*
정회원, MISUNG
**
정회원, 서일대학교 정보통신공학과
***
정회원, 한라대학교 전기전자공학과
접수일자: 2018년 1월 25일, 수정완료: 2018년 2월 26일 게재확정일자: 2018년 4월 6일
Received: 25 January, 2018 / Revised: 26 February, 2018 Accepted: 6 April, 2018
*
Corresponding Author: e-mail : [email protected]
MISUNG, 411, 1, Yeonsedae-gil, Heungeop-myeon, Wonju-si, Gangwon-do, 26493, Korea
https://doi.org/10.7236/JIIBC.2018.18.2.177
JIIBC 2018-2-22
× 배열 패치 안테나의 복사기 구조와 급전선 브랜치 각도 변화에 따른 특성 연구
A Study on Characteristics According to Variation of the Radiator Structure and the Feeder Branch angle of × Array Patch Antenna
강상원 * , 장대순 ** , 최광제 ***
Sang-Won Kang * , Tae-Soon Chang ** , Gwang-Je Choe ***
요 약 본 논문에서는
×
배열 패치 안테나의 복사기 구조와 급전선 브랜치의 각도를 변화시켜 안테나의 특성을 분석하였다. 첫 번째로 복사기 구조를 기존 직사각형 패치를 육각형 패치, 삼각형 패치로 변경하였다. 두 번째로 급전 선 브랜치의 각도를
∘
∘
∘
∘로 변화를 주었다. 브랜치 각도를
∘로 꺾을 경우 측정된 10dB 주파수 대역은 23.38GHz-24.19GHz이고 대역폭은 810MHz이다. 제작된 안테나는 24.05GHz에서 9.65-10.06dBi 이득을 갖는다. 메인로 브의 빔폭은
∘이고, 안테나 크기는 ×
이다. 직사각형 패치 외에 다른 모양의 패치를 사용해도 기존 성능을 유지할 수 있으며, 급전선 브랜치를 다양한 각도로 변화시킴으로 배열 안테나 제작에 있어 기판의 크기를 줄이고 제작 상에 다양성에 기여할 수 있음을 확인했다.Abstract
In this paper, we analyze the characteristics of the antenna by changing the structure of the radiator and the angle of the branch of the array patch antenna. First, the structure of the radiator was changed from the rectangular patch to a hexagonal patch, a triangular patch. Secondly, we changed the angle of the feeder branch to ∘ ∘ ∘ ∘
. When the branch angle is
∘, the measured 10dB frequency band is 23.38 GHz-24.19GHz and the bandwidth is 810MHz. The fabricated antenna has a gain of 9.65-10.06dBi at 24.05 GHz. The beam width of the main lobe is
∘, and the antenna size is ×
. In addition to the rectangular patch, it is possible to maintain the performance by using patches of other shapes, and it is confirmed that by changing the feeder branch at various angles, it is possible to reduce the substrate size and contribute to diversity in the fabrication of the array antenna.Key words :
patch array antenna, feeder branch angle, hexagonal patch, triangular patchⅠ. 서 론
최근 자동차 산업에서 가장 중요한 요인 중 하나가 차 량보안시스템이다. 차량보안시스템을 구현하기 위한 차
량용 레이더 시스템에 대한 연구가 되고 있다. 짧은 거리
를 감지하는 근거리 레이더(Short Range Radar)와 원 거
리를 감지하는 장거리 레이더(Long Rnage Radar)로 구
분되어진다
[1]. 차량의 전방 레이더 센서에는 77GHz대역 의 LRR이 사용되어지고, 후방 레이더 센서에는 24GHz 대역의 SRR이 사용되어지고 있다. EU에서는 2005년 01 월부터 시작하여, 2017년 01월에 정의된 ETSI EN 302 288 V1.1.0의 최신 표준기반에서 24.05-24.25GHz대역을 Short Range Devices용으로 정의하였다
[3]. SRR용 레이 더 기술개발 기업으로는 미국 (M/A-COM), 독일 (Siemens), 프랑스(Valeo), 한국(Hella), 일본(Fujitsu, Toyota) 등이 있다
[1].
