 표 6을 비교하면 선형 배열 안테나의 전방방사 이득이 최댓값을 가지는 ,
와 평균 상호결합이 최소가 되는 , 가 같지 않 음을 볼 수 있으며 또한 전방방사 이득이 최솟값을 가 지는 , 와 평균 상호결합이 최대가 되는 , 도 같지 않음을 볼 수 있다. 선형 배열 안테나의 전방방 사 이득이 최댓값 (최솟값)을 가지는 기판 크기와 단위 안테나 간 평균 상호결합 크기의 최솟값 (최댓값)을 가 지는 기판 크기 사이에는 큰 상관관계가 없음을 볼 수 있다.
그림 9는 표 1에 제시된 세 가지 모델을 단위 안테나 로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 안테나 소자 간 거리 가 0.5 인 경우 기판 크기에 따른 배열 안테나의 전방방사 이득(점선)과 세 가지 모델 단 일 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득(실선)을 보인다. 그림 9를 보면 기판 크기에 따른 배열 안테나 의 전방방사 이득의 변화와 단일 안테나의 전방방사 이 변화가 비슷함을 볼 수 있다. 선형 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득의 변화는 5개의 단위 안테 나에서 발생하는 기판 가장자리에서 회절된 표면파와 패치에서의 직접 방사와의 간섭에 의해서 발생되기
표 7. 세 가지 ACMPA를 단위 안테나로 가지는 H-평면 5 소자 선형 배열 안테나에서 =0.5 인 경우와 세 가지 ACMPA의 기판 크기에 따른 전방방사 이득의 최댓값과 최솟값, 그리고 최댓값과 최솟값을 가지는
와
Table 7. Maximum and minimum values of the broadside gain versus the substrate size of the three kinds of ACMPA and the three kinds of H-plane 5-elements linear array antenna for = 0.5 , and and at which those occur.
모 델
전방방사 이득 최대 전방방사 이득 최소
[]
Gain [dBi]
[]
Gain [dBi]
[]
Gain [dBi]
[]
Gain [dBi]
5소자 안테나
A 0.45 12.73 0.85 12.73 0.85 9.9 0.3 12.57 B 0.5 13.3 0.8 13.34 0.8 9.53 0.3 13.12
C 0.45 12 0.9 11.78 0.7 9.86 0.3 11.65
단일 소자
A 0.45 7.01 0.85 7.45 0.9 4.35 0.3 6.49
B 0.5 7.4 0.8 7.8 0.9 4.46 0.3 6.39
C 0.45 6.75 0.9 6.86 0.75 4.24 0.3 5.67
(a) (b)
그림 9. 세 가지 ACMPA 와 =0.5 를 가지는 세 가 지 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 기판 크 기에 따른 전방방사 이득 (a) 의 변화 (b)
의 변화
Fig. 9. Broadside gain of the three kinds of ACMPA and the three kinds of H-plane 5-elements linear array antenna for =0.5 as a function of the substrate size (a) versus and (b) versus .
때문에 단일 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득 의 변화보다 기판 크기에 따른 변화가 좀 더 연속적임 을 볼 수 있다.
표 1에 제시된 세 가지 모델을 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 안테나 소자 간 거 리 가 0.5 인 경우, 선형 배열 안테나의 전방방사 이득 과 단일 소자 안테나의 전방방사 이득이 최댓값 과 최솟값을 가지는 와 및 전방방사 이득의 최댓 값과 최솟값을 표 7에 보인다.
표 7을 보면 세 가지 모델 ACMPA를 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나와 단일 ACMPA 의 전방방사 이득이 최댓값을 가지는 와 가 같음 을 볼 수 있다. 또한 를 0.5 로 고정시키고 를
변화시키며 전산 모의한 경우 모든 배열 안테나와 단일 안테나에서 전방방사 이득이 최솟값을 가지는 는 가 장 작은 0.3 에서 발생함을 볼 수 있다.
세 가지 모델 ACMPA를 단위 안테나로 가지는 H- 평면 5소자 선형 배열 안테나 와 단일 ACMPA의 전방 방사 이득이 최솟값을 가지는 의 크기 차이는 모델 별로 0.05 ~0.1의 차이를 가짐을 볼 수 있다. 그 이 유는 그림 9(a)에서 보면 선형 배열 안테나와 단일 안 테나의 전방방사 이득이 작은 값을 가지는 의 범위 가 0.65 에서 0.9 로 매우 넓기 때문이라 생각된다.
선형 배열 안테나에서 에 따른 전방방사 이득의 최댓값과 최솟값의 차이는 모델 A, B, C 인 경우 각각 0.16 dB, 0.22 dB, 0.13 dB로 매우 작음을 볼 수 있다.
그러나 선형 배열 안테나에서 에 따른 전방방사 이 득의 최댓값과 최솟값의 차이는 모델 A, B, C 인 경우 각각 2.83 dB, 3.77 dB, 2.14 dB로 매우 큼을 볼 수 있다.
