불연속 λg/4 정합 스터브를 갖는 이중급전 개구결합 마이크로스트립 안테나에 관한 연구 = (A) study on discontinuous λg/4 matching stub of aperture coupling microstrip antenna with dual feeding
저자
발행사항
서울 : 연세대학교 대학원, 2003
학위논문사항
학위논문(석사)-- 연세대학교 대학원: 전기전자공학과 2003. 2
발행연도
2003
작성언어
한국어
주제어
KDC
568.3 판사항(4)
발행국(도시)
서울
형태사항
vii, 63p. : 삽도 ; 26 cm.
일반주기명
지도교수: 윤영중
소장기관
본 논문에서는 같은 크기의 개구를 갖는 기존의 개구결합 마이크로스트립 안테나보다 결합도를 증가시키면서 정합이 용이한 불연속 정합 λ g/4 스터브를 갖는 이중 급전 개구결합 마이크로스트립 안테나에 대해서 제안한다. 개구결합 마이크로스트립 안테나의 급전선로 종단은 개방되어 있기 때문에 전반사파로 인한 정재파가 발생한다. 이를 제거하기 위해서 개구의 위치에서 종단된 급전선로를 λ g/4 만큼 증가시켜 입사파와 반사파가 180°의 위상차를 갖도록 함으로써 두 성분을 서로 상쇄되도록 설계하였다. 또한 제안된 불연속 λ g/4 정합 스터브는 개구에서 바라본 패치의 입력 임피던스와 급전선로가 갖는 임피던스의 정합을 위한 스터브역할을 하기 때문에 급전선로가 높은 임피던스를 갖도록 설계하여 개구의 결합도를 증가시킬 수 있다. 이런 개구의 결합도 증가는 임피던스 대역폭을 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 개구결합 마이크로스트립 안테나와 같은 크기의 개구를 비교할 때 더 높은 결합도를 갖게됨으로써 개구의 크기를 줄일 수 있게 되고, 이는 공진기처럼 작용하는 개구의 후방사를 저감시킬 수 있게된다. 그리고 설계된 안테나 패치는 유전층으로 인한 표면파의 방사손실 및 교차 편파를 낮추기 위해inverted 되도록 설계하고, 유전층은 안테나를 보호한 레이돔 역할을 하도록 설계하였다.
설계된 마이크로스트립 안테나는 위성통신 송수신 서비스 대역 12.5 GHz (하향 주파수)와 14.25 GHz (상향 주파수)에서 동작하는 불연속 λ g/4 정합 스터브를 갖는 단일 이중급전 개구결합 마이크로스트립 안테나를 설계하였고, 시뮬레이션 결과 VSWR<2에서 각각 14.28 %, 17.58 %의 임피던스 대역폭과 -75dB 이하의 격리도를 갖는다. 시뮬레이션 결과에 의해 타당성이 검증된 단일 안테나를 2×2 배열 확장하고 제작 및 측정결과를 살펴보았다.
측정된 안테나의 대역폭은 각각 포트에서 VSWR<2를 기준으로 2.15 GHz 및 2.2 GHz를 나타냈으며, 중심 주파수에서 각각 23.8 %와 16.1 %로 광대역의 대역폭 특성을 얻었다. 또한 두 급전선간 격리도는 각각의 대역에서 -25dB 이하의 격리특성을 보였다. 방사 패턴을 측정한 결과, 포트 1에서 12.25GHz로 동작하는 안테나의 빔폭은 E-plane과 H-plane에서 각각 38。와 40°의 값을 나타냈으며, 교차편파는 E-plane과 H-plane에서 각각 -22dB 이하의 값을 갖는다. 포트 2에서 14.25 GHz로 동작하는 안테나의 빔폭은 E-plane과 H-plane에서 각각 52°와 30°의 값을 나타냈으며, 교차편파는 E-plane과 H-plane에서 각각 -18 dB 이하의 값을 갖는다.
본 논문에서 위성통신 송수신 겸용을 위한 광대역 이차원 배열 안테나를 제안하고 그 성능을 확인하였다. 이는 단말기의 소형화에 효과적으로 이용될 수 있으며, 광대역의 신호를 송수신이 가능하므로 하나의 단말기를 가지고 복수 서비스를 가능함에 따라서 실용화 기술 측면에서도 효과적으로 이용될 수 있을 것이다.
In this paper, discontinuous λ g/4 matching stub of aperture coupling microstrip antenna with dual feeding is proposed and demonstrated experimentally to improve impedance matching between impedance of patch and impedance of microstrip feeding line.
Due to opening of microstrip feeding line termination, microstrip feeding line produces the standing wave. For eliminating this, the proposed antenna is designed for the incident and reflected wave to be canceled by having 180˚phase difference through the increasing feeding line in the opening by λ g/4 And because the proposed discontinuous λ g/4 matching stub functions as the stub for the impedance matching between the input impedance of the patch from aperture and that of transmission line, transmission line is designed to have a large impedance to increase the coupling in aperture. This increasement the coupling can improve the impedance bandwidth. Moreover this can reduce the size of aperture due to the more coupling and decrease the backward radiation.
The patch antenna is inverted. To radiate efficiently, an antenna must be built on a thick substrate of low permittivity material(air), avoiding field concentration within the substrate. On the other hand, printed circuitry requires a thin high-permittivity substrate to avoid radiation. To obtain optimal performance, the two functions must be separated. This is realized with a sandwich structure that combines the advantages of air material with non-resonant aperture coupling and broading techniques, called inverted patch antenna.
The dual-feeding aperture coupling microstrip antenna with discontinuous λ g/4 matching stub which is designed to satellite communication operate simultaneously at 12.5GHz and at 14.25GHz. The simulated impedance bandwidths of the proposed single antenna for the VSWR<2 are from 11.5 to 13.25GHz (14.28%) for the port 1 and from 13.20 to 15.8GHz (17.58%) for the port 2. The isolation is generally less than -75 over the operation band. After the proposed singe microstrip antenna extends 2×2 array, the experimental results show that the resonance frequencies are 12.5GHz and 14.25GHz, respectively, and bandwidths are 2.15GHz and 2.2GHz, which are the beyond required in the satellite communication. The return losses are less than -20dB and the isolations between two feeding ports are less than -25dB at the resonance frequencies.
In conclusion, this paper would be a good reference for designing planar antenna for generating orthogonal polarization and for the related research field.
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