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빔폭 향상을 위한 모드합성 안테나


~ 안테나는 빔폭이 넓어지고 싶어! ~

서론

안녕하세요 저는 바라미 26기 융합전자공학부 황현조입니다. 저는 이번 전시회에서 두개의 모드를 합성하여서 더 넓은 beamwidth를 가진 GPS안테나를 설계하는 것을 목표로 했습니다. Circular Patch 안테나의 TM 11 mode를 중심으로 Annular Ring Patch 안테나의 TM21mode를 합성할 것입니다. Circular Patch안테나를 중심으로 Annular Ring patch 안테나의 radiation pattern이 이를 보조해주는 방식으로 beamwidth를 넓힐 것입니다.

비유전율 4.4, Loss tangent 0.02를 갖는 FR4-epoxy를 기판으로 사용하고, 기판의 높이를 1.57mm로 설정했습니다. 또 GPS L1대역(1563~1587MHz)를 bandwidth로 하고 RHCP특성을 가진 안테나를 설계했습니다. 모든 안테나의 ground는 gain을 가장 크게 할 수 있도록 228.57mm x 228.57mm의 크기로 설계했습니다.

안테나 설계

TM11 mode circular patch antenna

TM11 mode Circular Patch 안테나에 RHCP를 주기 위해서 두개의 feed에 90도 위상차이를 주었습니다. Patch radius의 길이는 26.5mm이다. Feed의 위치는 radius의 중앙에 위치했다. Annular Ring Patch에서 후술할 이유에 의해서 중앙에 Via를 위치했다.

TM 11 Circular Patch 안테나 설계

이 안테나는 Half Power Bandwidth가 86.73도를 가지고 아래와 같은 방사패턴을 가지게 되었다.

TM 11 Circular Patch 안테나 2D & 3D 방사패턴

TM21 mode annular ring antenna

TM21 mode Circular Patch 안테나에 RHCP를 주기 위해서 두개의 feed에 90도 위상차이를 주었다. Ring Width를 8mm로 하고 a = 36.49mm, b = 26.49mm이다. Axial Ratio Bandwidth를 늘리기 위해서 중앙에 Via를 위치했다.

TM 21 Circular Patch 안테나 설계

이 안테나는 Half Power Bandwidth가 64.26도를 가지고 아래와 같은 방사패턴을 가지게 되었다.

TM 21 Circular Patch 안테나 2D & 3D 방사패턴

결과

설계한 두개의 안테나를 circular patch 안테나를 annular ring 안테나안에 넣는 방식으로 설계했다.

최종 안테나 설계

최종 안테나 파라미터

이렇게 설계된 안테나의 S11값과 axial ratio값은 아래의 그림과 같다. S11중에서 -10dB이하의 주파수 대역은 1.561GHz ~ 1.584GHz로 L1대역에 알맞다.

최종 안테나 S11

최종 안테나 AR

TM21 모드의 안테나의 방사 패턴은 넓게 퍼져 있기 때문에 TM11모드의 좁은 방사패턴을 보완했다. 또한 TM21 안테나 중간의 null을 TM11모드 안테나가 보완하며 HPBW가 101.4˚로 증가했다.

최종 안테나 방사패턴

추가

  • 응애
  • TM21 mode 안테나의 게인이 너무 낮아서(…) 별로 빔폭이 넓어지지 못해서 슬펐다. 그래서 TM 21mode에 파워를 더 넣었다. 그랬더니 HPBW가 상당히 올랐다. 근데 게인이 처참해졌다. 부끄러워서 값을 올리지 못했다.
  • 랩실 들어가기 싫다 응애
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