자동차용 레이더 안테나는 자동차의 외형을 손상시키 기 않고 장착이 쉽고, 소형화해야 한다. 그래서 최근에는 기존의 혼 안테나보다 패치 배열 안테나가 많이 사용되 어진다. 패치 배열 안테나의 장점은 안테나를 배열함으 로써 높은 이득을 얻을 수 있고, PCB 형태이기 때문에 장착 쉽고 소형화에 적합하다
[2].
본 논문에서는 직사각형 패치 배열을 × 로 하여 SRR용 24GHz대역 안테나를 구현하였고, 복사 패치를 육각형, 삼각형으로 변화를 주어 직사각형 패치와 비교 분석하였다. 또한 급전선에 트랜스포머를 추가하고 길이 를 조절하여 임피던스 매칭을 시도하였다. 안테나 시뮬 레이션을 위해 상용 소프트웨어인 HFSS를 사용하였다.
파라미터 스윕을 통한 최적화된 결과를 얻었으며, 이를 토대로 두께가 0.56mm인 TACONIC사의 TLC 기판을 사용하여 안테나를 제작하고 측정하였다.
Ⅱ. 안테나 디자인과 설계
배열 안테나를 구성하는 기본 인셋 패치의 구조와 수 식은 다음과 같다
[4,5,6].
그림 1. 인셋 급전 패치 Fig. 1. Inset feed patch
×
×
(1)
(2)
∆
(3) ×
×
(4)
=공진 주파수 ,
=유효 유전상수,
= 전파 속도,
=동작 주파수
×
(5)
×
(6)
(7)
= 인셋 급전 거리,
=자기 컨덕턴스,
=상호 컨덕턴스여기서 G1은 복사기 폭인 W와 전파상수 k0로 표현된다.
삽입된 패치 안테나는 패치의 공진주파수에서 전송선로 의 특성 임피던스에 맞게 설계된 것이다. 상호 컨덕턴스 G12는 마이크로스트림 패치 안테나에서 G1에 비해 거의 무시할 수 있을 정도이다.
기본적인 패치 안테나 설계 방법에 따라 어레이 안테 나의 요소를 구성하고 × 배열 안테나를 구성한 후 가운데 패치 사이에 임피던스 매칭을 위한 트랜스포머를 추가하였다
[2].
식 (7)을 이용하면 인셋 길이가 적용된 패치의 임피던
스를 계산할 수 있다. 참고문헌 (2)번 논문에서는 임피던
스를 조절하여 각 단일 안테나에 인가되는 파워가 동일 한 K밴드 배열안테나를 설계했다. 각 패치는 300Ω의 임 피던스를 가지며 안테나 사이의 전송선로의 길이는 로 하여 위상차가 일치하도록 한 것이다
[7]. 표 1은 주어진 계 산식에 따라 얻어진 사양을 나타낸다.
표 1. 인셋 패치 사양
Table 1. Inset patch specification
W [mm] L [mm] g [mm] y0 [mm]
3.7 3.5 0.45 0.8
그림 2는 기본적인 안테나의 구조를 나타낸다. 첫 번 째 급전선 라인의 폭은 FW2=1.5mm, 길이는 FL2=7.4mm로 표현된다. 두 번째 라인은 폭은 FW1=0.1mm, 길이는 FL2=8.0mm로 표현된다. 계산된 패 치 사이의 거리는 로 8.4mm이다. 배열 안테나의 브랜 치 한 쪽의 임피던스를 300Ω으로 맞추기 위해서 /4 트 랜스포머를 삽입했는데 그 계산값은 SW=0.9mm, SL=2.1mm이다. x축을 기준으로 -y축 방향으로 배열안 테나 브랜치가 내려간 각도를 A로 표현했다.
