韓國電磁波學會論文誌第 18 卷第 12 號 2007 年 12 月論文 2007-18-12-01 Disk-Loaded 다이폴과 Folded 다이폴로동작하는 Reconfigurable 안테나 A Reconfigurable Antenna for Alternative Operation between Disk-Loaded Dipole and Folded Dipole 박슬기 정근석 * 추호성 오이석 Seulgi Park Geunseok Jeong* Hosung Choo Yisok Oh 요약 본논문에서는 PIN 다이오드를사용하여 disk-loaded 다이폴안테나와 folded 다이폴안테나로형상이변화하는새로운구조의소형안테나를개발하였다. 개발된안테나는 PIN 다이오드의 RF on/off 특성을이용하여안테나의전기적길이를변화시켜이중대역에서동작하며, 저주파대역에서는높은복사저항값을가지는 folded 다이폴안테나로동작하고고주파대역에서는수평방향으로무지향성의복사패턴과수직방향으로도넛형태의복사패턴을가지는 disk-loaded 다이폴안테나로동작한다. 제안된안테나는 20~300 MHz에서 30 cm 다이폴안테나에비해크기가소형화되었음에도높은이득을가진다. 또한, 300~1,300 MHz에서 80 이상의넓은빔폭을가짐으로써방향탐지안테나로사용이가능하다. Abstract In this paper, we propose a reconfigurable antenna which operates as a disk-loaded dipole antenna and a folded dipole antenna alternatively using RF on/off switches. The antenna can change its effective length to achieve dual-band operation; operates as the folded dipole antenna for stepping up the radiation resistance in low frequency band of 20 ~300 MHz, and as the disk-loaded dipole antenna for an omni-directional radiation pattern (horizontal plane) and a donut-shaped radiation pattern (vertical plane) in high frequency band of 300~1.3 GHz. In the low band, the proposed antenna shows higher gain than a conventional dipole antenna with a reduced antenna size. In the high band, the antenna maintains a broad beamwidth of about 80, thus the antenna can be applicable to antennas for direction finding applications. Key words : Reconfigurable Antenna, PIN Diode, Direction Finding Antenna, DisK-Loaded Dipole, Folded Dipole Ⅰ. 서론방향탐지시스템은전자전에서적의장비로부터발생되는소량의전자파를탐지하여, 전파원의방향을알아내는시스템으로최근에는군사적목적뿐만 이아니라, 공항, 철도, 항만등의민간시설에도사용되고있다. 방향탐지시스템에사용되는방향탐지용안테나는광대역소형안테나설계기술및고기능의 active RF 회로설계기술이바탕이되어야하며국내에서는특정주파수범위에서사용될수 본논문은 LIG 넥스원 ( 과제명 : 이동형방향탐지시스템개발 ) 의지원하에이루어졌음. 홍익대학교전자전기공학부 (School of Electronic and Electrical Engineering, Hongik University) *LIG 넥스원 연구개발본부전자전연구소 (Electronic Warfare R&D Center, LIG Nex1 Co. Ltd.) 논문번호 : 20070821-088 수정완료일자 : 2007 년 12 월 11 일 1327
