Design of Inductive Loaded Microstrip Patch Antennas with Suppressed Radiations along Horizontal Directions
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(2) 2012년 2월 전자공학회 논문지 제 49 권 TC 편 제 2 호. 57. 상호 결합 현상을 발생시키는 주요 원인은 패치 안테. 서는 유효 매질 이론(effective medium theory; EMT). 나의 기판을 따라 전달되는 표면파와 패치와 접지면 사. 으로부터 유도된 유효유전상수를 이용하여 inductive. 이에 존재하는 수직방향의 편파전류에 의한 수평방향으. loaded 전송선의 분산 특성을 보인다. 제 Ⅲ장에서는 단. 로의 방사이다. 표면파의 영향을 줄이기 위한 방법으로. 위 셀의 구조 파라미터 변화에 따른 inductive loaded. 는 EBG (Electromagnetic Bandgap) 구조를 안테나 사. 전송선의 분산 특성 변화를 전산모의하고, inductive. [1～2]. . 이러한 일반적. loaded 패치안테나의 수평방향 방사를 억제하여 방사패. 인 EBG 구조는 위상배열안테나에 적용 시 EBG 구조. 턴을 향상시키는 설계 방법을 보인다. 제 Ⅳ장에서는. 와 안테나 패치 사이의 간격이 작을 경우 coupling이. Ⅲ장에서 제시한 방법을 이용하여 inductive loaded 패. 크게 발생하여 안테나의 입력임피던스를 변화시키기 때. 치 안테나를 설계하고 전산모의실험을 통해 inductive. 문에 인접 안테나간의 간격을 넓혀야 하므로 위상배열. loaded 패치 안테나의 방사 특성을 살펴본다. 마지막으. 안테나의 전체 크기가 커지거나, 상호결합 억제 대역폭. 로 제 Ⅴ장에서는 본 논문의 결론을 맺는다. 전산모의. 이 작아 광대역 안테나에 적용시키기가 어렵다는 단점. 에 사용된 기판은 Taconic사의 CER-10으로 유전상수. 을 가진다. 최근에는 이러한 EBG 구조의 단점들을 보. 가 10이고 loss tangent는 0.0035 이며 기판 두께는 1.58. 완하기 위한 연구가 활발하다. 그 예로 UC-EBG를 패. mm이다.. 이에 집적시키는 방법이 대표적이다. 치 안테나 위에 집적시켜 인접 안테나간의 거리를 줄이 [3]. 고 상호결합을 억제시키는 방법과. Ⅱ. Inductive loaded 전송선의 분산 특성. EBG 구조를 변형. 시켜 단위 셀의 크기를 줄이고 동시에 bandgap을 증가 시키는 방법[4] 등을 들 수 있다.. Inductive loaded 전송선은 ENG 메타 물질의 특성. 위상배열안테나의 인접 안테나 간 상호결합을 줄이. 을 가지며 주파수에 따라 유효 유전상수가 비선형적으. 기 위한 또 다른 방법으로 inductive loaded 패치 안테. 로 변화한다[8]. 본 장에서는 이러한 inductive loaded. 나를 단위 안테나로 이용하는 방법이 있다. Inductive. 전송선의 분산 특성 곡선을 유효 매질 이론을 이용하. loaded 패치 안테나는 패치와 접지면 사이에 여러 개의. 여 구하는 방법을 보인다. 그리고 프린징 효과를 고려. via를. ENG(epsilon. 한 경우와 고려하지 않은 경우에 대하여 inductive. negative) metamaterial의 특성을 가진다. 그리고 수직. loaded 전송선의 분산 특성 곡선을 구하고 특성을 비. 방향의 편파전류에 기인한 자기 벡터 포텐셜(magnetic. 교하였다. 또한 단위 셀의 패치 모양이 정사각형인 경. vector potential)이 패치와 접지면 사이에 via를 통해. 우와 직사각형인 경우의 분산 특성 곡선을 각각 구하. 흐르는 전도전류에 기인한 역 위상(antiphase)을 가지는. 고 비교하였다.. 주기적으로. 배열한. 구조로. 자기 벡터 포텐셜로 인하여 상쇄되기 때문에 수평방향 으로의 방사가 억제되는 특성이 있다[5]. 그러나 기존 연. 1. 유효매질이론. 구 내용에는 이러한 inductive loaded 패치 안테나에 대. 그림 1에 inductive loaded 전송선의 구조도, 버섯구. 한 체계적인 설계 방법이나 패치의 크기, 단위 셀의 개. 조 단위 셀의 평면도와 T-형 등가회로를 보인다. 그림. 수, via의 반경과 같은 명확한 안테나 구조의 결정방법. 1(a)는 사각형의 금속 패치와 접지 도체 평판(ground). 등은 제시되지 않았다. 최근 본 연구팀에서는 이러한. 그리고 이 두 도체를 연결하는 via로 구성된 버섯 구조. inductive loaded 패치 안테나의 방사특성에 대한 연구. (mushroom structure)의 단위 셀이 주기적으로 배열된. 내용을 보고하였는데 마찬가지로 그 구체적인 설계방법. inductive loaded 전송선의 구조도이고 그림 1(b)는 버. [6, 7]. . 따라서 본 논문에서는. 섯구조 단위 셀의 평면도이다. 그림 1(a)와 (b)에서 단. inductive loaded 패치 안테나의 수평방향 방사를 억제. 위 셀을 구성하는 금속 패치의 길이와 폭은 각각 와. 시키는 설계 방법을 체계적으로 정리하고 패치의 크기. , via의 반경은 , 유전상수 을 가지는 유전체의 높. 를 결정짓는 단위 셀의 크기와 via의 반경을 결정하는. 이는 로 표현하였다. 그림 1(c)는 inductive loaded 전. 방법을 제시하며 EM 시뮬레이션을 이용한 전산모의실. 송선 단위 셀의 T-형 등가회로이다.. 에 대한 내용은 부재하다. Inductive loaded 전송선의 단위 셀 내부에서는 전계. 험을 통해 이를 검증하고자 한다.. 가 접지면에 대해 수직방향으로 형성된다. 따라서 단위. 본 논문은 다음과 같은 순서로 구성된다. 제 Ⅱ장에. (158).
