Mulit Element를 이용한 PIFA 구조의 Intenna에 관한 연구

임요한,장기훈,윤영중,김용진,김영일,윤익재,Lim, Yo-Han,Chang, Ki-Hun,Yoon, Young-Joong,Kim, Yong-Jin,Kim, Young-Eil,Yoon, Ick-Jae 한국전자파학회 2007 한국전자파학회논문지 Vol.18 No.7

본 논문에서는 휴대폰용 내장형 PIFA 형태를 바탕으로 안테나 면을 4개의 element로 나눔으로써 넓은 대역폭과 향상된 이득 특성을 갖는 multi element 안테나를 제안하였으며, CDMA 대역인 $824{\sim}896MHz$와 RFID 대역인 $908.5{\sim}914MHz$를 동시에 만족하도록 설계하였다. 제안된 안테나의 크기는 $35{\times}15{\times}5mm^3$로 S사 A 모델의 케이스를 바탕으로 설계되었으며, 각 element를 안테나 안쪽으로 접어 넣음으로써 안테나의 소형화를 이루었다. 안테나의 광대역 및 향상된 이득 특성을 얻기 위해 안테나의 면을 4개의 element로 나누었다. 그 결과 전류의 패스가 길어지고 나뉘어짐에 따라, 안테나의 중심 주파수가 낮아지고 대역폭이 넓어지는 특성을 보였다. 또한, 안테나를 여러 개의 element로 나눔으로써 좀 더 고른 전류 분포를 갖게 되어 안테나의 효율이 향상되고 이득 값이 향상되는 특성을 가질 수 있었다. 좀 더 고른 전류 분포를 유도하여 안테나의 효율을 향상시키기 위해 전류가 각 element로 직접 전달되도록 급전 점에 변화를 주었다. 그 결과, 안테나의 이득 값이 더욱 향상되었으며, 급전 구조에 변화를 주면서 element를 4개로 설계하여 그 특성을 고찰한 결과, 가장 높은 이득 값을 보임을 확인하였다. 안테나의 이득 값을 유지한 상태로 소형화하기 위해 전류 방향을 고려하여 안테나의 각 element를 안테나의 앞면은 아래쪽으로 양 옆면은 안테나의 안쪽으로 접어 넣었다. 또한, 급전 위치를 조절하여 안테나의 공진 길이를 늘리기 위해 급전 점의 위치를 접지면의 윗부분에 배치하였다. 케이스를 고려하지 않은 상태로 원하는 안테나 특성을 얻었다고 하더라도, 케이스에 부착되면 주파수가 이동되고 원하는 주파수 대역에서 안테나 이득 값이 저하되기 때문에 휴대폰 케이스에 부착 시 $150{\sim}200MHz$의 주파수 이동이 발생함을 확인한 후에 1.08 GHz에 공진 주파수가 나타나도록 설계하였으며, 공진 주파수에서의 측정된 최대 이득 값은 3.1 dBi를 나타내었다. 케이스를 고려하여 측정한 경우, VSWR<2 기준 임피던스 대역폭은 $0.824{\sim}0.936GHz$로 110 MHz의 대역폭을 갖고 CDMA 대역과 RFID 대역을 동시에 만족할 수 있음을 나타내었다. 측정된 이득 값은 최소 -3.4 dBi에서 최대 -0.5 dBi를 나타내었고, 무지향성 패턴을 보임을 확인하였다. In this thesis, the Multi element antenna with wideband and enhanced gain characteristic is proposed to operate at both frequency range from 824 MHz to 896 11Hz for the CDMA and frequency range from 908.5 MHz to 914 MHz for the RFID band. The proposed antenna has tile size of $35{\times}15{\times}5mm^3$ in order to put it in the A model of S company and each element of the proposed antenna is folded to obtain the minimum size. To obtain the antenna with wideband and high gain characteristic, the radiator of the antenna is divided into 4 elements. As a result, bandwidth of the proposed antenna become broader and lower center frequency is appeared due to increased and lengthened current path. Moreover, the enhanced gain characteristic is verified because divided element structure that induct uniform current distribution can get increased antenna efficiency. To attain more uniform current distribution, modified structure of the feeding point that can deliver currents directly is designed. The antenna that alters the feeding structure has higher gain value. Each element is folded to increase the current paths considering the current directions to attain the miniaturization of the antenna. To measure the handset antenna, the handset case must be considered. Even though antenna is designed for predicted characteristic, the resonance frequency is shifted and antenna gain is deteriorated at predicted frequency while antenna is set in the handset case. 1.08 GHz of the resonant frequency is determined after frequency shift from 150 MHz to 200 MHz is confirmed and the maximum gain is measured as 3.1 dBi while antenna is not set in the handset. In case handset case is considered, the experimental results show that the impedance bandwidth for VSWR<2 is from 0.824 GHz to 0.936 GHz(110 MHz). This result appears that the proposed antenna can cover both CDMA and RFID band at once. The measured gain is from -3.4 dBi to -0.5 dBi and it has omni-directional pattern practically.

