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공학석사학위논문 낮은높이, 광대역특성의 강한결합배열안테나에관한연구 A Study on Low-profile, Wideband Tightly Coupled Array Antenna 2016 년 8 월 서울대학교대학원 전기 정보공학부 이학준
낮은높이, 광대역특성의 강한결합배열안테나에관한연구 A Study on Low-profile, Wideband Tightly Coupled Array Antenna 지도교수남상욱 이논문을공학석사학위논문으로제출함 2016 년 8 월 서울대학교대학원 전기 정보공학부 이학준 이학준의공학석사학위논문을인준함 2016 년 8 월 위원장박남규 ( 인 ) 부위원장남상욱 ( 인 ) 위원서광석 ( 인 )
초 록 낮은높이, 광대역특성의 강한결합배열안테나에관한연구 서울대학교대학원 전기 정보공학부 이학준 본논문에서는낮은높이와광대역특성을가지는강한결합배열 (Tightly coupled array) 안테나의설계및구현을하였다. 최근다목적레이다, 전자전, 통신분야에서낮은높이와광대역, 광조향각특성을동시에가지는배열안테나를필요로하고있다. 이러한배열안테나는 tapered slot antenna (TSA), current sheet array (CSA), connected dipole array 등다양한방식으로연구되어왔지만높은구조, 높은간섭편파, 좁은조향각도등의한계가있다. 본연구에서는추가적인정합회로를필요로하지않으며, i
단층공정의 PCB를이용한낮은높이의광대역, 광조향각특성의강한결합배열 (TCA) 안테나를설계하였다. 낮은높이의배열안테나를얻기위하여, Munk의 TCDA 이론을기반으로 substrate와 superstrate의높이에따라변하는임피던스에대해서분석하였으며각각의높이를정하였다. 그뒤에낮은주파수에서의임피던스정합을위하여단위안테나에수직틈을이용하여안테나임피던스를변화시켰다. 불평형급전을이용한초기모델이정해진뒤에는발생한공통모드와원치않는공진을각각단락기둥과비어구멍을이용하여조절하였다. 제안한구조가무한히배열되어있는경우, 시뮬레이션결과는 broadside로방사할경우 VSWR 2 기준에서 3.38:1 대역폭 (1.97GHz에서 6.66GHz까지 ) 을얻었다. E, H 평면으로 45도기울어방사할경우 VSWR 2.6 기준에서 3.37:1 대역폭 (1.95GHz에서 6.58GHz까지 ) 을가지며, 방사하는각도에상관없이 -18dB이하의낮은간섭편파를유지한다. 제안한배열안테나의접지면으로부터 superstrate의윗부분까지의총높이는가장낮은동작주파수를기준으로 1 / 12.6 파장이다. 8 8 배열의시제품을제작하여이를측정한결과시뮬레이션과부합하는결과를얻었다. 주요어 : Antenna arrays, phased arrays, planar arrays, ultrawideband, unbalanced feeding. 학번 : 2014-22574 ii
목 차 제 1 장서론... 1 제 2 장낮은높이 TCA 이론적배경및설계... 5 2.1. TCDA 개념및등가회로... 5 2.2. 낮은높이 TCA 설계... 8 제 3 장불균형급전을이용한안테나임피던스조절 TCA... 14 3.1. 단락기둥과비어구멍이없는제안된 TCA... 15 3.2. 단락기둥은있으나비어구멍이없는제안된 TCA... 18 3.3. 단락기둥과비어구멍이있는제안된 TCA... 23 3.4. 시뮬레이션결과... 23 제 4 장제안한 TCA 구조의시제품제작및측정결과... 28 4.1. 8 8 시제품제작... 28 4.2. 측정결과... 30 4.3. 이전연구결과물과의비교... 34 제 5 장 Conclusion... 35 참고문헌... 36 Abstract... 39 iii
표목차 [ 표 1] 이전연구들과의성능및특성비교표... 34 그림목차 [ 그림 1] (a) 무한한 CSA의일부분. (b) TEM mode 전파가능한가상의도파관... 5 [ 그림 2] 무한한 TCDA 도식도 (superstrate 와 substrate는포함될수있음 ).... 7 [ 그림 3] TCDA 등가회로... 7 [ 그림 4] 전체높이가 12.1mm로고정되었을때 h sub 에따른 Z g // Z L 그래프... 9 [ 그림 5] Discrete port를이용한 TCDA 단위구조. (a) 안테나의단면도. (b) 접지면과 superstrate 를포함한 TCDA 단위구조. (c) 안테나한쪽의등가회로... 11 [ 그림 6] Z g // Z L 의음의리액턴스 ( 검은실선 ), 자유공간에서다이폴안테나의입력리액턴스 ( 채워진 symbolic 선 ), 접지면과 superstrate가있을때단위안테나의저항과리액턴스 ( 비워진 symbolic 선 )... 12 [ 그림 7] 접지면과 superstrate 가있을때불균형급전선포함되고수직틈이있는단위구조의입력저항과리액턴스.... 13 [ 그림 8] 불균형급전을이용한제안된 TCA 단위구조. (a) 접지면과 superstrate가포함된 TCA 단위구조. (b) 단위안테나의앞면. (c) 단위안테나의뒷면... 14 [ 그림 9] 불균형급전선이포함된제안된 TCA의입력저항과리액턴스... 15 [ 그림 10] 불균형급전선이포함된제안된 TCA의 VSWR... 16 iv