(3) 58. 수평방향 방사가 억제된 Inductive loaded 마이크로스트립 패치 안테나의 설계. 윤영민 외. 전상수는 단위 셀의 유효 면적, via 반경, 기판의 유전 상수에 의해 결정됨을 알 수 있다. 프린징 효과를 고려한 단위 셀의 유효 면적을 구하기 위해 사각형 마이크로스트립 패치안테나의 유효 패치 면 적을 고려하였다. 사각형 마이크로스트립 패치안테나에서 는 다음과 같이 주어진다. 유효 패치의 면적 . (2). 여기서 L과 W는 각각 사각형 패치의 길이와 폭을 나타 낸다. ∆L과 ∆W는 각각 프린징 효과에 의한 길이와 폭 의 증가를 나타내며 다음 식으로 표현될 수 있다[10]. 그림 1. Fig.. 1.. Inductive loaded 전송선의 (a) 구조도와 (b) 버섯 구조 단위 셀의 평면도와 (c) T-형 등가회로 (a) Schematic diagram of an inductive loaded transmission line, (b) a plane figure of a mushroom unit cell, and (c) T equivalent circuit model.. . (3). . (4). 여기서 , 는 프린징 인자를 나타낸다[11]. 프 린징 효과가 고려된 유효 방사 패치의 면적으로부터 . 셀의 상부 금속 패치와 하부 접지면으로 이루어진 경계. 개의 단위 셀이 배열된 inductive loaded 패치 안테나의. 면을 perfect electric conductor(PEC), 단위 셀을 둘러. 으로 결정하였다. 유효 단위 셀 면적은 . 싸고 있는 경계면을 perfect magnetic conductor(PMC). 식 (1)으로 표현되는 단위 셀의 유효 유전상수로부터. 로 놓고 via를 통해 흐르는 수직방향 성분의 전류에 기. 개의 단위 셀이 배열된 inductive loaded 전송선의. 인한 자기 에너지로부터 단위 셀의 병렬 인덕턴스를 구. 분산 특성은 다음과 같다.. 할 수 있다. 또한 단위 셀의 상부 금속 패치와 하부 접. . 지면이 평행한 구조이고 그 사이에 유전상수가 인 유 전체가 존재하기 때문에 평판 커패시터로 간주하여 병. (5). 렬 커패시턴스를 구할 수 있다. 따라서 단위 셀의 등가 회로는 인덕터와 커패시터가 병렬 연결된 tank 회로 형. 2. Inductive loaded 전송선의 분산 특성. 태로 볼 수 있다. 유효 매질 이론을 이용하여 접지면의. 단위 셀의 패치 모양이 정사각형인 경우와 직사각형. 수직방향에 대한 유효 유전상수, 를 구하면 다음과. 인 경우, 유효 매질 이론을 이용하여 프린징 효과를 고. 같다[9].. 려한 경우와 고려하지 않은 경우에 Inductive loaded 전. . . 송선의 분산 특성 곡선을 구하고 특성을 비교하였다. 프린징 효과를 고려한 경우는 식 (1)에서 유효 단위 셀. (1). 로 간주하여 분산 곡선을 구한 면적을 . 경우이며, 프린징 효과를 고려하지 않은 경우는 유효. 여기서 와 는 진공상태에서의 유전율와 투자율. 단위 셀 면적을 물리적 면적( )으로 간주하여. 을 나타내고 과 은 단위 셀 내부에 via를 둘러싸고. 분산 곡선을 구한 경우이다.. 있는 매질의 유전 상수와 투자 상수를 나타낸다. . 그림 2(a)와 (b)는 각각 단위 셀의 패치 모양이 정사. 는 단위 셀의 유효 면적으로 프린징 효과의 고려 유무. 각형인 경우와 직사각형인 경우 유효 매질 이론을 이용. . 에 따라 달라진다. 로 via의 면적과 유효. 하여 프린징 효과를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우. 단위 셀 면적의 비이다. 여기서 은 via의 반경을 나타. 의 inductive loaded 전송선의 분산 특성을 보인다. 프. 낸다. 식 (1)로부터 inductive loaded 전송선의 유효 유. 린징 효과를 고려한 경우 단위 셀이 5주기 배열된 경우. (159).
