Inductive Loaded Microstrip Patch Antenna Using Aperture Coupled Fed

논문 2012-49-9-5

개구면 결합 급전을 이용한

Inductive Loaded 마이크로스트립 패치 안테나

( Inductive Loaded Microstrip Patch Antenna Using Aperture Coupled Fed )

구 환 모^*, 윤 영 민^*, 김 부 균^***

( Hwan-Mo Koo, Young-Min Yoon, and Boo-Gyoun Kim )

요 약

개구면 결합 급전 방법을 이용하여 inductive loaded 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하고 병렬 스터브를 이용하여 임피 던스 대역폭을 넓히는 방법에 대해 연구하였다. 급전선로에 병렬 스터브를 삽입하여 AIMPA의 임피던스 대역폭을 확장시켰다.

병렬 스터브를 삽입한 AIMPA의 -10 dB 임피던스 대역폭은 5.51 %로 병렬 스터브를 삽입하지 않은 AIMPA의 임피던스 대역 폭 2.4 %와 비교하여 대역폭이 약 129.6 % 증가함을 볼 수 있었다. -10 dB 대역폭 내에서 방사 패턴의 전체적인 모양은 크게 변화하지 않음을 확인하였다.

Abstract

An inductive loaded microstrip patch antenna using aperture coupled feeding is designed and an impedance bandwidth enhancement method using a shunt stub is investigated. The -10 dB impedance bandwidth of the AIMPA with a shunt stub is increased up to about 5.51 %. The impedance bandwidth of the corresponding AIMPA without a shunt stub is 2.4

%. The increase of the impedance bandwidth of the AIMPA with a shunt stub is about 129.6 % compared to that of the corresponding AIMPA without a shunt stub.

Keywords: microstrip antenna, bandwidth enhancement, inductive loaded patch antenna, aperture coupled feeding, shunt stub

Ⅰ. 서 론

위상 배열 안테나의 단위 안테나로 많이 사용되고 있

* 학생회원, ^** 평생회원-교신저자, 숭실대학교 정보 통신전자공학부

(School of Electronic Engineering, Soongsil University)

※ 이 논문은 2010년도 정부(교육과학기술부)의 재원으 로 한국연구재단의 기초연구사업(2010-0023144)과 방송통신위원회의 방송통신인프라원천기술개발사업 (KCA-2012-12-911-01-102)의 지원을 받아 수행된 것임

접수일자: 2012년5월7일, 수정완료일: 2012년9월19일

는 마이크로스트립 패치 안테나는 크기가 작고 구조가 간단하며 면 구조를 가지는 등의 장점을 가진다. 하지 만 수평 방향의 방사로 인하여 인접 안테나간의 상호 결합이 증가하는 단점이 존재 한다. 배열 안테나에서 상호 결합의 원인이 되는 수평 방향의 방사를 억제하기 위하여 패치와 접지면 사이에 핀 배열을 가지는 inductive loaded 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 연구가 진행되고 있다^[1∼2]. Inductive loaded 마이크로스 트립 패치 안테나는 수평 방향 방사가 억제되는 장점을 가지고 있지만 메타물질 안테나이므로 일반적인 패치 안테나보다 임피던스 대역폭이 좁은 특성이 있다^[2]. 이

러한 좁은 임피던스 대역폭을 넓히기 위하여 급전 방법 을 개구면 결합으로 하는 개구면 결합 inductive loaded 마이크로스트립 패치 안테나(Aperture coupled Inductive loaded Microstrip Patch Antenna ; AIMPA) 에 대하여 연구하였다.

개구면 결합 급전 방법은 Pozar에 의해 처음 소개된 이래로 광대역 안테나의 급전 방법으로 널리 응용되고 있다^[3]. 이 방법은 개구면의 크기와 급전선로 종단의 직 렬 스터브를 이용하여 안테나의 입력 임피던스를 쉽게 정합시킬 수 있고, 급전부분과 안테나부분이 분리되어 각각의 설계 조건에 맞는 서로 다른 유전상수를 가지는 기판을 사용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 일반적인 개구면 결합 급전 방법을 사용한 마이크로스트립 패치 안테나는 여전히 좁은 임피던스 대역폭을 가지는 특성 이 존재한다. 따라서 임피던스 대역폭을 증가시키기 위 하여 여러 개의 안테나 기판을 적층하거나, 방사패치 위에 기생 방사패치를 적층하는 방법이 제안되었다^{[4, 5,}

6]. 그러나 이러한 방법은 안테나의 설계 과정 및 제작 공정이 복잡해지고, 제작비용을 증가시키는 단점을 가 지고 있다.

