A Study on Characteristics of the Twin Tree Array Structure of the Triangular Patch Array Antenna

삼각형 패치 트윈 트리 배열 안테나의 특성 연구

A Study on Characteristics of the Twin Tree Array

Structure of the Triangular Patch Array Antenna

장 대 순

^*

^{* ★}

Tae-Soon Chang, Sang-Won Kang

^{* ★}

Abstract

This paper is based on the triangular inset patch antenna as the basic structure, and the array structure is the twin tree form to improve the antenna‘s main lobe gain and reduce the side lobe gain. A twin tree structure was implemented by placing two identical trees of 2-4-6 arrays of triangular inset patches side by side. The parametric analysis confirmed that the gap between tree structures arranged side by side is most effective for impedance matching. The fabricated antenna has a gain of 16.74 dBi at 24.15 GHz, and the beam width of the main lobe is 22 ° in the E-plane and 6 ° in the H-plane. The antenna size was 125 mm × 50 mm, and a Taconic TLC substrate with a dielectric constant of 3.2 was used. Although the main lobe gain is improved over the twin tree structure, The directivity in the beam pattern due to the mutual interference of the two tree array structure can be improved.

요 약

본 논문은 인셋 구조의 삼각 패치 안테나를 기본 구조로 하며, 배열 구조를 트윈 트리 형태로 하여 안테나 주엽 이득을 개 선시키고 부엽 이득을 줄이는 연구에 대한 것이다. 삼각 인셋 패치의 2-4-6개의 배열로 이루어진 동일한 트리 2개를 나란히 배치하여 트윈 트리 구조를 구현했다. 파라미터 분석을 통해 나란히 배치된 트리 구조 간의 간격이 임피던스 매칭에 가장 효 과적인 것을 확인했다. 제작된 안테나는 24.15 GHz에서 16.74 dBi 이득을 갖고, E-plane에서 주엽의 빔폭은 22°, H-plane에 서는 6°이다. 안테나 크기는 125 mm × 50 mm이며, 유전상수가 3.2인 Taconic TLC 기판을 사용했다. 트윈 트리 구조의 주엽 이득은 개선되었지만 2개 트리 배열 구조의 상호 간섭으로 인한 빔 패턴에서의 지향성 부분은 개선할 여지가 있다.

Key words ： patch array antenna, triangular patch, twin tree array structure, side lobe

* Dept. of Information and Communication Engineering, Seoil University

★ Corresponding author

E-mail: [email protected], Tel：+82-33-765-9746

※ Acknowledgment

Manuscript received Feb. 4, 2020; revised May. 18, 2020; accepted May. 26, 2020.

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction

Ⅰ. 서론

현대 이동통신 안테나 시스템에서 요구되어지는 사항들은 고이득, 간단한 구조, 낮은 높이, 경량 구 조이다[1]. 차량안전시스템을 구현하기 위한 차량

용 레이더 안테나에 대한 연구가 진행되고 있다 [2], [3]. 또한 전기를 동력으로 사용하는 전기이륜차, 특수용 전동차량 등을 포함하는 스마트 이모빌리 티 산업에도 레이더 안테나 시스템에 대한 요구가 늘어나고 있다. 레이더 안테나 시스템에는 후방 레

1

이더 안테나에 24 GHz 대역이 사용되어지고, 전방 레이더 안테나에는 77 GHz 대역이 사용된다[4], [5].

직사각형 및 원형 패치 안테나와 같은 모양에 비 해 크기가 작은 삼각형 패치형태로 안테나를 구현 하였다. 삼각형 패치 배열 안테나를 구현하기 위해 마이크로스트립 제작 기술을 이용하였다[6]. 본 논 문에서는 삼각형 인셋 패치를 기본 요소로 하고, 이 요소를 기반으로 하여 배열구조를 트윈 트리 형 태로 한 24 GHz 대역 안테나를 연구했다. 배열구 조의 변화를 통해 빔패턴에 있어서 기본적으로 이 득을 개선할 뿐만 아니라 부엽의 크기를 줄이고자 했다. 또한 급전선에 트랜스포머를 추가하여 임피 던스 매칭을 효과적으로 수행했다. 트윈 트리 구조 의 파라미터 분석을 통해 주엽과 부엽의 변화와 특 성변화를 파악하고 성능을 개선하는 것을 목표로 했다. 파라미터 스윕을 통한 최적화된 결과를 얻기 위해 상용 소프트웨어인 HFSS를 사용하였다.