韓國電磁波學會論文誌第 18 卷第 12 號 2007 年 12 月 있는몇몇방향탐지안테나가개발되었지만, 아직넓은주파수대역에서사용할수있는이동형소형방향탐지안테나의개발은미진한실정이다. 방향탐지안테나는배열 (array) 안테나를이용해소량의전파를수신하고증폭기를이용하여수신된전파를증폭시킨후각안테나의위상차를이용하여전파원의위치를추적한다. 이때안테나는넓은주파수의전파수신을위해광대역특성과모든방향의전파수신을위해수평 (horizontal) 방향으로는무지향성의복사패턴을수직 (vertical) 방향으로는도넛형태의복사패턴을가져야한다. 특히저주파대역에서는 LNA 소자와의원활한임피던스정합을위해높은입력저항값을가져야한다. 일반적으로방향탐지안테나는다이폴안테나를사용하지만다이폴안테나는동작대역폭이협소하고, 저주파대역의입력저항값을높이기위해크기가커지는단점을가지고있다 [1],[2]. 본논문에서는기존방향탐지안테나의문제점을개선하기위해능동소자인 PIN 다이오드의 RF 스위칭기능을이용하여안테나의전류흐름을조절 [3] 함으로써 folded 다이폴안테나와 disk-loaded 다이폴안테나로형상이변화하는이중대역방향탐지안테나를개발하였다. 개발된안테나는저주파대역 (20~300 MHz) 에서다이폴안테나에비해입력저항이높은 folded 다이폴안테나로동작하여 20~80 MHz에서 LNA와의반사손실성능을개선하였으며, 고주파대역 (300 MHz~1.3 GHz) 에서는 disk-loaded 다이폴안테나로동작하여특정주파수의주빔방향 (θ=90 ) 으로복사패턴의 null이생기는다이폴안테나의단점을개선하였다 [4],[5]. 안테나는저주파대역 (20~300 MHz) 에서 30 cm 다이폴안테나의비해 12 Ω 정도높은입력저항값과 LNA의증폭없이도 10 db 정도높은이득값을가지며, 고주파대역 (300 MHz~1.3 GHz) 에서는전대역에서 -10 dbi 이상의이득값을가지고, 또한 700~1,300 MHz에서 50 cm 다이폴안테나와달리수직방향으로도넛형태를유지하며, 수평방향으로무지향성복사패턴을가진다. Ⅱ. 안테나구조및모델링 그림 1은 folded 다이폴안테나와 disk-loaded 다이폴안테나로동작하는 reconfigurable 안테나의구조로서제작이용이하도록 1.6 mm FR-4 기판 (ε r =4.3, σ=0.04) 에프린트된형태를가지며, 설계변수로는 PIN 다이오드의개수 (N) 와위치 (s), 안테나의높이 (h), 선로폭 (w 1, w 2 ) 및선로사이거리 (d), 디스크의크기 (r) 등이있다. 제안된안테나는 RF on/off 기능을하는 PIN 다이오드를사용하여, 그림 2의전류분포에서와같이 RF on 시저주파대역 (20~300 MHz) 에서는 folded 다이폴안테나로동작하고, RF off 시고주파대역 (300 MHz~1.3 GHz) 에서는 disk-loaded 다이폴안테나로동작한다. 저주파대역에서안테나는 RF on 되어 folded 다이폴안테나로동작하며, 안테나의입력저항값을적절히높이기위해 Siemens사의 BAR64-02W PIN 다이오드를사용하였다 [6]. PIN 다이오드가 RF on으로동작하는순방향이되기위해서는 0.7 V 이상의 DC-bias 전압이인가되어야하며, DC-bias 전압이높을수록 PIN 다이오드내부저항값이낮아져안테나의복사효율은높아지나, LNA와의부정합이증가한다. 고주파대역에서안테나는 PIN 다이오드가 RF off 되어 disk-loaded 다이폴안테나로동작함으로써, 그림 1. 제안된안테나구조 Fig. 1. The proposed antenna structure. 1328
Disk-Loaded 다이폴과 Folded 다이폴로동작하는 Reconfigurable 안테나 (a) RF on 시 200 MHz 에서의전류분포 (a) The current distribution at 200 MHz frequency when the RF switches are turned on (b) RF off 시 800 MHz 에서의전류분포 (b) The current distribution at 800 MHz frequency when the RF switches are turned off 그림 2. 