S-대역용 인셋 급전 구형 마이크로스트립 패치 안테나 연구

A Study on The Inset Fed Rectangular Microstrip Patch Antenna for S-band Applications

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  • ABSTRACT

    본 논문에서는 S-대역에서 동작하는 구형 마이크로스트립 패치 안테나의 인셋 급전 구조에 대해 연구하였다. 인셋 급전 구조에서 인셋의 길이와 폭의 변화에 따른 안테나의 반사손실 특성을 조사하였고, 결과로부터 최적 인셋 급전 안테나를 설계하고, 이득 및 복사패턴을 구하였다. 2.3 GHz에서 최적화된 안테나의 패치 크기는 45.0mm × 40.9mm, 인셋의 길이는 14 mm, 인셋의 폭은 1 mm이다. 그리고 유전율이 2.5, 두께가 0.787 mm인 기판을 사용하였으며, HFSS를 이용하여 시뮬레이션을 하였다. 인셋 급전 안테나를 제작하여 반사손실을 측정한 결과, 2.3025 GHz에서 −21.11 dB로 이론 결과와 일치함을 알 수 있었다.


    In this paper, the characteristics of a inset fed rectangular microstrip patch antenna for S-band applications is studied. The variations of return loss along inset length and inset width are investigated on the inset fed rectangular microstrip patch antenna. From the investigated results, the optimized inset fed antenna is designed. At the resonant frequency 2.3 GHz, the optimized dimension of the patch is 45.0 mm × 40.9 mm. The inset length and width are 14 mm and 1 mm, respectively. The designed antenna is fabricated on the substrate which has a dielectric constant and thickness with 2.5 and 0.787 mm. Simulation results are obtained by a 3D EM(Electromagnetic) solver. The resonant frequency and return loss are measured 2.3025 GHz and −21.11 dB, respectively. The measured and simulated results of the fabricated antenna are in good agreement.

  • KEYWORD

    인셋 급전 , 마이크로스트립 패치 안테나 , S-대역 , 반사손실

  • I. 서 론

    마이크로스트립 안테나는 유전체 기판 위에 안테나 소자인 복사패치가 위치하고, 반대편은 접지면으로 구성된 평면형 구조를 갖는 안테나이다. 이러한 안테나는 대역폭이 좁은 단점을 갖고 있지만 작고 가볍고 여러 가지 편파와 이중 공진 특성을 구현할 수 있고 선형 평면 배열로 제작하기 쉽다는 장점 등을 갖고 있다.

    마이크로스트립 안테나의 급전 형태는 직접 급전과 결합 급전이 있으며, 직접 급전에는 동축 선로 급전과 마이크로스트립 선로 급전이 있다[1, 2]. 그리고 마이크로스트립 선로로 직접 급전하는 방법에는 패치와 50Ω 급전선로 사이에 λ/4 임피던스 정합을 사용하는 방법과 인셋 급전 구조를 이용하는 방법이 있다. λ/4 임피던스 변환기를 사용하는 경우에는 임피던스 변환기 선로에 의한 의사복사가 발생하고 폭이 좁은 단점이 있다. 따라서 인셋의 길이와 폭을 변화함으로써 안테나의 정합이 가능하고 제작하기 쉬운 인셋 급전 구조에 대한 연구가 진행되고 있다[3~6]. 또한, 인셋 급전을 이용하여 S-대역 마이크로스트립 안테나의 대역폭 또는 이득을 개선하거나 안테나의 소형화를 위한 연구가 진행되고 있다[7~9].

    본 논문에서는 S-대역에서 동작하는 구형 마이크로스트립 패치 안테나의 인셋 급전 구조에 대해 연구하였다. 인셋 급전 구조에서 인셋의 길이와 폭의 변화에 따른 안테나의 반사손실의 변화로부터 최적 인셋 급전 안테나를 설계하고 이득 및 복사패턴을 구하였다. 2.3 GHz에서 최적화된 안테나의 패치 크기는 45.0 mm × 40.9 mm, 인셋의 길이는 14 mm, 인셋의 폭은 1 mm이다. 이론 결과와 비교하기 위해 유전율 2.5, 두께 0.787 mm인 유전체 기판을 사용하여 안테나를 제작하여 측정한 결과와 비교하였다. 실험 결과는 2.3025 GHz에서 −21.11 dB로 이론결과와 거의 일치함을 알 수 있었다. 본 연구에서 사용된 프로그램은 FEM(finite element method)을 이용한 3D EM Solver인 HFSS를 사용하였다.

