The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, VOl. 13, No. 5, October 2013
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정회원, 광주과학기술교류협력센터 연구개발지원단 접수일자 : 2013년 9월 30일, 수정완료 : 2013년 10월 10일 게재확정일자 : 2013년 10월 11일
Received: 30 September, 2013 / Revised: 10 October, 2013 / Accepted: 11 October, 2013
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Corresponding Author: [email protected]
GwangJu Science & Technology Coorperation Center, Korea http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2013.13.5.235
JIIBC 2013-5-29
주파수 시프트용 'ㄷ'자형 MSA 안테나 특성
Characteristics of ‘
ㄷ' type MSA Antenna for Frequency Shift
박성일
*Sung-il Park
요 약
본 논문에서는 기존의 QMSA 의 구조를 변형하여 용량을 장하한 변형된 ‘ ㄷ ’ 자형 MSA 구조를 제안했다 . 변 형된 ‘ ㄷ ’ 자형 MSA 구조는 3 개의 유전체를 적층시켜 상∙하부 유전체의 방사패치와 접지면을 접어 올린 좌∙우측 평행 평판과 방사패치 사이 용량을 장하하고 , 상∙하부 유전체 사이에 유전율 2.55 인 유전체를 삽입하여 가변시킴으로써 주 파수를 시프트 하였다 . 설계된 ‘ ㄷ ’ 자형 MSA 구조는 삽입된 유전체 길이 L1 을 1mm~22mm 까지 가변시켜 중심주파수 가 3.65GHz~3.84GHz 대에서 이동하였다 . 또한 설계된 ‘ ㄷ ’ 자형 MSA 는 최대이득 1.95dBi 와 1.61% ∼ 3.64% 의 대역폭을 고찰하였다 .
Abstract In this paper, ㄷ-type MSA for the QMSA structure is proposed. Transformed ㄷ-type MSA is stacked three dielectrics. ㄷ-type MSA structure was load upper & lower surface of the dielectric radiating patch and the ground turn-up left∙ right capacity between parallel plates and radiating patch. Between the dielectric permittivity of the dielectric insert by 2.55 by varing the frequency was shifted. Designed ㄷ-type MSA sturcture of L1 was varied up to 1mm∼22mm and frequency was shifted from 3.65GHz∼3.84GHz. Also Designed ㄷ-type MSA was measured 1.95dBi maximum gain and bandwidth of 1.61 to 3.64%.
Key Words : MSA, QMSA, 'ㄷ' type antenna, Frequency shift
Ⅰ. 서 론
마이크로스트립 안테나는 유전율이 낮을수록 효율이 좋고 기판이 두꺼울수록 효율이 좋다. 그리고 주파수가 낮을 경우 효율이 낮기 때문에 현재 이동 통신에서 주로 사용되고 있는 150MHz~900MHz 대역에서 마이크로스 트립 안테나를 사용하는데 어려움이 있다. 그러나 이동 통신에 대한 수요의 급증으로 용량이 부족하여 1~3GHz 대역의 준 마이크로파대가 활용될 예정이고 이미 PCS 등이 1.8GHz 대역에서 상용화되고 있다. 따라서 준 마이 크로파대의 높은 주파수에서 효율이 좋은 마이크로스트
립 안테나가 소형화하는데 필연적인 안테나이다.
이러한 마이크로스트립의 복사소자에 대한 개념은 1953년 Dechamps에 의해서 처음으로 제안되었고, 이론 적 모델이 개발된 실질적인 안테나는 1970년경에 Howell 과 Munson에 의해서 만들어졌다.
[1]1988년에는 패치의 폭과 접지면의 폭이 같게 하여 소
형화하고 일반적인 마이크로스트립 안테나의 패치 공진
길이가 1/2인 λ/4의 패치 형태를 이루고 있으며 급전점
의 좌∙우측 중에 한쪽을 접지면과 패치를 단락 시켜서
단락 된 부분은 접지면을 필요 없게 함으로써 더욱 소형
화한 마이크로스트립 안테나의 변형인 QMSA를 제안했
Characteristics of‘ㄷ' type MSA Antenna for Frequency Shift
- 236 - 다.
[2]그러나 급전점의 다른 한쪽은 패치와 접지면사이에 전기력선이 형성되어 접지면이 짧을 경우 전기력선 형성 에 제한을 받게되고 그에 따라 이득이 떨어지는 단점을 가지고 있어서 소형화에 한계가 있다. 따라서 1994년에 QMSA의 변형인 비대칭형 QMSA로 접지면이 전기력선 형성에 제한 받지 않도록 복사패치와 접지면을 접어 올 린 우측 평행 평판사이 용량을 장하하여 소형화하였으나 대역폭이 좁아지는 단점을 가지고 있다.