(4) 2012년 2월 전자공학회 논문지 제 49 권 TC 편 제 2 호. 59. 프린징 효과로 인한 길이와 폭의 증가는 그림 2(a)의 구조에서 = 0.53 mm와 = 0.75 mm, 그림 2(b) 의 구조에서 = 0.58 mm와 = 0.74 mm이다. 그림 2(a)와 같이 단위 셀의 모양이 정사각형인 경우에 비해 그림 2(b)와 같이 단위 셀의 모양이 직사각형인 경우 유효 매질 이론을 이용하여 프린징 효과를 고려하 여 구한 분산 곡선과 공진기의 공진 주파수와 차이가 발생함을 볼 수 있다. 그 이유는 유효 매질 이론으로부 터 유효 유전상수를 구할 때 단위 셀의 패치모양을 정 [9]. 사각형인 경우로 가정하여 구했기 때문이라 생각된다 . (a). Ⅲ. Inductive loaded 패치 안테나 본 장에서는 단위 셀의 구조 파라미터인 via의 반경 과 단위 셀 패치의 폭을 변화시켜가며 inductive loaded 전송선의 분산 특성 곡선의 변화를 전산모의하고, inductive loaded 패치안테나의 수평방향 방사를 억제하 고 전방방사 이득을 증가시켜 방사패턴 특성을 향상시 키는 설계 방법을 보인다.. 1. 단위 셀의 구조 파라미터에 따른 분산 특성 단위 셀의 길이를 고정시키고 via 반경과 폭을 각각 (b) 그림 2.. Fig.. 2.. 변화시켜가며 inductive loaded 전송선의 분산 곡선 변 화를 살펴보았다.. 단위 셀의 패치 모양이 (a) 정사각형인 경우와 (b) 직사각형인 경우 유효 매질 이론을 이용하 여 프린징 효과가 고려된 경우와 고려되지 않 은 경우의 inductive loaded 전송선의 분산 특성 Dispersion curves obtained by using the effective medium theory with and without the fringing effect for the inductive loaded transmission line composed of (a) square unit cells and (b) rectangular unit cells.. 그림 3(a)와 (b)는 단위 셀의 via 반경과 폭을 각각 변화시켜가며 프린징 효과를 고려한 경우의 inductive loaded 전송선의 분산 곡선이다. 단위 셀의 개수가 5 개 인 경우의 유효 단위 셀 패치 면적을 고려하였으며 반 파장 공진이 발생하는 주파수( ╱ 인 경우)를 함 께 표시하였다. 그림 3(a)는 단위 셀의 패치 길이와 폭 이 6 mm로 동일한 경우 via 반경을 0.2 mm에서 1.0. 의 유효 단위 셀 면적을 고려하였다. 그림 2(a)와 (b)에. mm까지 0.2 mm 간격으로 증가시켜가며 구한 분산 곡. 는 또한 5 개의 단위 셀로 구성된 종단 개방 공진기의. 선이다. 그림 3(a)에서 via 반경이 커짐에 따라 단위 셀. 공진 주파수도 함께 보인다. 종단 개방 공진기의 공진. 의 병렬 인덕턴스 성분이 작아져 분산 곡선이 높은 주. 주파수는 HFSS를 이용한 EM 시뮬레이션 결과이다.. 파수 쪽으로 이동하고 반파장 공진 주파수가 증가하는. 그림 2(a)와 (b)에서 프린징 효과를 고려한 경우가 고려. 것을 볼 수 있다. Via 반경이 커짐에 따라 분산 곡선의. 하지 않은 경우에 비해 공진기의 공진 주파수와 더 잘. 기울기는 다소 감소하여 영차 공진 주파수( 인 경. 일치함을 볼 수 있다. 그림 2(a)는 단위 셀의 구조가 각. 우)와 반파장 공진주파수간 간격이 작아짐을 볼 수 있. 각 길이 = 6 mm, 폭 = 6 mm, via의 반경 =. 다. 그림 3(b)는 단위 셀의 패치 길이가 6 mm이고 via. 0.65 mm인 경우이고 그림 2(b)는 단위 셀의 구조가 각. 의 반경이 0.6 mm인 경우 단위 셀 패치의 폭을 4 mm. 각 길이 = 4 mm, 폭 = 9 mm, via의 반경 =. 에서 8 mm까지 1 mm간격으로 증가시켜가며 구한 분. 0.65 mm인 경우이다. 식 (3)과 (4)를 이용하여 계산한. 산 곡선이다. 그림 3(b)에서 단위 셀의 폭이 증가할수록. (160).
(5) 60. 수평방향 방사가 억제된 Inductive loaded 마이크로스트립 패치 안테나의 설계. 10. 반경 또는 단위 셀의 폭을 조절하면 반파장 공진주파. 9. 수에서 수평방향의 방사가 억제된 방사패턴을 얻을 수. 8. 있다[5].. Frequency [GHz]. 7 6. 개의 단위 셀로 구성된 × inductive loaded 패. 5. 치 안테나의 수평방사를 억제시키는 설계 방법을 정리. 4. 2. ? =. 1 0 0.0. 0.5. π 5. 1.0. 하였다. 우선 안테나의 동작주파수를 반파장 공진주파. w=4 mm w=5 mm w=6 mm w=7 mm w=8 mm. 3. 1.5. 2.0. 2.5. 수로 결정하고 안테나의 전체 물리적 길이를 동작주파 수의 반파장으로 한다. 그 다음 via의 반경 또는 단위 셀 패치의 폭을 변화시켜가며 inductive loaded 전송선. 3.0. β p [radian]. 의 분산 특성 곡선을 그린다. 자유공간에서 전자파의 분산 곡선과 인 직선이 교차하는 지점에. (a). inductive loaded 전송선의 분산 곡선이 근접하여 단위. Frequency [GHz]. 10 9. 셀의 유효 유전상수가 1 근처가 되는 via의 반경 또는. 8. 단위 셀 패치의 폭을 찾는다. 이때의 via 반경 또는 단. 7. 위 셀 패치의 폭을 × inductive loaded 패치 안테나. 6. 의 수평방사를 억제시키는 구조 파라미터의 초기치로. 5 4. 2. ? =. 1 0 0.0. 0.5. 1.0. 결정한다. 초기 구조 파라미터를 이용하여 × . r=0.2 mm r=0.4 mm r=0.6 mm r=0.8 mm r=1.0 mm. 3. π 5 1.5. 2.0. 2.5. inductive loaded 패치 안테나를 설계하고 전산모의를 통해 최적화된 파라미터를 찾는다. 위에서 제시한 설계 방법대로 동작주파수가 5 GHz. 3.0. 이고 수평방향의 방사가 억제된 5×1 inductive loaded. β p [radian]. 패치 안테나 설계를 위한 초기 구조 파라미터를 도출하. (b). Fig.. 3.. 였다.. 