Ⅱ. 삼각형 인셋 패치

본 논문에서는 인셋 구조의 삼각형 패치 안테나 를 기본 구조로 했다[6]. 그림 1에서 삼각형 인셋 패치의 기본 구조를 볼 수 있다.

Fig. 1. triangular inset patch.

그림 1. 삼각형 인셋 패치

인셋 급전의 길이 y0는 0.8 mm이며, 인셋 홈의 폭 g는 0.45 mm이다. 직사각형 인셋 패치 구조에 서 삼각형 인셋 패치를 도출하였기 때문에 기본적 인 요소인 인셋 급전 길이인 y0와 인셋 홈의 폭인 g는 참고논문 [6]번에서 언급한 직사각형 인셋 패 치 구조를 계산한 식에서 얻었다.

삼각형 패치는 삼각형 높이 TL과 밑변길이 TW 로 나타내며, 각각 패치 사이에 트랜스포머를 배치

하여 임피던스 매칭을 하였으며, 각 패치 사이의 전송선로의 길이는



Ⅲ. 트윈 트리 배열 구조

빔패턴 개선을 위해 트윈 트리 구조로 배열을 구 성했다. 부엽의 크기를 줄이고자 각 단에서 위로 올라가면서 2개의 패치를 줄여가면서 2-4-6개의 배열로 이루어진 트리 구조의 배열 안테나를 구현 했다. 이 트리를 트윈 구조로 하여 이득을 개선하 고자 했고, 인셋 구조의 삼각형 패치 요소가 총 24 개가 사용되었다.

첫 번째 급전선 라인의 폭은 FW4 = 1.5 mm, 길 이는 FL4 = 7.5 mm로 표현된다. 두 번째 라인과 세 번째 라인은 폭은 FW3 = FW2 = 0.75 mm, 길 이는 FL2 = 4.5 mm로 표현된다. FL3는 임피던스 매칭에 중요한 요소이다. FW1 = 0.2 mm, FL1 = 4.35 mm이다. 삼각형 패치들 간에 형성된 모든 전 송선로는 그 폭이 모두 FW1과 동일하다. 계산된 패치 사이의 거리는

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

그림 2에서 트윈 트리 구조의 삼각형 패치 배열 안테나의 구조를 볼 수 있다. 트윈 트리 배열 구조 의 배열 안테나의 전체 크기는 125 mm × 50 mm 이다.

Fig. 2. Triangular patch array antenna formed twin tree structure.

그림 2. 트윈 트리 구조의 삼각형 패치 배열 안테나

FL3(mm) center

freq.

[GHz]

10 dB frequency[GHz] 10 dB bandwidth

[MHz]

first pole second pole

50.0 23.86 23.71 - 24.06 24.32 - 24.58 610 49.8 23.9 23.76 - 24.12 24.34 - 24.62 640 49.6 23.95 23.81 - 24.15 24.39 - 24.66 610 49.4 24 23.86 - 24.2 24.44 - 24.7 600 49.2 24.04 23.9 - 24.21 24.49 - 24.75 570 49.0 24.08 23.96 - 24.23 24.55 - 24.79 510 48.8 24.11 24.0 - 24.24 24.62 - 24.84 460

Table 1. Change of center frequency, 10 dB frequency, 10 dB bandwidth according to change of FL3.

표 1. L3값의 변화에 따른 중심주파수, 10 dB 대역주파수, 10 dB 대역폭의 변화

속성 변화를 모색했다. 안테나 속성 중에서도 반사 손실, 이득, 지향성이 중요한 요소이며, 파라미터 분석을 통해 연구를 진행했다.

트리 간의 간격을 조절하는 FL3값은 파리미터 분석을 위해서 50.0 mm에서 48.8 mm로 0.2 mm씩 감소시키면서 안테나의 성능 분석을 시도하였다.

안테나의 임피던스 매칭을 위해서 두 번째 급전에 서 마이크로스트립 라인의 형태를 갖는 트랜스포 머를 배치시키는 것도 가능하다.

그림 3에서 FL3값 변화에 따른 반사손실 특성의 변화를 확인가능하다. 50 mm에서 48.8 mm로 0.2 mm씩 감소되면서 안테나의 공진주파수가 오른쪽 으로 이동하는 것이 확인가능하다. 이는 두 개의 빔패턴이 서로 커플링을 일으키면서 공진주파수 변화를 야기하는 것으로 고찰 가능하다.