고이득 특성을 갖는 성형 빔 안테나에 대한 연구

엄순영,윤재훈,전순익,김창주,Eom, Soon-Young,Yun, Je-Hoon,Jeon, Soon-Ick,Kim, Chang-Joo 한국전자파학회 2007 한국전자파학회논문지 Vol.18 No.1

본 논문은 단위 방사 소자의 이득을 증가시키기 위한 성형 빔 안테나에 관한 것이다. 제안하는 안테나 구조는 크게 여기 소자와 다층 원형 도체 배열 구조로 구성된다. 광대역에 걸쳐 전자파 전력이 다층 원형 도체 배열로 방사하기 위한 여기 소자로 스택 마이크로스트립 패치 소자가 사용되었으며, 고이득 빔 성형을 위한 지향 소자의 역할을 담당하는 다층 원형 도체 배열 소자들은 여기 소자 위에 주기적으로 유한하게 적층되었다. 제안하는 안테나가 고이득 특성을 얻기 위해서는 여기 소자와 다층 원형 도체 배열 소자들 간의 효율적인 전력 결합이 이루어져야 하며, 이를 위해 주어진 설계 규격에 따라 여기 소자 및 다층 원형 도체 배열 소자들의 설계 변수들은 함께 최적화되어야 한다. 본 연구에서는 고이득 성형 빔 안테나는 $9.6{\sim}10.4\;GHz$ 주파수 대역 및 선형 편파 조건하에서 최적화 설계되었으며, 또한 안테나의 다층 원형 도체 배열 소자들을 구현하는 2가지 방법 즉, 얇은 유전체 필름을 이용하는 방법과 유전체 폼을 이용하는 방법들도 제안되었다. 특히, 유전체 필름을 이용하는 안테나에 대해서는 컴퓨터 시뮬레이션 과정을 통해, 원형 도체 배열 소자들의 적층 수에 따른 안테나의 전기적인 성능 변화들을 보여주었다. 유전체 필름(Type 1)과 유전체 폼(Type 2)을 이용한 2종류의 안테나 시제품들을 제작하였으며, 얇은 유전체 필름을 이용한 안테나 시제품에 대해선 시뮬레이션 된 전기적 성능 결과와 비교를 위해 원형 도체 배열 적층 수에 따른 안테나의 전기적인 성능 변화들을 실험하였다. 측정된 이득 성능은 시뮬레이션 이득 성능과 거의 유사한 결과를 보여주었으며, 원형 도체 적층 수에 따라 안테나 이득 변화는 주기성을 보였다. 10 GHz 중심 주파수에서 측정된 Type 1 안테나의 전기적 성능은 원형 도체 배열을 10개 적층(disk10)하였을 때, 15.65 dBi의 최대 안테나 이득과 11.4 dB 이상의 입력 반사 손실 성능을 보여 주었으며, 다층 원형 도체 배열 구조에 의해 약 5 dB의 이득 향상 효과를 얻을 수 있었다. 또한, 원형 도체를 12개 적층하였을 때, 외곽 유전체 링 효과에 의해 Type 1 안테나는 Type 2 안테나보다 상대적으로 약 1.35 dB 만큼 이득이 더 높았으며, 각 안테나의 3 dB 빔 폭은 각각 약 $28^{\circ}$와 $36^{\circ}$로 측정되었다. This paper describes a shaped-beam antenna for increasing the antenna gain of a radiating element. The proposed antenna structure is composed of an exciting element and a multi-layered disk array structure(MDAS). The stack micro-strip patch elements were used as the exciter for effectively radiating the electromagnetic power to the MDAS over the broadband, and finite metallic disk array elements - which give the role of a director for shaping the antenna beam with the high gain - were finitely and periodically layered onto it. The efficient power coupling between the exciter and the MDAS should be carried out in such a way that the proposed antenna has a high gain characteristic. The design parameters of the exciter and the MDAS should be optimized together to meet the required specifications to meet the required specifications. In this study, a shaped-beam antenna with high gain was optimally designed under the operating conditions with a linear polarization and the frequency band of $9.6{\sim}10.4\;GHz$. Two methods constructed using thin dielectric film and dielectric foam materials respectively were also proposed in order to implement the MBAS of the antenna. In particular, through the computer simulation process, the electrical performance variations of the antenna with the MDAS realized by the thin dielectric film materials were shown according to the number of disk array elements in the stack layer. Two kinds of antenna breadboard with the MDAS realized with the thin dielectric film and dielectric foam materials were fabricated, but experimentation was conducted only on the antenna breadboard(Type 1) with the MDAS realized with the thin dielectric film materials according to the number of disk array elements in the stack layer in order to compare it with the electrical performance variations obtained during the simulation. The measured antenna gain performance was found to be in good agreement with the simulated one, and showed the periodicity of the antenna gain variations according to the stack layer number of the disk array elements. The electrical performance of the Type 1 antenna was measured at the center frequency of 10 GHz. As the disk away elements became the ten stacks, a maximum antenna gain of 15.65 dBi was obtained, and the measured return loss was not less than 11.4 dB within the operating band. Therefore, a 5 dB gain improvement of the Type 1 antenna can be obtained by the MDAS that is excited by the stack microstrip patch elements. As the disk array elements became the twelve stacks, the antenna gain of the Type 1 was measured to be 1.35 dB more than the antenna gain of the Type 2 by the outer dielectric ring effect, and the 3 dB beam widths measured from the two antenna breadboards were about $28^{\circ}$ and $36^{\circ}$ respectively.

