CHAPTER 07 안테나 제작과 측정 Antenna Manufacturing and Measurements

7.1 안테나 제작 7.2 안테나 측정의 기초 7.3 임피던스, S11, VSWR, 반사손실 측정 7.4 방사패턴 측정 7.1.1 도체 7.1.2 유전체 7.1.3 안테나용 신소재 안테나 측정의 기초 7.2 7.2.1 S-파라미터 7.2.2 네트워크 분석기 임피던스, S11, VSWR, 반사손실 측정 7.3 7.3.1 사무실에서 수행하는 안테나 측정 7.3.2 짧은 전송선로와 커넥터의 영향 7.3.3 패키지 케이스가 안테나에 미치는 영향 방사패턴 측정 7.4 7.4.1 원거리장 조건 7.4.2 야외시험장(OATS) 7.4.3 전자파 무반사실 7.4.4 소규모 안테나 시험장(CATR) 7.4.5 평면형 근거리장 측정실과 원통형 근거리장 측정실 7.4.6 구형 근거리장 측정실

7.5 이득 측정 7.6 그 밖의 주제 7.7 요약 7.5.1 표준이득 혼 안테나와의 비교 7.5.2 안테나 두 개를 사용한 측정 방법 7.5.3 안테나 세 개를 사용한 측정 방법 그 밖의 주제 7.6 7.6.1 효율 측정 7.6.2 전자파 잔향실 7.6.3 임피던스 디임베딩 방법 7.6.4 근거리장 시스템의 프로브 배열 요약 7.7

학습목표 안테나 설계 이후 실제 제작과 측정 방법을 알아본다. 안테나를 만드는 데 사용되는 물질을 알아본다. 안테나 측정 종류와 그 방법에 대해 알아본다.

7.1 안테나 제작

서론 안테나 제작 물질 다이폴, 루프, 혼 : 도체 유전체 공진기 안테나 : 저손실 유전체 7.1 서론 서론 안테나 제작 물질 다이폴, 루프, 혼 : 도체 유전체 공진기 안테나 : 저손실 유전체 패치 안테나 : 도체와 저손실 유전체를 함께 사용 안테나의 종류에 따라 사용되는 사용되는 물질이 다름 안테나의 구조와 동작 원리에 맞는 물질을 선택하여 견고하게 제작

도체 안테나를 만드는 데 가장 많이 쓰이는 물질 전도율이 높을수록 안테나 효율이 증가 기계적 측면의 고려사항 7.1 서론 도체 안테나를 만드는 데 가장 많이 쓰이는 물질 전도율이 높을수록 안테나 효율이 증가 기계적 측면의 고려사항 안테나 형태를 유지하기에 충분한 정도의 강도 환경 측면의 고려사항 산화나 부식 등 환경변화 고려 가격 측면의 고려사항 안테나 제조가격을 낮춰야 함 무게 측면의 고려사항 가볍게 설계해야 함

도체 갈바니 부식(galvanic corrosion) 안테나 조립 과정에서 서로 다른 금속이 접촉(접합)되어 발생하는 부식 7.1 서론 도체 갈바니 부식(galvanic corrosion) 안테나 조립 과정에서 서로 다른 금속이 접촉(접합)되어 발생하는 부식 공기 중 습기를 빨아들이는 흡수용 와셔를 사용하여 부식을 방지 두 금속을 전기적으로 절연하거나, 동일한 금속으로 안테나 제작

유전체 원하는 형태로 안테나를 제작 및 금속 안테나를 보호하는 데 사용 금속 복합물질이 유전체를 덮는 구조 7.1 서론 유전체 원하는 형태로 안테나를 제작 및 금속 안테나를 보호하는 데 사용 금속 복합물질이 유전체를 덮는 구조 안테나 도체가 유전체 내부에 들어가는 구조 안테나의 크기와 대역폭 사이의 Trade-off 크기가 작을수록(유전율이 높을수록) 대역폭이 좁아짐 크기가 클수록(유전율이 높을수록) 대역폭이 늘어남 패치 안테나의 경우 안테나를 작게 만들려면 높은 유전율 기판이 필요