단위 셀의 (a) via 반경과 (b) 폭을 각각 변화시 켜가며 유효 매질 이론을 이용하여 프린징 효 과를 고려한 경우의 inductive loaded 전송선의 분산 곡선 Dispersion curves obtained by using the effective medium theory with the fringing effect for the inductive loaded transmission line composed of unit cells with various (a) via radii and (b) widths of a unit cell.. 그림 4에 단위 셀의 길이와 폭이 6 mm 로 동일한 경 우 via 반경에 따른 분산 특성과 반파장 공진주파수 그 리고 자유공간에서 전자파의 분산 특성을 보인다. 그림 6 Light line. Frequency [GHz]. 그림 3.. 윤영민 외. 평판 커패시턴스 성분이 증가하여 분산 곡선이 낮은 주 파수 쪽으로 이동하고 반파장 공진 주파수가 감소하는 것을 볼 수 있다.. 5. ? = 4 0.0. 2. 방사특성을 향상시키는 설계 방법. r=0.55 mm r=0.60 mm r=0.65 mm r=0.70 mm r=0.75 mm. π 5. 0.5. 1.0. 1.5. β p [radian]. Inductive loaded 전송선은 단위 셀의 구조를 적절히 조절하여 특정 주파수에서 원하는 유효 유전상수를 얻. 그림 4.. 을 수 있는 큰 장점이 있다. 이러한 특성을 이용하여 inductive loaded 패치 안테나를 설계할 때 안테나의. Fig.. 물리적 길이를 동작주파수의 반파장 길이로 정하고 단 위 셀의 유효 유전상수가 1과 가까운 값이 되도록 via. (161). 4.. 단위 셀 패치의 길이와 폭이 6 mm로 동일한 경우 여러 가지 via 반경에 따른 inductive loaded 전송선의 분산 특성 곡선 Dispersion curves of the inductive loaded transmission line with various via radii for a unit cell of the same length and width of 6 mm..
(6) 2012년 2월 전자공학회 논문지 제 49 권 TC 편 제 2 호. 61. 4에서 via 반경이 약 0.65 mm 인 경우 inductive loaded. 셀 패치의 폭을 변화시키는 방법이 있다. 고정된 via 반. 전송선의 분산 곡선이 자유공간에서 전자파의 분산 곡. 경에서 인쇄 회로 기판 제작 기술의 장점을 활용한 정. 선과 인 직선이 교차하는 지점을 지나감을 볼. 교한 단위 셀 패치의 폭 조절은 더욱 정밀한 inductive. 수 있다. 이때의 via 반경이 반파장 공진주파수에서. loaded 패치 안테나의 구조 파라미터 도출을 가능하게. inductive loaded 패치 안테나의 패치 밑 유효 유전상수. 한다.. 를 1과 가깝게 만드는 반경이 된다.. Via의 반경을 0.2 mm와 1 mm로 각각 고정시키고. 안테나의 제작 과정에서 기판의 via 홀 가공 작업 시. 단위 셀의 폭을 변화시켜가며 5×1 inductive loaded 패. 사용되는 비연속적인 드릴날의 반경은 inductive loaded. 치 안테나의 수평방향 방사를 억제시키는 구조 파라미. 패치 안테나를 설계하는데 있어 제한 요소가 된다. 이. 터를 구해보았다.. 에 따라 via 반경을 조절하여 단위 셀의 유효 유전상수. 그림 5(a)와 (b)에는 via의 반경이 각각 0.2 mm 와 1. 를 1과 가깝게 만드는 방법은 정밀한 설계 구조 파라미. mm인 경우 단위 셀의 폭에 따른 분산 특성을 보인다.. 터를 제시하지 못하는 경우가 존재한다. 이러한 단점을. 그림 5(a)와 (b)에서 via의 반경이 각각 0.2 mm 와 1. 보완하기 위한 방법으로 via 반경을 고정시키고 단위. mm인 경우 반파장 공진주파수에서 유효 유전상수가 1 과 가깝게 되는 단위 셀 패치의 폭은 각각 3.15 mm 와. 8. 7.8 mm 로 나타났다. 그림 5에서 via 반경이 작은 경우. Frequency [GHz]. 7. Light line. 가 큰 경우보다 단위 셀의 병렬 인덕턴스 성분이 크기 때문에 동일한 동작주파수 5 GHz에서 단위 셀의 유효. 6. 유전상수를 1과 가깝게 만들기 위해서는 병렬 커패시턴. 5. 3. ? = 2 0.0. π 5. 0.5. 스가 작아져야 한다. 따라서 단위 셀의 패치 폭은 via. w=2mm w=3mm w=3.15mm w=4mm w=5mm. 4. 1.0. 반경이 작은 경우가 큰 경우에 비해 상대적으로 작게 나타났다. 1.5. Ⅳ. Inductive loaded 패치 안테나의 방사특성. β p [radian] (a). 본 장에서는 분산 곡선으로부터 도출된 유효 유전상. 8. 수를 1과 가깝게 만드는 단위 셀의 구조 파라미터 초기. Frequency [GHz]. 7. 치를 이용하여 5×1 inductive loaded 패치 안테나를 설. Light line. 계하고 설계된 안테나의 과 방사 특성을 전산모의. 6. 한 결과를 보인다. 안테나의 급전 방법은 커패시티브 5. 급전 방법을 이용하였다. 먼저 그림 4로부터 단위 셀의 w=6 mm w=7 mm w=7.8 mm w=8 mm w=9 mm. 4 3. ? = 2 0.0. π 5. 0.5. 1.0. 길이와 폭이 6 mm인 경우 유효 유전상수가 1에 가까 운 via의 반경 0.65 mm를 초기치로 이용하여 via 반경. 1.5. β p [radian] (b) 그림 5.. Fig.. 5.. Via의 반경이 (a) 0.2 mm 와 (b) 1 mm 인 경우 여러 가지 단위 셀의 폭에 따른 inductive loaded 전송선의 분산 특성 곡선 Dispersion curves of the inductive loaded transmission line with various widths of a unit cell for via radius of the unit cell of (a) 0.2 mm and (b) 1 mm.. 그림 6. Fig.. (162). 6.. 5×1 inductive loaded 패치 안테나의 측면 구조 도 A side view of an inductive loaded patch antenna composed of five unit cells..