[3][4]본 논문에서는 QMSA의 구조를 변형하여 ‘ㄷ’자형 변 형된 MSA 구조를 제안하였다. 중심주파수, 대역폭, 최대 이득의 결과를 고찰하였다.
Ⅱ. 안테나의 구조
1. QMSA 구조
대부분의 구형 마이크로스트립 안테나는 유전체의 한 쪽에 방사 소자를 갖고 다른 쪽에 동축 선로에 의해서 급 전하는 방법과 방사 소자에 마이크로스트립 선로에 의해 서 급전되는 방법이 있다.
구형 마이크로스트립 안테나의 입력 임피던스는 일반 적으로 50Ω 급전 선로 임피던스와 다르기 때문에 구형 마이크로스트립 안테나의 입력 임피턴스가 50Ω이 되는 급전점에 정합되도록 한다. 동축 선로의 급전 방법은 동 축 선로의 외부 도체를 그라운드 판에 접속하고 동축 선 로의 내부 도체가 그라운드 판에 접속되지 않도록 유전 체를 통과하여 방사 패치에 접속시킨다.
[5]마이크로스트립 방사 소자는 낮은 손실을 갖는 전송 선로에 의해서 분리된 두 개의 개구면 구조이지만 QMSA ( Quarter-wavelength Microstrip Antenna )는 그림1과 같이 방사 패치의 한쪽 끝이 적기적으로 단락된 λ/4 패치 안테나와는 다르게 방사 패치의 한쪽은 그라운 드 판이 방사 패치와 같은 폭으로 자름으로서 소형화되 고, 급전점의 좌측은 방사 패치와 그라운드 판을 단락시 킴으로써 더욱 소형화한 안테나이다.
[6]그림 1에서 보는 바와 같이 방사 패치의 길이(L2)의 우측 Gz 길이는 방사 패치와 그라운드판 사이의 개구면 으로 전기력선이 미치는 범위를 결정한다. 따라서 급전 점 우측의 Gz 길이가 짧은 경우 전기력선이 미치는 범위 가 짧게 되고 이득이 떨어진다.
(a) 윗면 (b) 측면
그림 1. QMSA 구조 Fig. 1. QMSA structure
또한 같은 Gz 길이에 대해서 유전체의 유전율이 낮을 수록 이득이 크고, 안테나 전체길이(L1)가 길어질수록 이 득이 크다. 그리고 패치폭 W는 공진 주파수의 λ/2 근처 에서 이득이 최대가 된다.
2.‘ㄷ'자형 변형된 구조
‘ㄷ'자형 변형된 MSA 구조는 2개의 QMSA를 적층시 키고 상부 유전체와 하부 유전체 사이에 유전체를 삽입 시켜 길이를 가변시키는 구조이다. 유전체 길이를 가변 시켜 캐패시턴스 값의 변화에 따른 주파수를 시프트 할 수 있는 구조를 설계하였다. 제안된 안테나 구조는 그라 운드판을 접어 상부 유전체의 평팽 평판과 하부 유전체 의 평행 평판을 단락 시켜 상․하부 유전체의 평행 평판 사이에 εr=2.55인 유전체를 삽입하여 길이를 가변할 수 있도록 하였다. 그리고 동축 선로를 그라운드판에 급전 시키고 중심 도체를 하부 유전체 평팽 평판에 단락 시켰 다. ’ㄷ'자형 변형된 MSA 구조는 그림 2와 같다.
(a) 윗면 (b) 측면
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- 237 - (c) 등각
그림 2. 'ㄷ‘자형 MSA 구조 Fig. 2.‘ㄷ’type MSA structure
Ⅲ. 안테나 특성 및 고찰
유전체 길이 가변에 의한 주파수 시프트용 ‘ㄷ’자형 변 형된 마이크로스트립 안테나는 상용화된 프로그램인 HFSS를 이용하여 안테나 구조의 특성을 고찰하였다.
유전체 길이 가변에 의한 주파수 시프트용 ‘ㄷ’자형 변 형된 MSA 구조의 특성 고찰을 위해서 사용된 기판은 ε r=2.55, t=1.575mm의 앙면 도체를 입힌 기판을 사용하였 다. ‘ㄷ'자형 MSA 구조의 안테나 전체 길이 L=22mm로 하고, L2=4mm, L3=4mm, W=25mm, W2=12.5mm로 고 정시킨 상태에서 상․하 기판 사이의 유전체 길이 L1을 0mm∼21mm로 가변하였다. 'ㄷ’자형 변형된 MSA 구조 제원은 표 1과 같고, 그림 3은 표 1의 제원으로 설계된 안 테나의 리턴로스 특성이며, 그림 4는 안테나 방사패턴이 다.