본 논문에서는 수평 방향 방사를 억제 시키는 동시에 안테나의 임피던스 대역폭 향상을 위해 개구면 결합 급 전 방법을 이용하여 inductive loaded 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하고 급전 부분에 병렬 스터브를 삽 입하여 안테나의 임피던스 대역폭을 확장하는 방법에 대하여 연구하였다. 제 Ⅱ장에서는 5 GHz에서 동작하 는 AIMPA를 설계하고 그 특성을 살펴보았다. 제 Ⅲ장 에서는 AIMPA의 급전 선로에 병렬 스터브를 삽입하여 임피던스 대역폭을 확장시키는 방법을 설명하고 AIMPA의 대역폭과 방사 특성을 전산모의를 통해 연구 하였다. 마지막으로 제 Ⅳ장에서는 본 논문의 결론을 맺는다.

II. H-모양의 개구면을 가지는 AIMPA

본 장에서는 H-모양의 개구면을 가지는 AIMPA를 설계하여 임피던스 대역폭 및 방사패턴 특성을 살펴본 다. Capacitive 급전을 이용한 inductive loaded 마이크 로스트립 패치 안테나(Capacitive-fed Inductive loaded Microstrip Patch Antenna; CIMPA)와 일반적인 패치 안테나를 설계하여 임피던스 대역폭과 방사패턴 특성을

AIMPA의 특성과 비교하였다. 전산모의에는 Ansys사 의 HFSS를 이용하였다.

2.1 AIMPA 설계

그림 1(a)와 (b)에 각각 AIMPA의 구조도와 평면도 를 보인다. 제시된 AIMPA는 안테나 부분과 급전 부분 이 개구면이 포함된 접지 평면을 기준으로 나누어져 구 성된다. 여기서 안테나 부분은 접지면을 기준으로 윗부 분을 뜻하며 금속 패치에 via를 삽입함으로써 수평방향 방사를 억제한다^[2]. 안테나 부분의 기판 두께는 이며, 방사 패치는 길이 _와 폭 _를 가지는 5개의 사각 형 금속 패치들로 구성되며, 각 금속 패치의 중심에는

_의 반경을 가지는 via가 삽입 되어 있다. 급전 부분 의 기판 두께는 이며, 급전 선로의 폭 는 50 Ω의 특성 임피던스를 가지도록 설계하였다. 접지 평면에 식 각된 개구면의 형태는 사각형의 모양보다 결합 크기가 더 큰 H-모양을 이용하였다^[7].

그림 1에서 제시된 개구면 구조에서 가운데 사각형 슬롯의 길이와 폭은 각각 _ 와 _로 나타내었고,

(a)

(b)

그림 1 개구면 결합 급전 inductive loaded 마이크로스트 립 패치 안테나의 (a) 구조도와 (b) 평면도 Fig. 1. Geometry of an aperture coupled inductive

loaded microstrip patch antenna. (a) A schematic

diagram and (b) a plane figure.

슬롯의 양 끝에 수직 방향으로 추가된 슬롯의 길이와 폭은 각각  와  로 나타내었다. 패치의 중심으로 부터 개구면의 중심까지의 길이를 _로 나타내었다.

H-모양 개구면의 크기와 위치를 조절하여 급전선로에 서 안테나로 전달되는 고주파 신호의 결합 크기를 조절 할 수 있으며, 개구면의 크기가 클수록 결합 크기가 크 며, 개구면이 패치 안테나의 중심에서 E-평면과 만나는 패치 안테나의 가장 자리 쪽에 위치할수록 결합 크기가

작아진다^[7～8].