세 가지 모델을 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나에서 전방방사 이득이 최댓값을 가지 는 기판 크기와 최솟값을 가지는 기판 크기의 차이는 모델 A, B, C인 경우 각각 0.4 , 0.3 , 0.25 임을 볼 수 있다. 세 가지 모델 모두 안테나 기판으로 유전상 수가 2.2이고 두께가 3.18 mm인 기판을 사용한다. 이러 한 기판을 따라 진행하는 표면파의 유효유전상수는 1.84이다. 따라서 표면파의 위상이 180° 변화하는 길이 는 약 0.37 로 전방방사 이득이 최댓값을 가지는 기 판 크기와 최솟값을 가지는 기판 크기의 차이와 비슷함 을 볼 수 있다. 그러므로 기판 크기에 따른 배열 안테나 의 이득 변화는 표면파가 기판 가장자리에서 공기 중으 로 회절 하여 패치 안테나에서 직접 방사되는 전자파와 의 간섭현상에 의하여 발생되는 것이라고 생각된다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 중심 주파수가 10 GHz인 세 가지 모 델의 광대역 개구면 결합 마이크로스트립 패치 안테나 (ACMPA)를 단위 안테나로 가지는 H-평면 5소자 선형 배열 안테나를 설계하고 H-평면과 E-평면으로의 기판 크기를 변화시키면서 단일 ACMPA와 선형 배열 안테 나의 방사 특성을 분석하였다.
세 가지 ACMPA를 단위 안테나로 가지는 세 가지 H-평면 5소자 선형 배열 안테나의 기판 크기에 따른 전방방사 이득 변화는 배열 안테나의 평균 AEP의 전방
방사 이득 변화와 같음을 볼 수 있었다. 또한 선형 배열 안테나의 전방방사 이득이 최댓값 (최솟값)을 가지는 기판 크기와 선형 배열 안테나의 단위 안테나 간 평균 상호결합 크기의 최솟값 (최댓값)을 가지는 기판 크기 사이에는 상관관계가 미약함을 볼 수 있었다.
선형 배열 안테나에서 에 따른 전방방사 이득의 최댓값과 최솟값의 차이는 0.22 dB 이하로 매우 작음을 볼 수 있었다. 그러나 선형 배열 안테나에서 에 따른 전방방사 이득의 최댓값과 최솟값의 차이는 최대 3.77 dB 발생하여 매우 큼을 볼 수 있었다.
ACMPA를 단위 안테나로 가지는 세 가지 모델의 H-평면 5소자 선형 배열 안테나와 단일 ACMPA의 전 방방사 이득이 최댓값을 가지는 와 가 거의 같음 을 볼 수 있었다. 전방방사 이득이 최솟값을 가지는 는 모델 별로 0.05 ～0.1 의 차이를 가짐을 볼 수 있었다. 그 이유는 선형 배열 안테나와 단일 안테나의 전방방사 이득이 작은 값을 가지는 의 범위가 0.65
에서 0.9 로 매우 넓기 때문이라고 생각된다. 또 한 본 논문에서 연구한 모든 배열 안테나와 단일 안테 나에서 전방방사 이득이 최솟값을 가지는 는 가장 작은 0.3 에서 발생함을 볼 수 있었다.
따라서 H-평면 선형 배열 안테나의 전방방사 이득이 최적화된 기판 크기는 선형 배열 안테나를 구성하는 단 위 안테나의 전방방사 이득이 최적화된 기판 크기로부 터 도출할 수 있음을 볼 수 있었다. 또한 H-평면 선형 배열 안테나의 전방방사 이득은 패치 중심에서 E 평면 방향의 기판 가장자리까지의 길이에 의해서 큰 영향을 받음을 볼 수 있었다.
REFERENCES
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저 자 소 개 박 혜 린(학생회원)
2014년 숭실대학교 정보통신전자 공학부 학사 졸업.
2014년∼현재 숭실대학교 전자공 학과 석사 과정.
<주관심분야 : Microstrip Antennas, 위상 배열 안테나>
김 재 현(학생회원)
2011년 숭실대학교 정보통신전자 공학부 학사 졸업.
2014년 숭실대학교 전자공학과 석 사 졸업.
2014년∼현재 숭실대학교 전자공 학과 박사 과정.
<주관심분야 : Microstrip Antennas, 위상 배열 안 테나>
김 부 균(평생회원)
1979년 서울대학교 전자공학과 (공학사)
1981년 KAIST 전기및전자공학과 (공학석사)
1989년 University of Southern California, 전자공학과 (공학박사)
2011년∼2013년 중앙전파관리소 전파관리위원회 자문위원
2011년∼2014년 산업기술연구회 이사 2008년∼2010년 숭실대학교 IT대학 학장
1981년∼현재 숭실대학교 정보통신전자공학부 교수
<주관심분야 : 위상 배열 안테나, Microstrip Antennas, EMC>
an H-plane Linear Microstrip Array Antenna on a Finite Substrate,” Journal of the Institute of
Electronics Engineers of Korea-TC, Vol. 50, no.
5, pp 39-49, May 2013.
[5] D. M. Pozar, "Microstrip antenna aperture- coupled to a microstripline," Electronics Letters, vol. 21, issue 2, pp. 49-50, Jan. 1985.
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