[ 그림 11] 4.13GHz에서의급전기둥과비어구멍이없는제안된 TCA의전류분포. (a) 안테나위. (b) 접지면위. (c) 전류흐름도. 17 [ 그림 12] 6.78GHz에서의급전기둥이있고비어구멍이없는제안된 TCA의전류분포. (a) 안테나위. (b) 접지면위... 20 [ 그림 13] 1.95GHz에서의급전기둥이있고비어구멍이없는제안된 TCA의전류분포. (a) 안테나위. (b) 접지면위. (c) 전류분포도... 21 [ 그림 14] 3.05GHz에서의급전기둥이있고비어구멍이없는제안된 TCA의전류와전기장분포. (a) 안테나앞면에흐르는전류. (b) 윗단면에서본전기장분포. (c) 아랫단면에서본전기장분포... 22 [ 그림 15] E 평면과 H 평면으로조향하여방사할때의 VSWR... 24 [ 그림 16] Broadside로방사할때와조향할때의방사효율... 25 [ 그림 17] 동일편파로방사된전력과간섭편파로방사된전력의비... 27 [ 그림 18] 제작된안테나와 8 8 시제품사진. (a) 안테나 PCB 의앞면. (b) 안테나 PCB의뒷면. (c) Superstrate가없는결합된배열안테나. (d) Superstrate까지결합된배열안테나... 29 [ 그림 19] 측정된 broadside방향으로의방사이득... 31 [ 그림 20] 측정된빔조향시빔패턴... 32 [ 그림 21] 측정된빔조향시방사이득. (a) E 평면. (b) H 평면... 33 v
제 1 장서 론 다목적레이다, 전자전, 5G 통신에서낮은높이를가지면서넓은대역, 넓은조향능력을가지는배열안테나에대한필요성이커지고있다 [1]. 이러한배열안테나는넓은대역에서높은 G/T (gain to noise temperature ratio) 를가져야하고저비용으로구현이가능해야한다 [2]. 이러한이슈를해결하기위하여다양한방식의배열안테나가연구되어왔다. Tapered slot antenna (TSA) 는 ultrawideband를가진다는특성때문에널리연구되어왔다. 5:1의대역폭비를가지는 tapered slot antenna (Vivaldi antenna) 타입이처음으로개발된이후 [3], 접지면이있는변형된 Vivaldi 안테나에대한다양한연구가이루어져왔다. Balanced anitipodal Vivaldi antenna (BAVA) 는기존 Vivaldi antenna에서높은간섭편파를일으키던 slotline에서 microstrip으로의급전전이를개선시켜 4:1 대역폭을얻어냈다 [4]. Doubly mirrored BAVA (DmBAVA) 는원치않는공진들을 E 평면과 H 평면의 mirroring을통하여제거하여 10:1의개선된대역폭을얻어냈다 [5]. Bunny-ear [6], Banyan tree [7] 배열안테나는각각 5:1, 4:1 대역폭을얻어내었다. 그러나이러한 Vivaldi antenna들은높은높이, 높은간섭편파, 또는제한된조향각을가진다는문제가있다. Wheeler가제안한 current sheet array (CSA) 은무한한다이폴안테나의배열이있을때이것을하나의단위다이폴안테나를포함하는 1
도파관으로등가할수있고, 이러한가상의도파관을이용하여특성을해석할수있다 [8]. 더나아가기울어방사할때에무한한 current sheet 의임피던스를해석하였다 [9]. Connected dipole array는 CSA의개념을이용하였으며연결되어있지않은다이폴배열보다임피던스정합에서유리하다 [10]. 자유공간에서 connected dipole array는낮은간섭편파를가지며무한한대역폭을가진다 [11]. 하지만접지면이존재할경우저주파에서심각한공진이발생하여대역폭이 4:1 [12], 40% [13] 정도로감소하였다. 접지면이있을때에도낮은높이의광대역배열안테나를얻기위하여 Munk는 tightly coupled dipole array (TCDA) 를제안하였다 [14]. TCDA는저주파에서접지면의 inductive한성분을주변안테나사이에서발생하는 coupling capacitance를이용하여상쇄하여낮은주파수부터넓은대역폭을얻을수있다. 첫번째구현 [15] 이후, TCDA는두가지방식으로연구가진행되어왔다. Vouvakis 그룹은 planar ultrawideband modular antenna (PUMA) 를제안하였다 [16], [17]. PUMA를설계한논문에서는불균형급전때문에발생하는공통모드를분석하였으며단락기둥을이용하여공통모드주파수를조절하였다. 또한 5:1 대역폭을얻었으며 -15dB 이하의낮은간섭편파를가진다. 배열안테나의전체높이는가장낮은주파수를기준으로 1/10.8λ 정도이나접지면아래에정합회로가존재하여정합회로가동작하기위한공간이존재해야한다 [16]. PUMA를설계하고제작한논문에서는 에서유한 유한으로배열의크기가 2
