Chapter 14. Microstrip antennas

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1 Chapter 14. Microstrip antennas

2 Contents Introduction Rectangular patch Circular patch
Quality factor, Bandwidth, and efficiency Input impedance Coupling Circular polarization Arrays and feed networks

3 요구 사항(Requirements) 완전 도체(P.E.C.) 접지면 상에 방사 효율이 높으면서도 높이가 낮은 안테나를 설계할 수는 없을까? Low profile Effective radiation Comment Vertical electric antenna 효율은 좋으나 높이를 낮게 할 수 없다 P.E.C. Horizontal electric antenna 높이를 낮추면 방사가 일어 나기 어렵다. 검토 사항 P.E.C. Vertical magnetic antenna 무용 지물 Horizontal magnetic antenna 가능성이 있다. 그러나 어떻게 수평면 자계 전류를 만들 수 있는가?

4 개요(1) 접선 방향의 자계 전류를 어떻게 생성할 것인가 ?
자계 전류가 존재하는 것은 아니지만 등가 이론을 적용하여 을 자계 전류 으로 등가화할 수 있다. P.E.C. ground plane 이면 수평성분의 전류밀도 J는 이미지와 서로 상쇄되어 방사하기 어렵다 측벽상의 전계 ! 방사 안테나 높이 h가 낮으면 image theory에 의해 매우 효율적인 자계 전류 loop를 형성한다. Note: since E가 측벽에 수직 방향이기 때문에 M은 수평방향이 된다.

5 Rectangular & circular patch
E-field distribution Current distribution

6 개요(2) 마이크로 스트립 안테나의 기본적인 발상은 접지면 가까이에 수평 성분의 자계 전류를 형성하는 방법을 찾은 것이다.
이 간단한 발상이 높이가 아주 낮고 표면을 따라 자유 자재로 설치가 가능할 뿐만 아니라 MMIC를 가능하게 하는 안테나 기술의 혁명을 가져 옴 인쇄 안테나(Printed Antenna)의 개념은 1950년대 초에 고안되었고 1970년대 초에 이르러 활발한 연구 활동으로 안테나의 새로운 분야를 형성하게 됨 높이가 낮고, 곡면, 평면에 부착이 가능하며 경량이고 견고할 뿐 아니라 인쇄가 가능하며 양산성이 높고 MMIC가 가능하다는 등 많은 장점이 있으나 효율이 비교적 낮아 높은 전력에는 사용하기 어렵고 대역폭이 좁으며 편파 분리도 및 스캔 특성이 좋지 않다는 단점도 있다.

7 개요 (3) 마이크로 스트립 안테나의 구성 제작 공정 패치 (Patch): 맨 윗부분의 얇은 도체 금속판
유전체 기판 (Dielectric Substrate) 접지판(Ground plane) 피더(Feeder): RF 전력을 공급 부분 제작 공정 유전체와 위, 아래 양면이 도체로 된 인쇄 기판에 패치 및 피더를 식각(etching)하여 제작

8 개요(4): 응용 분야

9 개요(5): 급전 방식 대표적인 급전(Feeding) 방식 프로브 급전(Probe Fed)
스트립라인 급전(Strip Line Fed) 개구면 결합 급전(Aperture Coupled Fed) 활용 분야, 전체적인 구조, 제작 가격 등을 고려하여 급전 방식을 결정하게 되며 각 방식별로 장점과 단점을 가진다.

10 개요(6): 장단점

11 개요(7): 유전체의 유전율

12 Rectangular Patch (1) 전송선로 모델
Fringing Effect(가장자리 효과) :마이크로 스트립 선로에서 대부분의 전계는 선로 아래의 기판에 집속되나 선로의 가장자리 부분에서 일부 전계가 Air로 거치게 되는 fringing 효과가 발생한다. 실효 유전 상수(Effective Dielectric Constant): 마이크로 스트립 라인이 동일한 전기적 특성을 가지면서 실효유전 상수를 갖는 유전체 속에 묻혀 Air를 거치지 않는 등가 모델 저주파에서의 정적 실효유전상수: 길이의 확장(Extention of the length): 전송선 양단에서의 실효 길이는 한편,방사효율을 고려한 Efficient Radiator의 폭 W는

13 k0h<<1일 때 입력 저항은 h에 무관
Rectangular Patch (2) 전송 선로 등가 모델은 양단의 방사 슬롯을 등가 어드미턴스 Y로 나타낼 수 있고 무한 폭의 균일 슬롯을 가정하면(단 첨자 1, 2는 슬롯 번호) 공진 입력 저항(Resonant Input Resistance) 두 슬롯 사이의 거리가 전기적으로 반파장 떨어진 경우 슬롯 #2의 어드미턴스를 슬롯 #1에서 보면 이고 또는 이 된다. 여기서 두 슬롯 사이의 상호 영향을 고려하면, k0h<<1일 때 입력 저항은 h에 무관 +: odd(비대칭) 공진 전압분포 -: even(대칭) 공진 전압분포