AIMPA는 개구면의 위치가 패치의 중심에 위치하지 않고 패치 중심으로부터 가장자리까지의 거리 _인 곳에 위치하도록 설계하였다. 그 이유는 개구면이 패치 의 중심에 위치하면 패치와 접지면을 연결 시켜 주는 via로 인해 전류 흐름에 변화가 발생하여 1차 공진 모 드가 아닌 고차 공진 모드가 발생하기 때문이다. 그림 1(b)의 H-모양 개구면에서 길이 와 의 크기는 전 체 개구면의 크기를 결정짓는 물리적 파라미터로 결합 크기 변화에 큰 영향을 미친다. 길이 _와 _가 커질 수록 결합 크기가 커져 안테나의 입력 저항이 커지며, 입력 저항이 커질수록 스미스 도표에서 입력 임피던스 곡선이 이루는 원형모양의 궤적 크기가 커진다. 이와 같은 개구면의 크기에 따른 입력 임피던스 변화 특성을 이용하여 5 GHz 에서 임피던스 정합이 된 AIMPA를 설계하였다.

H-모양 개구면에서 폭 와 는 결합 크기 변화 에 큰 영향을 주지 않으므로 임피던스 정합 시 모두 1 mm로 고정하였다. 개구면의 중심으로부터 종단이 개방

Parameter Dimension [mm]

_{ 3.18}

_{ 0.78}

_ 6

_{ 10.6}

_ 0.15

_ 2.3

_{ 8}

_{ 2.2}

_{ 1}

_{ 1}

_ 13.5

_{ 5.8}

표 1. AIMPA의 구조 파라미터

Table 1. Design parameters of the AIMPA.

(a) (b)

그림 2. 표 1과 같은 구조 파라미터를 가지는 AIMPA의 (a) 반사 계수와 (b) 스미스 도표에 도시한 주파 수에 따른 입력 임피던스

Fig. 2. (a) Reflection coefficient and (b) Smith chart plot of the input impedance of the AIMPA with the same dimensions shown in Table 1.

된 직렬 스터브 끝까지의 길이는 _로 표현하였다. 설 계한 AIMPA의 입력 임피던스가 인덕티브한 특성을 가 져서 입력 리액턴스가 상쇄되도록 하기 위해 직렬 스터 브의 길이를 _ 보다 작도록 설계하였다. 설계한 AIMPA의 구조 파라미터를 표 1에 정리 하였으며, 사 용된 기판은 유전상수가 2.2이고 loss tangent가 0.0009 인 Taconic사의 TLY이다.

그림 2(a)와 (b)는 각각 표 1과 같은 구조 파라미터를 가지는 AIMPA의 주파수에 따른 반사 계수와 스미스 도표에 도시한 입력 임피던스를 보인다. 설계된 AIMPA는 5 GHz의 동작주파수를 가지며, -10 dB 임피 던스 대역폭은 2.4 %로 나타났다.

2.2 AIMPA의 방사 특성

그림 3(a) 와 (b)에 각각 표 1과 같은 구조 파라미터

(a) (b)

그림 3. 표 1과 같은 구조 파라미터를 가지는 AIMPA의 (a) E-평면 방사 패턴과 (b) H-평면 방사 패턴 Fig. 3. Radiation patterns of the AIMPA with the same

dimensions shown in Table 1. (a) E-plane and

(b) H-plane radiation pattern.

를 가지는 AIMPA의 E-평면 방사 패턴과 H-평면 방사 패턴을 보인다. 그림 3으로부터 AIMPA의 방사 패턴은 일반적인 패치 안테나의 기본 모드의 방사 패턴과 비슷 함을 볼 수 있다. 그림 3(a)의 E-평면 방사 패턴을 살펴 보면 안테나의 공진 길이 방향으로의 수평 방향 방사 이득이 억제 되어 있음을 확인 할 수 있다. 그 이유는 안테나의 동작 주파수에서 안테나의 유효 유전상수가 1 에 가깝기 때문이다^[2]. E-평면 방사 패턴이 비대칭인 이유는 개구면이 패치 중심에 위치하지 않고 가장자리 에 위치함으로써 구조적으로 비대칭이 발생하기 때문이 라 생각한다.