변할때에대한특성을분석하였으며, 시제품은 3:1의대역폭, 가장낮은주파수를기준으로 1/5.27λ의높이를가진다 [17]. Volakis 그룹에서는 resistive FSS, integrated balun을각각을또는동시에이용에이용한 TCDA를제안하였다 [18] [22]. Resistive FSS를이용하면안테나와접지면사이거리가 1/2λ일때에발생하는공진을피할수있어결과적으로대역폭을약 2배가까이늘릴수있다 [18]. 하지만 resistive FSS에서흡수되는전력소모때문에방사효율이낮아진다. 다층 PCB 공정을이용하여제작된 integrated ultrawideband Marchand balun을사용하여외부 balun을필요로하지않는다. 직사각형단위구조와 Wilkinson 전력분배기를이용하여임피던스정합에유리하며 6.9:1 대역폭, 1/6.65λ 높이를얻었다 [19]. 위에서설명한 TCDA 안테나들은접지면부터 superstrate의윗부분까지의높이가낮은주파수기준 1/10λ정도로낮으나접지면아래에정합회로또는 Wilkinson 전력분배기와같은추가적인정합을위한구조를필요로한다. 따라서배열안테나의총높이는매우낮다고할수없으며접지면아래에추가적인공간이필요하다. 본연구에서는넓은대역과조향각을유지하면서낮은높이를가지는 TCDA를제안한다. 추가적인정합을위한구조가없으며단층 PCB 공정으로만들수있는낮은높이 TCA 안테나에초점을두어연구하였다. 낮은높이배열안테나를얻기위하여 bowtie단위안테나에수직틈을이용하여안테나의임피던스를조절하여저주파에서의입력임피던스정합을이루었다. 불균형급전때문에 3
발생한공통모드공진은단락기둥을이용하여동작주파수대역밖으로 이동시켰으며이웃한단위안테나사이에발생하는강한 coupling 때문에발생한원치않는공진은비어구멍을이용하여제거하였다. 4
제 2 장낮은높이 TCA 의이론적배경및설계 Munk가제안한 TCDA 등가회로에서낮은높이목적의 TCDA의초기설계에대한직관을얻을수있다. 안테나의높이를정하기위하여, substrate의높이에의존하는안테나에서접지면쪽으로바라본임피던스와 superstrate의높이에의존하는그반대방향으로바라본임피던스를해석하였다. 그뒤저주파에서입력임피던스정합을위하여수직틈을이용하여단위안테나의임피던스를조절하였다. 제 1 절 TCDA 개념과등가회로 1948년에 Wheeler에의해서무한한다이폴안테나로구성된 current sheet array 개념이제안되었다 [8]. 영상이론을적용하면그림 1(a) 와같이무한한다이폴안테나배열은그림 1(b) 와같이가상적인도파관안에있는다이폴안테나하나로등가할수있다. [ 그림 1] (a) 무한한 CSA 의일부분. (b) TEM mode 가전파가능한가상의도파관. 5
다이폴안테나와수직한경계는 PEC, 평행한경계는 PMC 인 도파관으로등가가능하다. E 평면 (ϕ=0 ) 과 H 평면 (ϕ=90 ) 으로 조향할때에도파관의특성임피던스는다음과같다 [9]. μ d Z r E E(θ, f =0 ) = η cosθ (1) εr dh μ d 1 Z f (2) cosθ r E H(θ, =90 ) = η ε r d H 여기서 η = 120π 으로자유공간의파동임피던스를의미하고, d E 는 E 평면방향으로의단위구조의길이 (x 방향 ), d H 는 H 평면방향으로의단위구조의길이 (y방향) 을의미한다. 또한 ε r 과 μ r 은도파관안을채우는물질의상대유전율과상대투자율을의미한다. 2003년에 Munk가제안한 TCDA 개념과그등가회로는 CSA 개념을바탕으로한다. 그림 2는무한한 TCDA 나타낸것이다. 넓은대역폭을얻기위해서 Munk는주변안테나사이의틈에서발생하는 capacitance를이용하여저주파에서접지면의 inductive한성분을상쇄한다. 무한한다이폴안테나배열의단위구조 ( 점선안 ) 는그림 3과같이등가가능하다. 단순화하기위해서등가회로와초기설계는오직 broadside (θ=0 ) 로방사한다고가정한다. 6
[ 그림 2] 무한한 TCDA 도식도 (superstrate 와 substrate 가포함될수있음 ). [ 그림 3] TCDA 등가회로. 안테나에서접지면쪽으로들여다보는임피던스 (Z g ) 는특성임피던스가 Z sub 인단락된전송선로로모델링할수있으며, 같은방식으로안테나에서접지면의반대쪽으로들여다보는임피던스 (Z L ) 는특성임피던스가 Z sup 이고 Z 0 으로종단된전송선로로모델링할 7