14 Rectangular Patch (3) Inset Feeding
마이크로 스트립 라인의 특성 임피던스 Inset Feed의 입력 저항은 이고 통상 이므로

15 Rectangular Patch (4) 공진기 모델(Cavity Model)
위, 아래는 전기 도체벽, 둘레는 자기 도체벽으로 둘러 쌓이고 유전체로 체워진 공진기로 해석 Homogeneous wave Equation 경계 조건 공진기 내부에서의 전자계

16 Rectangular Patch (5) 공진기의 공진 주파수 Dominant Mode
L>W>h 이면 가장 낮은 공진 모드는 1) L>W>L/2>h 이면 2번째 공진 모드는 2) L>L/2>W>h 이면 2번째 공진 모드는

17 Rectangular Patch (6) 등가 전류 밀도(Equivalent Current density)
위, 아래는 전기 도체벽, 둘레는 자기 도체벽으로 둘러 쌓이고 유전체로 체워진 공진기로 해석 패치의 위와 아래 면에서 전류 밀도 Jt와 Jb는 zero 패치의 측면을 따른 자계의 접선 성분은 Zero 따라서 전류밀도 Js도 zero 결국 패치의 측면에서의 등가 자계 전류 Ms만 존재한다 패치 아래의 접지면에 의한 이미지효과를 고려하면 Dominant Mode인 에서 전자계는 이고 여기서

18 Rectangular Patch (7) Field radiated- Mode
radiating slot: 거리 L이 반파장이 되면 전계의 위상이 바뀌어 등가 자계 전류는 우측 그림과 같이 형성되고 최대 방사 방향이 패치와 수직인 Broadside 안테나가 된다. nonradiating slot: 다른 두 스롯은 동일 면 상에서 자계 전류의 방향이 반대로 형성되기 때문에 H-평면 상에서 상쇄되며 아울러 반대편 스롯과도 자계 전류의 방향이 반대로 E-평면상으로도 전파를 방사하지 않는다.

19 Rectangular Patch (8) 단일 슬롯으로부터 방사된 far-field 전계
한편 두 슬롯 사이의 거리가 Le고 크기와 위상이 동일하므로 Array Factor는 E-Plane (q=900) 두 슬롯으로부터의 원역장 전계 k0h<<1 일 때의 근사식은 H-Plane (f=00)

20 Rectangular Patch (9) 지향성 (Directivity) Single slot (k0h<<1)
single slot의 지향성은 substrate의 높이 h와 무관하다. 근사식 : Two slot (k0h<<1) 근사식 : 지향성(Directivity)

21 Circular Patch (1) 공진기 모델(Cavity Model)
위, 아래는 전기 도체벽, 둘레는 자기 도체벽으로 둘러 쌓이고 유전체로 체워진 공진기로 해석 TMz 모우드의 Homogeneous wave Equation 경계 조건 여기서 은 Bessel 함수 의 미분 값에 대한 zero로 자계 벡터 포텐셜 Az mode 공진 주파수

22 원형 편파(Circular P0larization)(1)
원형 편파: 직교한 두 모우드(orthogonal modes)가 900 위상차를 가지고 급전되면 원형편파를 형성 구형 패치: 한 edge에 mode를 다른 edge에 mode를 급전하고 위상차를 900가 되게 함. 원형 패치: 2개의 프로브로 급전하며 프로브의 위치는 다른 프로브의 field가 null이 되는 점에 위치 보통 f 방향의 변화 가능성을 없애고 원편파를 잘 발생시키기 위하여 원의 중심에 단락 핀을 둠 대칭성을 우수하게 하고 교차 편파를 최소화하기 위하여 두 개의 급전 프로브를 추가로 설치하기도 한다.

23 원형 편파(Circular P0larization)(2)
Single Feed(단일 급전): 대각선 방향으로 급전하며 두 모우드의 공진 주파수를 동작 주파수와 약간 다르게 하여 -450, +450 차이를 나타내도록 설계함. 기타 방식: Square Patch with thin slots, Trimmed Square, Elliptical with tabs 등

24 급전 회로 (Feeding Network)
series-feed network fixed beam 이나 주파수 변화에 의한 스캐닝 단일/이중 편파를 갖는 선형/평판 어레이 corporate-feed network tapered lines, l/4 transformer scanning phased arrays, multi-beam arrays, shaped-beam arrays probe feeds, aperture coupling Cavity Backed 표면파 문제 개선