제안된안테나의전류분포 Fig. 2. The current distribution of the proposed antenna. 다이폴안테나가 1 λ 크기이상이되면 side-lobe가발생하고, 약 1.8 λ 이상의크기가되면주빔방향 (θ=90 ) 으로이득 null이발생되는문제점을해결하였다 [7]. 그림 3은 disk-loading시주빔방향 (θ=90 ) 이득특성을보여주며, 주빔방향에서 null이발생하는주파수를동작주파수대역보다높은주파수대역으로이동시켜광대역에서수직방향으로도넛형태의복사패턴이형성되도록하였다. 안테나가저주파대역과고주파대역의이중대역에서동작하도록 PIN 다이오드를사용하여안테나의전기적형상을변화시켰다. 형상변화에사용될 PIN 다이오드는광대역에서적절한역방향과순방향 RF on/off switching 기능을하여야한다. 그러나실제 20 MHz~1.3 GHz의광대역에서적절한 RF on/off switching 기능을단일 PIN 다이오드로는구현이어려워비교적동작주파수대역에서 on/off 특성이좋은다수의상용 PIN 다이오드 (Siemens BAR-64 02 W) 로구현하였다. 적절한 RF on/off 스위치기능을할수있는 PIN 다이오드의개수를알아보기위해 PIN 다이오드개수에따른다이오드를통과한 leakage 전류를분석하였다. 그림 4는 PIN 다이오드 그림 3. 제안된안테나의디스크로딩효과 Fig. 3. The disk-loading effect of the proposed antenna. 를사용하지않았을때흐르는전류의크기대비 PIN 다이오드를통과한 leakage 전류의양을보여주며, leakage 전류가 5 % 미만이되게하는 PIN 다이오드개수는적어도 4개이상이어야함을알수있다. PIN 다이오드의개수를늘이면완전한 RF on/off 기능을하게되고, 같은크기의다이폴안테나가 20 MHz에서 0.1 Ω 입력저항값을갖는것에비해안테나의입력저항값이올라가게되어 20~80 MHz 에서 LNA와의임피던스매칭이유리한장점을가지나, 다이오드내부저항에서의전력손실로그림 5 와같이안테나의복사효율이떨어지는단점이있다. 따라서제안된안테나는일정한복사효율을유 그림 4. PIN 다이오드개수에따른 leakage 전류 Fig. 4. The leakage current depending on the number of the PIN diodes. 1329
韓國電磁波學會論文誌第 18 卷第 12 號 2007 年 12 月 그림 5. PIN 다이오드개수에따른복사효율 Fig. 5. The radiation efficiency depending on the number of the PIN diodes. 지하면서도 RF off 시 leakage 전류를 5 % 미만으로하는 4개의 PIN 다이오드를사용하였다. PIN 다이오드의 DC 급전은안테나입단부윗단에서시작하여위쪽 disk와아래쪽 disk를거쳐안테나입단부아랫단의접지부분으로흐르는구조이며, 안테나의 RF 급전부는 balanced LNA에연결되어동작한다. 이때사용되는일반적인 balanced LNA는각포트에 DC block 캐패시터가포함되어있어 DC 전원이 RF 급전부로흐르는것을차단한다. 이 DC 전원동작원리는그림 6과같이 PSpice를사용한 DC 회로모델링으로나타낼수있다 [8]. PIN 다이오드가순방향이되기위해서는 DC 급전부에서 2.9 V 이상의전압을인가시켜야 4개의다이오드에각각 0.7 V 이상의전압이유지되어단락된스위치로동작할수있다. 순방향최소전압, 안테나복사효율및 DC 전력소모를고려하여 DC 급전부에 3.7 V의전압을인가하였으며, 이때각 PIN 다이오드는약 2 Ω의내부저항값을가진다. 또한, PIN 다이오드의 DC 전압인가시 RF 신호가 DC 전원선로를따라흐르는것을방지하기위하여 6.3 μh 인덕터를각각 3개씩삽입하여 RF 신호가 DC 전원선로에흐르는것을방지하였다. 고주파대역 (300 MHz~1.3 GHz) 에서안테나는 PIN 다이오드로 folding 선로의전류를차단하여 disk-loaded 다이폴로동작하게된다. 하지만그림 1 의구조에서안테나 folding 선로와급전선로의거 그림 6. 제안된안테나의 DC 회로모델 Fig. 6. The DC circuit model of the proposed antenna. 