표 1. 안테나 제원
Table 1. Antenna Parameters
‘ㄷ’자형 변형 된 MSA 구조
L(mm) 22 W1(mm) 25
L1(mm) 4 W2(mm) 12.5
L2(mm) 4 공진주파수
(GHz) 3.69
L3(mm) 4 대역폭(%) 1.08
t(mm) 1.575 리턴로스
(dB) -20.22
그림 3. 'ㄷ‘자형 MSA의 리턴로스 특성
Fig. 3. Return-loss characteristics of‘ㄷ’type MSA
그림 4. 'ㄷ‘자형 MSA의 방사패턴 특성
Fig. 4. Radiation pattern characteristics of ‘ㄷ’type MSA
그림 5. L1의 길이 변화에 따른 리턴로스 특성
Fig. 5. Return-loss characteristics of the variable length L1
Characteristics of‘ㄷ' type MSA Antenna for Frequency Shift
- 238 - 또한, 그림 5는 유전체 길이 L1(0mm∼21mm)을 가변 함에 따른 리턴로스 특성이다. 유전체 길이 가변에 따라 중심주파수가 3.63GHz ∼ 3.87GHz 까지 시프트 됨을 확 인하였으며, 그림 6은 L1(0mm∼21mm) 가변에 따른 대 역폭 변화를 확인하였다.
그림 6. L1의 길이 변화에 따른 대역폭
Fig. 6. Bandwidth of the variable length L1
표 2. L1의 길이 변화에 따른 특성
Table 2. Characteristics of the variable length L1
L1
(mm)
공진주파수 (GHz)
대역폭 (%)
리턴로스 (dB)
최대 이득 0mm 3.84 3.64 -30.73 1.812 1mm 3.77 3.18 -16.48 1.847 4mm 3.74 2.14 -11.65 1.873 7mm 3.73 1.61 -10.84 1.951 10mm 3.72 1.61 -10.74 1.580 13mm 3.72 1.88 -11.31 1.560 16mm 3.67 2.72 -12.95 1.490 19mm 3.66 2.74 -13.37 1.479 21mm 3.65 2.74 -13.34 1.507
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 Microstrip Antenna 구조를 적층시켜 변형된 ‘ㄷ’자형 MSA를 제안하고 설계하였다. 설계된안 테나는 상․하부 유전체 사이에 2.55의 유전율을 갖는 유 전체를 삽입하여 길이를 가변함으로써 캐패시턴스 값에 의해 중심 주파수를 시프트 하고자 함을 목적으로 하였 다. 설계한 ‘ㄷ’자형 MSA의 전체 크기는 22mm x 25mm x 4.725mm이며, L1 길이를 0mm∼21mm로 가변시킴으 로써 중심주파수가 3.63GHz∼3.87GHz 대역만큼 시프트
됨을 확인하였으며, 방사패턴의 이득은 1.47dBi∼1.95dBi 까지 확인할 수 있었으며, 1.61%∼3.64%의 대역폭의 변 화를 확인하였다.
향후 설계된 안테나 구조에서 상․하부 사이 유전체 를 삽입하는 캐패시턴스 값의 변화를 DC 바이어스에 의 한 바랙터 다이오들을 활용하여 중심 주파수를 시프트 시킬 수 있도록 하고자 한다.
References
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[2] W.Chujo, T.Teshirogi "A Micarstrip antenna of wide angle circular polarization using quarter-wavelength short-circuit patches." IEE 6th ICAP/ v.1, pp.135-139, 1989
[3] T. D. Ormlston, P. Gardner, P. S. Hall "Microstrip short-Circult patch design equations" Microwave and opeical technology/ v.16, no.1, pp.12-14, 1997 [4] J. R. James, P. S. Hall, "Handbook of microstrip
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[5] Ramesh Garg, P. Bhartia, I. Bahl, and A. "microstrip antenna design handbook", pp. 570∼573, 2001.
[6] S. J. Park, H. K. Seong, "A Study on Design of Dual-Polarized Microstrip Patch Antenna for RFID", Journal of Korean Institute of Information Technology, vol. 9. issue 3, pp. 139～145, Mar 2011.
저자 소개
박 성 일(정회원)
