Ⅰ. 서 론
다수의 안테나를 사용하는 배열 안테나 기술은 높은 이득과 빔형성 기법을 적용할 수 있어 레이다, 통신 등의 분야에 사용되고 있다[1]. 다수의 안테나를 사용하는 경우, 안테나 사이의 상호결합 현상이 일어나게 되며, 이러한 상호결합은 안테나 성능의 저하를 야기시킨다. 상호결합의 주된 원인으로는 안테나의 유전체를 통해 인접 안테나로 넘어가는 표면파가 있다. 이러한 표면파를 줄이기 위한 기본적인 방법으로는 안테나 사이의 물리적 거리를 증가시킴으로써 인접 안테나에 영향을 미치는 표면파의 크기를 줄여주는 방법이 있다. 하지만 안테나 사이의 거리가 멀어지게 될 경우, 배열 안테나 기술에 있어 grating lobe가 발생된다. 표면파를 차단하는 또 다른 방법으로는 안테나 사이에 금속 벽을 만드는 방법[2]과 electromagnetic band gap(EBG)[3] 구조를 사용하는 방법 등이 있다. 하지만 안테나 사이의 금속 벽을 만들기 위해서는 추가적인 구조물이 필요하며, EBG 구조를 사용하기 위해서는 두 안테나 사이에 충분한 공간이 확보되어야 한다.
최근 메타구조 기반의 흡수체를 사용하여 안테나 소자 간 상호결합을 줄이는 연구가 활발히 진행되고 있으며[4],[5], 이 방법은 크기적 제한과 복잡성에서 벗어나 효율적으로 안테나 소자 간 격리도를 향상시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 안테나 사이의 격리도를 향상시키기 위해 메타 구조 기반 흡수체의 한 종류인 double split ring resonator (DSRR)를 사용하였다. 모의실험을 위한 tool은 ANSYS사의 HFSS를 이용하였다.
Ⅱ. DSRR Unitcell 설계
그림 1은 제안된 DSRR의 unitcell 구조이다. 3의 유전율과 0.76 mm의 두께를 갖는 Taconic사의 RF-30기판을 사용하였으며, 2장을 적층하여 사용하였다. DSRR은 적층된 기판의 위층과 아래층에 적용되었으며, split ring resonator(SRR)가 2개 겹쳐진 구조로 이루어져 있다. 제안된 DSRR의 파라미터는 s1=5 mm, s2=2.57 mm, s3=1.77 mm, sg=0.2 mm, sw=0.2 mm이다. Unitcell 모의실험의 경계조건으로 x-z면은 포트로 설정하였으며, x-y, y-z면은 각각 perfect electric conductor(PEC), perfect magnetic conductor (PMC)로 설정하였다. 그림 2는 unitcell 모의실험을 통해 얻어진 산란계수이며, 그림 3은 산란계수 값을 이용하여 계산한 DSRR의 유효 유전율과 투자율의 그래프이다. 유효 유전율과 투자율의 계산은 참고문헌 [6]을 참고하여 수행하였다. 9.38～9.75 GHz에서 계산된 유효 유전율의 실수 값은 양수이며, 유효 투자율의 실수 값은 음수이다. 따라서 이 주파수 범위에서 DSRR은 흡수체로 동작하며, DSRR 내부에서 y-축 방향으로 진행하는 전자파는 감쇠하게 된다[7]. 이로 인하여 안테나 사이에 DSRR 구조를 적용할 경우 안테나 소자 간 격리도를 향상시킬 수 있다.
Ⅲ. DSRR이 적용된 안테나 설계
그림 4(a)는 제안된 DSRR을 적용하기 위한 비발디 안테나 각 층의 구조이다. 3의 유전율과 0.76 mm의 두께를 갖는 Taconic사의 RF-30 기판을 사용하였으며, 총 3개의 층으로 이루어져 있다. 위층과 아래층에는 비발디 형상이 도입되었으며, 중간층에는 급전을 위한 50 Ω의 strip line 이 존재한다. Strip line을 통해 급전이 이루어지면 strip line-to-slot line transition을 통하여 위층과 아래층의 방사체에 전계가 형성되어 방사가 이루어진다. 위층과 아래층의 동일한 형상은 대칭적인 전계분포를 생성하여 교차 편파를 낮추기 위해 도입되었다. 그림 4(b)는 비발디 안테나의 파라미터를 보여준다. l1=24.73 mm, l2=15 mm, x1=2.56 mm, x2=2.38 mm, g=0.24 mm, f1=12.74 mm, f2=4.9 mm, f3=2.82 mm, a=76.6 deg가 비발디 안테나의 파라미터로 이용되었다. 비발디 안테나의 tapered 선로를 결정하는 수식은 다음의 식을 이용하였다.