    II. 인셋 급전 구형 마이크로스트립 안테나 구조 및 설계

       2.1. 마이크로스트립 안테나의 급전

    마이크로스트립 패치 안테나의 급전 형태는 직접 급전과 결합 급전이 있으며, 직접 급전에는 패치의 복사면 가장자리에 마이크로스트립 선로를 사용하여 직접 급전하는 방법과 동축 선로를 사용하여 패치에 직접 급전하는 방법이 있다. 결합 급전에는 개구결합이나 마이크로스트립 선로에 의한 결합 등이 있으며, 각각에 대한 구조는 그림 1과 같다[2].

    마이크로스트립 선로에 의해 직접 급전 방법에는 그림 1(a)와 같이 패치와 50Ω 급전선로 사이에 λ/4 임피던스 변환기를 사용하는 방법이 있으며, 이 경우에는 임피던스 변환 선로에 의한 의사 복사가 발생할 수 있고, 좁은 선로의 폭에 의해 제작상의 어려움이 있고 또한 안테나 크기가 증가하는 단점이 있다.

    본 논문에서는 이러한 단점을 보완한 그림 1(b)의 인셋 급전 구조를 사용하여 마이크로스트립 안테나를 급전하고 인셋의 길이와 폭 등의 변화에 따른 안테나의 정합 상태를 관찰하면서 최적 특성을 갖는 안테나를 설계하였다.

       2.2. 인셋 급전 마이크로스트립 패치 안테나 설계

    인셋 급전 구조를 갖는 구형 마이크로스트립 패치 안테나는 그림 2와 같다. 그림에서 패치 안테나의 길이와 폭은 L, W, 유전체의 두께와 유전율은 각각 h, 𝜖r이다. 그리고 50Ω 급전선로의 길이와 폭은 각각 Feed_L, Feed_W이다. 급전선로와 패치사이의 임피던스 정합을 위한 인셋 길이와 폭은 각각 Inset_L, Inset_W, 안테나의 전체 길이와 폭은 각각 Sub_L, Sub_W이다.

    2.2.1. 마이크로스트립 패치 설계

    설계 목표로 하는 공진주파수에서의 패치 폭 W는 안테나의 공진주파수 fo, 유전체의 유전율과 두께로 근사화 되며, 다음 식과 같다[2, 6].

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    그리고 패치의 길이 L은 패치 가장자리에서 발생하는 가장자리 효과를 고려하여 계산하며, 다음 식과 같이 표현된다.

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    여기서, c는 광속, 𝜖eff는 유효 유전율, Δℓ은 패치에 대한 선로확장 길이를 나타낸다.

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    마이크로스트립 급전선로의 특성 어드미턴스 Yo는 다음 식과 같으며, 이 식으로부터 50Ω 급전선로의 폭을 구할 수 있다.

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    여기서 α는 상수이다 .

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    2.2.2. 인셋 급전에서 인셋 길이 변화

    인셋 급전 구조를 사용한 안테나의 입력 임피던스 Rin(Inset_L)는 인셋의 길이 Inset_L에 따라 변화하며, 다음과 같이 표현된다[3].

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    여기서, Rin(0)는 패치의 복사면 가장자리에서 급전될 때 안테나의 입력 임피던스이며, 이는 패치의 복사 어드미턴스와 상호 결합 컨덕턴스로 표현된다. 패치의 복사 어드미턴스는 슬릿이 있는 평행-평판 도파로 등가회로로부터 구할 수도 있다[10].

    본 논문에서는 먼저, 2.3 GHz에서 패치 안테나의 폭과 길이 및 급전선로의 폭을 식 (1)~(6)으로부터 구하였다. 그리고 임피던스 정합을 위해 인셋의 길이와 폭의 변화에 따른 안테나의 반사손실을 분석하여 최적 특성을 나타낼 때의 인셋 길이와 폭을 구하였다.

    2.3 GHz에서 공진하기 위해 설계된 패치와 급전선로 및 유전체의 제원은 표 1과 같다. 표 1에서와 같이 안테나 전체의 크기는 90.0 mm × 80.9 mm, 패치는 45.0 mm × 40.9 mm, 급전선로의 폭은 2.21 mm이다.

