학술논문
3중 폴디드 구조를 적용한 VHF대역 무지향성 마이크로스트립 안테나 소형화 / Miniaturization of VHF band non-directional microstrip antenna using triple-folded structure
Document Type
Dissertation/ Thesis
Author
Source
Subject
Language
Korean
Abstract
In this paper, a miniaturized non-directional microstrip antenna of the VHF band is proposed. The concept and procedure for miniaturization of the λ/4 microstrip antenna using the perturbation effect and its characteristics were described, and the proposed antenna was applied to the VDB (center frequency: 118MHz) system of GBAS.In Chapter 2, describing the characteristics of the λ/2 microstrip patch antenna, which is the basic form of the microstrip antenna. The antenna was analyzed through the transmission line model and a λ/2 microstrip patch antenna was designed using this. In addition, a resonator model was introduced to analyze the radiation pattern of the antenna, and the radiation pattern results of the theoretically designed λ/2 microstrip patch antenna were compared with the simulation radiation pattern results.In Chapter 3, a λ/4 folded microstrip antenna with a reduced ground plane to form an non-directional radiation pattern was designed and its characteristics were described.In Chapter 4, the perturbation effect was used to miniaturize the λ/4 folded microstrip antenna. To this end, in order to give a volume change of the aperture surface of the antenna radiating element, a double-folded that is folded in the shape of a '⊔' inward from the end of the aperture was proposed, and the frequency downward characteristic according to the antenna perturbation effect through the double-folded was investigated. In Chapter 5, a triple-folded non-directional microstrip antenna for GBAS was designed to reduce the influence of external environmental changes such as strong winds when it was used for the actual GBAS VDB system, and the measurement results were analyzed. the proposed antenna has a size of 258mm(ℓ, 0.1λ) × 214.6mm(h, 0.08λ) × 360mm(w, 0.14λ) at a design frequency of 118MHz, and has a miniaturization rate of 64.2% compared to the standard λ/4 microstrip antenna. and increased the possibility of use in GBAS.The measured values of the fabricated triple-folded non-directional microstrip antenna for GBAS showed similar results to the simulation results, and the values showed 28.3dB(simulation), -13.91dB(measured), and –10dB bandwidth were 1.9MHz (1.61%, simulation), 1.5 MHz (1.27%,measured).As for the radiation pattern, a radiation pattern have non-directional pattern in yz-plane (E-plane) and xy-plane (H-plane), and a pattern characteristic close to non-directional without a null point was obtained.Although the final proposed triple-folded antenna showed some degradation in performance in -10dB bandwidth and average gain, it showed a high miniaturization rate compared to the standard and non-directional radiation pattern in yz-plane and xy-plane. It was confirmed that the designed and manufactured miniaturized triple-folded microstrip antenna can be used as an antenna for GBAS's VDB system with one antenna.In addition, the miniaturized non-directional antenna of the VHF band is not only for VDB of GBAS, but also has non-directional radiation patterns such as marine communication equipment (156MHz~162MHz), ship-mounted antenna, and tank-mounted Low-VHF (40MHz) direction finding antenna. It is considered to be applicable in various fields that require a miniaturized antenna.
본 논문에서는 VHF대역의 소형화된 무지향성 마이크로스트립 안테나를 제안하였다. 이를 위해 섭동효과를 이용한 λ/4 마이크로스트립 안테나의 소형화 개념과 절차 및 그 특성에 대해 기술하였으며, 제안된 안테나를 GBAS의 VDB(중심주파수 : 118MHz) 시스템에 적용하고자 하였다. 제 2 장에서는 마이크로스트립 안테나의 기본 형태인 λ/2 마이크로스트립 패치 안테나의 특성에 대해 기술하였다. 전송선 모델을 통해 안테나를 해석하고 이를 이용하여 λ/2 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 또한, 안테나의 방사패턴을 해석하기 위해 공진기 모델을 도입하였으며, 이론적으로 설계된 λ/2 마이크로스트립 패치 안테나의 방사패턴 결과와 시뮬레이션 방사패턴 결과를 비교하였다.제 3 장에서는 무지향성 방사패턴이 형성되도록 접지면이 축소된 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나를 설계하고 그 특성에 대해 기술 하였다.제 4 장에서는 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나를 소형화 하기 위해 섭동효과를 이용하였다. 이를 위해 안테나 방사소자의 개구면의 체적변화를 주기 위해 개구 종단에서 안쪽으로 ‘⊔’자 형태로 접혀 들어가는 2중 폴디드를 제안하였고, 2중 폴디드를 통한 안테나 섭동효과에 따른 주파수 하향 특성을 확인 하였다. 제 5 장에서는 실제 GBAS의 VDB 시스템용으로 활용이 되었을 때 강풍 등 외부환경변화에 대한 영향을 줄이기위해 GBAS용 3중 폴디드 무지향성 마이크로스트립 안테나를 설계하였고, 측정 결과를 분석하였다. 제안된 안테나는 설계주파수 118MHz에서 258mm(ℓ, 0.1λ) × 214.6mm(h, 0.08λ) × 360mm(w, 0.14λ) 크기로 제작되었으며 기준이 되는 λ/4 마이크로스트립 안테나 대비 64.2% 소형화율을 달성하여 GBAS에서의 활용 가능성을 높였다. 제작된 GBAS용 3중 폴디드 무지향성 마이크로스트립 안테나 측정값은 시뮬레이션 결과와 유사한 결과를 나타내었고 시뮬레이션과 측정값은 118MHz에서 각각 -28.3dB, -13.91dB, -10dB 대역폭은 각각 1.9MHz(1.61%), 1.5 MHz(1.27%)를 나타내었다. 방사패턴은 yz-plane(E-plane), xy-plane(H-plane)에서 무지향성을 갖는 방사패턴을 형성하였고, null 점이 없는 무지향성에 가까운 패턴 특성을 얻었다. 최종 제안된 3중 폴디드 안테나는 -10dB 대역폭과, 평균 이득에서 다소 성능의 열화가 발생되었으나, 기준대비 높은 소형화율과 yz-plane, xy-plane에서무지향성 방사패턴을 나타내고 있어 본 논문에서 설계 및 제작한 소형화된 3중 폴디드 마이크로스트립 안테나는 1개의 안테나로 GBAS의 VDB 시스템용 안테나로 활용 가능함을 확인할 수 있었다. 또한, VHF대역의 소형화된 무지향성 안테나는 GBAS의 VDB용 뿐만 아니라 해상통신용 무선 전화장치(156MHz∼162MHz) 선박탑재용 안테나, 전차 탑재형 Low-VHF(40MHz) 방향탐지 안테나 등 무지향성 방사패턴이 필요하며, 소형화된 안테나가 필요한 다양한 분야에서 적용 가능할 것으로 사료된다.
