Earticle

본 논문에서는 마이크로스트립 패치 안테나와 2차 및 3차 고조파가 억압된 이중모드 대역통과 여파기를 이용하여 고효율의 2.45 GHz 렉테나를 설계 및 제작하였다. 입사전력밀도가 0.3 mW/cm2 일 때 1.66 mW 의 전력을 수신하였고, 41.6%의 RF-to-DC 변환효율의 실험 결과를 얻었다. 이는 입사 전력이 작기 때문에 다른 논문의 결과와 비교하여 고효율이라고 볼 수 있다. 또한 무선전력 전송을 통하여 다양한 응용기술 개발에 활용이 가능할 것으로 예측되며, USN(Ubiquitous Sensor Network)용 저전력 소자의 대기전원 공급 및 MEMS용 Sensor 등의 구동전압공급을 위한 무선 전력전송이 가능하게 될 것으로 기대된다.

In this paper, a high efficiency 2.45 GHz rectenna with a microstrip patch antenna and a dual-mode band-pass filter in which the 2nd and 3rd harmonics are suppressed, is presented. From the experimental results, the 2.45GHz rectenna using 3rd harmonic suppressed dual-mode BPF shows the conversion efficiency of 41.6% with incident power density of 0.3 mW/cm2 and the received power of 1.66 mW. This result shows high conversion efficiency because the received power of this rectenna is lower than other rectennas to be compared with. This rectenna can be applied to the WPT (Wireless Power Transmission) field for energy harvesting. Also, it is expected to be used to provide the stand-by power for the low power devices for USN, and wireless power transfer in sensor application of MEMS devices.

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 GPS용 마이크로스트립 패치안테나의 대역특성을 넓히기 위하여 90° 하이브 리드를 적용한 2포트 급전을 제안한다. 패치는 정사각형 패치이며, 급전은 프로브 급전한다. 90°하이브리드 칩 소자 회로를 설계하고, 90°위상차가 나는 출력 포트를 패치안테나에 각각 공급한다. 설계된 패치와 90°하이브리드 회로를 FR4 기판에 구현하고 이들을 결합한다. 구현 된 안테나에 대한 정재파비 측정결과, 2:1 기준으로 29% BW (1,230∼1,700 MHz)을 얻었으며, 축비 밴드폭은 3dB 기준 15.87% BW (1,400∼1,650 MHz)의 광대역 특성을 얻었다. 이득은 중심 주파수에서 2.75dBi으로 측정되었다.

In this paper, two ports feeding a microstrip patch antenna using a quadrature hybrid circuit was proposed to enhance the bandwidth for the global positioning system(GPS). The square patch was designed, and the probe feeding was applied. The quadrature hybrid chip circuit for two-port feeding was designed, and output ports that have a 90-degree phase difference feed to the patch antenna. The designed patch and quadrature hybrid circuit were implemented on an FR4 board, and were combined. The measurement of the bandwidth within a voltage standing wave ratio(VSWR) of 2:1 and axial ratio(AR) in 3dB were wide band as 29% BW (1,230∼1,700 MHz) and 15.87% BW (1,400∼1,650 MHz), respectively. Antenna gain were measured 2.75dBi at the center frequency.

본 논문에서는 차세대 WLAN 시스템을 위한 다중대역 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 기존의 WLAN 시스템에서는 UWB용 안테나를 병행으로 사용하였으며, 안테나 구조에 따라 각각 다른 부분에서 복사가 일어나기 때문에 분산 특성으로 인한 불안정한 임펄스 응답 특성을 갖는 단점이 있다. 이런 점을 보완하기 위해 WLAN 대역에 적합한 복사 패턴을 갖는 UWB 안테나가 개발되었으나 임피던스 매칭이 좋지 않고 반향이 심한 문제점이 있다. 그러므로 본 논문에서는 안테나 설계 시 다양한 임피던스를 쉽게 구현할 수 있고, 설계 시 사용할 수 있는 파라미터를 더 많이 도출하여 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 CPW 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다.

In this paper, we designed a multiband monopole antenna for next-generation WLAN system. In conventional WLAN system, UWB antennas were used together, and, because the radiation occurs in different parts depending on the antenna structure, it has the disadvantage of having an unstable impulse response characteristic due to dispersion characteristics. Although a UWB antenna that has suitable radiation pattern for WLAN band, it does not have good impedance matching and has severe echo. Therefore, in this paper, a monopole antenna was designed by using CPW power feed so that various impedances can be easily implemented when designing an antenna and more parameters can be derived that can be used for design for optimal performance.

본 논문에서는 금속 환경에서 사용이 가능한 RFID 국제 규격인 910MHz 대역에서 최상의 성능을 갖는 미앤더 형태의 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 안테나에 부착되는 상용 태그 칩과 정합을 위해 사각 형태의 급전부를 본체에 연결하였으며, 사각 형태의 급전부를 본체 안에 위치하였고, 안테나의 복수부인 본체를 효과적으로 축소하기 위하여 패치의 소자를 증가시켜 다중의 미앤더 형태로 설계하였다. 제안된 안테나는 Case 1, Case 2, Case 3로 각각 3 종류의 안테나를 제작하였으며, 안테나의 크기와 접은 횟수에 따른 대역폭, 효율, 인식 거리 등의 특성을 비교․분석하였다. 측정결과 Case 3 안테나의 성능이 가장 좋은 것으로 나타났다. 또한 안테나의 크기와 미앤더 형태로 접은 횟수에 따른 효율 및 이득 특성 변화가 안테나의 인식 거리에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.