표 1에서는 FL3값의 변화에 따라서 중심주파수, 10 dB 대역 주파수, 10 dB 대역폭의 변화를 볼 수 있다. 트윈 트리 구조로 인해서 두 개의 트리 구조 와의 상호 간섭으로 인해 두 개의 공진폴이 생긴 것으로 판단된다. 중심주파수는 첫 번째 공진폴을 기준으로 했다. FL3값이 증가하면서 23.86 GHz에 서 24.11 GHz로 공진주파수가 커지는 것을 확인가 능하다. 또한 10 dB 대역폭은 460 MHz에서 640 MHz로 사이에서 변화되었다. FL3값이 공진주파수 를 이동을 좌우하는 중요한 요소가 됨을 확인했다.

Fig. 3. Return loss according to change of FL3.

그림 3. FL3의 변화에 따른 반사손실

그림 4는 H-plane에서 FL3값의 변화에 따른 복 사패턴을 볼 수 있다. FL3값은 파리미터 분석을 위

해서 50.6 mm에서 48.2 mm로 0.4 mm씩 감소시키 면서 7가지 경우에 대한 결과를 살펴보았다.

표 2는 앞서 살펴본 이득에 대한 그래프를 FL3 값에 따른 이득, HPBW의 변화와 부엽과의 이득차 로 분석한 결과를 보여주고 있다. FL3값과 상관없 이 HPBW는 6°로서 일정한 값을 유지하고 있으며, FL3값이 49.4mm일 때 주엽의 이득이 가장 큰 값 인 19.11 dBi를 나타내고 있다. 가장 큰 변화를 보 인 것은 주엽과 부엽 간의 이득차인데 FL3값이 작 아지면서 점점 커지는 양상을 보이고 있다. 주엽의 이득이 가장 크면서도 부엽과의 이득차를 가장 크 게 보이는 것은 FL3가 49.4 mm인 것으로 확인되 었다.

Fig. 4. Gain on the H-plane with changes in FL3 value.

그림 4. FL3의 변화에 따른 H-plane에서의 이득

Table 2. The gain, the change in HPBW and the gain difference between side lobe according to FL3 value.

표 2. FL3값에 따른 이득, HPBW의 변화와 부엽과의 이득차

FL3 [mm] gain [dBi] HPBW [°] the gain difference between side lobe [dB]

50.6 18.01 6 7.24

50.2 18.65 6 7.36

49.8 19.08 6 7.65

49.4 19.11 6 7.96

49.0 18.68 6 8.21

48.6 18.27 6 8.68

48.2 17.80 6 9.00

결과적으로 FL3의 길이의 변화를 통해서 중심주 파수의 이동이 효과적이며 부엽과의 이득차를 조 절할 수 있음을 확인했다. 따라서, 측정하고자 하는 24.15 GHz에 가장 근접하면서도 부엽과의 이득차 가 큰 경우를 고려했다. FL3가 49.2 mm 일 때 측 정하고자 하는 24.15 GHz에서 최적화된 결과를 얻 었으며, 10 dB 대역폭도 570 MHz로 측정하고자 하는 기준을 만족했다. 이를 기초로 최종 설계를 도출했다. 표 3에서 안테나 최종 사양을 확인할 수 있다.

Table 3. Antenna final specification.

표 3. 안테나 최종 사양

factor specification factor specification

FW1 0.2 mm FW4 1.5 mm

FL1 4.35 mm FL4 7.5 mm

FW2 0.75 mm y0 0.8 mm

FL2 4.5 mm g 0.45 mm

FW3 0.75 mm SW 0.9 mm

FL3 49.2 mm SL 2.1 mm

Ⅳ. 안테나 제작 및 측정

제작한 안테나는 삼각형 패치를 기본 배열 요소로 하는 트윈 트리 배열 구조이다. 안테나 급전은 0.6 mm SMA 고주파 컨넥터를 이용하였다. 그림 5는 제작된 안테나 사진을 나타내었다. 안테나 특성 파 라미터인 반사손실 측정은 에질런트사의 HP8722ES Vector Network Analyzer를 이용하여 측정하였다.

Fig. 5. Manufactured antenna.

그림 5. 제작된 안테나

그림 6은 다음 그림은 시뮬레이션 결과와 실제 측정한 결과를 비교한 그래프이다. 시뮬레이션의 결과 10 dB 대역폭이 23.9～24.21 GHz, 24.49～

24.75 GHz (570 MHz)로 나타났으며, 실제 측정 결 과 23.91～25 GHz (1090 MHz)로 측정되었다. 이득 을 측정하고자 하는 주파수인 24.15 GHz의 경우 시뮬레이션에서는 반사손실이 12.44 dB, 실제 측정 에서는 33.59 dB로 크게 나타났다. 이는 전반적으 로 시뮬레이션보다 실제 제작된 안테나의 주파수 대역이 높은 주파수로 이동되었기 때문에 나타난 결과이다. 시뮬레이션과 측정 주파수를 맞추기 위 해 시뮬레이션 주파수를 하향으로 맞춰야 했기 때 문에 생기는 오차라고 사료된다.