수있다. 따라서이러한임피던스를전송선로이론을통해서구해보면 다음과같다. Z jz tan β h = (3) g sub sub sub Z L = Z sub Z Z 0 + jz + jz sup sup 0 tanβ tanβ h h sup sup sup sup (4) 여기서 β sub 과 β sup 은 substrate와 superstrate를지나는 TEM mode의전파상수를의미한다. 등가회로에서다이폴의 inductance는 L dipole 으로등가되었고이웃다이폴사이의틈에서발생하는 coupling capacitance는 C coupling 으로등가되었다. 따라서안테나의임피던스와입력임피던스는 Z ant = jωl dipole + 1/jωC coupling, Z in = Z ant + jωl dipole + 1/jωC coupling 임을알수있다. 제 2 절낮은높이 TCA 설계 낮은높이의광대역안테나를구현하기위해서는저주파에서부터시작하는광대역에서입력저항이 50Ω에가까워야하고입력리액턴스가 0Ω에가까워야한다. 등가회로에서 Z g // Z L 의저항성분은입력저항과같으므로 50Ω에가까워야임피던스정합에유리하다. 또한단위안테나는등가회로에서직렬공진기로등가되기때문에동작주파수내에서음의 Z g // Z L 의리액턴스성분이양의기울기를가져야입력리액턴스가 0Ω에가까워질수있다. 8
안테나의임피던스를고려하기전에 substarte와 superstrate의높이에대해서분석하고결정한다. 정사각형단위구조를이용한다고가정하고 (d E = d H ), substrate로자유공간을이용한다고하면 (ε sub = 1), 식 (1) 또는 (2) 에서 Z sub = Z 0 = 377Ω임을얻을수있다. 마찬가지방식으로 superstrate에 ε sup = 3.48인유전체를사용한다고가정하여전송선로의특성임피던스를구해보면 Z sup =202Ω임을얻을수있다. 배열안테나의총높이 (h sub + h sup ) 를 12.1mm라고고정하고 h sub 길이를변화시켜가며본 Z g // Z L 의저항부, 음의리액턴스그래프는그림 4와같다. [ 그림 4] 전체높이가 12.1mm 로고정되었을때 h sub 에따른 Z g // Z L 그래프. 9
h sub 가커질때 Z g // Z L 의저항부가커지고음의리액턴스부는양의기울기를가지는대역이넓어진다. h sub = 9mm, 12mm일때에는저항부가너무크기때문에임피던스정합에적합하지못하다. h sub = 3mm 일때에는저항부가 50Ω에매우가까우나양의기울기를가지는음의리액턴스부가협대역에서나타나고뿐만아니라급전선이짧아광대역에서정합을하기적합하지않다. 따라서 h sub = 6mm, h sup = 6.1mm 으로정하였다. 그림 5(a), (b) 에 CST [25] 를이용하여시뮬레이션한 discrete 급전을이용한간단한 TCA모델이구현되어있다. 안테나의기판은두께 0.254mm, 유전율 2.2, 손실탄젠트 0.001인 Rogers RT/Duroid 5880을이용하였고, superstrate는두께 6.1mm, 유전율 3.48, 손실탄제트 0.0037인 Rogers 4350B 기판을이용하였다. 앞선선행논문들의경우단위안테나로모두 bowtie형태의다이폴안테나를사용했지만여기서는그림 5(a), (b) 와같이전형적인 bowtie형태에수직틈을내어입력임피던스를조절하였다. 그림 5(c) 에 bowtie형태에수직틈을낸안테나의등가회로를나타내었다. 수직틈때문에생기는 capacitance는 C v.gap 으로표현할수있으며이것은 C coupling 과직렬로더해져전체 capacitance는감소한다. 따라서저주파에서안테나의입력리액턴스가떨어진다. 10
[ 그림 5] Discrete port 를이용한 TCDA 단위구조. (a) 안테나의단면도. (b) 접지면과 superstrate 를포함한 TCDA 단위구조. (c) 안테나한쪽의등가회로. 그림 6은시뮬레이션을이용한임피던스그래프이다. 예상대로안테나가자유공간에있을때의 bowtie 안테나에수직틈이있는경우가수직틈이없는경우보다저주파에서리액턴스값이떨어졌으며음의 Z g // Z L 리액턴스에가까워진것을확인할수있다. 결과적으로안테나주변에 superstrate와접지면이있는경우, 수직틈이있는경우가없는경우보다 2GHz부터시작하는주파수대역에서리액턴스값이 0에더가까운것을확인할수있다. 수직틈이있는경우리액턴스가부드럽게변하므로이것은낮은 Q-factor를의미하고, 따라서입력저항이낮아져저주파에서임피던스정합에유리하다. 그러므로수직틈이있는 TCA 안테나가기존 TCA 안테나보다낮은높이에적합하다고볼수있다. 11