In this paper, we present a design of meander type microstrip patch antenna which has the best quality in RFID approved international standard of 910MHz broadband, usable in metal environment. In order to be fit into the commercial tag chip on the antenna, a square shaped feeder is installed on the main body as well as in the main body. In addition, a multi meander type patching element was designed in order to reduce the main body effectively. Three antennae, Cases 1, 2 and 3, were designed and compared in the areas of broad band width, effectiveness or recognition distance according to their sizes and number of folds. The measurement result of Case 3 was determined to be the best. It was confirmed that mostly the efficiency and characteristic gain change due to antenna size and number of folds in meander type influenced the antenna recognition distance

윌킨슨 전력분배기 및 90도 하이브리드 회로를 각각 GPS용 마이크로스트립 패치안테나에 적용하여 넓혀진 대역특성 을 비교한다. 패치는 정사각형 패치로 설계하고, 회로를 적용하기 위하여 패치안테나에 2포트 프로브 급전한다. 윌킨슨 전력분배기와 90도 하이브리드 회로를 설계하고 90도 위상차가 나는 출력 포트를 패치안테나에 공급한다. 설계된 패치 와 2가지 회로를 FR4 기판에 구현하고 이들을 각각 결합한다. 구현된 안테나에 대한 정재파비 측정결과 2: 1 기준으로 윌킨슨 전력분배기 적용 때 36.5% 대역폭(1,200~1,775 MHz), 90도 하이브리드 적용 때 29.84% 대역폭(1,230~1,700 MHz) 을 얻었다. 3dB 축비 대역폭은 17.14% 대역폭(1,360~1,630 MHz) 및 15.87% 대역폭(1,400~1,650 MHz)을 얻음으로써 광대 역임이 입증되었고, 윌킨스 전력분배기 적용이 90도 하이브리드 적용보다 좀 더 넓은 대역폭이 나타났다. 무반사실에서 측정한 안테나의 최대이득은 GPS 중심주파수에서 각각 2.84 dBi 및 2.75 dBi를 얻었다.

Enhanced bandwidths of the GPS microstrip patch antennas applied by a Wilkinson power divider and a quadrature hybrid were compared. The square patch was designed, and fed by the two port probes for the circuit application. The Wilkinson power divider and quadrature hybrid circuit were designed, and applied to the patch antenna. The designed patch and two circuits were implemented on the FR4 board, and combined together. The measurement of the bandwidth within a voltage standing wave ratio (VSWR) of 2: 1 were 36.5% (1,200~1,775 MHz) in the case of the Wilkinson power divider and 29.84% (1,230~1,700 MHz) in the case of the quadrature hybrid. Axial ratios (AR) in 3dB were 17.14% bandwidth (1,360~1,630 MHz) and 15.87% bandwidth (1,400~1,650 MHz), respectively. The application of the Wilkinson power divider is wider than that of the quadrature hybrid. The peak gains in the anechoic chamber at the GPS center frequency were measured as 2.84 dBi and 2.75 dBi, respectively.

본 논문에서는 저궤도 중형급 위성에 장착에 적합한 isoflux 방사패턴을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나를 제안하 였다. 제안된 안테나는 isoflux 방사패턴 특성을 얻기 위해 패치 아래의 접지면을 사다리꼴 모양으로 변형시켜 패치 끝 의 개구면과 접지면 사이에 발생되는 프린징 필드를 조절하였다. 그리고 후방으로 방사되는 레벨을 줄이기 위해서 패치 안테나 양 끝에 cavity wall을 채택하였다. 끝으로 패치의 길이와 급전점을 조절하여 원형편파를 발생시켰다. 설계된 안 테나는 S-band uplink(2.025 ~ 2.110 GHz)를 수용하도록 설계하였으며, 접지면을 포함한 안테나의 전체 크기는 160 mm × 160 mm × 40 mm (1.1λ × 1.1λ × 0.3λ, λ은 2.068 GHz의 공기 중 한 파장)를 가진다. 또한 –10 dB 대역폭은 90 MHz(4.4 %)로 목표주파수 대역을 만족시키며, 3 dB이하 축비대역폭은 18 MHz(0.9 %)로 측정되었고, 방사패턴은 isoflux 형태를 가지며, y축 편파 E-plane 46°에서 최대 5.31 dBi의 이득이 측정되었다.

In this paper, a microstrip antenna with isoflux radiation patterns is presented for Low Earth Orbit(LEO) medium-sized satellites. Because of making isoflux patterns, the ground of proposed antenna under the patch was transform into a trapezoid for adjusting fringing field between the patch and ground. Next, the cavity walls were located at end of the ground for reducing back radiation. The proposed antenna was designed to receive S-band uplink(2.025 ~ 2.110 GHz) and the dimensions of the designed antenna with the ground are 160 mm × 160 mm × 40 mm(1.1λ × 1.1λ × 0.3λ, λ is the free-space wavelength at 2.068 GHz). Measured –10 dB bandwidth was 90 MHz(4.4 %) and it covers the required system bandwidth. Also, measured 3 dB axial ratio was 18 MHz(0.9 %). On the other hand, measured radiation patterns were isoflux patterns and its measured gain was 5.31 dBi at E-plane 46° in the y-axis pol.

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.

Metamaterial is the arrangement of "artificial" elements in a periodic manner providing unusual electromagnetic properties. This unusual property has made it an area of interest for last few decades. It has wide applications in antennas. Gain, directivity, bandwidth, efficiency, and many other parameters of microstrip patch antenna can be improved using metamaterials. In this review paper, we first overview the metamaterials, its types and then the application of metamaterials in Microstrip patch antennas over the last 13-15 years.