High Gain Metamaterial Patch Antenna for 2.4GHz Band using New Metamaterial Single-Layer

(1)

논문 2012-50-6-6

새로운 메타물질 Single-Layer를 이용한 2.4GHz 대역을 위한 고 이득 메타물질 패치 안테나

( High Gain Metamaterial Patch Antenna for 2.4GHz Band using New Metamaterial Single-Layer )

박 관 영^*, 양 승 인^**^*

( Kwan-Young Park and Seung-In Yang

^ⓒ

)

요 약

이 논문에서는 ‘0’에 가까운 굴절률을 갖는 단일층 메타물질 커버를 이용한 고 이득 패치 안테나를 제안하였다. 보통의 패치 안테나와 제안된 메타물질 패치 안테나를 전산모의를 통해 비교하였고, 제안된 메타물질 패치 안테나를 제작 및 측정하였다.

제안된 메타물질 패치 안테나는 보통의 패치 안테나에 비해 6.77dB 만큼 더 높은 이득을 가진다.

Abstract

In this paper, a high gain patch antenna using a single layer metamaterial superstrate with a near-to-zero refractive index (n) is proposed. Simulations for an ordinary patch antenna and our proposed metamaterial patch antenna were conducted. Our proposed metamaterial patch antenna was implemented and measured. The gain of our proposed metamaterial patch antenna is 6.77dB higher than that of an ordinary patch antenna.

Keywords: 메타물질, Patch antenna, Superstrate, Single-layer, High gain antenna

Ⅰ. 서 론

패치 안테나는 반사기 안테나에 비해 제작과 설치는 용이하지만 낮은 이득을 가진다. 이러한 패치 안테나의 낮은 이득을 개선하기 위한 방법 중 하나로 메타물질 커버를 이용하는 연구들이 발표되고 있다^[1∼5]. 러시아 물리학자 Veselago에 의해서 그 연구가 시작된 메타물 질은 자연적으로 존재하는 물질에는 없는 전자기적 특 성을 갖는다^[6∼8]. ‘0’에 가까운 굴절율을 갖도록 메타물 질을 설계하는 경우, 메타물질로부터 공기로 전자파가 투과할 때 굴절각은 ‘0’에 가깝게 되고 이 같은 특성을

* 정회원, ^** 평생회원, 숭실대학교 정보통신전자공학부 (School of Electronic Engineering, Soongsil

University)

이용하여 패치 안테나의 방사패턴을 조정할 수 있다^[2]. 본 논문에서는 ‘0’에 가까운 굴절률을 갖는 메타물질 을 단일 레이어로서 구현하였다. 두 개의 레이어를 사 용한 기존의 메타물질 패치 안테나에 비하여 높이가 낮 아지므로 제작 및 설치 면에서 보다 유리하다^[5].

Ⅱ. 고 이득 패치안테나 설계

본 논문에서 제안된 메타물질 패치 안테나(Proposed Metamaterial Patch Antenna, PMPA)는 보통의 패치 안테나(Ordinary Patch Antenna, OPA)와 제안된 메타 물질 커버로 이루어져 있다.

OPA의 전체 크기는 가로 319.5mm, 세로 319.5mm이 고 패치의 크기는 38.55mm×46.95mm이다. 패치안테나 에 사용된 기판의 비유전율은 2.33, 기판두께는

(2)

그림 1. PMPA의 구조.

Fig. 1. Structure of PMPA.

그림 2. 제안된 메타물질 패턴.

Fig. 2. Proposed metamaterial pattern.

1.524mm 그리고 동판두께는 0.035mm이다. 두개의 레 이어로 구현한 기존의 커버는 단위 사각형 격자가 9×9 로 구성되어 있는 패턴을 한 레이어에 구현하고, 같은 9×9 패턴의 중심에서 1×1에서 7×7부분이 제외된 패턴 을 또 다른 레이어에 구현하고 있다^[5]. 본 논문에서는 기존 논문과 다르게, 한 레이어에 패턴을 하나씩 만드 는 대신 하나의 레이어의 윗면(top-surface)과 아랫면 (bottom-surface)에 패턴을 각각 만들어 레이어의 수를 하나로 줄이는 시도를 하였다(그림 1). 커버 레이어의 윗면에는 기존 두 개의 레이어 중 상단레이어에 사용되 었던 9×9 패턴을 그대로 사용한 반면, 아랫면에는 새로 운 패턴을 적용하였다. 새로운 패턴은 9×9 패턴의 중심 에서 5×5에서 7×7부분을 제외한 형태를 취한다(그림 2). 커버에 사용된 기판은 비유전율 2.22, 기판두께 0.5mm, 동판두께 0.018mm 이다.