[ 그림 6] Z g // Z L 의음의리액턴스 ( 검은실선 ), 자유공간에서다이폴안테나의입력리액턴스 ( 채워진 symbolic 선 ), 접지면과 superstrate 가있을때단위안테나의저항과리액턴스 ( 비워진 symbolic 선 ). 그러나 discrete 급전을이용한모델은실제로구현할수없기때문에완벽한설계라고할수없다. 따라서급전선까지구현한완벽한설계가필요하다. 만약뒤에서소개될구조의급전선을그대로쓸경우그림 7의그래프에서볼수있듯 4GHz에서직렬공진이발생하며이공진주파수에서대부분의입력전력이반사된다. 이공진은공통모드때문에발생하며 [24] 에서이러한공통모드에대해서분석했다. 다층 PCB 공정을이용하여동작주파수의최고주파수에서반파장정도되는길이의급전선을이용하면공통모드를동작주파수대역밖으로이동시킬수있다 [24]. 하지만우리에게주어진길이는그것보다 12
제한적이며우리는단층 PCB 공정을이용하려하기때문에이러한 방법은이용할수없다. 따라서공통모드를제거하기위해단위 안테나의모양을변화시켰다. [ 그림 7] 접지면과 superstrate 가있을때불균형급전선포함되고수직틈이있는단위구조의입력저항과리액턴스. 13
제 3 장불균형급전을이용한 안테나임피던스조절 TCA 그림 8 은제안한낮은높이, 광대역 TCA 의설계도이다. [ 그림 8] 불균형급전을이용한제안된 TCA 단위구조. (a) 접지면과 superstrate 가포함된 TCA 단위구조. (b) 단위안테나의앞면. (c) 단위안테나의뒷면. 안테나기판과 superstrate는앞에서언급했던기판을사용하였다. 단위구조의크기는 18mm X 18mm 이며전체높이는 12.1mm 이다. Stepped 임피던스선을이용하여불균형급전선을설계하였다. 한쪽의 14
전송선은 50Ω 동축케이블로연결되며, 다른한쪽의전송선은접지면으로연결된다. 제안된단위안테나는공통모드를조절할수있는단락기둥과원치않는공진을제거할수있는비어구멍을포함한다. 아래의절에서는위에서설명한공진들에대한분석을하였으며, 단락기둥과비어구멍이어떻게동작하는지에대한내용을설명하였다. 제 1 절단락기둥과비어구멍이없는제안된 TCA 그림 9는불균형전송선을이용한제안된 TCA의입력임피던스그래프이다. 그림 10은기준임피던스를 50Ω으로하였을때 VSWR을나타낸그래프이다. [ 그림 9] 불균형급전선이포함된제안된 TCA 의입력저항과리액턴스. 15
[ 그림 10] 불균형급전선이포함된제안된 TCA 의 VSWR. 앞장에서언급했듯, 단락기둥과비어구멍이없는경우직렬공진이발생하며 (4.13GHz) 그주파수에서 VSWR이매우높은값을가진다. 4.13GHz에서의전류분포는그림 11과같이나타난다. 안테나위에서전류는그림 11(a) 와같이검은색실선을따라반대방향으로흐른다 ( 공통모드 ). 접지면위에서는그림 (b) 와같이검은색점선을따라서급전선으로부터발산과수렴을반복하며단위구조의경계에서는전류가흐르지않는다. 전류가흐르는길이가한파장이될때에직렬공진이발생한다. 그림 11(c) 에나타난전류흐름도식도는전류가어떻게한파장이되는지와급전선종단부의상대적인위치를보여준다. 16
[ 그림 11] 4.13GHz 에서의급전기둥과비어구멍이없는제안된 TCA 의전류분포. (a) 안테나위. (b) 접지면위. (c) 전류흐름도. 17
불균형급전선을이용했기때문에접지면위의전류경로가전체경로에추가되어전체전류경로의길이가증가한다. 따라서균형급전선을썼을때에는동작주파수보다높은주파수에서발생했을공통모드가불균형급전선을이용하여동작주파수대역안에서발생하였다. 전류가안테나위를흐를때에유효유전율은다음과같이근사할수있다 [26], 1 ε (1 ε ) 2 re = + r. (5) 여기서 ε r 은유전체의상대유전율 (2.2) 이다. 따라서안테나 기판의 ε re 는 1.6 이다. 이값을이용하여공진을분석해보면 ε re 그림 11(a) 에서검은실선의길이 (39.3mm) + 그림 11(b) 에서검은 점선의유효길이 (20.6mm) = 70.3mm 로 4.13GHz 에서한파장인 72.6mm 와비슷한길이임을알수있다. 제 2 절단락기둥이있고비어구멍이없는제안된 TCA 이전의경우에단락기둥을추가한경우, 그림 9 에서알수있듯 1.95GHz 에서병렬공진이 3.05GHz 와 6.78GHz 에서직렬공진이 발생한다. 그결과, 그림 10 의 VSWR 에서 3 개주파수에서최고점이 발생한다. 18
