안테나이론및설계

실습 05 − 패치안테나 설계

1. 실습 목적

ㅇ 패치 안테나 구조 및 동작원리 학습

ㅇ 패치 안테나 설계 실습

2. 보고서 작성

MS Word에 MWS 그림 삽입하여 파일형태로 전자메일로 담당교수(bician@)에게 제출.

실습제목:

제출일자:

학번:

성명:

1) 안테나 구조: 안테나 3차원 구조

2) 반사계수

3) 방사패턴

...

3. 실습

ㅇ 패치 안테나 = 다이폴을 넓은 평판 형태로 변형한 후 큰 접지판 위에 두고 적절한 방법으로 급전한 안테나

ㅇ 실습에서 설계한 안테나를 직접 제작하여 측정할 예정임.

ㅇ 4장 이론 부분을 자습하고 의문사항은 실습조교에게 문의하라.

1) 아래 패치 형상을 생성하라. 치수 표에서 ε_r = 1.0(1)인 경우를 적용하라. 접지판 크기는 15cm x 15cm으로 하라.

ㅇ 급전 프로브(직경 d_p): 세로방향으로는 패치중심에 위치, 가로 방향 위치를 조정하여 임피던스 정합

ㅇ 단락 프로브(직경 d_s): 세로방향으로는 패치중심에 위치, 패치의 길이를 줄이는 역할

ㅇ U 슬롯: 가로/세로방향으로는 패치의 중심에 위치. 패치의 크기를 줄이는 역할

ㅇ 패치 길이: 공진주파수 결정

ㅇ 패치 폭: 대역폭과 입력임피던스에 영향을 미침.

ㅇ 접지판 크기: 방사패턴과 이득에 영향을 미침.

2. 500-1500MHz 대역에서 패치를 해석하라.

3. 다음 결과를 포함한 보고서를 작성 제출하라.

1) 안테나 형상 (10점)

2) |S₁₁|(dB) vs frequency (10점)

3) 공진점에서 전계면 polar pattern (10점)

4) 공진점에서 자계면 polar pattern (10점)

5) 900MHz에서 지향도 및 이득값 (10점)

4. 이론

4.1 패치안테나

1) 패치안테나 구조

- 패치 안테나의 단면구조

- 저손실 기판 뒷면에 접지면 형성

- 기판 윗면에 사각형 금속(패치)를 형성

- 패치 상의 적절한 점에 동축선을 연결하여 패치에 전력 급전

- 안테나 구성품

Patch = 방사소자(박막도체)

L = 패치길이(공진 주파수 결정), 위 그림에서 패치(청색 사각형)의 가로

W = 패치폭(방사저항과 이득 결정), 위 그림에서 패치의 세로

Dielectric substrate = 저손실 기판(플라스틱 또는 세라믹 재료)

h = 기판의 두께. 0.25, 0.508, 0.787, 1.02, 1.52mm 사용

= 기판의 유전상수. 1.0(공기), 2.2, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.3, 4.5, 9.8, 20, 45, 90 등 사용

= 기판의 손실탄젠트. 0.02, 0.002, 0.0002 등 사용

Conducting ground plane = 안테나의 접지면(박막도체)

t = 접지면 금속과 패치 금속 두께. 보통 0.017, 0.034, 0.068mm 사용

Coaxial feeding = 동축선 급전구조. 내부도체는 패치와 연결. 외부도체는 접지면과 연결

2) 패치 안테나 동작원리

- 다이폴과 패치의 비교

- 패치표면에서의 전류분포: 가로방향 모드번호 1, 세로방향 모드번호 0

3) 패치 상의 전기장 분포

4) 패치 급전방법

<그림> 사각형 패치 급전방법. 좌: 프로브 급전, 우: 마이크로스트립 inset 급전

5) 급전점 위치에 따른 패치의 입력임피던스

- 패치의 전기장, 자기장, 전류분포, 임피던스: 횡축은 패치 길이방향으로의 위치

- 급전점이 패치 테두리에 있을 때: 입력저항 200-500Ω

- 급전점이 패치 테두리에서 패치 중심으로 이동함에 따라 입력저항이 감소하여 50Ω이 되는 지점에서 급전

6) 기판 높이에 따른 입력저항

7) 패치 방사패턴

- 전계면: 패치 길이방향 cut plane

- 자계면: 패치 폭방향 cut plane

<그림> 사각평 패치의 방사패턴. 좌: 전계면 패터, 우: 자계면 패턴

8) 패치 지향도

- 정사각형 패치의 지향도는 통상 6-8dB의 값을 가짐.

9) 원편파 패치

ㅇ 이점 급전: 두 점에서 급전. 두 급전신호의 위상차 ±90°

ㅇ 일점 급전

- 2개 대각 모서리를 제거하면 두 대각선 방향 전류의 위상차가 ±90°가 되게 할 수 있다.

- 축비대역폭(AR < 3dB) 매우 협소

- 아래 그림은 우원편파 패치

10) 패치 대역폭

- 반사계수가 -10dB 이하인 주파수 범위

- 유전율이 높을 수록 패치는 작아지고 대역폭은 감소

- 기판 두께가 클수록 광대역

11) 패치 안테나 효율

- 패치 안테나 손실: 도체에 의한 손실, 유전체에 의한 손실, 표면파(기판 유전체를 따라 진행하는 파)에 의한 손실

- 패치 안테나 효율 공식

P_r = 안테나에 의해 방사된 전력

P_c = 안테나에 사용된 도체에서 소모되는 손실전력

P_d = 안테나에 사용된 유전체에서 소모되는 손실전력

P_sw = 표면파 형태로 손실되는 절력

- 기판 두께가 증가할수록 표면파가 증가하여 효율 감소

12) 패치 안테나의 폭 설계

ㅇ 패치 폭의 상한값

13) 패치 등가회로와 입력 임피던스

ㅇ 등가회로

R, L, C: 패치를 병렬 공진회로로 표현한 등가회로

L_p: 급전 프로브의 인덕턴스

ㅇ 프로브 리액턴스 공식

γ = 0.5772 (Euler's constant)

a = 프로브 반경

h = 프로브 높이

= 기판 유전체의 비유전율 및 비투자율

= 자유공간에서의 위상정수

ㅇ 패치 입력저항 및 입력 리액턴스

14) 패치 안테나 사진

- 단일소자

- 패치 배열안테나

4.3 동축선(coaxial cable) 구조

- Flexible coaxial cable: 유연성 동축케이블

- Hand-malleable coaxial cable: 손으로 구부려서 형상을 만들 수 있는 케이블

- Semi-rigid coaxial cable: 전용툴로 원하는 형상으로 구부릴 수 있는 케이블

- Rigid cable: 구부릴 수 없는 케이블

5. 참고문헌

[1] A. K. Shackelford, K.-F. Lee and K. M. Luk, "Design of small-size wide-bandwidth microstrip-patch antennas," IEEE AP-S Mag., 45(1), 75-81, 2003.

[2] D. R. Jackson, "Overview of Microstrip Antennas"

[3] S. Sevskiy and W. Wiesbeck, "Air-filled stacked-patch antenna"

[4] Nikolova, "Microstrip antennas"

[5] B. Horwath, "Microstrip antenna design principles"