본 논문에서는 VHF대역의 소형화된 무지향성 마이크로스트립 안테나를 제안하였다. 이를 위해 섭동효과를 이용한 λ/4 마이크로스트립 안테나의 소형화 개념과 절차 및 그 특성에 대해 기술하였으며, 제안된 안테나를 GBAS의 VDB(중심주파수 : 118MHz) 시스템에 적용하고자 하였다. 제 2 장에서는 마이크로스트립 안테나의 기본 형태인 λ/2 마이크로스트립 패치 안테나의 특성에 대해 기술하였다. 전송선 모델을 통해 안테나를 해석하고 이를 이용하여 λ/2 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 또한, 안테나의 방사패턴을 해석하기 위해 공진기 모델을 도입하였으며, 이론적으로 설계된 λ/2 마이크로스트립 패치 안테나의 방사패턴 결과와 시뮬레이션 방사패턴 결과를 비교하였다.제 3 장에서는 무지향성 방사패턴이 형성되도록 접지면이 축소된 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나를 설계하고 그 특성에 대해 기술 하였다.제 4 장에서는 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나를 소형화 하기 위해 섭동효과를 이용하였다. 이를 위해 안테나 방사소자의 개구면의 체적변화를 주기 위해 개구 종단에서 안쪽으로 ‘⊔’자 형태로 접혀 들어가는 2중 폴디드를 제안하였고, 2중 폴디드를 통한 안테나 섭동효과에 따른 주파수 하향 특성을 확인 하였다. 제 5 장에서는 실제 GBAS의 VDB 시스템용으로 활용이 되었을 때 강풍 등 외부환경변화에 대한 영향을 줄이기위해 GBAS용 3중 폴디드 무지향성 마이크로스트립 안테나를 설계하였고, 측정 결과를 분석하였다. 제안된 안테나는 설계주파수 118MHz에서 258mm(ℓ, 0.1λ) × 214.6mm(h, 0.08λ) × 360mm(w, 0.14λ) 크기로 제작되었으며 기준이 되는 λ/4 마이크로스트립 안테나 대비 64.2% 소형화율을 달성하여 GBAS에서의 활용 가능성을 높였다. 제작된 GBAS용 3중 폴디드 무지향성 마이크로스트립 안테나 측정값은 시뮬레이션 결과와 유사한 결과를 나타내었고 시뮬레이션과 측정값은 118MHz에서 각각 -28.3dB, -13.91dB, -10dB 대역폭은 각각 1.9MHz(1.61%), 1.5 MHz(1.27%)를 나타내었다. 방사패턴은 yz-plane(E-plane), xy-plane(H-plane)에서 무지향성을 갖는 방사패턴을 형성하였고, null 점이 없는 무지향성에 가까운 패턴 특성을 얻었다. 최종 제안된 3중 폴디드 안테나는 -10dB 대역폭과, 평균 이득에서 다소 성능의 열화가 발생되었으나, 기준대비 높은 소형화율과 yz-plane, xy-plane에서무지향성 방사패턴을 나타내고 있어 본 논문에서 설계 및 제작한 소형화된 3중 폴디드 마이크로스트립 안테나는 1개의 안테나로 GBAS의 VDB 시스템용 안테나로 활용 가능함을 확인할 수 있었다. 또한, VHF대역의 소형화된 무지향성 안테나는 GBAS의 VDB용 뿐만 아니라 해상통신용 무선 전화장치(156MHz∼162MHz) 선박탑재용 안테나, 전차 탑재형 Low-VHF(40MHz) 방향탐지 안테나 등 무지향성 방사패턴이 필요하며, 소형화된 안테나가 필요한 다양한 분야에서 적용 가능할 것으로 사료된다.