Earticle

본 논문은 X-Band 애플리케이션에 활용하기 위한 4x4 마이크로스트립 어레이 안테나 최적화 설계와 제작에 대한 연구 결과를 제시하고 있다. 일반적으로 마이크로스트립 패치와 어레이 안테나 설계 파라미터는 기판의 종류와 패치의 사이즈를 조정함으로써 원하는 공진 주파수와 이득을 얻을 수 있다. 이 연구는 X-Band 공진 특성과 이득을 향상시키기 위해 최적의 기판 재료로 설계된 4x4 어레이 안테나 설계와 제작을 통한 특성 측정 결과를 소개하였다. 설계된 안테나의 크기는 10mm(W)x7.4mm(W)x0.79(H)mm 이다. 사용된 유전체 기판은 Rogers RO 4350B(εr=3.54)이며 안테나 급전 방식은 안테나의 사이즈를 줄이기 위해 인셋피드(Inset-fed) 방식이 적용되었다. 제안된 구조의 단일패치와 4x4 어레이 안테나는 설계 중심 주파수 10.3GHz에서 안정된 SWR(<1.5) 특성과 18.5dBi의 이득으로 예측되었다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 안테나가 제작되었고 측정 결과도 시뮬레이션 결과와 유사한 특성을 나타내는 것을 보았다. 본 연구에서 제안된 안테나는 군사, 위성 통신, 생물의학 분야를 포함한 X-Band 애플리케이션에 활용될 수 있다.

This paper details research on the optimized design and fabrication of a 4x4 microstrip array antenna intended for X-Band applications. The study focuses on achieving the desired resonance frequency and gain by modifying the microstrip patch and array antenna parameters, including substrate type and patch size. It presents results from designing and fabricating a 4x4 array antenna with optimum substrate materials to enhance X-Band resonance characteristics and gain. The antenna dimensions are 10mm(W)x7.4mm(L)x 0.79mm(H), with an Rogers RO 4350B dielectric substrate (εr=3.54) and an inset-fed feeding method to minimize antenna size. Both the single patch and 4x4 array antennas demonstrated stable SWR (<1.5) and a gain of 18.5dBi at the target frequency of 10.3GHz in simulations. The fabricated antenna showed performance consistent with simulation results. This antenna design is suitable for X-Band applications, including military, satellite communications, and biomedical fields.

본 논문에서는 10.3GHz(x-band) 주파수에서 동작하는 단일 및 2-패치 마이크로스트립 배열 안테나 설계 및 시뮬 레이션 결과를 제시하였다. 전송선로 이론을 통한 패치와 급전 선로 설계 파라미터를 구하였고 CST MWS를 사용하여 마이 크로스트립 패치 배열 안테나를 최적화 설계하는 과정을 제안하였다. 먼저 단일 마이크로스트립 패치 안테나를 설계한 후 최적의 반사 손실 및 이득을 얻기 위해 CST MWS를 사용하여 각 파라미터를 최적화하였다. 그리고 X-대역 애플리케이션 을 위한 2×1 마이크로스트립 배열 안테나로 설계를 확장하였다. 사용된 기판은 Roger RO4350B(h=0.79mm, Er = 3.54 ) 이고 급전 방식은 안테나 크기와 급전 효율을 고려하여 인셋(inset) 급전 방식을 사용하였다. CST MWS를 활용한 시뮬레이 션 결과를 제시하였으며, 동작 주파수(10.3GHz)에서 -18dB의 S11, 10.2dBi의 이득, 0.165GHz의 대역폭, 30o(Az, φ=0), 121o(El, φ=90)의 3-dB 빔폭을 얻었다. 향후 본 연구 결과를 기본으로 4×4 어레이로 추가 확장하여 안테나를 설계 및 제작하여 다양한 X-밴드 애플리케이션에 활용될 수 있다.

This paper presents a single and 2-patch microstrip array antenna operated on a frequency of 10.3GHz(x-band). It outlines the process of designing a microstrip patch array antenna using CST MWS. Initially, a single microstrip antenna was designed, followed by optimization using CST MWS to attain optimal return losses and gain. Subsequently, the design was expanded to create a 2×1 microstrip inset-fed array antenna for the X-band applications. The construction material is Roger RO4350B, with specific dimensions (h=0.79mm, Er = 3.54). The achieved results include an S11 of -18dB at the resonant frequency (10.3GHz), a gain of 9.82dBi, a bandwidth of 0.165GHz, and a 3-dB beamwidth of 30o, 121o in Az(φ=0) and El(φ=90) plane, respectively. The future plan involves the fabrication of this array antenna and further expansion to a 4×4 array of microstrip antennas. It is then incorporated on the X-band applications for practical uses.