    안테나의 입력 임피던스에 영향이 큰 인셋의 길이 변화에 대한 공진 특성을 관찰한 결과를 그림 3~5에 나타내었다.

    그림 3은 인셋의 폭이 1 mm일 때 인셋 길이의 변화에 대한 안테나의 공진 특성을 나타내었다. 그림에서와 같이 인셋 길이의 변함에 따라 공진주파수의 변화는 거의 없으나 정합 특성이 크게 변화하였다. 인셋 폭이 1 mm인 경우 길이가 14 mm일 때 반사손실이 약 −18.42 dB로 가장 양호하며 공진주파수도 설계주파수인 2.3 GHz로 나타났다.

    그림 4는 인셋 폭이 3 mm인 경우이다. 그림에서와 같이 인셋 폭이 3 mm일 때 인셋 길이가 12 mm와 13 mm에서 양호한 정합 특성을 나타내었으며, 공진주파수는 각각 2.32과 2.31 GHz로 나타났다. 따라서 인셋폭이 1 mm에 비해 3 mm로 증가함에 따라 안테나의 정합 특성이 양호하기 위한 인셋의 길이는 감소하게 된다. 그리고 인셋 길이가 감소함에 따라 안테나의 공진 주파수는 높은 쪽으로 이동하여 설계주파수와의 편차가 발생하게 된다. 그림 5는 인셋 폭이 5 mm에 대한 결과이며, 그림 4와 동일한 특성을 나타내었다. 인셋 길이가 11 mm일 때 양호한 정합 특성을 나타내었고, 공진 주파수는 2.34 GHz로 나타났다. 따라서 식 (7)에서와 같이 인셋 급전 구조에서 안테나의 입력 임피던스는 인셋 길이에 따라 변화됨을 확인하였다. 이상으로부터 패치의 길이와 폭, 인셋 폭이 일정할 때 인셋 길이가 감소함에 따라 공진주파수는 증가함을 알 수 있었다.

    2.2.3. 최적 안테나 설계

    그림 6에서는 패치의 크기가 45.0 mm × 40.9 mm 일 때 인셋 길이에 따른 최적 공진 특성을 나타내는 인셋폭과 공진주파수사이의 관계를 도시하였다. 그림에서와 같이 설계주파수인 2.3 GHz에서 최적의 공진 특성을 나타내는 인셋 길이는 14 mm, 폭은 1 mm이다. 이 때 그리고 인셋의 길이가 감소함에 따라 안테나가 정합되는 인셋 폭은 증가하고 또한 공진주파수는 높은 쪽으로 이동하게 된다.

    설계주파수 2.3 GHz에서 최적 조건인 인셋 길이가 14 mm, 인셋 폭이 1 mm일 때와 2.34 GHz에서 인셋 길이가 11 mm, 인셋 폭이 5 mm일 때의 이득을 시뮬레이션한 결과는 그림 7과 같다. 그림에서 안테나의 최대 이득은 각각 설계주파수 2.3 GHz와 2.34 GHz에서 6.63 dBi 및 6.67 dBi로 최대 이득을 나타내었다. 그리고 그림 8(a), (b)는 각각 2.3 GHz용과 2.34 GHz용 안테나에 대한 시뮬레이션한 복사패턴 결과이며, 두 경우 비슷한 안테나의 복사특성을 나타내었다.

    III. 안테나 제작 및 측정 결과

    인셋 급전 구조에서 최적 특성을 갖는 안테나를 설계하고, 이론 결과를 비교하기 위해 유전율 2.5, 두께 0.787 mm인 유전체 기판을 사용하여 안테나를 제작 실험하였다. 그림 9(a)는 2.3 GHz에서 최적 설계된 안테나이며, 인셋의 길이는 14 mm, 인셋 폭은 1 mm이다. 그리고 그림 9(b)는 2.34 GHz 안테나이며, 인셋 길이 11 mm, 인셋 폭이 5 mm이다. 두 경우 모두 마이크로스트립 패치의 크기는 45.0 mm × 40.9 mm, 안테나 전체의 크기는 90.0 mm × 80.9 mm이다.

    안테나의 반사손실을 측정한 결과와 이론 결과를 비교하면 그림 10과 같다.