(7) 62. 수평방향 방사가 억제된 Inductive loaded 마이크로스트립 패치 안테나의 설계. 0. 윤영민 외. 을 변화시켜가며 5×1 inductive loaded 패치 안테나의 수평방사가 최소화 되는 via 반경을 구하였다. 그림 6에 설계한 5×1 inductive loaded 패치 안테나 구조도를 보. |S11| [dB]. -10. 인다. 그림 7에 단위 셀 패치의 길이와 폭이 6 mm일 때 via. -20. 반경이 각각 0.55 mm, 0.66 mm, 0.75 mm인 경우 5×1. r=0.55 mm r=0.66 mm r=0.75 mm. -30 4.0. 4.5. 5.0. 5.5. inductive loaded 패치 안테나의 과 방사패턴을 전산 모의한 결과를 보인다. 그림 7(a)에서 via의 반경이 0.55. 6.0. Frequency [GHz]. -30. mm, 0.66 mm, 0.75 mm일 때 반파장 공진주파수는 각각. (a). 4.75 GHz, 5 GHz, 5.21 GHz로 나타났다. Via의 반경이. Z. 증가할수록 병렬 인덕턴스가 감소하여 영차와 반파장 공. 0 10. 진 주파수가 증가함을 볼 수 있다. 그림 7(b)에 보인 5×1. 30. inductive loaded 패치 안테나의 E-평면(xz-평면) 방사. 0 -60. 60. -10. 패턴을 살펴보면 via 반경이 0.66 mm 인 경우 x 방향(φ. -20. =0°)의 수평방사가 가장 작게 나타났으며 via 반경이. -30. -90. 90. x. 0.75 mm인 경우 -x 방향(φ=180°)의 수평방사가 가장 작. -20. 게 나타났다. Via의 반경 설계 초기치 0.65 mm 근처인. -10. -120. -150. 120. r=0.55 mm 0 r=0.66 mm r=0.75 mm 10 180. 0.66 mm에서 5×1 inductive loaded 패치 안테나의 반파 장 공진 주파수가 5 GHz이고 수평방사가 억제되어 있음. 150. 을 볼 수 있다. Via 반경에 따른 H-평면 방사패턴은 그림. (b). 7(c)에서 볼 수 있듯이 큰 변화가 없었다. Via 반경에 따 른 전방방사 이득은 반경이 0.55 mm, 0.66 mm, 0.75 mm. Z -30. 0 10. 일 때 각각 5.92 dBi, 6.44 dBi, 7.02 dBi로 나타났다. 안테. 30. 0 -60. 나의 물리적 크기가 모두 동일하고 via 반경이 커짐에 따. 60. -10. 라 반파장 공진 주파수가 증가하기 때문에 via 반경이. -20 -30. -90. 90. 0.75 mm인 경우가 전방방사 이득이 가장 크게 나타났다.. y. -20. 표. -10. -120. -150. r=0.55 mm 0 r=0.66 mm r=0.75 mm 10 180. 1.. 120. 150. Table 1.. (c) 그림 7.. Fig.. 7.. 단위 셀 패치의 길이와 폭이 6 mm일 때 via 반 경이 각각 0.55 mm, 0.66 mm, 0.75 mm인 경우 5×1 inductive loaded 패치 안테나의 과 방 사패턴 (a) (b) E-평면(xz-평면) 방사패턴 (c) H-평면(yz-평면) 방사패턴 and radiation patterns of the inductive loaded patch antenna composed of five unit cells with the via radius of 0.55 mm, 0.66 mm, and 0.75 mm, respectively, for a unit cell of the same length and width of 6 mm. (a) , (b) E-plane radiation pattern, and (c) H-plane radiation pattern.. 단위 셀 패치의 길이와 폭이 6 mm일 때 via 반경이 각각 0.55 mm, 0.66 mm, 0.75 mm인 경 우 5×1 inductive loaded 패치 안테나의 반파장 공진주파수, 유효 유전상수, 방사 특성 Half wavelength resonant frequencies, effective dielectric constants, and radiation characteristics of the inductive loaded patch antenna composed of five unit cells with the via radius of 0.55 mm, 0.66 mm, and 0.75 mm, respectively, for a unit cell of the same length and width of 6 mm.. 단위 셀 크기 [mm] Via [GHz] 길이 폭 반경. (163). θ=0° 이득 [dBi]. 수평 방사 (dBi) φ=0° φ=90° φ=180° φ=270°. 6. 6. 0.55 4.75 1.03 5.92 -17.32 -7.53 -13.39 -7.39. 6. 6. 0.66 5.00 0.93 6.44 -23.32 -7.76 -16.44 -7.62. 6. 6. 0.75 5.21 0.86 7.02 -21.06 -8.06 -20.14 -8.08.