최근 전 세계적으로 ITC 기술을 이용한 항만 물류 분야의 경쟁력이 심화되는 추세를 보이고 있으며 현재 우리나라도 국가 전략적 차원에서 생산성 향상 및 서비스의 개선을 통한 고부가 가치를 획득하기 위한 u-Port(항만 물류) 사업이 진행 중이다. u-Port 사업에 서 주된 기술 요소로 RFID/USN 기술이 사용되는데, 이 기술은 금속 환경에서의 태그 인식률이 좋지 않고, 인식거리가 짧다는 문제 점들을 이유로 센서 노드들의 추가적인 배치를 통하여 관리를 하고 있다. 그러나 이러한 방법은 오차 범위가 크고 시스템 구축 초기 비용 및 유지보수 비용이 많이 들어 U-Port용 시스템 구축에 여러 가지 문제점을 초래하고 있다. 이러한 문제점들을 개선하기 위하 여 본 논문에서는 금속 태그 제작에 사용되는 급전의 문제점을 개선하고, 주변 환경 요소인 금속 물질로 인한 영향을 줄여 태그를 금속 물체에 부착 할 경우에도 장거리 인식율을 높일 수 있도록 인셋 급전을 적용한 산업용 RFID 적층형 마이크로스트립 패치 안테 나를 설계하였다. 인셋 급전은 기존의 유도결합 급전을 이용한 구조와는 다르게 방사체와 급전선이 서로 분리되어 있지 않은 것이 가장 큰 특징이다. 이런 특징의 구조는 낮은 안테나 높이와 태그 칩에 임피던스 정합이 가능한 형태를 생산할 수 있게 해준다. 그러나 무조건 태그 안테나의 높이를 줄이면 안테나의 임피던스는 접지면과 방사체 사이의 기생 캐패시턴스가 증가하여 임피던스 정합의 어려움이 발생할 수 있으므로 단락 구조를 급전에 적용시켜 안테나의 임피던스를 인덕티브하게 만드는 방법을 이용하여 태그 안테 나 설계 시 단점을 최소화하고 장점을 극대화 시켰다[1][2]. 이러한 기술적 요소들을 적용하여 본 논문에서는 마이크로스트립 패치 안테나를 변형된 형태로 설계하였고, 부착되는 금속물질의 영향을 줄이기 위해 인셋 급전을 이용하였으며, 안테나의 구성을 단일 층이 아닌 멀티층, 즉 방사체와 접지면 사이에 금속판을 삽입 하여 특성저하를 감소시켰다.

In this paper, we present, an indstrial RFID layered microstrip patch antenna is designed using an inset feed method in order to improve recognition rates in a long distance as tags are attached to metal object by improving a problem of feeding power in fabricating metal tags and reducing effects of metallic object. The inset feed shows a distinctive characteristic that has no separation between emitters and feed lines differing from a structure with the conventional inductive coupling feed. This structure makes possible to produce a type that presents a low antenna height and enables impedance coupling for tag chips. Although it shows a difficulty in the impedance coupling due to increases in the parasite capacitance between a ground plane and an emitter in an antenna according to decreases in the height of a tag antenna, it may become a merit in designing the tag antenna because the antenna impedance can be determined as an inductive manner if a shorted structure is used for feeding power. Therefore, in this paper the microstrip patch antenna is designed as a modified type and applies the inset feed in order to reduce effects of metallic objects where the antenna is be attached. Also, the antenna uses a multi-layer structure that includes a metal plate between radiator and ground instead of using a single layer.

본 논문에서는 Inset-fed 안테나의 급전구조를 변형하여 기존의 Inset-fed 안테나 보다 그 성능을 향상시킨 안테나를 설계 및 제작하였다. Patch 안테나에서 gap 결합에 의한 급전 방식을 기초로 하여 변형된 급전 방식을 Inset-fed 안테나에 적용하였다. 설계된 안테나는 FDTD에 의한 simulation을 수행하여 최적치를 얻었으며 제작된 안테나는 공진 주파수에서 511은 -l4dB이고 cross polarization level은 -20dB의 특성을 보였다.