유전체 유전체 공진기 안테나(Dielectric Resonator Antenna) 7.1 서론 유전체 유전체 공진기 안테나(Dielectric Resonator Antenna) 손실이 적고 유전율이 높은 유전체의 사용이 가능 상대 유전율이 10~100인 물질 사용 유전체와 공기 사이의 불연속성에 의해 DRA는 공진기로 동작 급전선으로 동축 프로브, 마이크로스트립 선로, 동일면 전송선로 사용 주파수, 인가방식, 유전체 형상, 유전체의 특성에 따라 DRA의 공진 모드가 다름 크기가 작아도 어느 정도 대역폭을 얻을 수 있음 저손실 유전체로 방사 효율이 높고, 근처 다른 물체의 접근에 영향을 적게 받기 때문에 휴대용 장치에 DRA가 널리 쓰임

안테나용 신소재 PCB LCP 주로 평면 안테나 제작 안테나를 고주파 전단부와 회로들과 통합하여 제작 7.1 서론 안테나용 신소재 PCB 주로 평면 안테나 제작 안테나를 고주파 전단부와 회로들과 통합하여 제작 LCP 기존의 폴리이미드 필름의 대체 물질로 개발되어 연성회로 구조 기판재료로 사용 진공증착 공법으로 LCP 필름을 직접 금속화 가능 1 kHz~45 GHz 사이의 넓은 주파수 범위에 걸쳐 낮은 유전상수와 낮은 손실계수 다층 수직 집적화 가능, 전기적, 기계적 특성 우수, 고유 밀폐특성 저가형 안테나의 기판 재료로 사용

7.2 안테나 측정의 기초

안테나 측정의 기초 안테나 측정 주요 항목 임피던스 측정 방사패턴 측정 입력 임피던스 VSWR의 최댓값 반사손실의 최댓값 7.2 안테나 측정의 기초 안테나 측정의 기초 안테나 측정 주요 항목 임피던스 측정 입력 임피던스 VSWR의 최댓값 반사손실의 최댓값 방사패턴 측정 안테나 측정장에서 측정(측정시설) 진폭(방사세기) 편파순도(축비) 사이드로브 크기 효율

S-파라미터 회로망 해석 S-파라미터 a1, b1 : 포트 1 입력, 출력 a2, b2 : 포트 2 입력, 출력 7.2 안테나 측정의 기초 S-파라미터 회로망 해석 S-파라미터 a1, b1 : 포트 1 입력, 출력 a2, b2 : 포트 2 입력, 출력

7.2 안테나 측정의 기초 S-파라미터 S-파라미터는 포트의 입, 출력과 다음과 같은 관계를 가짐 여기서,

S-파라미터 가역원리(reciprocity principle) 성립 7.2 안테나 측정의 기초 S-파라미터 Passive (수동) Isotropic (등방성) Lossless (무손실) 인 경우 가역원리(reciprocity principle) 성립 𝑺 𝟐𝟏 = 𝑺 𝟏𝟐 , 일반적인 형태로 𝑺 𝒎𝒏 = 𝑺 𝒏𝒎 전력 보존법칙(law of power conservation) 성립 𝑺 𝑯 𝑺 = 𝑰

S-파라미터 전력보존법칙 (power conservation) 여기서 𝑺 𝑯 는 S-파라미터 행렬 𝑺 의 복소 켤레 전치 7.2 안테나 측정의 기초 S-파라미터 전력보존법칙 (power conservation) 여기서 𝑺 𝑯 는 S-파라미터 행렬 𝑺 의 복소 켤레 전치 𝑰 는 단위행렬이다. 2-포트 무손실 회로망의 경우에는 다음 관계가 성립 이 식은 등가적으로 다음과 같이 표기 예상한 대로, 입력전력과 출력전력이 같음

네트워크 분석기 네트워크 분석기 : 신호를 주파수 영역에서 관측 스칼라 네트워크 분석기(SNA) 벡터 네트워크 분석기(VNA) 7.2 안테나 측정의 기초 네트워크 분석기 네트워크 분석기 : 신호를 주파수 영역에서 관측 스칼라 네트워크 분석기(SNA) 회로망 파라미터들의 진폭을 측정 즉 VSWR, 반사손실(Return Loss), 이득(Gain), 삽입손실(Insertion Loss)를 측정 벡터 네트워크 분석기(VNA) 회로망 파라미터들의 진폭뿐만 아니라 위상까지 측정