(8) 2012년 2월 전자공학회 논문지 제 49 권 TC 편 제 2 호. 0. 63. 표 1에는 그림 7에서 보인 5×1 inductive loaded 패치 안 테나의 반파장 공진주파수, 유효 유전상수, 방사 특성을 함께 정리하였다. 표 1로부터 유효 유전상수가 1보다 다. |S11| [dB]. -10. 소 작을 경우(via의 반경이 0.66 mm, 0.75 mm일 때) ±x 방향의 수평 방사가 크게 억제됨을 알 수 있다. 표 1에 보. -20. -30 3.5. 인 유효 유전상수는 다음 수식을 이용하여 계산하였다.. W=2.00 mm W=2.88 mm W=5.00 mm 4.0. 4.5. 5.0. 5.5. . . 6.0. Frequency [GHz]. 경이 0.2 mm와 1 mm인 경우 여러 가지 단위 셀 패치. Z -30. 의 폭에 따른 5×1 inductive loaded 패치 안테나를 각각. 30. 설계하고 특성을 살펴보았다. 그림 5로부터 via의 반경. 0 -60. 60. -10. 이 0.2 mm와 1 mm인 경우 유효 유전상수가 1에 가까. -20. 운 단위 셀 패치의 폭 초기치 3.15 mm와 7.8 mm를 초. -30. -90. 90. x. 기치로 이용하여 단위 셀 패치의 폭을 변화시켜가며 수. -20. 평방사가 최소화 되는 폭을 구하였다.. -10. -120. -150. 120. 그림 8에 단위 셀 패치의 길이가 6 mm이고 via 반경. W=2.00 mm 0 W=2.88 mm W=5.00 mm 150 10 180. 이 0.2 mm일 때 단위 셀 패치의 폭이 각각 2 mm, 2.88 mm, 5 mm인 경우 5×1 inductive loaded 패치 안테나. (b). 의 과 방사패턴을 전산모의한 결과를 보인다. 그림. Z -30. 0 10. 8(a)에서 단위 셀 패치의 폭이 각각 2 mm, 2.88 mm, 5 30. mm일 때 반파장 공진주파수는 각각 5.54 GHz, 4.99. 0 -60. -10. GHz, 4.11 GHz로 나타났다. 폭이 증가할수록 병렬 커. 60. 패시턴스와 인덕턴스가 증가하여 영차와 반파장 공진. -20 -30. -90. 90. 주파수가 감소함을 볼 수 있다. 그림 8(b)에 보인 5×1. y. inductive loaded 패치 안테나의 E-평면(xz-평면) 방사. -20 -10. -120. -150. 패턴을 살펴보면 폭이 2.88 mm 인 경우 x 방향(φ=0°). 120. W=2.00 mm 0 W=2.88 mm W=5.00 mm 150 10 180. 의 수평방사가 가장 작게 나타났으며 폭이 2 mm 인 경 우 -x 방향(φ=180°)의 수평방사가 가장 작게 나타났다. 단위 셀 패치 폭의 설계 초기치 3.15 mm 근처인 2.88. (c) 그림 8.. Fig.. 8.. (6). 다음으로 단위 셀 패치의 길이가 6 mm이고 via의 반. (a) 0 10. . . mm에서 5×1 inductive loaded 패치 안테나의 반파장. 단위 셀 패치의 길이가 6 mm이고 via 반경이 0.2 mm일 때 단위 셀 패치의 폭이 각각 2 mm, 2.88 mm, 5 mm인 경우 5×1 inductive loaded 패 치 안테나의 과 방사패턴 (a) (b) E-평 면(xz-평면) 방사패턴 (c) H-평면(yz-평면) 방사 패턴 and radiation patterns of the inductive loaded patch antenna composed of five unit cells with a unit cell width of 2 mm, 2.88 mm, and 5 mm, respectively, for a unit cell length of 6 mm and the via radius of 0.2 mm. (a) , (b) E-plane radiation pattern, and (c) H-plane radiation pattern.. 공진 주파수가 4.99 GHz이고 수평방사가 억제되어 있 음을 볼 수 있다. Via 반경에 따른 H-평면 방사패턴은 그림 8(c)에서 볼 수 있듯이 큰 변화가 없었다. 단위 셀 패치 폭에 따른 전방방사 이득은 폭이 2 mm, 2.88 mm, 5 mm일 때 각각 5.95 dBi, 5.31 dBi, 4.08 dBi 로 나타났 다. 단위 셀 패치 폭이 증가함에 따라 안테나의 물리적 크기가 증가하지만 반파장 공진 주파수가 크게 감소하 기 때문에 폭이 2 mm인 경우가 전방방사 이득이 가장 크게 나타났다. 표 2에 그림 8에서 보인 5×1 inductive loaded 패치 안테나의 반파장 공진주파수, 유효 유전상. (164).