Tapered 선로는 사각형 모양 슬롯의 +x-방향 끝에서부터 시작되며, 식 (3)의 계수인 A0와 exponential의 지수부분에 위치하는 b라는 파라미터에 의하여 결정된다. A0=0.12, b=0.33이 tapered 선로를 구현하기 위해 사용되었다. 그림 5는 1×2 비발디 안테나 사이에 DSRR을 적용한 구조이며, 2개의 비발디 안테나와 6개의 DSRR unitcell로 이루어져 있다. 비발디 안테나와 DSRR의 설계 파라미터는 그림 1과 그림 4에서 사용한 파라미터와 동일하며, 두 안테나 소자 간 간격은 5 mm이다. 안테나 사이의 커플링을 야기하는 전자파는 그림 1에서 DSRR을 설계할 때 고려한 입사파와 동일한 전자기장의 방향을 갖는다. 그림 6은 DSRR 유무에 따른 산란계수를 보여준다. DSRR로 인한 표면파 감소 특성을 확인하기 위하여 DSRR이 존재하는 모델과 존재하지 않는 모델에 대하여 비교하였으며, 두 모델 모두 비발디 안테나의 설계 파라미터는 동일하다. S11 특성은 DSRR 유무에 상관없이 9.5 GHz 대역에서 −10 dB 이하를 만족하는 것을 확인할 수 있다. S21 특성을 보면 DSRR이 존재하지 않는 경우 9.5 GHz 대역에서 약 −20 dB의 S21 값을 갖지만, DSRR이 존재하는 경우 DSRR이 존재하지 않을 때보다 20 dB 정도 감소된 약 −40 dB의 S21 값을 갖는다. 이것은 해당 주파수 대역에서 DSRR이 흡수체로 동작하여 서로 다른 안테나로 넘어가는 표면파를 줄여주었기 때문이며, 이러한 주파수 범위는 9.3～9.65 GHz로 Ⅱ절에서 설계한 DSRR의 동작 주파수와 거의 일치한다. 따라서 설계된 DSRR로 인한 안테나 소자 간 격리도 향상을 확인하였다.
Ⅳ. 제작 및 측정 결과
그림 7은 제작한 1×2 비발디 안테나의 형상이다. DSRR 이 있는 모델과 DSRR이 없는 모델 모두 제작하였으며, 기판 가장자리에 있는 4개의 post를 통하여 두 개의 기판을 적층하였다. 그림 8은 모의실험 및 측정된 산란계수 결과이다. Agilent 8510C 네트워크 분석기를 사용하여 측정하였으며, 측정된 S11 값은 두 모델 모두 9.5 GHz 대역에서 −10 dB 이하의 값을 갖는다. S21 결과에서 보면 측정된 DSRR의 공진점이 모의실험 결과 대비 고주파에서 공진을 갖는데, 이것은 제작상의 오차로 보인다. 그림 9는 모의실험 및 측정된 방사패턴의 그래프이다. 제작된 안테나의 방사패턴 측정은 포트 1에서 신호를 인가하고, 포트 2는 50 Ω의 부하로 종단시켜 이루어졌다. 방사패턴의 측정은 9.8 GHz에서 이루어졌다. DSRR의 유무와 관계없이 방사패턴은 +x-축 방향으로 지향성을 갖는 패턴을 보이고 있으며, 인접된 안테나의 영향으로 E-plane 방사패턴이 +y-축 방향으로 기울어진 것을 확인할 수 있다. DSRR 유무에 따른 측정된 최대 이득은 각각 4.8 dBi, 5.4 dBi이다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 메타구조 기반 흡수체의 한 종류인 DSRR을 이용하여 비발디 안테나 소자 간 격리도를 향상시켰다. DSRR의 표면파 차단 특성을 확인하기 위하여 unitcell 모의실험을 통해 유효 유전율과 투자율을 계산하였으며, 1×2 비발디 안테나 사이에 DSRR을 적용하였다. DSRR 유무에 상관없이 1×2 비발디 안테나의 S11은 9.5 GHz 대역에서 −10 dB 이하의 값을 보였으며, S21은 DSRR이 존재할 경우 존재하지 않는 경우보다 20 dB 정도 감소되었다. 이를 통하여 DSRR을 통한 격리도 향상을 확인하였으며, 방사패턴은 두 경우 모두 +x-축 방향으로 지향성을 갖는 패턴을 보였다. 따라서 DSRR 구조는 안테나 소자 간 격리도 향상이 필요한 어플리케이션에 적용이 가능할 것으로 보인다.