먼저 6.78GHz에서발생하는직렬공진은앞절에서설명한공통모드에의해서발생한다. 그림 12은직렬공진에서의전류분포를나타낸다. 그림 11(a) 와비교해보면전류가흐르는경로가안테나위에서더짧아진것을확인할수있다. 또한접지면위에서전류흐름이단락기둥에의해서안테나기판의수직방향으로만흐르도록제한되며단위구조의위, 아래가장자리에서는전류가흐르지않는다. 전류가흐르는전체경로가짧아지기때문에직렬공진이일어나는주파수가 4.13GHz에서 6.78GHz로높아졌다. 경로길이를이용하여공진을 분석해보면 ε re 12(a) 에서검은실선의길이 (23.3mm) + 12(b) 에서검은점선의길이 (18mm) = 47.5mm로 6.78GHz에서의파장인 44.2mm와유사하다. 1.95GHz에서의병렬공진은단락기둥이만드는닫힌전류고리때문에발생한다. 이러한닫힌전류고리는영상전류가만드는경로를포함한다 [7]. 그림 13은병렬공진에서의전류흐름을나타낸다. 그림 13(a) 는안테나위에서의전류흐름이며그림 13(b) 는접지면위에서의전류흐름을나타낸다. 그림 13(c) 는전류흐름도식도이며접지면에흐르는전류가영상전류로표현할수있음을나타낸다. 마찬가지로 공진을분석해보면 2 ε re 13(a) 에서검은실선의길이 (29.7mm) = 75mm 로 1.95GHz 에서반파장인 76.9mm 와유사하다. [16] 에서설명한대로 13(c) 의 capacitance 가공진점을더낮게 만든다고하였는데이런내용을반영하면더욱가까워질것으로보인다. 19
[ 그림 12] 6.78GHz 에서의급전기둥이있고비어구멍이없는제안된 TCA 의전류분포. (a) 안테나위. (b) 접지면위. 20
[ 그림 13] 1.95GHz 에서의급전기둥이있고비어구멍이없는제안된 TCA 의전류분포. (a) 안테나위. (b) 접지면위. (c) 전류분포도. 21
3.05GHz에생기는직렬공진은이웃단위안테나간의강한상호결합때문에발생한다. 그림 14는 3.05GHz에서의전류분포와전기장분포를보여준다. 그림 14(a) 에서알수있듯대부분의전류는단락기둥에집중되어있다. 또한그림 14(b), (c) 에서이웃안테나사이의전기장이안테나기판밖보다매우강하게걸리는것을볼수있다. [ 그림 14] 3.05GHz 에서의급전기둥이있고비어구멍이없는제안된 TCA 의전류와전기장분포. (a) 안테나앞면에흐르는전류. (b) 윗단면에서본전기장분포. (c) 아랫단면에서본전기장분포. 22
제 3 절단락기둥과비어구멍이있는제안된 TCA 비어구멍을추가하여이웃단위안테나사이에발생하는강한상호결합을완화시켰다. 따라서그림 9와 10에서볼수있듯비어구멍이없을때 3.05GHz에생기던직렬공진을비어구멍을추가하여제거하였다. 단락기둥과비어구멍은공통모드공진과원치않는상호결합공진을조절하는역할뿐아니라임피던스정합에도영향을미쳐동작주파수에서 VSWR이 2 이하로유지된다. 제 4 절시뮬레이션결과 제안된 TCA의성능은 CST를이용하여시뮬레이션되었으며, 넓은대역폭, 낮은높이, 낮은간섭편파를가진다. 자세한성능은다음과같다. 그림 15는 E, H 평면으로조향할때의 VSWR을보여준다. 그림 15(a) 에서 broadside로방사할때의 VSWR < 2 기준대역폭은 3.38:1 (1.97GHz 부터 6.66GHz까지 ) 이며 E 평면 45 까지조향하여방사할때 VSWR < 2.2 기준으로대역폭을얻을수있다. 그림 15(b) 에서 H 평면 45 까지조향할때에는 VSWR < 2.6기준으로 3.37:1 (1.95GHz부터 6.58GHz까지 ) 대역폭을가진다. 따라서배열안테나의전기적높이는가장낮은주파수를기준으로 1/12.6λ이다. 23
(a) (b) [ 그림 15] E 평면과 H 평면으로조향하여방사할때의 VSWR. 24
그림 16은무한한배열의방사효율을나타낸다. 방사손실은유전체와금속에서의손실을포함하며시뮬레이션결과 E 평면과 H 평면으로방사할때모두동작주파수내에서 0.4dB이하로나타났다. 45 보다작은조향각도들은 broadside와 45 조향하는경우손실값의사이에나타났기때문에생략했다. 그림 16. Broadside 로방사할때와조향할때의방사효율. 25
그림 17은단위격자에서간섭편파로방사된전력과동일편파로방사된전력의비를나타낸다 (Ludwig의 3번째정의 [27] 이용 ). 그림 17(a) 은 E 평면으로조향할때의비를나타내며간섭편파가동일편파에비해대부분의대역에서 -20dB이상낮은것을보여준다. 그림 17(b) 는 H 평면으로조향할때의비를나타내며간섭편파가동일편파에비해대부분의대역에서 -15dB이상낮은것을보여준다. 그래프가낮은주파수에서튀어오르는이유는고리모드공진때문이며, 이런현상은 [16] 에서도나타난다. 고리모드에서는공통모드처럼전류가반대로흐르게되는데이에따라서동일편파로방사하는전력의양이감소하기때문이다. 전체적으로보았을때, 제안한 TCA는동작주파수대역에서낮은간섭편파를가지는것을확인할수있다. 26
(a) [ 그림 17] 동일편파로방사된전력과간섭편파로방사된전력의비. (a) E 평면조향. (b) H 평면조향. (b) 27