7.2 안테나 측정의 기초 네트워크 분석기 측정포트 기준신호 R과 신호 A, B 비교

네트워크 분석기 VNA(Vector Network Analyzer) 투과(전달) 관련 파라미터 이득(gain) [dB] 7.2 안테나 측정의 기초 네트워크 분석기 VNA(Vector Network Analyzer) 투과(전달) 관련 파라미터 이득(gain) [dB] 삽입손실(insertion loss) [dB] 삽입위상(insertion phase) [degree] 투과(전달)계수(transmission coefficient) 전기적 길이(electrical length) [m] 전기적 지연 electrical delay [s] 선형 위상편차 deviation from linear phase [degree] 군(무리) 지연(group delay) [s]

네트워크 분석기 보정과 측정오차 반사 관련 파라미터 반사손실(return loss) [dB] 7.2 안테나 측정의 기초 네트워크 분석기 반사 관련 파라미터 반사손실(return loss) [dB] 반사계수(reflection coefficient) 반사계수-대-거리(reflection coefficients vs distance) (푸리에 변환) 임피던스(impedance) [𝑹+𝒋𝑿] 정재파비(VSWR) 보정과 측정오차 정밀한 보정(Calibration) 필요 안테나는 전파를 방출하는 구조이므로 VNA에 너무 가까이 놓아서는 안 된다. 케이블과 커넥터에 의해 손실과 위상 변화가 생긴다. 입력포트 기준면으로 측정을 해야 한다.

네트워크 분석기 1포트 보정(Calibration) 2포트 보정(Calibration) 오차(Error) 단락(Short) 7.2 안테나 측정의 기초 네트워크 분석기 1포트 보정(Calibration) 단락(Short) 개방(Open) 정합부하(Load/matched) 2포트 보정(Calibration) 단락-개방-부하-통과(SOLT) TRL SOLR LRM 오차(Error) 시스템 오차 랜덤 오차 드리프트 오차

7.3 임피던스, S11, VSWR, 반사손실 측정

임피던스 측정 임피던스 측정 방법 (손실이 적고 위상이 안정된) 적합한 측정용 케이블 사용 7.3 임피던스, S11, VSWR, 반사손실 측정 임피던스 측정 임피던스 측정 방법 (손실이 적고 위상이 안정된) 적합한 측정용 케이블 사용 측정 주파수 범위 설정, 측정 포인트 수를 적절하게 선택 케이블이 움직이지 않도록 고정하며 1-포트 보정(Calibration)실시 반사가 거의 일어나지 않는 야외시험장 및 무반사실에서 측정 수행

사무실에서 수행하는 안테나 측정 이중대역 FIFA [예제 6-5] S11 사무실/무반사실 시뮬레이션 비교 7.3 임피던스, S11, VSWR, 반사손실 측정 사무실에서 수행하는 안테나 측정 이중대역 FIFA [예제 6-5] S11 사무실/무반사실 시뮬레이션 비교

패키지 케이스가 안테나에 미치는 영향 케이스가 안테나의 공진에 미치는 영향 케이스에 따른 결과 비교(S11) 7.3 임피던스, S11, VSWR, 반사손실 측정 패키지 케이스가 안테나에 미치는 영향 케이스가 안테나의 공진에 미치는 영향 케이스에 따른 결과 비교(S11)

7.4 방사패턴 측정

원거리장 조건 원거리장 방사패턴 측정 안테나 방사패턴 측정은 보통 원거리장에서 수행 7.4 방사패턴 측정 원거리장 조건 원거리장 방사패턴 측정 안테나 방사패턴 측정은 보통 원거리장에서 수행 AUT의 개구부에서 전자파 파면의 위상차이가 𝝅 𝟖 𝒓𝒂𝒅(=𝟐𝟐.𝟓 𝒅𝒆𝒈) 미만으로 설정 AUT와는 별도로 전자기장을 발생시키는 원천 안테나가 필요