그림 5와 그림 6은 각각 설계된 AIMPA와 CIMPA, 그리고 일반적인 패치안테나의 반사계수와 방사특성을 도시한 것이다. 표 2에 5 GHz에서 동작하는 AIMPA, CIMPA 그리고 일반적인 패치안테나의 방사특성과 임 피던스 대역폭을 나타내었다.

Inductive loaded 안테나는 일반적인 패치안테나에 비해 좁은 임피던스 대역폭을 가짐을 알 수 있다. 전방 방사 이득의 경우 AIMPA가 9.63 dBi로 가장 높음을 알 수 있고, 후방 방사의 경우 일반적인 패치 안테나가 -7.67 dBi로 가장 좋은 특성을 나타냄을 알 수 있다. 전

(a)

(b)

그림 4. Capacitive-fed inductive loaded 마이크로스트립 패치 안테나의 (a) 구조도와 (b) 평면도

Fig. 4. Geometry of a capacitive-fed inductive loaded microstrip patch antenna. (a) A schematic diagram and (b) a plane figure.

후방 방사비(front-to-back ratio)의 경우 일반적인 패 치 안테나가 15.70 dB로 가장 좋은 특성을 나타냄을 알 수 있다. 수평 방향 방사 억제의 경우 CIMPA가 가장 큰 억제 특성을 가지며, AIMPA, 일반적인 패치안테나 순으로 억제 특성이 낮아지게 됨을 알 수 있다.

그림 5. 세 가지 서로 다른 형태를 가지는 마이크로스 트립 패치 안테나의 반사계수

Fig. 5. Reflection coefficient of three different types of microstrip patch antennas.

(a) (b)

그림 6. 세 가지 서로 다른 형태를 가지는 마이크로스 트립 패치안테나의 (a) E-평면 방사패턴과 (b) H-평면 방사패턴

Fig. 6. Radiation patterns of three different types of microstrip patch antennas. (a) E-plane and (b) H-plane radiation pattern.

안테나 종류

대역폭 [%]

전방 방사 (dBi)

후방 방사 (dBi)

전후방 방사비 (dB)

수평 방사 (dBi)

φ

φ

φ

φ

AIMPA 2.4 9.63 -3.38 13.01 -14.90 -5.36 -9.90 -5.74 CIMPA 2.2 9.03 -6.49 15.52 -22.76 -5.30 -15.27 -5.38 Conv. 6.2 8.03 -7.67 15.70 -2.12 -3.91 -7.71 -3.71

표 2. 세 가지 서로 다른 형태를 가지는 마이크로스트

립 패치안테나의 방사 특성과 임피던스 대역폭 Table 2. Radiation characteristics and the impedance

bandwidth of three different types of microstrip

patch antennas.

Ⅲ. 병렬 스터브를 이용한 AIMPA의 임피던스 대역폭 확장

본 장에서는 일반적인 AIMPA의 급전 선로에 병렬 스터브를 삽입하여 임피던스 대역폭을 확장시키는 방법 을 보인다. 또한 병렬 스터브가 삽입된 AIMPA의 대역 폭 특성과 방사 특성을 전산모의를 통하여 살펴보았다.

3.1. 병렬 스터브가 삽입된 AIMPA

그림 7(a)와 (b)에 각각 임피던스 대역폭 확장을 위 해 병렬 스터브를 삽입한 AIMPA의 구조도와 평면도를 보인다. 병렬 스터브는 개구면에서 AIMPA의 포트 방 향으로 거리 _ 만큼 떨어진 곳에 위치하며 폭







병렬 스터브를 이용하여 AIMPA의 임피던스 대역폭 을 증가시키기 위해서는 먼저 개구면의 크기를 II 장에 서 설계한 5 GHz에서 임피던스 정합된 AIMPA의 개구 면 크기보다 다소 줄여야 한다. 개구면의 크기를 줄이

(a)

(b)

그림 7. 병렬 스터브를 가지는 AIMPA의 (a) 구조도와 (b) 평면도

Fig. 7. Geometry of an AIMPA with a shunt tuning stub.

