급전 위치 변경을 통한 Fabry-Perot Cavity 안테나 이득 개선

Ⅰ. 서 론

FPC(Fabry-Perot cavity) 안테나는 부분반사표면(PRS: partially reflect surface), 접지면, 단일급전소자로 구성되는 간단한 구조의 고이득 안테나이다^[1]~[5]. FPC 안테나가 간단한 구조로도 고이득을 형성할 수 있는 이유는 PRS와 접지면 사이 거리나 접지면에 반사되는 전파의 위상을 조절하여 FP(Fabry-Perot) 공진 조건을 만족시키도록 설계하기 때문이다.

그러나 기존 FPC 안테나의 급전소자는 접지면에 위치하도록 설계되었는데, 이때 구조의 특성상 급전 안테나에서 방사되어 접지면에 반사되지 않고 바로 PRS를 투과하는 파가 존재할 수밖에 없다. 이러한 투과파는 위상을 제어할 수 없기 때문에 파면 형성에 기여하지 않고 이는 이득 저하를 야기한다.

본 논문에서는 이득 저하의 원인이 되는 위상 제어가 불가능한 투과파를 해결하기 위해 기존의 FPC 안테나와는 달리 급전 안테나에서 방사되는 모든 전파가 ground에 반사되도록 급전 소자를 안테나 덮개부인 PRS에 두었다. 그리고 AMC(artificial magnetic conductor) 접지면을 이용해 모든 전파가 목표 파면에서 동일한 위상이 되게 하여 이득을 높였다. 이에 더불어 PRS 단위 셀의 반사 크기를 테이퍼링하여 기존 FPC 안테나의 높은 부엽 준위를 크게 낮췄다. 모든 시뮬레이션은 CST Studio Suite를 사용했다^[6].

Ⅱ. 본 론

그림 1(a)에는 기존 FPC 안테나의 구조와 동작 원리가 나타나 있다. FPC 안테나는 그림처럼 급전 소자로부터 방사되는 전파가 PRS를 투과할 때 파면을 형성하도록 PRS와 접지면 사이에 FP 공진을 만족시켜 수직 방향으로의 고이득 빔을 형성한다. 이때, FP 공진 조건은 PRS와 접지면 사이 거리(h)를 조절하거나, AMC 접지면의 반사 위상을 조절하여 만족시킬 수 있다.

그림 1. | Fig. 1. (a) 기존 FPC 안테나와 (b) 제안된 FPC 안테나의 구조 및 동작 원리, p=20 mm, h=31.5 mm, l=33.05 mm | The operation principle of (a) a conventional FPC antenna and (b) the proposed FPC antenna.

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그러나, 그림 1(a)의 기존 FPC 안테나처럼 급전 소자가 접지면에 위치해 있을 경우, AMC 접지면에 반사되지 않고 PRS를 투과하는 일부 전파(회색 선)가 존재한다. 이 투과파들은 급전 소자에서 PRS까지 각기 다른 경로로 진행하기 때문에 모두 다른 위상 지연을 가지는데, AMC 접지면에 반사되지 않아 위상을 조절할 수 없다. 그렇기 때문에 AMC 접지면에 반사된 투과파들이 형성하는 파면에 기여하지 못하고, 이는 안테나 이득을 저하시키는 원인이 된다.

본 논문에서는 위상 제어가 불가한 투과파가 발생하지 않게 하고, 모든 투과파의 위상 제어가 가능하도록 하기 위해서 그림 1(b)와 같이 급전 소자를 PRS 중앙에 위치시켜 AMC 접지면을 향해 방사하도록 했다. 이와 같이 급전 소자의 위치를 바꾸게 되면, 급전부에서 방사되어 PRS를 투과하는 모든 전파가 AMC 접지면에 반사되므로 AMC 셀을 통해 투과파의 위상을 조절할 수 있다. PRS의 셀 크기가 모두 동일한 경우, 평평한 파면 형성을 위한 각 AMC 셀의 반사 위상은 식 (1)과 같이 구할 수 있다.

이때, β는 자유공간에서의 위상 상수이고, l은 AMC 단위 셀과 PRS 단위 셀 사이의 전파 경로 길이, ϕ_AMC와 ϕ_PRS는 각각 PRS와 AMC의 반사 위상이다.

제안하는 방법처럼 급전 소자를 PRS에 두기 위해 본 연구에서는 패치 안테나를 그림 2와 같이 설계했으며, 두께 1.52 mm의 Taconic RF-35 유전체 기판을 사용했다.

그림 2. | Fig. 2. 패치 안테나의 (a) 하면과 (b) 측면 구조 및 (c) S₁₁과 (d) H-평면 방사 패턴, w₁=15 mm, w₂= 14.8 mm | Structure of the feeding patch antenna seen from the (a) bottom and (b) side, and its (c) S₁₁ and (d) an H-plane radiation pattern.

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그림 3 및 그림 4는 제안된 안테나의 PRS와 AMC를 구성하는 단위 셀 구조와 반사 계수 혹은 반사 및 투과 계수를 나타낸 것이다. PRS 단위 셀은 mesh grid의 크기인 a를 조절하여 반사 계수를 변화시킬 수 있고, AMC 단위 셀은 사각 패치 크기인 b를 조절하여 반사 위상을 변화시킬 수 있다. 두 단위 셀 모두 1.52 mm 두께의 Taconic RF-35 유전체 기판을 사용했다.