리 (d) 가너무가까워지면, 전기적으로연결되어있지않은 folding 선로에인덕티브결합전류가흐르게되어, 수평방향무지향성복사패턴을유지할수없게된다. 그림 7은선로거리 (d) 를변화하였을때 folding 선로에유도되는전류값으로서, 시뮬레이션을이용한복사패턴해석결과, 수평방향의복사패턴에큰영향을주지않기위해서는 folding 선로의유도전류가 5 mm 거리 (d) 일때의유도전류에비해약 5 % 이하이어야하며, 이때선로사이의거리 (d) 는약 3.7 cm 이상이되어야한다. 제안된안테나의입력임피던스를분석하기위해그림 8과같이등가회로모델링을하였다. 먼저저주파대역 (20~300 MHz) 에서안테나는 PIN 다이오드가 RF on 되어 folded 다이폴안테나로동작한다. 그림 7. 선로거리에따른유도전류변화 Fig. 7. The induced current depending on the distance between the conducting lines. 1330
Disk-Loaded 다이폴과 Folded 다이폴로동작하는 Reconfigurable 안테나 이때안테나는안테나모드와전송선로모드가동시에존재하며, 이두모드가병렬조합되어안테나의입력저항값을높인다. 이를등가회로모델로분석하기위해먼저안테나모드와전송선로를각각의등가회로로구성한후전송선로모드의스위치를단락시켜두모드가병렬연결되도록하였다. 이때전송선로모드의임피던스는 2배그리고안테나모드의임피던스는 4배증가시키는임피던스트랜스포머를사용하였으며, PIN 다이오드내부임피던스는약 8 Ω의저항값을가지게된다. 그림 9 는등가회로를이용하여분석한저주파대역 (20~ 300 MHz) 에서의입력임피던스값이며, 안테나의시뮬레이션임피던스값과등가회로를이용한임피던스값이거의일치하는것을볼수있다. 회로모델에서제안된안테나는 20~80 MHz 주파수대역에서 30 cm 다이폴안테나가약 0.1 Ω의입력저항값을가지는것에비해약 12 Ω 정도높은입력저항값을가지고, 리액턴스또한 0에가까우므로 LNA 와의임피던스정합이매우유리한것을확인할수있다. 고주파대역 (300 MHz~1.3 GHz) 에서안테나는 PIN 다이오드가 RF off 되어 disk-loaded 다이폴안테나로동작한다. 이를등가회로모델로분석하기위해전송선로모드의스위치를개방시킴으로써등가회로가안테나모드로만동작하게하며, 이때안테나모드에서트랜스포머의 n값은 1이되고, PIN 다이오드의내부임피던스는 1.8 pf의커패시턴스값을가지게된다. 그림 10은등가회로를이용한고주 (a) 저주파대역입력저항 (a) The input resistance in low frequency band (b) 저주파대역입력리액턴스 (b) The input reactance in low frequency band 그림 9. 제안된안테나의저주파대역 (20~300 MHz) 입력임피던스 Fig. 9. The input impedance of the proposed antenna in low frequency band. 그림 8. 제안된안테나의등가회로모델 Fig. 8. The equivalent circuit model of the proposed antenna. 파대역에서의입력임피던스로서, 안테나의시뮬레이션임피던스값과등가회로를이용한임피던스값이매우유사한것을볼수있으며, 저주파및고주파대역에서의안테나임피던스특성을그림 8의등가회로모델로정확히나타낼수있음을확인할수있다. 안테나의동작원리를고려한안테나설계변수의세부적인최적화는안테나최적화기법중하나인 Pareto 유전자알고리즘과 FEKO EM 시뮬레이터를이용하였다 [9]~[11]. 설계변수중에서 PIN 다이오드의개수 (N) 는 4개로고정하고, 그외의설계변수 1331