그림 7과 8은 각각 E-plane과 H-plane에서 시뮬 레이션과 실제 측정된 복사패턴과의 비교 결과를 보여주고 있다. 이득 측정의 경우 각각 중심 주파 수가 24.15 GHz이다. 각각의 경우에 비슷한 경향을 보이고 있다. 표 4에서는 시뮬레이션과 측정 간의 이득과 HPBW의 변화를 확인할 수 있다. 시뮬레이 션과 측정 간의 이득은 E-plane의 경우 2.37 dBi, H-plane의 경우 2.36 dBi의 차이를 보이고 있다.

HPBW는 시뮬레이션과 측정치 모두 E-plane에서 는 22°, H-plane에서는 6°의 결과를 얻었다. 앞선 트리 구조보다 이득 면에서 개선이 있었지만 2개 배열 구조의 상호 간섭으로 인한 빔패턴에서의 지 향성 부분은 많은 개선이 필요한 것으로 사료된다.

Fig. 6. Measured antenna return loss.

그림 6. 측정된 안테나 반사손실

Fig. 7. Comparison of simulated and measured radiation pattern (E-plane).

그림 7. 시뮬레이션과 측정 복사패턴 비교 (E-plane)

Fig. 8. Comparison of simulated and measured radiation pattern (H-plane).

그림 8. 시뮬레이션과 측정 복사패턴 비교 (H-plane)

Table 4. Change in gain, HPBW and the gain difference between side lobe between simulated and measured antenna.

표 4. 시뮬레이션과 측정 간의 이득과 HPBW의 변화, 부엽과의 이득차

structure plane gain [dBi]

HPBW [°]

the gain difference between side lobe [dB]

simulated E 19.11 22 10.43

H 19.11 6 7.96

measured E 16.74 22 8.37

H 16.75 6 7.63

Ⅲ. 결론

본 연구에서는 인셋 구조의 삼각 패치 안테나를 기본요소로 하는 배열 안테나에서 배열 구조 변화 를 통하여 안테나 특성을 개선했다. 배열을 트윈 트리 구조로 변화시켜 이득을 개선할 뿐만 아니라 부엽을 줄여 빔패턴을 비롯한 안테나의 특성 개선 을 도모한 것이다. 트윈 트리 구조에서 이득은 19.11 dBi로 나타났으며, HPBW는 H-plane 상에서 6°로 나타났다. 부엽과의 이득차는 H-plane에서 7.96 dB이다. 실제 제작한 기판 크기는 125 mm × 50 mm이고 두께는 0.51 mm이다. 트윈 트리 구조 의 경우 두 트리 구조의 간격이 공진 주파수의 미 세한 이동뿐 아니라 주엽과 부엽 사이의 이득차에 대한 주요한 요소이다. 실제 측정 결과 이득은 16.74 dBi로 나타났으며 이는 시뮬레이션 값보다 2.37 dBi 낮은 수치이다. HPBW는 E-plane에서 22°, H-plane에서 6°를 나타냈고 부엽과의 이득차 는 E-plane에서 8.37 dB, H-plane에서 7.63 dB를 나타냈다. 지향성 부분에서 개선을 위해 트윈 트리 구조의 변화를 시도할 계획이다.

References

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DOI: 10.22648/ETRI.2012.J.270110

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The Institute of Internet, Broadcasting and Communication(JIIBC), vol.18, no.2, pp.177-184,

Design, 3rd ed. Hoboken, NJ: WILEY, 2005.

BIOGRAPHY

Tae-Soon Chang (Member)

2001：BS degree in Electronic Engineering, Konkuk University.

2003：MS degree in Electronics, Information & Communication Engineering, Konkuk University.

2009：PhD degree in Electronics, Information & Communication Engineering, Konkuk University 2012～the present：Assistant Professor, Dept. of Information and Communication Engineering, Seoil University

Sang-Won Kang (Member)

1999：BS degree in Electronic Engineering, Semyoung University.

2003：MS degree in Electronics, Information & Communication Engineering, Konkuk University.

2013：PhD degree in Electronics, Information & Communication Engineering, Konkuk University.

2006～2017：Research Engineer, FESnU, Uiwang-si, Korea.

2018～2019：Research Engineer, Misung.

2020～the present：Assistant Professor, Dept. of Information

and Communication Engineering, Seoil University.