    그림 10(a)에서와 같이 안테나의 공진주파수와 반사손실의 이론 결과는 2.30 GHz, −18.42 dB, 측정 결과는 2.3025 GHz에서 −21.11 dB로 나타났으며, 이론 결과와 측정 결과가 잘 일치함을 알 수 있다. 그림 10(b)는 2.34 GHz에서 반사손실의 이론 결과는 −21.20 dB, 측정 결과는 2.3475 GHz에서 −26.10 dB이며, 이 또한 이론 결과와 측정 결과가 잘 일치함을 알 수 있다. 그리고 각각의 경우 VSWR<2인 대역폭은 약 25 MHz로 좁게 나타났다.

    IV. 결 론

    본 논문에서는 마이크로스트립 패치 안테나를 급전하기 위해 인셋 구조를 사용하였으며, 인셋의 길이와 폭에 따른 안테나의 최적 공진 특성을 갖는 안테나를 설계하였다. 먼저 패치가 S-대역 2.3 GHz에서 동작하도록 패치의 폭과 길이 및 급전선로의 폭을 구하였다. 그리고 인셋의 길이와 폭을 변화하면서 안테나의 공진 특성을 관찰하여 최적 특성을 갖는 인셋 길이와 폭을 구하였으며, 최적 설계된 안테나의 반사손실, 이득 및 복사패턴을 분석하였다. 그 결과, 인셋 길이가 감소하고, 인셋 폭이 증가함에 따라 공진주파수는 증가하고, 안테나의 정합 특성에도 변화를 주게 된다.

    따라서 2.3 GHz에서 동작하기 위해서는 패치의 폭과 길이는 각각 45.0 mm, 40.9 mm, 인셋 길이는 14 mm, 폭은 1 mm로 나타났다. 그리고 유전율이 2.5, 두께 0.787 mm인 기판을 사용하여 안테나를 제작 실험한 결과, 2.3025 GHz에서 반사손실이 −21.11 dB로 측정되었으며, 이론 결과와 일치함을 알 수 있었다.

    제시된 방법으로 인셋 급전 구조에서 안테나의 최적 특성을 갖는 인셋 길이와 폭을 설계할 수 있었고, 향후 인셋 급전 마이크로스트립 안테나의 크기를 감소하거나 이득을 증가시키기 위하여 안테나에 SLR(single loop resonator) 또는 CSLR(complementary single loop resonator)을 적용하고자 한다.

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  • [그림 1.] 급전 구조 (a) λ/4 선로 (b) 인셋 (c) 동축 선로 (d) 개구 결합
    급전 구조 (a) λ/4 선로 (b) 인셋 (c) 동축 선로 (d) 개구 결합
  • [그림 2.] 인셋 급전 마이크로스트립 안테나의 구조
    인셋 급전 마이크로스트립 안테나의 구조
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  • [표 1.] 인셋 급전 마이크로스트립 안테나 파라미터
    인셋 급전 마이크로스트립 안테나 파라미터
  • [그림 3.] 인셋 길이에 따른 반사손실: 인셋 폭 =1 mm
    인셋 길이에 따른 반사손실: 인셋 폭 =1 mm
  • [그림 4.] 인셋 길이에 따른 반사손실: 인셋 폭=3 mm
    인셋 길이에 따른 반사손실: 인셋 폭=3 mm
  • [그림 5.] 인셋 길이에 따른 반사손실: 인셋 폭=5 mm
    인셋 길이에 따른 반사손실: 인셋 폭=5 mm
  • [그림 6.] 인셋 길이에 따른 최적화된 안테나의 인셋 폭과 공진 주파수
    인셋 길이에 따른 최적화된 안테나의 인셋 폭과 공진 주파수
  • [그림 7.] 이득[시뮬레이션]
    이득[시뮬레이션]
  • [그림 8.] 복사패턴[시뮬레이션] (a) L=14, W=1 mm(2.3 GHz용) (b) L=11, W=5 mm(2.34 GHz용)
    복사패턴[시뮬레이션] (a) L=14, W=1 mm(2.3 GHz용) (b) L=11, W=5 mm(2.34 GHz용)
  • [그림 9.] 제작된 안테나 (a) 2.3 GHz용 (b) 2.34 GHz용
    제작된 안테나 (a) 2.3 GHz용 (b) 2.34 GHz용
  • [그림 10.] 안테나의 반사손실 (a) 2.3 GHz용 (b) 2.34 GHz용
    안테나의 반사손실 (a) 2.3 GHz용 (b) 2.34 GHz용