원거리장 조건 개구부에 생기는 최대 위상차 𝒍≫ 𝑫 𝟐 로 가정 개구부의 위상차 ∆𝝋 가 𝝅 𝟖 미만이 되는 거리 𝒍 7.4 방사패턴 측정 원거리장 조건 개구부에 생기는 최대 위상차 𝒍≫ 𝑫 𝟐 로 가정 개구부의 위상차 ∆𝝋 가 𝝅 𝟖 미만이 되는 거리 𝒍

원거리장 조건 원거리장 방사패턴 측정 방법 식 (7.9)로부터 원거리 장이 되기 위해 확보해야 할 거리 측정 7.4 방사패턴 측정 원거리장 조건 원거리장 방사패턴 측정 방법 식 (7.9)로부터 원거리 장이 되기 위해 확보해야 할 거리 측정 식 (7.9)는 전기적으로 큰 안테나에 대해 적용되는 식 작은 안테나의 경우 원거리장을 만족하는 거리 조건으로 𝒍=𝟑λ 적용 피시험 안테나가 제자리에서 회전하면 두 안테나의 어느 한쪽 끝 사이의 거리는 𝒍+ 𝑫 𝟐 에서 𝒍+ 𝑫 𝟐 까지 변함 전자기장은 𝟏 𝒓 비율로 작아지므로 피시험 안테나의 회전에 의한 방사패턴 오차 만일 방사패턴에서 진폭의 허용오차 범위가 ±𝟎.𝟓 𝒅𝑩 라면 안테나 사의의 거리를 𝒍>𝟏𝟎𝑫 로 설정

7.4 방사패턴 측정 야외시험장(OATS) 야외시험장 구조 직접 도달하는 경로와 대지를 거쳐 도달하는 경로 차

7.4 방사패턴 측정 야외시험장(OATS) 수식 파라미터 이항전개 후, 𝒍≫ 𝒉 𝑻 + 𝒉 𝑹 을 가정 식 (7.10)에 대입

야외시험장(OATS) 𝒍≫ 𝒉 𝑻 + 𝒉 𝑹 가정 전파의 위상항 ( 𝒆 𝒋𝜷𝒓 ) 고려한 수신되는 전기장 7.4 방사패턴 측정 야외시험장(OATS) 𝒍≫ 𝒉 𝑻 + 𝒉 𝑹 가정 두 경로에 대한 전자파의 진폭의 차이는 매우 작으므로 무시 위상지연과 지표면의 반사계수에 의한 진폭변화는 반드시 고려 즉, 경로차에 의한 위상 차이는 무시할 수 없음 전파의 위상항 ( 𝒆 𝒋𝜷𝒓 ) 고려한 수신되는 전기장 프리스 전달공식 사용한 수신전력

야외시험장(OATS) 야외시험장을 이용할 때 고려해야 할 문제 지표면이 금속 접지판인 경우 (Г≈−𝟏) 7.4 방사패턴 측정 야외시험장(OATS) 지표면이 금속 접지판인 경우 (Г≈−𝟏) λ𝒍≫𝟐𝝅 𝒉 𝑻 𝒉 𝑹 인 경우에는 식이 더욱 간단해져서 2선 모델 수식 식 (3.45)와 같음 일반적으로 수신전력은 𝒉 𝑻 𝒉 𝑹 의 주기함수 야외시험장을 이용할 때 고려해야 할 문제 주변 RF 방해전파세기가 낮은 장소에 위치 계절 및 날씨 조건에도 영향을 받음

전자파 무반사실 전자파 무반사실 실내 벽에 전파흡수체(RAM)를 부탁하여 반사를 방지 7.4 방사패턴 측정 전자파 무반사실 전자파 무반사실 실내 벽에 전파흡수체(RAM)를 부탁하여 반사를 방지 낮은 주파수 범위(보통 1 GHz 이하)에서는 일반적으로 야외시험장 이용