그림 2. 브랜치가 꺾인 어레이 안테나 Fig. 2. Array antenna with branch bent
더불어서 안테나의 패치 모양에도 변화를 주었다. 여 러 모양 중에서 모양의 큰 변화 없이도 안테나의 성능 변 화를 시도하기 위해서 육각형과 삼각형 두 가지 모양을 선택했다. 그림 3(a)는 육각형 패치를 그림 3(b)는 삼각형 패치이다. 육각형 패치의 경우 기존 패치에서 네군데 모 서리를 G라는 길이에 따라 제거하여 구현한 것이다. 삼 각형 패치는 삼각형 높이 TL와 밑변길이 TW을 변화시 켜 기존 패치보다 안테나의 크기가 줄어들면서도 안테나 의 특성이 어떻게 변화되는지를 살펴보았다.
(a)
(b)
그림 3. 육각형 및 삼각형 패치 어레이 안테나 (a) 육각형 패 치 (b) 삼각형 패치
Fig. 3. Hexagonal and triangular patch array antenna (a) hexagon patch (b) triangular patch
Ⅲ. 안테나 파라미터 분석
1. 브랜치 각도의 변화
브랜치 각도의 변화를 통해서 안테나의 특성에 미치
는 영향을 알아보고 안테나를 소형화할 뿐 아니라 다양
한 형태를 제작하는데 실질적인 효과가 있는지를 살펴보
았다. 브랜치 각도 A를 5-20°로 5°의 간격으로 변화시킨
후 안테나 특성을 살펴보았다. 그림 4는 브랜치 각도에
따른 반사손실을 나타낸 그래프이다. 브랜치 각도의 변
화에 따라서 공진주파수가 변화되기 때문에 트랜스포머
의 길이인 SL값의 조절을 통해서 임피던스 매칭을 시도
했다. 표 2는 브랜치 각도에 따른 중심주파수와 대역폭의
변화를 보여준다. 중심주파수는 24GHz에 대해서
0.07-0.35GHz의 변화폭을 보이고 있으며, 대역폭은 브랜
치의 각도가 10°일 때 970MHz로 4%에 이르는 넓은
10dB 대역폭을 보이는 것을 확인했다.
그림 4. 브랜치 각도에 따른 반사손실
Fig. 4. Return loss according to branch angle
표 2. 브랜치 각도에 따른 중심주파수, 10dB 대역폭의 변화 Table 2. Change in center frequency, 10dB
bandwidth according to branch angle
각도[°] 중심주파수 [GHz] 10dB 대역폭 [MHz]
5 23.93 590
10 24.00 970
15 23.87 780
20 23.65 630
그림 5는 E-plane 복사패턴 변화를 본 것이다. 표 3 은 그림 5의 결과에서 이득과 HPBW의 변화를 보여주 는 것이다. A=5°일 때 에서 12.60dBi의 가장 큰 이득을 보이고 있다. HPBW는 12-14°로 높은 지향성을 보이고 있다. 각도가 10°일 때 side lobe와의 이득 차이 가 14.05dB를 보이는 것을 확인했다. 종합적인 분석 결 과 각도가 10°일 때 최적화된 결과를 보이는 것으로 확 인되었다.
그림 5. 브랜치 각도의 변화에 따른 E-plane 복사패턴 Fig. 5. E-plane radiation patterns due to changes in
branch angle
표 3. 브랜치 각도에 따른 이득과 HPBW의 변화
Table 3. Change in gain and HPBW according to branch angle
각도(°) 이득 [dBi] HPBW [°] side lobe와의 이득차 [dB]
5 12.60 12 10.43
10 12.56 12 14.05
15 11.37 12 10.11
20 9.69 14 7.22
2. 육각형 패치
그림 3(a)의 육각형 패치의 경우 기존 사각 패치 구조 에서 네 군데 모서리를 이등변 삼각형 모양으로 제거하 여 구현하였다. 변수 G의 크기를 0.1-1.3mm로 0.2mm의 간격으로 변화시키면서 안테나의 특성을 살펴보았다. 그 림 6은 육각형 패치 내에서 변수 G의 크기 변화에 따른 반사손실을 나타낸 그래프이다. 그림 7에서는 G의 변화 에 따른 중심주파수, 10dB 대역폭의 변화폭을 그래프로 표현하였다. G값이 커짐에 따라 중심주파수가 커지는 경 향을 보이다가 G=1.3mm 일 경우 다시 24.23GHz로 돌아 오는 것을 볼 수 있다. 10dB 대역폭도 G값에 따라서 큰 변화폭을 보이고 있다.