Ⅲ. 전산모의 결과

전산모의는 CST MICROWAVE STUDIO를 이용하 여 수행하였다. PMPA의 이득은 h가 56.1mm일 때 최 대로 나타났다. 그림 3은 OPA와 PMPA에 대한 S11의

전산모의 결과이며, 2GHz∼3GHz 사이에서 S11이 –10dB 이하인 주파수 대역은 각각 2.383GHz∼

그림 3. S11의 전산모의 결과.

Fig. 3. Simulation results of S11.

(a)

(b) 그림 4. 이득패턴의 전산모의 결과

(a) E-평면 (b) H-평면

Fig. 4. Simulation results of gain pattern.

(a) E-plane (b) H-plane

(3)

2.42GHz(OPA), 2.372GHz∼2.405GHz(PMPA)이다. S11

의 최소값은 각각 -35dB @2.4GHz(OPA), -15.05dB

@2.386GHz(PMPA)이다. 그림 4는 OPA와 PMPA에 대 한 이득 패턴의 전산모의 결과이며, OPA는 2.4GHz에 서 7.7dBi, PMPA는 2.386GHz에서 14.7dBi로 7dB의 이 득이 개선되었음을 보인다. 그러나 두개의 레이어를 사 용한 기존의 메타물질 패치 안테나보다 약 1.3dB 낮게 나왔다^[5].

파워 흐름 관찰과 유효 매질 특성 추출을 통하여, 그 림 4에 나타난 이득 개선의 원인이 메타물질 커버에 기 인한 것임을 확인할 수 있다. 그림 5(a)는 OPA의 파워 흐름이고 그림 5(b)는 PMPA의 파워 흐름이다. PMPA 의 파워 흐름이 주 빔의 방향(윗 방향)으로 보다 많이 형성되어 있는 것이 보인다.

그림 6은 메타 물질의 유효 매질 특성 추출을 위한 실험 설계이다. PEC(Perfect Electric Conductor)와 PMC(Perfect Magnetic Conductor), 그리고 유전체는 공기이고 내부에 제안된 커버를 넣는다. 그런 다음 커 버가 포함된 전송선로의 네트워크 파라미터를 추출하고 다음과 같은 계산을 통하여 메타물질의 유효 매질 특성

(a)

(b)

그림 5. 2D 파워 흐름. (a) OPA (b) PMPA Fig. 5. Power flow of 2D. (a) OPA (b) PMPA

그림 6. 메타물질의 유효 매질 특성 추출을 위한 전산 모의 구성.

Fig. 6. Simulation setup for the retrieval of effective medium parameters of the proposed metamaterial.

을 계산할 수 있다^[9].

메타물질이 두께 를 가질 때 메타물질을 통과하는 전자파(TEM 모드)의 위상지연  는 다음과 같다.

  exp  



^^_

. (1)

 는 각주파수, 는 자유공간에서 빛의 속도 그리고 는 커버의 물리적인 두께에 h가 더해진 값이다. h는 커버와 패치 안테나 사이의 거리이다.

만일 가 무한히 길다면 반사계수 는 다음과 같 이 계산된다.

_   _

  _

 



^^_ 



^^_ 

. (2)

 는 메타물질을 유전체로 사용하는 전송선로의 특성임 피던스이다.

Signal Flow Graph를 이용해 얻어지는 _과 _은 다음과 같다.

_   _^ ^

  ^_

,

_   _^ ^

  _^ 

. (3)

모의실험으로 추출한 네트워크 파라미터와 식 (1), (2) 그리고 (3)으로부터 메타물질의 유효 비유전율과 유 효 비투자율을 계산해 낼 수 있다.

그림 7은 추출한 네트워크 파라미터로부터 계산된 비유전율, 비투자율, 굴절률이다. 그림 7(a)와 그림 7(b) 는 2.4GHz 대역에서 음의 유전율과 양의 투자율을 나 타내고 그림 7(c)는 2.4GHz 대역에서 ‘0’에 가까운 굴절 률을 보이고 있다.

(4)

(a)

(b)

(c)

그림 7. 제안된 메타 물질의 유효 매질 특성(전산모의).

(a) 비유전율 (b) 비투자율 (c) 굴절률.

Fig. 7. Effective medium parameters of proposed metamaterial(simulated).

(a) relative permittivity (b) relative permeability (c) refractive index.