In this paper, a modified feeding structure for microstrip patch antenna is suggested for improving the performances. The proposed antenna has a gap between the transmission line and the recessed part of the radiating patch which makes a capacitive coupling. It shows higher 511(-l4dB) and lower cross polarization level(-2OdB) compare with the conventional inset ftd patch antenna while having a similar characteristics in another evaluating items. Experimental results are examined and considered to apply to the S-Band application, and the effectiveness has been confirmed by FDTD simulation and measurement simultaneously.

In this paper, we designed a tunable microstrip patch antenna using RF MEMS switches. The design and simulation of the antenna were performed using a high frequency structure simulator(HFSS). The antenna was designed for use in the ISM band and either operates at 2.4 GHz or 5.7 GHz achieving -10 dB return-loss bandwidths of 20 MHz and 180 MHz, respectively. In order to obtain high efficiency and improve the ease of integration, a high resistivity silicon(HRS) wafer on a glass substrate was used for the antenna. The antenna achieved high gains: 8 dB at 5.7 GHz and 1 dB at 2.4 GHz. The RF MEMS DC contact switches were simulated and analyzed using ANSYS software.

통신 시스템에서 다양한 종류의 마이크로스트립 안테나는 많은 어플리케이션에서 사용되고 있다. 본 논문에서는 무선통신을 위한 2.45 GHz의 인셋 페드 직사각형 마이크로스트립 패치 안테나를 HFSS를 활용하여 설계하였다. 안테나는 유전율 2.2, 두께 1.6 mm의 Telfron 기판을 사용하였으며 기판의 한쪽 면은 접지면을 갖는다. 시뮬레이션을 통하여 반사손실, VSWR, 이득, 방사패턴 등의 안테나 특성을 확인하였다.

In communication systems, there are various types of microstrip antenna that can be used for many applications. This paper mainly focuses on the simple design of inset fed rectangular microstrip patch antenna to operate at frequency of 2.45 GHz for wireless communication. The study involves using HFSS simulator to design the antenna dimensions and to determine its performance. This antenna is based on a thickness of 1.6mm Teflon substrate with a dielectric constant of approximately 2.2, on one side of the substrate and another side has a ground plane. After simulation, the antenna performance characteristics such as return loss, VSWR, gain, radiation pattern are obtained.

본 논문에서는 CSLR(Complementary Single Loop Resonator)을 이용한 인셋 급전 마이크로스트립 안테나의 특성에 대해 연구하였다. SLR(Single Loop Resonator) 단일 구조에서 시뮬레이션 셋업 과정을 통해 산란계수로부터 실효투자율을 계산하였으며, 실효투자율이 음의 값을 갖는 주파수에서 SLR 구조의 치수를 선택하였다. 그리고 인셋 급전된 마이크로스트립 안테나의 접지면에 SLR 구조의 쌍대 구조인 CSLR을 $3{\times}3$으로 배열하여 최적 안테나를 설계하였다. 설계한 안테나의 반사손실과 복사패턴을 구하였으며, 공진주파수 2.82 GHz에서 기존의 인셋 급전 안테나와 크기를 비교하면 면적 대비 약 56.8%가 감소하는 결과를 얻었다. 사용된 툴은 3차원 FEM 툴인 Ansoft사의 HFSS를 사용하였다.

In this paper, the characteristics of inset fed microstrip antenna loaded with CSLR(complementary single loop resonator) are studied. Effective permeability parameters of the SLR unit cell is retrieved from simulated scattering parameters, and structure parameters of the SLR unit cell are selected so that effective permeability is negative value at the operating frequency. The optimized inset fed microstrip antenna loaded with SLR for a $3{\times}3$ array in the ground plane of a conventional patch antenna is designed and simulation results of return loss and radiation pattern are shown. At resonant frequency 2.82 GHz, the overall dimension of the proposed antenna is reduced by approximately 56.8% compared to the conventional inset fed antenna. Simulation results are obtained by 3D FEM solver(Ansoft's HFSS).

본 논문에서는 인셋 급전한 패치의 접지면에 Complementary Single Loop Resonators(: CSLRs)을 배열한 안테나의 복사패턴을 개선하기 위하여 도체 반사판 사용을 제안하였다. 제안된 안테나의 반사판은 패치의 접지면으로부터 약 ${\lambda}_0/4$ 아래에 위치하고, 크기는 패치의 약 2배 정도이다. 유전율 2.5, 두께 0.787 mm인 마이크로스트립 기판을 사용하여 안테나를 설계, 제작하여 실험하였고, Finite Element Method(: FEM) 기반의 3D EM Solver인 HFSS를 사용하여 시뮬레이션 하였다. 실험결과, 반사판이 있는 경우의 안테나 공진주파수와 정합특성은 반사판이 없을 때와 거의 동일하게 변화가 없었으나, 복사패턴은 반사판에 의해 상당히 개선되었음을 확인하였다.