그림 6. 육각형 패치 G의 변화에 따른 반사손실
Fig. 6. Return loss due to change of G value of the hexagonal patch
그림 7. G의 변화에 따른 중심주파수, 10dB 대역폭의 변화 Fig. 7. Change of center frequency, 10dB bandwidth
according to change of G
그림 8은 육각형 패치 G의 변화에 따른 E-plane에서 의 이득을 나타낸다. 표 G값이 0.3mm 일 때 최대 이득이 12.5dBi로 나타났다.
표 4는 G값에 따른 이득과 HPBW의 변화를 나타낸다.
이득은 G=0.3mm일 경우에 12.27dBi로 가장 큰 값을 나 타냈고 HPBW는 거의 일정한 값을 갖는 것을 볼 수 있 다. side lobe와의 이득차는 G=0.7mm 일 때 가장 큰 차이 를 보이고 있다.
그림 8. 육각형 패치 G의 변화에 따른 E-plane에서의 이득 Fig. 8. Gain on the E-plane with changes in G value
of the hexagonal patch
표 4. G값에 따른 이득, HPBW의 변화와 side lobe와의 이득차
Table 4. The gain, the change in HPBW and the gain difference between side lobe according to G value
G[mm] 이득 [dBi] HPBW [°] side lobe와의 이득차 [dB]
0.1 12.26 12 9.23
0.3 12.27 12 9.67
0.5 11.54 12 12.67
0.7 10.75 13 17.84
0.9 9.69 13 11.91
1.1 9.14 14 10.73
1.3 12.00 12 12.67
3. 삼각형 패치
그림 3(b)에서 삼각형 패치의 기본 형태를 볼 수 있다.
기본 구조에서 삼각형의 높이 TH와 밑변 길이 TL의 변 화에 따라서 안테나의 특성을 볼 수 있는데 TL의 경우 안테나의 공진주파수의 미세한 이동을 위한 요소라고 할 수 있다. 따라서 TH를 3.4-4.2mm로 0.2mm의 간격으로 파라미터 스윕을 시도하여 특성을 분석했다. 그림 9에서
TH의 변화에 대한 반사손실 결과를 볼 수 있다. 표 5에 서는 TH값에 따른 중심주파수, 10dB 대역폭, 직사각형 패치와의 크기 비교를 볼 수 있다. TH값이 커지면서 직 사각형 안테나와의 면적이 점점 커지는 것을 알 수 있다.
TH가 커지면서 주파수의 이동과 반사손실의 변화폭이 큰 것을 확인할 수 있다.
그림 9. 삼각형 패치에서 TH의 변화에 따른 반사손실 Fig. 9. Return loss due to variation of TH in a triangular patch
표 5. TH값에 따른 중심주파수, 10dB 대역폭, 직사각형 패치 와의 크기 비교
Table 5. Center frequency, 10dB bandwidth, size comparison with rectangular patch according to TH value
TH[mm]
중심주파수 [GHz]
10dB 대역폭 [MHz]
직사각형 패치와의 크기 비교 [%]
3.4 25 0 53
3.6 24.73 610 56
3.8 24.09 810 59
4.0 23.47 780 63
4.2 23 0 66
그림 10의 경우 삼각형 패치 TH의 변화에 따른 E-plane에서의 이득을 볼 수 있다.