韓國電磁波學會論文誌第 18 卷第 12 號 2007 年 12 月 그림 11. 제작된안테나모습 Fig. 11. The fabricated antenna structure. (a) 고주파대역입력저항 (a) The input resistance in high frequency band 수이며, Cost2는고주파대역 (300 MHz~1.3 GHz) 에서 -10 dbi 이상의이득값을가지고최대한넓은빔폭을가지기위해사용된함수이다. 유전자알고리즘을이용하여최적화된설계변수 (N=4, h=23 cm, s=1.3 cm, w 1=0.35 cm, w 2=0.18 cm, r=4.5 cm, d=4.1 cm) 를사용하여 LNA 부분을제외한안테나를그림 11과같이실제제작하였다. Ⅲ. 성능측정및분석 (b) 고주파대역입력리액턴스 (b) The input reactance in high frequency band 그림 10. 제안된안테나의고주파대역 (300 MHz~ 1.3 GHz) 입력임피던스 Fig. 10. The input impedance of the proposed antenna in high frequency band. 들인각선로의거리 (d) 는 3.7 cm<d<5 cm로안테나의높이 (h) 는 0 cm<h<30 cm로, 디스크의반경은 0 cm<r<5 cm로제한을두어최적화를수행하였다. 최적화시사용된비용평가함수는다음과같다. Cost1=R input E ff Cost2= m i =1 m j=1 (f =20 MHz) Gain( θ i,f j ) (300 MHz < f j <1,300 MHz, 30 <θ i < 150 ) Cost1은저주파대역 (20~300 MHz) 에서높은입력저항과높은복사효율을가지기위해사용된함 실제제작된안테나의성능을측정하기위해반사손실, 주빔방향 (θ=90 ) 이득, 복사효율과복사패턴을광대역에서동작하는 balun을부착하여측정하였으며, 저주파대역에서는제작된안테나와크기가비슷한 30 cm 다이폴과성능을비교하였고, 고주파대역에서는제작된안테나와동일한공진주파수를가지는 50 cm 다이폴안테나와성능을비교하였다. 그림 12는최적화된안테나의측정된반사손실로서, 저주파대역 (20~300 MHz) 에서안테나는 PIN 다이오드가 RF on 되어 folded 다이폴안테나로동작한다. 이때안테나는 23 cm로소형화되었음에도 30 cm 다이폴안테나에비해높은입력저항값을가지며, 낮은주파수인 300 MHz에서공진한다. 고주파대역 (300 MHz~1.3 GHz) 에서안테나는 PIN 다이오드가 RF off 되어 disk-loaded 다이폴안테나로동작하게되며, 약 380 MHz에서공진한다. 그림 13은안테나의주빔방향 (θ=90 ) 에서측정된이득값이며, 반사손실개선으로 30 cm 다이폴안테나의비해약 10 db 이상높은이득값을가지는것을볼수있다. 고주파대역의이득특성및복사패턴특성은동일공진주파수를가지는 50 cm 다이폴안테나와비교하였다. 50 cm 다이폴안테나 1332
Disk-Loaded 다이폴과 Folded 다이폴로동작하는 Reconfigurable 안테나 (a) RF on 시저주파대역반사손실 (20~300 MHz) (a) The return loss in low frequency band when the RF switches are turned on(20~300 MHz) (a) RF on 시저주파대역주빔방향 (θ=90 ) 이득 (20~300 MHz) (a) The gain of a main beam(θ=90 ) in low frequency band(20~300 MHz) (b) RF off 시고주파대역반사손실 (300 MHz~1.3 GHz) (b) The return loss in high frequency band when the RF switches are turned off(300 MHz~1.3 GHz) 그림 12. 제안된안테나의반사손실 Fig. 12. The return loss of the proposed antenna. 가동작주파수내에서주빔방향으로이득값의 null이생기는데반해, 제안된안테나는 disk-loading 효과로 null을동작주파수보다높은주파수대역으로이동시켜고주파전대역에서주빔방향으로방향탐지시스템의요구조건인 -10 dbi 이상의이득을가진다. 그림 14는개선된 wheeler cap 효율측정법 [12] 을사용하여측정된안테나의복사효율 (radiation efficiency) 로서, PIN 다이오드를사용하였음에도고주파대역에서는 90 % 이상의효율값을가지고저주파 (b) RF off 시고주파대역주빔방향 (θ=90 ) 이득 (300 MHz~1.3 GHz) (b) The gain of a main beam(θ=90 ) in high frequency band(300 MHz~1.3 GHz) 그림 13. 제안된안테나의주빔방향 (θ=90 ) 이득 Fig. 13. The gain of a main beam (θ=90 ) of the proposed antenna. 대역에서도일정이상의효율 (30 %, 20 MHz) 을유지하는것을볼수있다 [13]. 그림 15는안테나의복사패턴측정값으로서제작된안테나는 disk-loading 효과로 side-lobe 발생을억제하여, 수직방향복사패턴이 50 cm 다이폴안테나에비해비교적도넛형태의복사패턴을유지하는것을볼수있으며, 수평방향으로무지향성의복사패턴을가진다. 1333
