마이크로스트립 원형패치 안테나 설계

목차

Ⅰ. 서 론
1. 마이크로스트립 패치 안테나의 필요성
2. 목 표

Ⅱ. 본 론
1. 이 론
- 원형 패치 설계공식
- 입력 임피던스
2. 시뮬레이션 (software : CST MicroWave Studio 5)
2.1 구조 설계
- 기본 구조
- 원형 패치의 크기 설계
2.2 CST　시뮬레이션
- a= 15.625mm, 50 선로에서의 대략적인 특성 살펴보기
- ramda/4 트랜스포머를 달아준 이후의 원형 패치 안테나 특성
- a = 14.5 mm 일 때의 안테나 특성
- a = 14.4 mm 일 때의 안테나 특성
- 방사 패턴
- Axial Ratio

Ⅲ . 결 과
1. 분석 및 고찰

본문내용

치 안테나의 필요성
보통 300Mhz 대역 이상이 되면 점차 일반 PCB가 아닌 Microstrip구조를 고려하게 된다. 900Mhz 정도 면 Microstrip 구조의 회로를 주로 생각해야 되지만, 이런저런 이유로 회로구조가 아주 작다면 Microstrip가 아닌 일반 PCB 형태로 만들기도 한다. 그렇지만 Ghz대역을 넘어서기 시작하면 어떤 식으로든 Microstrip형태가 아니면 구현이 매우 어려워진다. 따라서 Microstrip 구조의 안테나를 쓰는 이유를 다음 세가지로 정리할 수 있다.
1) 고주파에선 신호선과 GND 사이에 대부분의 에너지가 집중된다.
2) 신호선과 GND 관계를 명확하게 고정하고 설계하기 위한 기판구조가 필요하다.
3) Microstrip 선로 구조가 아니면 고주파 필드 에너지를 모아서 보내기 힘들다.
최근에는 PC의 CPU도 거의 Ghz대에 도달하고, 100Mhz의 패스트 이더넷말고도 그다음 규격인 300Mhz, 수백Mhz대의 시리얼 버스규격인 IEEE1394등 현재 연구중인 이런 분야에서도 정상적인 전자회로 설계로는 정확한 동작을 기대하기 힘들기 때문에, 점차 Microstrip 형태의 기판구조로 가고 있는 추세이다.
2. 목 표
본 연구는 공진주파수는 2.6GHz, 주파수대역이 2.535GHz∼2.655GHz인 무선 CATV에 사용 될 안테나를 설계하여 시뮬레이션 하는 것을 목적으로 한다. CATV와 비슷한 조건의 디바이스들에 사용 될 안테나를 제작하기 위하여 작고 가볍고 배열과 집적이 쉬운 안테나를 설계하여 제품의 공간 확보 및 디자인에 유용성이 있도록 할 필요가 있다. 이와 같은 조건을 만족시키는 안테나 중 가장 적합한 것으로 마이크로스트립 패치 안테나를 선택하였으며, 이 중에서도 원형 패치 안테나를 선택하여 설계하였다.
◈ 공진 주파수 : 2.6GHz
◈ Bandwidth : 2.535GHz ~ 2.655GHz
Ⅱ. 본 론
1. 이 론
h : 기판 높이
t : 금속 두께
: 유전율
● 원형 패치 설계공식 (h는 cm단위)
a : 원형 패치의 반지름
f : 중심 주파수
● 입력 임피던스 (TM110 mode)
2. 시뮬레이션 (software : CST MicroWave Studio 5)
2.1 구조 설계
< 기본 구조 >
h : 5 mm
w : 40 mm
l : 60 mm
< 원형 패치의 크기 설계 >
: 4.5
f : 2.6GHz
∴ a : 15.625 mm
2.2 CST　시뮬레이션
1) a= 15.625mm, 50 선로에서의 대략적인 특성 살펴보기
< s11 그래프 > < 스미스 차트 >
<임피던스(real) 그래프> <임피던스(imaginary) 그래프>
위의 네 그래프에서 볼 수 있듯, 중심주파수인 2.6GHz 에서의 s11 은 -5dB이하의 값을 나타내고 있고 임피던스(real)값은 342.5 임피던스(imaginary)값은 -17.37값을 나타내고 있다. 이는 원형 패치의 크기는 적절하게 설계되었으나 임피던스 매칭이 되어있지 않다는 의미이다. 따라서 임피던스 매칭을 시켜주기 위하여 rfdh.com의 tool을 이용하여 트랜스포머의 수치를 계산하였다.
● 트랜스포머의 설계