구형 빔 패턴 형성을 위한 다층 원형 도체 배열 구조의 최적화 연구

엄순영,박한규 한국전자파학회 2003 한국전자파학회논문지 Vol.14 No.10

본 논문에서는 $\pm$20$^{\circ}$의 구형 빔 패턴 형성을 위한 삼차원 다층 원형 도체 배열 구조의 최적화 설계 변수들에 대하여 연구하였다. 원형 도파관 여기에 의한 다층 원형 도체 배열 구조의 각 방사 소자는 입력 원형 도파관, 임피이던스 정합용 원형 도파관, 방사 원형 도파관 그리고 그 위에 적층된 유한개의 원형 도체 배열층들로 구성되며, 각 방사 소자들은 원추형 빔 스캐닝에 적합한 정육각형 격자 배열 구조를 이룬다. 본 논문에서는 다층 원형 도체 배열 구조에 대한 해석 알고리듬을 제시하고, 이것을 프로그램 코드화하여 최적화 설계 변수 추출을 위한 다양한 설계 변수 변화에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 다층 원형 도체 배열 구조의 구형 빔 패턴 및 반사 계수에 대한 대역폭 특성을 살펴 보았으며, 그 결과 다층 원형 도체 배열 구조는 최소한 5.6 %의 주파수 대역폭내에서 $\pm$20$^{\circ}$의 양호한 구형 빔 패턴을 형성함을 알 수 있었다. In this paper, a study on optimization of three dimensional multi-layered metallic disk array structure(MDAS) excited by circular waveguides was performed to shape efficient flat-topped element patterns(FTEP) of ${\pm}$20$^{\circ}$ beam width. Each radiating element of the MDAS is composed of input, transition and radiation circular waveguides and finite metal disks stacked on radiation circular waveguide. It has an array structure of a hexagonal lattice appropriate for the conical beam scanning. The analytic algorithm for the MDAS was proposed and the code was also programmed using it. Optimal design parameters of the MDAS were determined through the optimal simulation process to obtain ${\pm}$20$^{\circ}$ FTEP. Also, bandwidth characteristics for FTEP and reflection coefficients of the MDAS were investigated and, as the results, it was shown that the MDAS could shape good FTEPs of ${\pm}$20$^{\circ}$ beam width in main planes at least within a 5.6 % frequency band.

교차 다이폴 소자 여기에 의한 다층 원형 도체 배열 구조의 구형 빔 패턴 형성에 관한 실험적 연구

엄순영,박한규 한국전자파학회 2003 한국전자파학회논문지 Vol.14 No.7

본 논문에서는 원형 편파의 구형 빔 패턴을 효율적으로 형성하기 위하여 교차 다이폴 소자로 여기되는 다층 원형 도체 배열 구조(MDAS)를 제안하였다. 다이폴 방사 소자 여기에 의한 MDAS는 전체 배열 안테나의 부피 및 무게를 줄일 수 있는 장점이 있으므로 비교적 낮은 주파수 대역 응용에 적합하다. 이러한 구조의 유효성을 검증하기 위하여 X 대역(7.9~8.4 GHz)에서 동작하는 MDAS 시제품을 제작하였으며, 설계 변수들은 설계 경험을 바탕으로 실험적으로 최적화하였다. 실험 결과는 교차 다이폴 소자에 의한 MDAS가 최소한 6.1 % 대역폭내에서 $\pm$20$^{\circ}$의 양호한 구형 빔 패턴을 형성함을 보여주었다. In this paper, a multi-layered metallic disk array structure(MDAS) excited by cross-dipole elements was proposed for efficiently shaping of flat-topped element patterns(FTEP) with circular polarization. The MDAS excited by cross-dipole elements has advantages to decrease in volume and weight of an overall array antenna and so, it is appropriate for the FTEP applications of a ralativlely low frequency band. In order to verify the effectness of this structure, the MDAS breadboard operated at X-band(7.9 ∼ 8.4 GHz) was fabricated, and its design parameters were experimentally optimized on the basis of the previous design experience. The experimental results were shown that the MDAS could shape good FTEPs of ${\pm}$20$^{\circ}$beam width at least within a 6.1 % frequency band.