韓國電磁波學會論文誌第 18 卷第 12 號 2007 年 12 月 그림 14. 제안된안테나의복사효율 Fig. 14. The radiation efficiency of the proposed antenna. 그림 16. 제안된안테나의수직방향빔폭 Fig. 16. The beamwidth of the proposed antenna a- long the vertical plane. Ⅳ. 결론 (a) 수평방향복사패턴 (a) The radiation pattern along the horizontal plane (b) 수직방향복사패턴 (b) The radiation pattern along the vertical plane 그림 15. 제안된안테나의복사패턴 Fig. 15. The radiation pattern of the proposed antenna. 그림 16은 -10 dbi를기준으로한안테나의빔폭 (beamwidth) 으로서고주파대역에서대부분 80 이상의빔폭을가짐으로써방향탐지안테나로사용가능함을보여준다. 본논문에서는 PIN 다이오드를사용하여전류의흐름을조절하여 folded 다이폴안테나와 disk-loaded 다이폴안테나로형상이변화하는소형방향탐지용안테나를제안하였다. 안테나는저주파대역 (20~ 300 MHz) 에서 PIN 다이오드가 RF on 됨으로써 folded 다이폴안테나로동작하여높은입력저항값을가지게된다. 이로인해 20~80 MHz에서 LNA와의임피던스정합이유리하게되며, 이를등가회로모델링을통하여확인하였다. 또한, 고주파대역 (300 MHz~1.3 GHz) 에서는 PIN 다이오드가 RF off 됨으로써 disk-loaded 다이폴안테나로동작하여수평방향으로는무지향성의복사패턴과수직방향으로는도넛형태의복사패턴을가지는소형다이폴안테나와유사한복사패턴을가진다. 제안된안테나는크기가축소되었음에도 20~ 300 MHz의저주파대역에서 30 cm 다이폴안테나의비해 12 Ω 정도높은입력저항값을가지며, 이에따른 LNA와의반사손실개선으로인하여 10 dbi 정도높은이득값을가진다. 또한, 300 MHz~1.3 GHz의고주파대역에서는 50 cm 다이폴안테나와달리주빔방향으로 null이발생하지않고고주파전대역에서 -10 dbi 이상의이득과 80 이상의넓은빔폭을가짐으로써미지의전파원을수신하는방향탐지안테나로사용가능함을확인하였다. 1334
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韓國電磁波學會論文誌第 18 卷第 12 號 2007 年 12 月 추호성 1998 년 2 월 : 한양대학교전파공학과 ( 공학사 ) 2000 년 8 월 : 미국 Univ. of Texas at Austin 전자전기공학부 ( 공학석사 ) 2003 년 5 월 : 미국 Univ. of Texas at Austin 전자전기공학부 ( 공학박사 ) 2003 년 6 월 ~2003 년 8 월 : 미국 Univ. of Texas at Austin 전자전기공학부 (Post Doctor) 2003 년 8 월 ~ 현재 : 홍익대학교전자전기공학부조교수 [ 주관심분야 ] 초소형안테나, 최적화알고리즘을이용한안테나설계, RFID 용태그및리더안테나 오이석 1982년 2월 : 연세대학교전기공학과 ( 공학사 ) 1988년 12월 : University of Missouri- Rolla, 전기및컴퓨터공학과 ( 공학석사 ) 1993년 12월 : University ofann Arbor, 전기공학및컴퓨터과학과 ( 공학박사 ) 1994년 3월~현재 : 홍익대학교전자전기공학부교수 [ 주관심분야 ] 전파산란, 마이크로파원격탐사, 안테나 1336