제 4 장제안한 TCA 구조의 시제품제작및측정결과 제 1 절 8 8 시제품제작 그림 18과같이 8 8 시제품을제작하였다. 그림 18(a), (b) 와같이 64개의단위안테나가 8개의 PCB 기판에구현되었다. 배열안테나의시제품은 200 mm 200mm 알루미늄판위에제작되었다. 알루미늄판위에같은크기의 1/2 oz 구리가도금된 0.2mm 두께 FR-4 기판을사용하여안테나와납땜이가능하도록하였다. 그림 18(c) 과같이안테나 PCB들을 SMA 커넥터에급전선, 접지면에단락기둥을납땜하였다. Superstrate는 2.1mm, 4mm 두층으로제작하였다. 2.1mm 층은알루미늄판과같은크기로제작하였으며안테나 PCB와 4mm 층위에놓여진다. 4mm 층은 9개의조각으로나뉘어안테나 PCB 사이에놓여지며 6mm 나일론스페이서위에놓여진다. 나일론스페이서는 FR-4 기판위에놓여나일론볼트로 superstrate와접지면을연결시켜주는역할을한다. 완성된 TCA 안테나는그림 18(d) 와같다. 28
(a) (b) (c) (d) [ 그림 18] 제작된안테나와 8 8 시제품사진. (a) 안테나 PCB 의앞면. (b) 안테나 PCB 의뒷면. (c) Superstrate 가없는결합된배열안테나. (d) Superstrate 까지결합된배열안테나. 29
제 2 절측정결과 배열안테나시제품의방사패턴은무반향실에서측정되었다. Unit excitation active element pattern (UEAEP) 방식을이용하여측정하였다. UEAEP 방식에따르면모든단위안테나들에대해서급전할하나의단위안테나이외의안테나들에 50Ω 종단기를각각연결시키고상호간섭을포함한패턴을측정한다. 그뒤, 조향각도를고려한후처리를이용하여전체패턴을구할수있다. 전체배열의전기장패턴은다음의식으로부터구할수있다 [28]: N å E(θ, f) = V g (θ, f) (6) i= 1 i i 여기서 V i 는 i번째안테나에급전하는전압의복소수값, N은배열안테나의개수, g i (θ, ϕ) 는 i번째안테나에급전했을때의전기장복소수값을의미한다. 이득의이론적한계값은 4πA/λ 2 식을따른다. 전체면적일경우 A는 400cm 2 을대입하였고안테나면적일경우 207.36cm 2 을대입하였다. 측정된이득은시뮬레이션값과동작주파수내에서약 2dB 이내의차이를보이며잘일치하였다. 또한간섭편파이득은동일편파보다 18dB 이상작게측정되었다. 30
[ 그림 19] 측정된 broadside 방향으로의방사이득. 그림 20은 E 평면과 H 평면으로조향할때의측정된방사패턴이다. 정규화된값이며 2GHz, 4GHz, 6GHz에서의시뮬레이션값과측정값을비교하였다. 시뮬레이션된패턴은 8 모델을이용하여얻은값이다. 측정값과시뮬레이션값이잘일치하며대부분의패턴에서간섭편파의이득이 -20dB이하고부모드가 -10이하로측정되었다. 예상대로높은주파수에서빔폭이좁아졌으며조향각이커질때에빔폭이넓어졌다. E 평면과 H 평면모두 45도까지정확히원하는곳을조향할수있음을알수있다. 31
[ 그림 20] 측정된빔조향시빔패턴. 32
그림 21은주파수에따른이득변화를나타낸다. 빔을조향할때이득이감소하는데, 이러한경향은빔조향시빔폭이넓어지는것과 VSWR이증가하는것때문이다. 그러나조향할때에도동작주파수내에서 broadside로방사할때와비교했을때 4dB이내로이득이유지된다. (a) (b) [ 그림 21] 측정된빔조향시방사이득. (a) E 평면. (b) H 평면. 33
제 3 절이전연구결과물과의비교 동작주파수 (GHz) [ 표 1] 이전연구들과의성능및특성비교표 This [17] [19] [20] [21] [22] work 1.97 ~ 6.66 7 ~ 21 0.71 ~ 4.9 0.29 ~ 4.03 0.6 ~ 3.6 0.29 ~ 3.9 대역폭비 3.38 : 1 3 : 1 6.9 : 1 13.9 : 1 6 : 1 13.1 : 1 전체높이 ( ) Designed Balun Resistive FSS 1 / 12.6 1 / 5.27 1 / 6.65 1 / 8.92 1 / 5.81 1 / 8.48 X X O O O O X X X O X O Layer Single Multi Multi Multi Multi Multi 표 1에서본연구에서제안한배열안테나와이전연구들과의특성및성능을비교하였다. 제작되었고외부 balun이필요하지않은연구들과비교하였다. 제안된안테나는대역폭이다른결과에비해좁으나높이측면에서크게낮추었으며, balun을디자인하거나 Resistive FSS를사용하지않았다. 또한단층 PCB 공정을사용하여저비용으로제작할수있다. 34
제 5 장결 론 본연구에서는넓은대역, 조향각을가지며동시에낮은높이에집중한배열안테나를제안하였다. 수직틈을이용하여임피던스가조절된안테나는낮은높이배열안테나에적합하다는것을확인하였다. 불균형급전을사용하여발생한공통모드는단락기둥으로조절이가능하다는것을확인하였으며, 강한상호결합때문에발생한공진은비어구멍을이용하여제거할수있다. 결과적으로제안된안테나는단층 PCB 공정을이용하여제작할수있으며, 동작주파수의가장낮은주파수를기준으로 1/12.6λ의높이를가진다. 이것은 3.37:1의대역폭을가지며 E 평면과 H 평면으로 ±45 각도까지조향이가능하다. 본연구에서제안한 TCA안테나는저비용으로쉽게제작가능함, 넓은대역폭, 낮은높이의장점을가지기때문에다목적레이다, 전자전, 무선통신에적합할것으로보인다. 35