Ⅳ. 안테나 제작 및 측정 결과

그림 8은 제작한 PMPA이며, 그림 9는 S11의 측정 결 과이고 그림 10은 주파수에 따른 이득 변화의 측정 결 과이다. 2.3GHz에서 2.5GHz까지 측정하였으며, 2.39GHz에서 14.31dBi로 가장 높은 이득이 나타났다.

그림 11의 전산모의 이득 패턴과 측정된 이득 패턴은 각각 2.386GHz와 2.39GHz에서 얻어졌다. 측정된 이득 은 전산모의 결과보다 0.4dB가량 낮게 나왔으며, 기존 의 두 개의 레이어 메타물질 안테나의 최대 이득인 15.05dBi에 비교해서는 약 0.74dB 낮다^[5].

측정된 S11은 모의 실험결과와 거의 일치하고 있으나 이득 패턴의 경우에는 다소 차이가 있음을 보인다. 모 의실험에서는 제안된 커버를 완벽하게 평평하게 구현했 으나 실제 제작에서는 이 조건이 맞추어지지 않았고, 이것이 결과의 차이를 만드는 요인으로 생각된다. 커버 가 평평하게 되도록 하게 위해 투명 아크릴 격자를 커 버에 덧댄 것도 모의 실험에서는 없었던 것이므로 이것 또한 이득 패턴의 차이를 만드는 요인이 된 것 같다.

(a) (b)

(c) (d) 그림 8. 메타물질 패치 안테나의 사진.

(a) 제안된 메타물질 커버(윗면) (b) 제안된 메타 물질 커버(아랫면) (c) OPA (d) PMPA.

Fig. 8. Photographs of the PMPA.

(a) Proposed metamaterial cover (top-surface) (b) Proposed metamaterial cover

(bottom-surface) (c) OPA (d) PMPA.

(5)

그림 9. S11의 측정 결과와 전산모의 결과 . Fig. 9. Measurement and simulation results of S11.

그림 10. 주파수별 이득의 측정 결과와 전산모의 결과.

Fig. 10. Measurement and simulation results of gain vs.

frequency.

(a)

(b) 그림 11. 이득패턴의 측정 결과. (a) E-평면 (b) H-평면

Fig. 11. Measurement results of gain pattern. (a) E-plane (b) H-plane.

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 ‘0’에 가까운 굴절률을 나타내는 메타 물질을 단일 레이어로 구현하였고 이 레이어를 상부 덮 개로 갖는 패치안테나를 제안하였다. 측정 결과 이득은 14.31dBi로서 상부 덮개가 없는 보통의 패치안테나의 측정된 이득 7.54dBi보다 6.77dB 개선된 결과를 보였다.

측정된 이득은 두 개의 레이어를 사용한 기존의 메타물 질 패치안테나에 비하여 약 0.74dB 낮은 단점이 있지만 레이어 개수가 적고 높이가 약 5mm가량 더 낮기 때문 에, 제작과 설치 면에서는 보다 유리하다고 생각된다.

REFERENCES

[1] Hu Jun, Yan Chun-sheng and Lin Qing-chun,

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[3] Huiliang Xu, Zeyu Zhao, Yueguang Lv, Chunlei Du, and Xiangang Luo, “Metamaterial superstrate and electromagnetic band-gap substrate for high directive antenna”, Int. J.

(6)

저 자 소 개 박 관 영(정회원)

2010년 숭실대학교 정보통신전자 공학부 학사

2013년 숭실대학교 전자공학과 석사

<주관심분야 : 메타물질 안테나, 무선전력전송>

양 승 인(평생회원)

1974년 서울대학교 전기공학 학사 1976년 한국과학기술원 전기 및 전자공학과 석사

1987년 한국과학기술원 전기 및 전자공학과 박사

1978년∼현재 숭실대학교 정보 통신전자공학부 교수 1996년∼1999년 한국전자파학회 학술이사 2000년∼2003년 한국전자파학회 부회장 2004년∼2005년 한국전자파학회 회장 2006년∼현재 한국전자파학회 명예회장 2004년∼2005년 숭실대학교 공과대학장

<주관심분야 : 안테나 및 무선전력전송>

Infrared Milli. Wave, Vol. 29, pp. 493-598, 2008.

[4] Zi-bin Weng, Nai-biao Wang, Yong-chang Jiao, and Fu-shun Zhang, “A directive patch antenna with metamaterial structure”, Microwave and

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[5] 이남기, 양승인, “고 이득 메타매터리얼 패치안테 나를 위한 새로운 메타매터리얼 구조”, 전자공학회 논문지 제 47권 TC편 제 4호, 25-31쪽, 2010년 4 월.

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