In this paper, we propose the CSLR(: Complementary Single Loop Resonators)-loaded inset fed patch antenna with a conducting reflector to improve the radiation patterns. Reflector of the proposed antenna is located below about ${\lambda}_0/4$ from the ground plane of the patch, the size is about two times of the patch. The proposed antenna is designed and fabricated on the substrate which has a dielectric constant and thickness with 2.5 and 0.787 mm, respectively. Simulation results are obtained by using the HFSS, 3D EM Solver based Finite Element Method(: FEM). The resonant frequency and matching characteristics of the antenna with reflector are substantially the same as when there is no change in the antenna without reflector, it is confirmed that radiation patterns are significantly improved by the reflector.

본 논문에서는 인셋 급전 구조에서 마이크로스트립 패치 안테나 소형화를 위해 접지면에 CSLR 9개 적용한 안테나('CSLR 09' 안테나)와 8개 적용한 안테나('CSLR 08' 안테나)를 설계한 후, 유전율 2.5, 두께 0.787 mm인 기판으로 안테나를 제작하여 반사손실과 복사패턴에 대한 이론 결과와 실험 결과를 비교하였다. 'CSLR 09'와 'CSLR 08' 안테나의 이론 결과에서는 공진주파수 2.82 GHz에 반사손실이 각각 -25.35 dB와 -16.77 dB를 보였고, 측정결과에서는 공진주파수 2.885 GHz에 반사손실이 각각 -30.72 dB와 -14.90 dB를 나타내어 두 경우 모두에서 거의 일치하는 결과를 얻었다. 또한 E-면과 H-면 복사패턴에 대한 실험 결과에서도 이론 결과와 거의 일치하는 양호한 결과를 얻었다.

In this paper, design and fabrication for inset fed microstrip patch antennas applied to the $3{\times}3$ array CSLR and eight CSLR, respectively, to the ground plane are studied. The theoretical results are compared to the experimental results for the return loss and radiation pattern. For 'CSLR 09' antenna, the theoretical result for the resonant frequency and the return loss are 2.82 GHz and - 25.35 dB, respectively. The experimental results are obtained for a 2.885 GHz, -30.72 dB. Theoretical results for the resonant frequency and the return loss of the 'CSLR 08' antenna are 2.82 GHz, -16.77 dB, respectively, and the experimental results are obtained for a 2.885 GHz, -14.90 dB. In addition, E-plane and H-plane radiation patterns in comparison with designed and fabricated antennas are in good agreement.

본 논문에서는 S-대역에서 동작하는 구형 마이크로스트립 패치 안테나의 인셋 급전 구조에 대해 연구하였다. 인셋 급전 구조에서 인셋의 길이와 폭의 변화에 따른 안테나의 반사손실 특성을 조사하였고, 결과로부터 최적 인셋 급전 안테나를 설계하고, 이득 및 복사패턴을 구하였다. 2.3 GHz에서 최적화된 안테나의 패치 크기는 $45.0mm{\times}40.9mm$, 인셋의 길이는 14 mm, 인셋의 폭은 1 mm이다. 그리고 유전율이 2.5, 두께가 0.787 mm인 기판을 사용하였으며, HFSS를 이용하여 시뮬레이션을 하였다. 인셋 급전 안테나를 제작하여 반사손실을 측정한 결과, 2.3025 GHz에서 -21.11 dB로 이론 결과와 일치함을 알 수 있었다.

In this paper, the characteristics of a inset fed rectangular microstrip patch antenna for S-band applications is studied. The variations of return loss along inset length and inset width are investigated on the inset fed rectangular microstrip patch antenna. From the investigated results, the optimized inset fed antenna is designed. At the resonant frequency 2.3 GHz, the optimized dimension of the patch is $45.0mm{\times}40.9mm$. The inset length and width are 14 mm and 1 mm, respectively. The designed antenna is fabricated on the substrate which has a dielectric constant and thickness with 2.5 and 0.787 mm. Simulation results are obtained by a 3D EM(Electromagnetic) solver. The resonant frequency and return loss are measured 2.3025 GHz and -21.11 dB, respectively. The measured and simulated results of the fabricated antenna are in good agreement.