표 6에서는 TH값에 따른 이득과 HPBW의 변화와
side lobe와의 이득차를 볼 수 있다. TH값에 따라서 이득
이 3.82-12.58dBi로 큰 변화폭을 보이며 HPBW는 비슷한
값을 보이고 있다. TH값이 3.8일 때 이득이 12.58dBi로
가장 큰 값을 보이며 HPBW는 , side lobe와의 이득
차도 10.26dB의 값으로 가장 좋은 결과를 보이고 있다.
그림 12. 측정된 안테나 반사손실
Fig. 12. Measured antenna return loss 그림 10. 삼각형 패치 TH의 변화에 따른 E-plane에서의
이득
Fig. 10. The gain on the E-plane with the change of TH of the triangular patch
표 6. TH값에 따른 이득과 HPBW의 변화와 side lobe와의 이득차
Table 6. The gain, the change in HPBW and the gain difference between the side lobe according to the TH value
TH[mm] 이득 [dBi] HPBW [°] side lobe와의 이득차 [dB]
3.4 8.85 14 9.62
3.6 10.95 14 13.21
3.8 12.58 12 10.26
4.0 9.66 12 7.94
4.2 3.82 12 4.73
결과적으로 직사격형 패치의 경우 브랜치 각도가
일 때 가장 최적화된 결과를 보이며, 육각형 패치로 변경했을 때 G값이 0.3mm, 삼각형 패치로 변경했을 때 TH값이 3.8mm 일 때 최적화되었다. 이를 통해 브랜치 각도의 변화로 복사기의 구조 자체의 크기를 소형화시킬 수 있고, 기존 패치 형태에서 육각형, 삼각형으로 변경하 여 안테나 패치 크기가 줄어들어도 안테나 특성에 큰 변 화를 보이지 않는 결과를 얻었다.
Ⅳ. 안테나 제작 및 측정
최적화된 시뮬레이션 결과를 이용하여 안테나를 제작 하였다. 안테나 기판 재질은 비유전율 인 테프론 이며 안테나 기판 높이는 0.56mm이다. 안테나와 접지면 재질은 16 의 동(copper)을 사용하여 제작하였다. 안 테나 급전은 0.6mm SMA 고주파 컨넥터를 이용하였고,
그림 11은 제작된 안테나 사진을 나타내었다. 안테나 특 성 파라미터인 반사손실 측정은 에질런트사의 HP8722ES Vector Network Analyzer를 이용하여 측정 하였다.
그림 11. 제작된 안테나
Fig. 11. Manufactured antenna
그림 12는 측정된 3개의 안테나의 반사손실을 나타낸 결과이다. 표 7은 각 패치별 중심주파수, 10dB 대역폭과 패치 크기별로 비교한 결과를 보여준다. 3개 패치 모두 중심주파수가 낮은 주파수로 100MHz 이상 이동했지만 복사패턴을 측정하고자 하는 24.05GHz에서 모두 10dB 대역폭 안에서 포함되어 있는 것을 확인했다. 삼각형 패 치의 경우 직사각형 패치에 비해 56% 까지 줄어들지만 직사각형 패치와 비슷한 결과를 얻는 것을 확인했다.
그림 13에서는 안테나의 각 패치별로 시뮬레이션과
측정된 복사패턴을 비교한 결과를 볼 수 있고, 표 8에서
이에 대한 구체적인 수치를 보여주고 있다. 이득에서는
측정치가 시뮬레이션값에 비해 2.52-2.91dB의 차이를 보
이고 있다. 이는 그림 12에서 볼 수 있듯이 중심주파수가
낮은 주파수로 이동되어 복사패턴을 측정하는 중심주파 수인 24.05GHz에서 정확하게 공진되지 못한 것이 큰 원 인인 것으로 사료되었다. 각 패치에 대해서 HPBW는 시 뮬레이션에 비해 0.32-1.75°정도의 큰 빔폭으로 측정된 것을 확인했다.