(9) 64. 수평방향 방사가 억제된 Inductive loaded 마이크로스트립 패치 안테나의 설계. 2.. Table 2.. 단위 셀 크기 [mm] Via [GHz] 길이 폭 반경. 6 6 6. 2. 0. 단위 셀 패치의 길이가 6 mm이고 via 반경이 0.2 mm일 때 단위 셀 패치의 폭이 각각 2 mm, 2.88 mm, 5 mm인 경우 5×1 inductive loaded 패치 안테나의 반파장 공진주파수, 유효 유전상수, 방사 특성 Half wavelength resonant frequencies, effective dielectric constants, and radiation characteristics of the inductive loaded patch antenna composed of five unit cells with a unit cell width of 2 mm, 2.88 mm, and 5 mm, respectively, for a unit cell length of 6 mm and the via radius of 0.2 mm. θ=0° 이득 [dBi]. -10. |S11| [dB]. 표. -20. W=6.00 mm W=7.76 mm W=9.00 mm. -30 4.0. 4.5. 5.0. 5.5. 6.0. Frequency [GHz]. (a). 수평 방사 (dBi). Z. φ=0° φ=90° φ=180° φ=270°. -30. 0 10. 30. 0. 0.2 5.54 0.77 5.95 -16.05 -10.05 -26.13 -10.53. -60. 60. -10. 2.88 0.2 4.99 0.94 5.31 -18.11 -8.19 -15.39 -8.60 5. 윤영민 외. -20 -30. -90. 0.2 4.11 1.38 4.08 -11.65 -9.00 -10.51 -9.41. 90. x. -20. 수, 방사 특성을 정리하였다. 표 2로부터 유효 유전상수. -10. -120. 가 1보다 다소 작을 경우(단위 셀 패치의 폭이 2 mm,. -150. 2.88 mm일 때) ±x 방향의 수평 방사가 크게 억제됨을. 120. W=6.00 mm 0 W=7.76 mm W=9.00 mm 150 10 180. (b). 알 수 있다.. Z. 그림 9에 단위 셀 패치의 길이가 6 mm이고 via 반경 -30. 이 1 mm일 때 단위 셀 패치의 폭이 각각 6 mm, 7.76. 0 10. 30. 0. mm, 9 mm인 경우 5×1 inductive loaded 패치 안테나. -60. -10. 의 과 방사패턴을 전산모의한 결과를 보인다. 그림. 60. -20. 9(a)에서 단위 셀 패치의 폭이 각각 6 mm, 7.76 mm, 9. -30. -90. mm일 때 반파장 공진주파수는 각각 5.79 GHz, 4.99. 90. y. -20. GHz, 4.54 GHz로 나타났다. 그림 9(b)에 보인 5×1. -10. -120. inductive loaded 패치 안테나의 E-평면(xz-평면) 방사 -150. 패턴을 살펴보면 폭이 7.76 mm 인 경우 x 방향(φ=0°) 의 수평방사가 가장 작게 나타났으며 폭이 6 mm 인 경 우 -x 방향(φ=180°)의 수평방사가 가장 작게 나타났다.. 그림 9.. 단위 셀 패치 폭의 설계 초기치 7.8 mm 근처인 7.76 mm에서 5×1 inductive loaded 패치 안테나의 반파장 공진 주파수가 4.99 GHz이고 수평방사가 억제되어 있 음을 볼 수 있다. 단위 셀 패치의 폭이 6 mm인 경우 Fig.. 영차 공진 모드와 반파장 공진모드가 중첩되어 방사패 턴의 좌우 대칭 불균형이 커짐을 볼 수 있다. Via 반경 에 따른 H-평면 방사패턴은 그림 9(c)에서 볼 수 있듯 이 큰 변화가 없었다. 단위 셀 패치 폭에 따른 전방방사 이득은 폭이 6 mm, 7.76 mm, 9 mm일 때 각각 7.31 dBi, 6.53 dBi, 6.07 dBi로 나타났다. 단위 셀 패치 폭이. (165). 9.. 120. W=6.00 mm 0 W=7.76 mm W=9.00 mm 150 10 180. (c) 단위 셀 패치의 길이가 6 mm이고 via 반경이 1 mm일 때 단위 셀 패치의 폭이 각각 6 mm, 7.76 mm, 9 mm인 경우 5×1 inductive loaded 패 치 안테나의 과 방사패턴 (a) (b) E평면(xz-평면) 방사패턴 (c) H-평면(yz-평면) 방 사패턴 and radiation patterns of the inductive loaded patch antenna composed of five unit cells with the unit cell width of 6 mm, 7.76 mm, and 9 mm, respectively, for the unit cell length of 6 mm and the via radius of a unit cell of 1 mm. (a) , (b) E-plane radiation pattern, and (c) H-plane radiation pattern..
(10) 2012년 2월 전자공학회 논문지 제 49 권 TC 편 제 2 호. 표. 3.. Table 3.. 단위 셀 패치의 길이가 6 mm이고 via 반경이 1 mm일 때 단위 셀 패치의 폭이 각각 6 mm, 7.76 mm, 9 mm인 경우 5×1 inductive loaded 패치 안테나의 반파장 공진주파수, 유효 유전 상수, 방사 특성 Half wavelength resonant frequencies, effective dielectric constants, and radiation characteristics of the inductive loaded patch antenna composed of five unit cells with the unit cell width of 6 mm, 7.76 mm, and 9 mm, respectively, for the unit cell length of 6 mm and the via radius of 1 mm.. 단위 셀 크기 [mm] Via [GHz] 길이 폭 반경. θ=0° 이득 [dBi]. 65. 반경을 0.66 mm로 조절함으로써 유효 유전상수를 1보 다 다소 작게 만들어 5×1 inductive loaded 패치 안테나 의 E-평면 방향 수평 방사를 약 -16 dBi 이하로 크게 억제시킬 수 있었다. 단위 셀 패치의 길이가 6 mm이고 via의 반경이 0.2 mm일 때 단위 셀의 폭을 2.88 mm로 조절함으로써 E-평면 방향 수평 방사를 약 -15 dBi 이 하로 크게 억제시킬 수 있었다. 단위 셀 패치의 길이가 6 mm이고 via의 반경이 1 mm일 때 단위 셀의 폭을 7.76 mm로 조절함으로써 E-평면 방향 수평 방사를 약 -15 dBi 이하로 크게 억제시킬 수 있었다. 단위 셀의. 수평 방사 (dBi). via 반경과 폭을 조절하여 수평방향 방사를 억제시키는. φ=0° φ=90° φ=180° φ=270°. inductive loaded 패치 안테나의 전방방사 이득은 via의. 6. 6. 1. 5.79 0.70 7.31 -7.12 -7.31 -23.30 -7.32. 6. 7.76. 1. 4.99 0.93 6.53 -22.87 -7.45 -15.56 -7.60. 6. 9. 1. 4.54 1.13 6.07 -13.82 -7.69 -12.25 -7.93. 반경이 크고 패치의 폭이 클 때 커짐을 확인하였다.. 