(a) A schematic diagram and (b) a plane figure.

면 안테나의 입력 임피던스의 실수부 크기가 줄어들게 된다. 따라서 스미스 도표에서 안테나의 입력 임피던스 곡선이 이루는 원형모양의 궤적 크기가 정재파비가 2:1 이 되는 원의 직경보다 작아지게 만들 수 있다. 그 다음 개구면에서 안테나 포트쪽으로 거리





위에서 설명한 방법대로 병렬 스터브를 삽입하여 AIMPA의 임피던스 대역폭을 증가시킬 수 있는지 전산 모의를 통해 확인하였다. AIMPA의 병렬 스터브의 위

(a) (b)

그림 8. 최적화된 병렬 스터브(

= 3.5 mm,

= 8 mm)와, 개구면의 크기(

= 5 mm,

_{= 2} mm)를 가지는 AIMPA의 (a) 반사 계수와 (b) 스 미스 차트에 도시한 입력 임피던스

Fig. 8. (a) Reflection coefficient and (b) Smith chart plot

of the imput impedance of the AIMPA with the

optimized shunt stub(

= 3.5 mm,

_{= 8}

mm) and aperture size(

= 5 mm,

_{= 2}

mm).

(a) (b)

그림 9. 최적화된 병렬 스터브(

= 3.5 mm,

= 8 mm)와, 개구면의 크기(

= 5 mm,

= 2 mm)를 가지는 AIMPA의 (a) E-평면 방사 패턴 과 (b) H-평면 방사 패턴

Fig. 9. Radiation patterns of the AIMPA with the optimized shunt stub(

= 3.5 mm,

_{= 8} mm) and aperture size(

= 5 mm,

= 2 mm). (a) E-plane and (b) H-plane radiation pattern.

치와 길이에 대한 초기 값은 수식을 이용하여 계산하였 으며 그 값은 _ = 4.5 mm이고 _ = 8.2 mm이다^[9].

그림 8(a)와 (b)는 각각 개구면의 크기 _ = 5 mm,

_ = 2 mm이며, 병렬 스터브의 위치  = 3.5 mm, 길이 _ = 8 mm인 경우 AIMPA의 주파수에 따른 반 사 계수와 입력 임피던스를 도시한 것이다. 다른 설계 파라미터들은 II 장에서 설계한 AIMPA의 파라미터와 동일하다. -10 dB 대역폭 내의 최대주파수는 5.22 GHz 이며, 최소주파수는 4.94 GHz로 -10 dB 대역폭은 5.51

%로 나타났다. 병렬 스터브가 없는 경우 임피던스 대 역폭이 2.4 % 이었으므로 병렬 스터브가 삽입된 AIMPA의 임피던스 대역폭은 약 129.6 % 증가함을 확 인 할 수 있었다.

그림 9 (a)와 (b)는 각각 개구면의 크기 _ = 5 mm,  = 2 mm 이며, 병렬 스터브의 위치  = 3.5 mm, 길이 _ = 8 mm 인 AIMPA의 -10 dB 대역폭 내의 최소주파수 4.94 GHz, 중간주파수 5.08 GHz, 최대 주파수 5.22 GHz 에서의 E-평면 방사 패턴과 H-평면 방사 패턴을 보인다. -10 dB 대역폭 내에서 방사 패턴 의 전체적인 모양은 크게 변화하지 않음을 알 수 있었 다. 그림 9(a)를 살펴보면 안테나의 공진 길이 방향으로 의 수평 방향 방사 이득이 억제 되어 있음을 확인 할 수 있으며, -10 dB 대역폭 내에서 억제되는 수평 방향 방사 이득의 변화가 크지 않음을 볼 수 있었다.