그림 3. | Fig. 3. PRS 단위 셀의 (a) 형상, a에 따른 (b) 반사 및 투과 크기, (c) 반사 및 투과 위상, p=20 mm, a는 PRS 셀 mesh grid의 크기 | The PRS unit cell (a) design, (b) its reflection and transmission magnitudes, and (c) phase according to a.

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그림 4. | Fig. 4. AMC 단위 셀의 (a) 형상, b에 따른 (b) 반사 크기 및 (c) 반사 위상, b는 필요한 AMC 셀 패치의 크기 | The AMC unit cell (a) design, (b) its reflection magnitude, and (c) phase according to b.

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그림 5는 제안된 FPC 안테나의 PRS와 AMC 접지면의 형상이다. 제안된 안테나의 PRS는 FPC 안테나의 고질적인 문제인 높은 부엽 준위를 개선하기 위해 tapered PRS를 사용했다^[7]. 이때, 공진기 내부 전파가 진행하는 모드에 따라 두 구역 (TE, TM)으로 나누고, 진행 모드에 따라 PRS의 반사 계수 테이퍼링을 하였다. TE 구역은 그림 5(a)의 셀 1번부터 5번에 해당하는 구역으로, 반사 크기를 0.9에서 0.7까지 0.05씩 선형적으로 감소하도록 설계하였다. TM 구역은 셀 6번부터 9번에 해당하는 구역으로 반사 크기는 각각 0.9에서 0.75까지 0.05씩 선형적으로 감소하도록 설계했다. TE 구역과 TM 구역의 전체 셀 배치는 x-축과 y-축 방향으로 모두 대칭을 이룬다.

그림 5. | Fig. 5. 설계 안테나의 (a) PRS, (b) AMC, w_t=220 mm, l_t=180 mm, w_g=30 mm, l_g=20 mm | The geometry of (a) the PRS and (b) the AMC ground plane of the proposed antenna.

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제작된 전체 안테나 사진과 실제 측정 환경은 그림 6 (a)와 그림 6 (b)에 나타냈다. 안테나 크기는 220.0 mm ×160.0 mm×34.6 mm이고, 목표 주파수 5 GHz 기준으로 3.67 λ×2.67 λ×0.58 λ이다.

그림 6. | Fig. 6. 제작된 안테나의 (a) 구조 및 (b) 측정 환경 | The (a) structure and (b) measurement environment of the fabricated antenna.

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그림 7은 제작된 안테나의 반사 특성(S₁₁)과 방사 패턴이다. 일반적으로 협대역 특성을 보이는 FPC 안테나와 달리 제안된 안테나는 약 10 %(4.90 GHz~5.46 GHz)의 넓은 대역폭을 보인다. 이는 PRS에 의해 급전 소자 접지면에 다수의 슬롯이 있는 효과가 생겨 구조에 의해 여러 주파수에서 공진이 발생하기 때문이다^[8]. 그림 7(a)는 패치안테나의 접지면이 모두 도체로 덮혀 있는 경우와 접지면에 슬릿이 있는 경우의 S₁₁ 특성을 비교한 것이다. 접지면에 슬릿이 있는 패치 안테나의 경우, 다중 공진이 발생하는 것을 확인할 수 있다. S₁₁ 특성은 안테나 제작과정에서 발생한 공정 오차로 시뮬레이션과 측정 결과 간의 차이가 있으나, 두 결과의 경향이 유사한 것을 확인할 수 있다.

그림 7. | Fig. 7. 제작된 안테나의 (a) S₁₁ 특성, (b) H-평면과 (c) E-평면 방사 패턴 | The (a) S₁₁, (b) an H-plane, and (c) an E-plane radiation pattern of the fabricated model.

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그림 7(b)와 그림 7(c)는 시뮬레이션과 제작된 안테나의 H-평면과 E-평면의 방사 패턴 결과이고, 두 평면 모두 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 굉장히 잘 맞는 것을 확인할 수 있다.

제작된 안테나는 목표 주파수 5 GHz에서 14.7 dBi의 높은 이득과 H-평면에서−31.7 dB의 굉장히 낮은 부엽 준위를 가지며, 개구면 효율은 24 %이다.

본 논문의 안테나와 유사한 AMC 접지면과 tapered PRS 구조를 가지고 있지만, 급전부가 접지면에 위치해 있는 기존 FPC 안테나와의 비교값은 표 1에 나타나 있다. 참고문헌 [3]의 개구면 효율 결과적으로 기존에 비해 개구면 효율이 2배 이상 개선된 것을 확인할 수 있다.

Ⅲ. 결 론

본 논문에서는 급전 소자의 위치와 방사 방향을 바꾼 새로운 Fabry-Perot 공진기(FPC) 안테나 설계 방법을 제안한다. 제안된 안테나에서는 기존 FPC 설계에서는 고려하지 못한 전파의 위상을 AMC 셀로 조절할 수 있으므로 더 평평한 파면을 형성하고, 높은 이득의 빔을 형성할 수 있다. 또한, 본 논문에서는 PRS 셀들의 반사 크기를 테이퍼링하여 부엽 준위도 획기적으로 낮췄다. 향후 제안된 안테나의 AMC 접지면 셀들의 반사 위상을 조절해 빔 조향 연구를 진행할 예정이며, 이로써 더 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.