참고문헌 [1] Y. Fu and N. Yuan, “Elimination of scan blindness in phased array of microstrip patches using electromagnetic bandgap materials” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 3, pp. 63-65, 2004. [2] Z. Iluz, R. Shavit, and R. Bauer, “Microstrip Antenna Phased Array With Electromagnetic Bandgap Substrate,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 52, no. 6, pp. 1446-1453, June. 2004. [3] H. S. Farahani, M. Veysi, M. Kamyab, and A. Tadjalli, “Mutual coupling reduction in patch antenna arrays using a UC-EBG superstrate,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 9, pp. 57-59, 2010. [4] M. Coulombe, S. F. Koodiani, and C. Caloz, “Compact Elongated Mushroom (EM)-EBG Structure for Enhancement of Patch Antenna Array Performances,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 4, Apl. 2010. [5] M. M. Nikolić, A. R. Djordjević, and A. Nehorai, “Microstrip antennas with suppressed radiation in horizontal directions and reduced coupling,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 53, no. 11, pp. 3469-3476, Nov. 2005. [6] 윤영민, 김태영, 조명기, 김부균, "패치의 폭이 핀 배열 패치 안테나의 방사 특성에 미치는 효과," 전 자공학회논문지-TC편, 제 47권, 제 1호, pp. 77-83, 2010년 01월. [7] T.-Y. Kim, Y.-M. Yoon, G.-S. Kim, and B.-G. Kim, “A linear phased array antenna composed of inductive loaded patch antennas,” IEEE. 증가함에 따라 안테나의 물리적 크기가 증가하지만 반 파장 공진 주파수가 크게 감소하기 때문에 폭이 6 mm 인 경우가 전방방사 이득이 가장 크게 나타났다. 표 3 에 그림 9에서 보인 5×1 inductive loaded 패치 안테나 의 반파장 공진주파수, 유효 유전상수, 방사 특성을 함 께 정리하였다. 표 3으로부터 유효 유전상수가 1보다 다소 작을 경우(단위 셀 패치의 폭이 7.76 mm일 때) ±x 방향의 수평 방사가 크게 억제됨을 알 수 있다.. V. 결 론 본 논문에서는 단위 셀의 길이를 고정시키고 단위 셀 의 폭과 via를 변화시켜 inductive loaded 패치 안테나 의 수평방향 방사를 억제시킴으로써 방사 특성을 향상 시키는 설계 방법을 설명하였다. Inductive loaded 전송 선을 구성하는 단위 셀의 구조 파라미터인 via 반경과 단위 셀 패치의 면적에 따라 유효 매질 이론을 이용하 여 분산 곡선을 그리는 방법을 설명하였다. 수평방향 방사를 억제시키기 위해 inductive loaded 패치 안테나 의 유효유전상수를 1과 가깝게 만드는 via의 반경과 단 위 셀 패치의 폭을 결정하는 방법을 inductive loaded 전송선의 분산특성을 이용하여 설명하였다. 5 GHz에서 동작하는 5×1 inductive loaded 패치 안 테나를 설계하여 방사특성을 전산모의실험을 통해 살펴 보았다. 단위 셀 패치의 길이와 폭이 6 mm일 때 via의. (166).
(11) 66. 수평방향 방사가 억제된 Inductive loaded 마이크로스트립 패치 안테나의 설계. 윤영민 외. Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 10, pp. 1051-1054, 2011. [8] A. Lai, K. M. K. H. Leong, and T. Itoh, “Infinite Wavelength Resonant Antennas With Monopolar Radiation Pattern Based on Periodic Structures,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 3, Mar. 2007. [9] S. Clavijo, R. E. Díaz, and W. E. McKinzie, III, “Design methodology for sievenpiper high-impedance surfaces: an artificial magnetic conductor for positive gain electrically small antennas,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 51, no. 10, Oct. 2003. [10] S. Chattopadhyay, M. Biswas, J. Y. Siddiqui, and D. Guha, “Rectangular microstrips with variable air gap and varying aspect ratio: improved formulations and experiments,” Microwave and Optical Technology Letters, vol. 51, no. 1, pp. 169-173, May, 2009. [11] D. Guha, “Resonant frequency of circular microstrip antennas with and without air gaps,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 49, no. 1, pp. 55-59, Jan. 2001. [12] H. A. Wheeler, “Transmission-line properties of a strip on a dielectric sheet on a plane,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 25, no. 8, pp. 631-647, Aug. 1977. 저 자 소 개. 윤 영 민(학생회원) 2003년 숭실대학교 정보통신전자 공학부 학사 졸업. 2005년 숭실대학교 전자공학과 석사 졸업. 2007년∼현재 숭실대학교 전자공학과 박사 과정. 23x30 <주관심분야 : Microstrip Antennas, 위상 배열 안테나, EMI/EMC>. <주관심분야 Metamaterial>. 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>. 곽 은 혁(학생회원) 2009년 숭실대학교 정보통신전자 공학부 학사 졸업. 2009년∼현재 숭실대학교 전자공학과 석사 과정. 2011년∼현재 숭실대학교 전자공학과 박사 과정. : Microstrip Antennas, EBG,. (167).
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