안테나이론및설계

패치 안테나 이론

패치 안테나 기초

ㅇ 구조

- 사각형, 원형, 타원형, 삼각형 등의 금속조각(패치)를 접지면(넓은 금속판) 위에 일정한 간격(패치 크기보다 훨씬 작음) 설치

- 패치를 적절한 방법으로 여기(프로브 급전, 용량성 결합을 이용한 급접, 슬롯결합에 의한 급전)하면 특정 주파수에서 패치와 접지면이 방사가 되는 공진기 형성

ㅇ 특징

- 공진형 안테나

- 수작업 또는 인쇄회로 제작장비로 쉽게 제작

- 경박형 안테나

- 단일 표준 패치는 협대역이나 슬롯결합, 패치 적층 등 다양한 방법으로 광대역화 가능

- 고유전율 기판의 사용으로 안테나 초소형화 가능. 예: GPS용 세락믹 패치

패치안테나 기본구조

ㅇ 패치 안테나 구성품

- Patch = 방사소자(박막도체)

L = 패치길이(공진 주파수 결정), 위 그림에서 패치(청색 사각형)의 가로

W = 패치폭(방사저항과 이득 결정), 위 그림에서 패치의 세로

- Dielectric substrate = 저손실 기판(플라스틱 또는 세라믹 재료) 또는 공기층

h = 기판의 두께. 0.25, 0.508, 0.787, 1.02, 1.52mm 사용

= 기판의 유전상수. 1.0(공기), 2.2, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.3, 4.5, 9.8, 20, 45, 90 등 사용

= 기판의 손실탄젠트. 0.02, 0.002, 0.0002 등 사용

- Conducting ground plane = 안테나의 접지면(박막도체)

t = 접지면 금속과 패치 금속 두께. 보통 0.017, 0.034, 0.068mm 사용

- Feeder = 패치 급전구조

Coaxial feeding = 동축선 급전구조. 내부도체는 패치와 연결. 외부도체는 접지면과 연결

ㅇ 패치 종류

- 원형패치

패치 안테나 동작원리

ㅇ 다이폴과 패치의 비교

- 패치표면에서의 전류분포: 가로방향 모드번호 1, 세로방향 모드번호 0

- 패치 상의 전기장 분포

패치 급전방법

ㅇ Contact feeding

- Coaxial probe feeding

- Plate probe feeding

- Coaxial sidewall feeding

- Probe-CPW combination feeding

- Microstrip quarter-wave transformer feeding

- Microstrip inset feeding

- Differential feeding

ㅇ Non-contact feeding

- L-probe feeding

- L-plate feeding

- Edge-gap coaxial probe feeding

- Edge-gap microstrip feeding

- Electromagnetic coupling (or proximity coupling)

- Probe-gap feeding

- Probe-capacitive pad feeding

- Aperture-coupled

- Single slot

- H-slot

<그림> 사각형 패치 급전방법. 좌: 프로브 급전, 우: 마이크로스트립 inset 급전

5) 급전점 위치에 따른 패치의 입력임피던스

- 패치의 전기장, 자기장, 전류분포, 임피던스: 횡축은 패치 길이방향으로의 위치

- 급전점이 패치 테두리에 있을 때: 입력저항 200-500Ω

- 급전점이 패치 테두리에서 패치 중심으로 이동함에 따라 입력저항이 감소하여 50Ω이 되는 지점에서 급전

- Example: probe fed, 2.3GHz, 1.27mm, er = 2.42, tand = 0.0019

- Example: inset fed, 2.3GHz, 1.27mm, er = 2.42, tand = 0.0019

6) 기판 높이에 따른 입력저항

7) 패치 방사패턴

- 전계면: 패치 길이방향 cut plane

- 자계면: 패치 폭방향 cut plane

<그림> 사각평 패치의 방사패턴. 좌: 전계면 패터, 우: 자계면 패턴

8) 패치 지향도

- 정사각형 패치의 지향도는 통상 6-8dB의 값을 가짐.

9) 원편파 패치

ㅇ 이점 급전: 두 점에서 급전. 두 급전신호의 위상차 ±90°

ㅇ 일점 급전

- 2개 대각 모서리를 제거하면 두 대각선 방향 전류의 위상차가 ±90°가 되게 할 수 있다.

- 축비대역폭(AR < 3dB) 매우 협소

- 아래 그림은 우원편파 패치

10) 패치 대역폭

- 반사계수가 -10dB 이하인 주파수 범위

- 유전율이 높을 수록 패치는 작아지고 대역폭은 감소

- 기판 두께가 클수록 광대역

11) 패치 안테나 효율

- 패치 안테나 손실: 도체에 의한 손실, 유전체에 의한 손실, 표면파(기판 유전체를 따라 진행하는 파)에 의한 손실

- 패치 안테나 효율 공식

P_r = 안테나에 의해 방사된 전력

P_c = 안테나에 사용된 도체에서 소모되는 손실전력

P_d = 안테나에 사용된 유전체에서 소모되는 손실전력

P_sw = 표면파 형태로 손실되는 절력

- 기판 두께가 증가할수록 표면파가 증가하여 효율 감소

12) 패치 안테나의 폭 설계

ㅇ 패치 폭의 상한값

13) 패치 등가회로와 입력 임피던스

ㅇ 등가회로

R, L, C: 패치를 병렬 공진회로로 표현한 등가회로

L_p: 급전 프로브의 인덕턴스

ㅇ 프로브 리액턴스 공식

γ = 0.5772 (Euler's constant)

a = 프로브 반경

h = 프로브 높이

= 기판 유전체의 비유전율 및 비투자율

= 자유공간에서의 위상정수

ㅇ 패치 입력저항 및 입력 리액턴스

14) 패치 안테나 사진

- 단일소자

- 패치 배열안테나

4.3 동축선(coaxial cable) 구조

- Flexible coaxial cable: 유연성 동축케이블

- Hand-malleable coaxial cable: 손으로 구부려서 형상을 만들 수 있는 케이블

- Semi-rigid coaxial cable: 전용툴로 원하는 형상으로 구부릴 수 있는 케이블

- Rigid cable: 구부릴 수 없는 케이블

Patch modes

- Monpolar patch

5. 참고문헌

[1] A. K. Shackelford, K.-F. Lee and K. M. Luk, "Design of small-size wide-bandwidth microstrip-patch antennas," IEEE AP-S Mag., 45(1), 75-81, 2003.

[2] D. R. Jackson, "Overview of Microstrip Antennas"

[3] S. Sevskiy and W. Wiesbeck, "Air-filled stacked-patch antenna"

[4] Nikolova, "Microstrip antennas"

[5] B. Horwath, "Microstrip antenna design principles"

{Design Formulas}

1. Rectangular patch