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Abstract A Study on Low-profile, Wideband Tightly Coupled Array Antenna Hakjune Lee Department of Electrical and Computer Engineering The Graduate School Seoul National University In this paper, low profile, ultrawideband tightly coupled dipole array antenna is designed and implemented. Recently, low-profile array with wide band and wide scan ability are necessarily for multi-functional radar, electronic warfare (EW), and communication. That array antenna have been widely studied of various type of arrays, for instance, tapered slot antenna (TSA), current sheet array (CSA), connected dipole array, however those arrays have problems of high profile, high cross polarization, and/or limited scanning angle. In this work, low profile, ultrawideband phased array which is implemented by single layer PCB process is presented without any additional matching structure. To obtain a low profile array antenna, 39
we analyze the embedding impedances depending on height of substrate and superstrate, respectively, and decide the heights, based on Munk s TCDA theory. Then the antenna impedance is controlled by vertical gap for impedance matching at low frequency. After the initial model that uses unbalanced feeding line is determined, the common mode and undesired resonances are adjusted to be located out of the band by shorting posts and via holes, respectively. The simulation results of the infinite infinite arrays show 3.38:1 bandwidth (from 1.97 GHz to 6.66 GHz) under broadside radiation condition, subject to VSWR 2. When scanned to 45 in the E-, H- planes, the arrays operate 3.37:1 bandwidth (from 1.95 GHz to 6.58 GHz), subject to VSWR 2.6, with the low cross-polarization of < -18 db over the operation band in all directions. The overall height of the proposed array from ground plane to top of the superstrate is 1/12.6 λ at the lowest frequency. An 8 8 element prototype of the proposed array antenna has been implemented and measured. Measured results are presented and showing good agreement with simulations. Keywords : Antenna arrays, phased arrays, planar arrays, ultrawideband, unbalanced feeding. Student Number : 2014-22574 40