7.4 방사패턴 측정 전자파 무반사실 실제 무반사실 소개

소규모 안테나 시험장(CATR) CATR(Compact Antenna Test Range) 7.4 방사패턴 측정 소규모 안테나 시험장(CATR) CATR(Compact Antenna Test Range) 전기적 대형 안테나에 대해서는 식 (7.9)의 원거리장의 거리가 너무 크기 때문에 무반사실 및 야외시험장에서 측정 불가 CATR을 사용하여 AUT영역에 균일 평면파를 발생시키는 방법 이용 무반사실의 원천 안테나 대신 대형 오프셋 포물면 반사기 안테나(5.2.3절) 사용 AUT는 반사기보다 작아야 함

평면형 근거리장 측정실과 원통형 근거리장 측정실 7.4 방사패턴 측정 평면형 근거리장 측정실과 원통형 근거리장 측정실 평면형 근거리장 측정실, 원통형 근거리장 측정실 개구형 안테나와 배열을 측정하는 데 특히 유용함 그림에서 x 방향보다는 y 방향으로 더 많은 소자가 배치됨 수평면에서 무지향성 특성을 갖는 방사패턴을 측정하는 데 적합

구형 근거리장 측정실 구형 근거리장 측정실 구형 근거리장 측정 시스템 종류 7.4 방사패턴 측정 구형 근거리장 측정실 구형 근거리장 측정실 안테나를 둘러싼 모든 방향의 전자기장을 측정할 수 있음 안테나로부터 방출되는 총 전력 측정 가능, 효율을 구할 수 있음 효율을 중요하게 고려하는 시스템에 사용(휴대전화 안테나) 구형 근거리장 측정 시스템 종류 스윙암 시스템 전기적으로 덜 복잡한 시스템 기계적인 이동이 필요 고정프로브 시스템 모든 각도, 주파수에 대해 측정될 때마다 전체 프로브들의 보상 필요

7.5 이득 측정

표준이득 혼 안테나와의 비교 AUT에서 측정된 신호를 이득값을 알고 있는 안테나와 비교 AUT의 이득 7.5 이득 측정 표준이득 혼 안테나와의 비교 AUT에서 측정된 신호를 이득값을 알고 있는 안테나와 비교 AUT의 이득 ( 𝑷 𝑨𝑼𝑻 와 𝑷 𝑺𝑮 는 각각 AUT와 표준이득 안테나의 수신전력) 측정실 내에서 떨어져 있는 원천 안테나와 AUT 사이의 경로손실을 알지 못해도 상관이 없음 측정의 정확성은 AUT와 표준 이득 안테나의 위치와 보정에 의해 결정됨

안테나 두 개를 사용한 측정 방법 경로손실 L 이용 경로손실 L 수신전력 7.5 이득 측정 안테나 두 개를 사용한 측정 방법 경로손실 L 이용 경로손실 L 수신전력 (원천 안테나와 AUT의 이득은 각각 Gs와 GAUT) 원천 안테나의 이득을 모르는 경우 측정실의 원천 안테나와 수신 안테나의 위치에 모두 동일한 AUT를 사용할 수도 있음

안테나 세 개를 사용한 측정 방법 이득이 각각 𝑮 𝟏 , 𝑮 𝟐 , 𝑮 𝟑 인 세 안테나 세 가지 조합에 대한 수신전력 7.5 이득 측정 안테나 세 개를 사용한 측정 방법 이득이 각각 𝑮 𝟏 , 𝑮 𝟐 , 𝑮 𝟑 인 세 안테나 세 가지 조합에 대한 수신전력 ( 𝑷 𝑺 는 원천 안테나의 전력) 세 가지 안테나의 이득

7.6 그 밖의 주제

안테나 효율, 전자파 잔향실 안테나 효율 (안테나의 이득과 지향성의 비) 전자파 잔향실 다중입출력 안테나(MIMO)에 사용 7.6 그 밖의 주제 안테나 효율, 전자파 잔향실 안테나 효율 (안테나의 이득과 지향성의 비) 전자파 잔향실 다중입출력 안테나(MIMO)에 사용

안테나 임피던스 디임베딩 안테나의 임피던스를 직접 측정하는 것이 곤란한 경우 7.6 그 밖의 주제 안테나 임피던스 디임베딩 안테나의 임피던스를 직접 측정하는 것이 곤란한 경우 선로의 끝에 개방회로 부하를 달고 그 반사계수를 측정 측정 결과를 사용하여 원하는 기준점에서의 안테나 임피던스 계산

