광대역 특성을 갖는 새로운 마이크로스트립

소개

현대 사회가 고도로 발달함에 따라 PCS (Personal Communication System), IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000), WLL (Wireless Local Loop), 위성 통신 등 다양한 종류의 통신 서비스가 시행되고 있으며 사용 주파수의 대역도 넓어지고 있다. 이와 더불어 다양한 통신 서비스의 이용자가 급증하면서 고품질의 통신 수단이 요구됨에 따라 더 넓은 주파수 대역의 필요성이 대두되고 있다. 따라서 부피가 적고, 더 넓은 주파수 대역을 수신할 수 있는 안테나의 개발이 요구되고 있으며, 부피가 적다는 점과 휴대의 편의성이 강조되면서 마이크로스트립 안테나에 대한 관심을 유발시켰다.
1953년 Deschamps [1]에 의해 처음으로 제안되었으며, 1970년대 초반 Howell [2]와 Munson [3]에 의해 발전되어진 마이크로스트립 안테나는 가격이 싸고 평면 배열로 만들기 쉬우며 단면적이 작고 초고주파 회로와 집적화가 쉽다는 잇점이 있다. 그러나 마이크로스트립 안테나는 대역폭이 좁다는 큰 단점이 있다. 이 단점을 개선하기 위해 많은 연구가 진행 중에 있고, 여러 가지 방법들이 제시되어 왔다 [4]. 이들 방법 중에는 유전 상수가 적고 두께가 두꺼운 기판을 사용하거나 [5] 기생 결합된 소자를 이용해 대역폭을 개선하는 방법 [6] 등이 제시되었으나, 이러한 방법들은 안테나의 크기가 커지는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 최근 안테나 구조 자체를 변화시켜 대역폭을 넓히는 방법들이 제안되었다. 특히, 단일 방사 소자로 비교적 넓은 광대역 특성을 갖는 마이크로스트립 슬롯 안테나도 이와 같은 최근의 흐름에 따라 구조를 개선시켜 보다 넓은 대역폭을 갖게 하는 연구가 진행되고 있다. 마이크로스트립 슬롯 안테나의 연구에서는 대부분이 직사각형 슬롯 안테나에 대해 급전 구조를 변화시켜 임피던스 정합을 이루는 방법들이 제시되며 이러한 방법을 통해 슬롯 안테나에서 47%의 광대역 특성을 나타내는 급전 방식이 제안되었다.

목차

1. 서론
2. 이론
3. 설계 변수에 따른 설계 방법
4. 제작 및 측정결과
5. 결론

본문내용

1.1 슬롯 폭에 따른 설계 영향
우선 그림 2.에서와 같이 원형 링 슬롯 안테나의 슬롯 폭이 대칭적으로 동일할 때 슬롯 폭(WS)의 변화에 따른 S11의 변화를 관찰하였다. 슬롯 폭의 변화에 따라 안테나의 공진 주파수가 크게 변한다. 그림 2.에서 원형 링 슬롯 안테나의 중심을 원점으로 보고 슬롯을 포함한 반지름 (a + WS)을 26 mm로 하였을 때 WS에 따른 S11의 변화 결과를 그림 3.에 나타내었다. 슬롯의 폭 (WS)이 커짐에 따라 VSWR < 2를 기준으로 대역폭은 적어지지만 중심 주파수가 저주파대로 내려감을 보이며, 슬롯 폭 (WS)이 15 mm일 때 1.2 GHz와 2.1 GHz에서 두 번 공진함을 보인다.
1.2 Offset에 따른 설계 영향
그림 3.에서와 같이 슬롯 폭이 대칭적으로 동일한 경우 슬롯의 폭을 넓혀도 광대역 특성을 얻을 수 없었다. 그래서 그림 4.와 같이 새로운 원형 슬롯 안테나의 구조를 제시해 offset에 따른 설계 영향을 살펴보았다.
슬롯 안테나에서는 급전 선과 슬롯 사이의 offset 변화가 안테나 특성에 큰 영향을 미치는데 그림 4.에 표현된 것처럼 원형 링 슬롯 안테나의 안쪽 원형 패치 (Ground plane에 속해 있는 원형 patch)의 중심을 원형 슬롯의 중심과 일치시키지 않고 offset을 줌으로써 그림 5에서와 같이 공진 주파수가 offset에 따라 변함을 볼 수 있다. 이때 R은 26 mm로 하였고 Rin은 6.3 mm이다. 또한 offset이 작을수록 공진 주파수가 저주파대로 이동함을 보였다. 주목할 점은 offset이 11 mm 일 때 두 번 공진 하는 것이다.

1.3 안쪽의 원형 패치의 크기 변화에 따른 설계 영향
그림 4.에서 보인 구조에서 offset은 7 mm로 고정하고 안쪽의 원형 패치의 반지름 (Rin)을 변화시키므로 S11의 특성을 비교한 결과가 그림 6.이다. 여기서 슬롯 반지름 (R)은 26 mm로 고정시켰다.

참고자료

· G. A. Deschamps, "Microstrip microwave antennas," 3rd USAF Symp. Antennas, 1953.
· J. Q. Howell, "Microstrip antennas," IEEE AP-S Int. Symp. Digest, pp. 177-180, 1972.
· R. E. Munson, "Conformal microstrip antennas and microstrip phased arrays," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-22, pp. 74-78, 1974.
· S. H. David, "A survey of broadband microstrip patch antennas," Microwave J., pp. 60-84, Sept 1996.
· E. Chang, S. A. Long, and W. F. Richards, "An experimental investigation of electrically thick rectangular microstrip antennas," IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. AP-34, pp. 767-773, June 1986.
· P. B. Katehi, N. G. Alexopoulos, and I. Y. Hsia, "A bandwidth enhancement method for microstrip antennas," IEEE Trans. Antennas Propagt., vol. AP-35, pp. 5-12, Jan. 1987.
· A. Axelrod, M. Kisliuk, and J. Maoz, "Broadband microstrip-fed slot radiator," Microwave J., pp 81-94, June 1989.
· I. J. Bahl, Microstrip Antennas, Artech House, 1982, pp. 221-224.