패치 안테나 (Microstrip Antenna)

 

- 패치 안테나 용으로는 유전율이 낮고 두께가 높은 기판이 유리하다.

- 장점 : 작다, 가볍다, 싸다, 배열이 쉽다, 집적이 쉽다, polarization 조절이 쉽다.

- 단점 : BW를 넓히기가 어렵다. Coupling 을 많이 유도한다. 저전력이다. 고주파 어레이에서 특성을 조절하기가 어려워진다.

 

Feeding structure

기타 : Slot line이나 Coplanar waveguide로 EM coupling을 시키기도 한다.

 

Dual polarization

서로 다른 방향의 Polarization 특성을 따로 입력하여 두개의 신호를 동시에 송수신. 효율은 높지만 Cross-Pol.과 Co-pol의 특성을 잘 맞추어야 한다.

Circular polarization

Feed 구조를 이중으로 하거나 45도 기울이면 원편파를 생성시킨다. 원편파를 이용하면 투과특성이 우수하고 다중반사 간섭이 적어지므로 방송통신용으로 많이 사용된다. 또한 편파손실이 적고 편파위치를 바꾸어가며 여러 신호를 다중으로 보낼 수 있다. 설계시에는 축비(Axial ratio: 편파가 한바퀴 회전할 때 축방향으로 진행하는 거리비)를 잘 고려해야 한다.

 

Rectangular Patch                   

장점 : 공정이 쉬워서 가격이 싸다.

단점 : feed와 antenna간의 isolation이 잘 안되고 임피던스 정합이 까다롭다.

설계 공식

입력 임피던스

- 계산이 까다로와서 보통 컴퓨터 프로그램을 이용한다. 통상적으로 200~250옴 사이의 입력 임피던스가 나오므로 그에 맞게 입력부에서 정합해야 한다. 식에 있는 + 기호는 입력신호가 odd(+) 모드이냐 even(-) 모드이냐로 판단하는데, 통상 odd 모드(비대칭공진) 로 입력하므로 +로 계산하면 된다.

임피던스 정합

 

Circular Patch                    

- 주 방사모드 : TM110

설계공식 (h는 cm단위)

입력 임피던스 (TM110 mode)

 

Coaxial feeding Patch         

장점 : feed에 의한 coupling과 radiation이 없고 임피던스 정합이 쉽다.

단점 : 만들기가 복잡해서 비싸다.

- 동축선의 외부도체는 기판의 그라운드에 붙이고 동축선의 중심도체는 기판을 통과시켜 패치에 붙인다.

- 이 동축 케이블의 위치를 변경하면 입력임피던스가 변하기 때문에 위치설정 자체로 정합이 가능하다. 하지만 적절하게 떨어지는 수식이 없기 때문에 주로 안테나용 S/W 등을 이용하여 50옴 동축선과 정합시킨다.

 

Aperture Coupled Patch                    

 장점 : feed면에 있는 다른 회로성분들의 영향을 거의 받지 않기 때문에 필터나 앰프 등의 기타 회로를 장착하더라도 간섭이 거의 발생하지 않는다.(양면기판) 또한 패치나 슬롯의 모양을 변경함으로써 광대역 특성이나 커플링 특성을 조절할 수 있는 자유도가 높다.

 단점 : 제작상에 추가적인 비용부담이 생기며 공간도 더 많이 차지한다.

- 슬롯의 크기나 위치는 coupling의 정도를 결정하게 되며 보통 실험이나 simulation을 통해 예측하게 된다. 이것을 설계하기 위해서는 자유도가 높기 때문에 딱 들어맞는 식을 세우기가 어렵다.

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