안테나 임피던스 디임베딩 개방회로 (Г=+𝟏), 급전선로의 길이 = 𝒍 7.6 그 밖의 주제 안테나 임피던스 디임베딩 개방회로 (Г=+𝟏), 급전선로의 길이 = 𝒍 개방회로 급전선로의 커넥트 위치에서 반사계수 식 (2.38) 사용 같은 방법으로 안테나 커넥터 위치에서의 반사계수 따라서 안테나의 반사계수 Г 𝟎 는 측정으로 구한 𝑺 𝟏𝟏 𝒂𝒏𝒕 와 𝑺 𝟏𝟏 𝒐𝒑𝒆𝒏 의 비가 된다. 식 (2.28)로부터 임피던스를 계산하는 식으로부터 다음을 구할 수 있다.

7.6 그 밖의 주제 근거리장 측정실 구형 근거리장 측정법에서는 AUT를 둘러싸는 구의 표면 위에서 전자기장의 두 직교 성분을 샘플링하는 방식으로 측정이 이루어진다. 구형 근거리장 측정법은 안테나의 방사특성과 수신 특성(가역성을 이용)을 유한한 개수의 계수들을 사용하여 나타낼 수 있다는 사실을 이용 전통적 시스템 Roll-over-azimuth Double-gantry arm

다중 프로브 시스템 다중 프로브 시스템 전통적인 방법에서 AUT를 기계적으로 움직이는 작업의 양을 줄임 7.6 그 밖의 주제 다중 프로브 시스템 다중 프로브 시스템 전통적인 방법에서 AUT를 기계적으로 움직이는 작업의 양을 줄임 프로브 배열을 이용하여 측정을 하는데 필요한 시간을 크게 줄임

사티모 측정 시스템 A-MST 방법을 이용하여 측정 7.6 그 밖의 주제 사티모 측정 시스템 A-MST 방법을 이용하여 측정 프로브 배열의 각 프로브를 순차적으로 변조하여 값비싼 고주파 다중화 회로망을 사용하지 않고 각 프로브 위치의 전자기장의 진폭과 위상을 거의 실시간으로 측정

7.6 그 밖의 주제 프로브 배열 보정 프로브는 대량생산기술을 사용하여 제작되어 진폭, 위상, 편파방향에 대한 프로브의 응답이 같다고 가정할 수 없음 이러한 차이를 바로잡기 위해 프로브 배열의 보정을 수행

7.6 그 밖의 주제 이득 보정 및 성능 확인 이득 보정 AUT의 지향성은 구형 근거리장 측정과 근거리-원거리장 변환을 차례로 수행하여 구한다. 변환 과정에서 총 방사전력을 계산하고 규준화하여 AUT의 지향성을 [dBi] 단위로 구함 이득 보정 방법 효율 보정 방법 성능 확인 기준안테나로 측정하거나 기준설비로 측정한 결과와 비교하여 성능 확인 서로 다른 설비를 사용하여 서로 다른 시험장에 대해 얻은 측정 결과를 비교하는 데는 이중리지 혼(double-ridged horn)이 사용됨

프로브 배열 기술의 응용 응용 프로브 배열 기술을 사용할 수 있는 하한 주파수는 시험장의 실제 크기에 의해 정해짐 7.6 그 밖의 주제 프로브 배열 기술의 응용 응용 프로브 배열 기술을 사용할 수 있는 하한 주파수는 시험장의 실제 크기에 의해 정해짐 (그림) 70 MHz~18 GHz 범위에서 전체 자동차 시스템의 특성을 측정

7.7 요약

요약 안테나 제작 안테나 측정 S-파라미터와 측정 장비 몇 가지 측정 시스템과 실제 예 몇 가지 측정 기법과 문제점 7.7 요약 요약 안테나 제작 안테나 측정 S-파라미터와 측정 장비 몇 가지 측정 시스템과 실제 예 몇 가지 측정 기법과 문제점

Q & A