Antenna design 1:High gain antennas

based on FSSs and AMCs

Dongho Kim, Professor, Ph/DAntennas & EM applications Lab., Sejong University

안테나 / 전자파응용연구실, 세종대학교dongkim@sejong.ac.kr

Fabry-Perot 공진

안테나 전자파 응용 연구실& 1

Superstrate를 바로 투과하는 파 (Ray 1)와 반사되어 투과하는 파 (Ray 2)의 위상이 같으면 (𝛥𝛥𝜙𝜙 = 2Nπ) 보강간섭 되어 지향성 극대화 Fabry-Perot 공진

반사계수 크기 (R)가 클 수록 지향성 증가

Ground plane

Strong radiation

Superstrate or Frequency selective surface (FSS)

Cavity resonance condition:

반사계수 크기가 클수록 지향성 증가

Directivity (D)

Ray 1Ray 2

Resonance height

D가 최대값을 갖기 위해

2

Superstrate 단위셀에 평면파를 입사하는 시뮬레이션을 통해 S11 파라미터의 위상(반사위상)을 추출

S11의 크기가 크면 안테나 이득 (지향성)을 극대화 할 수 있음

안테나 전자파 응용 연구실&

<단위셀 시뮬레이션 시나리오>단위셀 측면을 e- 및 h-wall로 막고 평면파입사 image theory에 의해 무한히 많은단위셀로 구성된 superstrate에 평면파를입사하는 것과 동일한 상황

E

H

k

평면파 입사

<S 파라미터의 크기 및 위상>

E-wall

Superstrate (φh)

Substrate (φl)

단위셀

H-wall

S11

S21

거의 반사됨

Superstrate 단위셀 시뮬레이션

3안테나 전자파 응용 연구실&

ap: size of the p-th cella1=16.2 mm, a18=14.8 mmα: scaling length

Uniform

Conventional superstrate (uniform unit cells)

Conventional superstrate (tapered unit cells)

p = 1 2 3 18

복사 대역폭을 넓히기 위해 각각 다른 크기의단위셀로 superstrate 구성

하지만 비교적 낮은 Quality factor (Q)가 단점

Superstrate 구조

Reference: D. Kim et al, “A broadband Fabry-Perot cavity antenna designed using an improved resonance prediction method,” Microwave Opt. Tech. Letts., vol.53, no.5, pp.1065-1069, 2011

4안테나 전자파 응용 연구실&

Superstrate (φh)

Substrate (φl)

필요한 여러 단위셀 크기에 대한 반사위상으로부터 타깃주파수 범위 내의 공진거리

(d) 범위 계산

시뮬레이션 최적화 결과, d는 약 83mm로 결정 (S11 시뮬레이션 결과로부터 추출된

계산 결과와 거의 유사)

d ≈ 87 mm

공진거리 계산

5

급전용 다이폴 안테나 : Microstrip patch ant.

Tapered superstrate : 18 × 5의 tapered 단위셀로 구성

Metallic side walls : 4개의 도체벽으로 안테나의 모든 측면들을 막음

안테나 전자파 응용 연구실&

<안테나 3D 시뮬레이션 모델>(CST Microwave Studio)

Patch ant.

Tapered superstrate

Metallic side walls

z

x

전체 안테나 크기:4.8λ × 0.8λ × 0.6λ

안테나 시뮬레이션 모델

6안테나 전자파 응용 연구실&

S11 및 안테나 복사패턴 시뮬레이션 결과

시뮬레이션 및 측정 결과 [1]

φ = 0 평면

Freq. = 2.42 GHzMain lobe direction = 0°3dB beam width = 10.5°

<3D 복사패턴>

<S11 (reflection coefficient) 파라미터 크기>

Max

.

2.424 GHz에서 S11의크기가 약 -18 dB로양호한 임피던스 매칭을가짐

Far-field (𝒌𝒌𝒌𝒌 ≫ 𝟏𝟏) 영역에서 안테나에 의해 복사되는 power density의 2D 및 3D 패턴을 나타냄

2.424 GHz

<2D 복사패턴 (φ = 0)>

CST MWS사용

7안테나 전자파 응용 연구실&

Tape

red

Uni

form

2.31 GHz

2.39 GHz

2.6 GHz

2.29 GHz

2.32 GHz

Max.

For the tapered case:Relatively even distribution

Appearance of a higher-order mode is delayed

For the uniform case:Even distribution is maintained in a very narrow frequency band

Higher-order mode is observed from much lower frequency

시뮬레이션 및 측정 결과 [2]

Higher order mode e-field 분포 비교 Ez-field distribution at z = d/2

8안테나 전자파 응용 연구실&

시뮬레이션 및 측정 결과 [3]

E-plane (xz 평면) e-field 분포 FP cavity 내부에 공진형 e-field가 분포함에 따라 +z 방

향으로 파가 보강간섭 되며 복사Superstrate

Ground

FP cavity

Constructive interference

zx

Side view

안테나 구조

Timeflows

CSTMicrowaveStudio사용

9안테나 전자파 응용 연구실&

Narrow response

Wide response

Realized gain 시뮬레이션 및 측정결과 Uniform 및 tapered superstrate 결과 비교 Tapered superstrate 기법을 통해 3dB radiation bandwidth를 확장 가능

시뮬레이션 및 측정 결과 [4]

[Tapered case]Maximum gain:

15.95 dBi3dB radiation bandwidth:

95 MHz (=4.1%)

[Uniform case]Maximum gain:

15.9 dBi3dB radiation bandwidth:

25 MHz (=1.1%)