표 7. 각 패치별 중심주파수, 10dB 대역폭과 패치 크기 비교 Table 7. Comparison of center frequency, 10dB bandwidth and patch size for each patch
패치
중심
주파수 10dB 대역폭
패치 크기 비교
(%) 직사각형 23.82GHz 23.34-24.18GHz
(840MHz) 100
육각형 23.89GHz 23.15-24.33GHz
(1180MHz) 98.6
삼각형 23.93GHz 23.53-24.29GHz
(760MHz) 56
(a)
(b)
(c)
그림 13. 각 패치별 시뮬레이션과 측정 복사패턴 비교 (a) 직 사각형 패치 (b) 육각형 패치 (c) 삼각형 패치 Fig. 13. Comparison of simulated and measured
radiation pattern for each patch (A) rectangular patch (b) hexagon patch (c) triangle patch
표 8. 각 패치별 시뮬레이션과 측정치 비교 (이득과 HPBW) Table 8. Simulation and measurement comparison of
each patch (gain and HPBW)
패치
시뮬레이션 측정
이득 [dBi] HPBW [°] 이득 [dBi] HPBW [°]
직사각형 12.56 12 9.65 13.75
육각형 12.27 12 9.75 12.32
삼각형 12.58 12 10.06 12.81
Ⅵ. 결 론
본 논문에서는 기존 직사각형 패치 배열안테나에서 패치의 형태를 육각형과 삼각형으로 변경하고, 급전선 브랜치의 각도를 바꾸어 안테나의 전반적인 특성을 확인 하였다. 배열안테나는 × 으로 구성하였고, 비유전율
인 테프론 유전체를 가지고 높이가 0.56mm인
기판을 활용하였다. 급전선 브랜치의 각도를 ∼ ∘ 로
꺾고 각각 트랜스포머로 임피던스를 매칭을 했다. 브랜
치 각도가 ∘ 일 경우 최적화된 결과를 얻었고 측정된
10dB 주파수 대역은 23.38GHz-24.19GHz이고 대역폭은
810MHz이다. 육각형과 삼각형 패치의 경우 안테나 요소
를 파라미터 스윕을 통해 최적화된 결과를 얻었다. 제작
된 안테나는 24.05GHz에서 9.65-10.06dBi 이득을 가지며,
메인로브의 빔폭은
∘이고, 안테나 크기는 ×
이다. 직사각형 패치 외에 다른 모양의 패치를 사용해도
기존 성능을 유지할 수 있으며, 급전선 브랜치를 다양한 각도로 변화시킴으로 배열 안테나 제작에 있어 기판의 크기를 줄이고 제작 상에 다양성에 기여할 수 있음을 확 인했다.
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DOI: 10.22648/ETRI.2012.J.270110
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저자 소개
강 상 원(정회원)
∙1999년 : 세명대학교 전자공학과 (공 학사)
∙2003년 : 건국대학교 전자정보통신과 (공학석사)
∙2013년 : 건국대학교 전자정보통신과 (공학박사)
∙2006년 8월 ∼ 2017. 12 : ㈜페스앤유 연구소장
∙2018. 1월 ∼ 현재 : MISUNG
<주관심분야 : 안테나, 차량용 레이더 및 위성통신>
장 대 순(정회원)
∙2001년 2월 : 건국대학교 전자공학과 (공학사)
∙2003년 2월 : 건국대학교 전자공학과 (공학석사)
∙2009년 2월 : 건국대학교 전자공학과 (공학박사)
∙2012년 3월 ∼ 현재 : 서일대학교 정보 통신공학과 조교수
<주관심분야 : 안테나 설계, UWB system, 무선전력전송 등>
최 광 제(정회원)
∙1979년 : 광운대학교 무선통신과 (공 학사)
∙1989년 : 건국대학교 전자공학과 (공 학석사)
∙1997년 : 건국대학교 전자공학과 (공 학박사)
∙현재 : 한라대학교 전기전자 공학과 교수
<주관심분야 : 안테나 및 무선기기>