w = 0.804 mm
= 16.33 mm
2) 트랜스포머를 달아준 이후의 원형 패치 안테나 특성
< s11 그래프 > <임피던스(real) 그래프>
위의 s11 그래프와 임피던스 그래프를 보면 임피던스(real)값은 정확히 50에 일치 되었으나 s11은 원하는 중심주파수보다 더 낮은 주파수에서 공진이 일어남을 보여주고 있다. 공진 주파수를 조정하기 위해서는 원형 패치의 크기를 조정해야 하므로 원형 패치의 반지름 a를 14.3mm~14.5mm 범위에서 조정해서 공진주파수를 맞추는 시뮬레이션을 하였다.
3) a = 14.5 mm 일 때의 안테나 특성
< s11 그래프 > <임피던스(real) 그래프>
a = 14.5mm 일 때의 공진주파수는 원하는 주파수인 2.6GHz 보다 약간 왼쪽으로 치우친 것을 알 수 있다. 따라서 a 값을 조금 더 줄여 원하는 중심주파수를 갖도록 한다.
4) a = 14.4 mm 일 때의 안테나 특성
< s11 그래프 > < 스미스 차트 >
<임피던스(real) 그래프> <임피던스(imaginary) 그래프>
위의 그래프에서 보면 a=14.4mm 일 때의 S11 그래프에서 정확히 2.6GHz에서 -15.62 dB로 공진이 일어나는 것을 볼 수 있다. 스미스 차트 또한 2.6GHz 지점에서 원점에 가장 가까우므로 역시 S-Parameter가 최소가 됨을 알 수 있다. 하지만 임피던스값을 보면 임피던스(imaginary)값은 2.6 정도로써 거의 매칭 되었다 볼 수 있으나, 임피던스(real)값은 123.1 으로써 50에 매칭이 되어 있지 않음을 볼 수 있다.
이를 조정하기 위해 트랜스포머의 폭과 길이를 조정하는 것을 생각해 볼 수 있다. 하지만 트랜스포머의 폭과 길이의 계산은 중심주파수를 바탕으로 계산이 되므로 중심주파수와 임피던스 매칭을 동시에 만족시키는 원형패치 안테나를 설계할 수 없었다.
50 선로
트랜스포머 이후
a=14.5
a=14.4
S11
-4.9dB
-4.6dB
-14.44
-15.67
Z(real)
342.5
50.01
125.8
123.1
* 방사 패턴
* Axial Ratio
Ⅲ . 결 과
1. 분석 및 고찰
본 시뮬레이션 에서는 2.6GHz 대역의 중심주파수를 갖는 원형 패치 안테나를 설계하는 것을 목표로 하였다. 먼저 원형패치의 반지름을 결정하고 50옴 선로에서의 안테나 특성을 이용하여 대략적인 특성을 구한 후, d임피던스 매칭을 통하여 원하는 중심주파수에서 공진이 일어나도록 하였다. 임피던스 매칭 후 공진이 원하는 주파수에서 일어나지 않은 것을 보정하기 위해 원형 패치의 반지름을 줄여가면서 공진주파수를 원하는 중심주파수에 맞추어 주었다. 하지만 임피던스 매칭과 중심주파수를 동시에 만족시키지 못한 것이 아쉬웠다. 향후 원형 패치의 크기와 트랜스포머의 크기 사이의 관계를 좀 더 연구하여 임피던스 매칭과 중심주파수를 동시에 만족시킬 수 있도록 해야 할 것이다.

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