본 논문에서는 10.525 GHz 대역에서 동작하는 광대역 인셋-급전 마이크로스트립 패치 안테나를 제안하였다. 제안된 광대역 인셋-급전 마이크로스트립 패치 안테나는 3개의 폭이 좁은 직사각형 패치로 구성된다. 중앙 패치의 중심에서 2개의 대칭적인 측면 패치들이 스트립 도체로 연결되어 중간 패치에 대해 수직 방향으로 엇갈리게 중심이 이동하여 배치되었다. 성능 비교를 위해 기존의 인셋-급전 정사각형 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 실험 결과, 제작된 광대역 인셋-급전 마이크로스트립 패치 안테나의 측정 입력 반사 계수의 전압 정재파비가 2 이하인 주파수 대역은 10.036-11.051 GHz (9.63%)이고, 제작된 기존의 인셋-급전 정사각형 마이크로스트립 패치 안테나의 측정 입력 반사 계수의 주파수 대역은 10.306-10.772 GHz (4.42%)이다. 따라서, 제작된 광대역 인셋-급전 마이크로스트립 패치 안테나의 입력 반사 계수 주파수 대역폭은 기존의 인셋-급전 정사각형 마이크로스트립 패치 안테나에 비해 2.18배 증가하였다.

In this paper, a broadband inset-fed microstrip patch antenna operating at 10.525 GHz band was proposed. The proposed broadband inset-fed microstrip patch antenna consists of three narrow rectangular patches. At the center of the center patch, two symmetrical side patches were connected by a strip conductor and were arranged with their centers shifted in a perpendicular direction with respect to the center patch. For performance comparison, a conventional inset-fed square microstrip patch antenna was designed. Experiment results show that the frequency band of the measured input reflection coefficient with a voltage standing wave ratio less than 2 for the broadband inset-fed microstrip patch antenna was 10.036-11.051 GHz (9.63%), whereas that for the conventional inset-fed rectangular microstrip patch antenna was 10.306-10.772 GHz (4.42%). Therefore, the input reflection coefficient frequency bandwidth of the fabricated broadband inset-fed microstrip patch antenna was increased by 2.18 times, compared to the conventional inset-fed square microstrip patch antenna.

본 연구는 삽입 급전 방식의 패치 안테나의 설계 및 이론을 제시하고, 2.42GHz의 주파수에서 설계된 1% -5%의 대역폭과, 6dBi의 이득, 반파장 사이즈의 30Ω에서 200Ω의 임피던스를 갖는 단방향성 방사패턴을 보이는 선형 편파된 삽입 급전의 패치안테나를 구성하고, 시뮬레이션과 결과분석을 통해 성능을 분석하였다. 삽입된 마이크로 스트립 패치 안테나는 2.42GHz의 공진 주파수에서 설계되고 시뮬레이션 되었다. 입력 반사 손실은 -21.05dB 및 이득 4.68dB가 얻어졌다. 제안된 설계는 단순한 설계 구조를 가지며 저렴한 비용으로 쉽게 구성 할 수 있으며, 시뮬레이션 결과는 안테나가 양호한 전기적 성능을 나타내므로 ISM 대역의 다양한 응용 분야에 적합한 후보로 간주 될 수 있음을 보여 주었다.

This study presents the design theory of the patch antenna of the fed inset patch method and proposes a configuration of the fed inset patch antenna which have a unidirectional radiation pattern with a bandwidth of 1% - 5% designed at the frequency of 2.42GHz and a gain of 6dBi. There are several ways to feed the patch antenna, and the fed inset patch antenna is fed through a microstrip feed line connected to a particular point in the patch. The measured input impedance can be controlled by changing the position at which the microstrip is connected to the patch antenna. The reflection coefficient above was matched with a 50Ω microstrip line. A patch antenna with linearly polarized insertion feed is constructed and its performance is analyzed through suitable simulation and the analyzed results. The inserted microstrip patch antenna was designed and simulated at a resonant frequency of 2.42 GHz. The input return loss was -21.05 dB and the gain was 4.68 dB. The proposed design has a simple antenna structure and can be easily configured at low cost. The simulation results show that the antenna can be regarded as a candidate for various applications in the ISM band because of its good electrical performance.