동작 주파수

(GHz) 전방 방사 (dBi)

후방 방사 (dBi)

전후방 방사비 (dB)

수평 방사 (dBi)

φ

φ

φ

φ

4.94 8.84 -1.87 10.71 -13.06 -4.13 -8.97 -3.96 5.08 9.37 -2.11 11.48 -14.05 -7.54 -9.48 -7.55 5.22 9.07 -0.60 9.13 -10.55 -8.50 -9.31 -8.98

표 3. 최적화된 병렬 스터브(

= 3.5 mm,

= 8

mm)와, 개구면의 크기(

= 5 mm,

= 2 mm)를 가지는 AIMPA의 방사 특성

Table 3. Radiation characteristics of the AIMPA with the optimized shunt stub(

= 3.5 mm,

= 8 mm) and aperture size(

= 5 mm,

= 2 mm).

표 3에 개구면의 크기 _ = 5 mm, _ = 2 mm 이 며, 병렬 스터브의 위치  = 3.5 mm, 길이



후방방사 이득은 중간주파수인 5.08 GHz에서 -2.11 dBi 로 최소이며, 최대주파수인 5.22 GHz에서 -0.6 dBi로 최대이다. 전후방 방사비의 경우 중간주파수인 5.08 GHz에서 11.48 dB로 최대이며, 최대주파수인 5.22 GHz 에서 9.13 dB로 최소이다. φ=0° 와 φ=180°에서 수평 방 향 방사가 최소인 주파수는 중간주파수인 5.08 GHz 이 며, 최대가 되는 주파수는 최대주파수인 5.22 GHz이다.

φ=90° 와 φ=270°에서 수평 방향 방사가 최소인 주파수 는 최대주파수인 5.22 GHz이며, 최대가 되는 주파수는 최소주파수인 4.94 GHz이다.

IV. 결 론

본 논문에서는 개구면 결합 급전을 이용한 inductive loaded 마이크로스트립 패치 안테나에 대해 살펴보았 다. 설계된 AIMPA의 전방 방사 이득과 후방 방사 이 득은 각각 9.63 dBi 와 -3.38 dBi로 나타났으며, 전후방 방사비는 13.01 dB로 나타났다. 임피던스 대역폭은 120 MHz로 2.4 %이다.

AIMPA의 급전 선로에 병렬 스터브를 삽입하여 임

피던스 대역폭을 확장시키는 방법을 살펴보았다. 병렬 스터브가 없는 AIMPA의 임피던스 대역폭은 2.4 %이 고 병렬 스터브를 삽입한 AIMPA의 임피던스 대역폭은 5.51 %로 임피던스 대역폭이 약 129.6 % 증가됨을 확 인하였다. 또한 -10 dB 임피던스 대역폭 내에서 방사패 턴의 전체적인 모양은 주파수에 따라 크게 변화하지 않 았다. 전후방 방사비가 병렬 스터브를 삽입하지 않은 경우보다 다소 감소하였지만, 안테나의 공진 길이 방향 으로의 수평 방향 방사 이득의 억제의 변화는 적음을 확인하였다.

참 고 문 헌

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34, no. 8, pp. 977–984, August. 1986.

[9] D. M. Pozar, Microwave Engineering 3rd Ed.

Wiley, 2005.

저 자 소 개 구 환 모(학생회원)

2011년 숭실대학교 정보통신전자 공학부 학사 졸업.

2011년∼현재 숭실대학교 전자공학과 석사 과정.

<주관심분야 : Microstrip Antennas, 위상 배열 안테나>

윤 영 민(학생회원)

2003년 숭실대학교 정보통신전자 공학부 학사 졸업.

2005년 숭실대학교 전자공학과 석사 졸업.

2007년∼현재 숭실대학교 전자공학과 박사 과정.

<주관심분야 : Microstrip Antennas, 위상 배열 안테나, EMI/EMC>

김 부 균(평생회원)

1979년 서울대학교 전자공학과 (공학사)

1981년 KAIST 전기및전자공학과 (공학석사)

1989년 University of Southern California, 전자공학과 (공학박사)

1993년 IBM Almaden 연구소 방문 연구원 1997년∼1998년 Univ. of California at Santa Barbara 방문 부교수

2004년∼2006년 산자부 산업기술발전심의회 위원 2008년∼2010년 숭실대학교 IT대학 학장

1981년∼현재 숭실대학교 정보통신전자공학부 교수

<주관심분야 : 위상 배열 안테나, SiP, 광통신 및 광네트워크용 소자>