안테나는 무선 통신 시스템의 중요한 구성 요소입니다. 이들은 Wi-Fi, Bluetooth, 셀룰러 네트워크 및 위성 통신을 포함한 다양한 응용 분야에 사용되는 무선 신호 전송 및 수신을 담당합니다. 안테나의 대역폭은 특정 애플리케이션에 대한 성능과 적합성을 결정하는 중요한 매개 변수입니다. 이 기사는 패치 안테나의 대역폭을 증가시키기위한 전략을 탐색 할 것입니다. 패치 안테나의 대역폭이 낮고 제조 용이성으로 인해 널리 사용됩니다.
대역폭 공정 향상을위한 대역폭 디자인 전략 증가에 대한 패치 안테나 및 대역폭 도의 이해
패치 안테나 및 대역폭 이해
패치 안테나는 유전체 기판의 한쪽에 방사 패치와 다른 쪽의 접지 평면으로 구성된 마이크로 스트립 안테나의 한 유형입니다. 그들은 낮은 프로파일, 가볍고 제조 용이성으로 인해 무선 통신 시스템에서 널리 사용됩니다. 패치 안테나는 특정 응용 분야에 맞게 직사각형, 원형 및 타원형과 같은 다양한 모양으로 설계 될 수 있습니다.
패치 안테나의 대역폭은 안테나가 효과적으로 작동하는 주파수 범위로 정의됩니다. 일반적으로 안테나의 반환 손실이 10dB보다 큰 상한 주파수 지점과 하부 주파수 지점의 차이로 측정됩니다. 대역폭이 높을수록 안테나는 더 넓은 범위의 주파수에 걸쳐 작동 할 수 있으며, 이는 높은 데이터 속도가 필요하고 다중 주파수 대역을 지원하는 최신 통신 시스템에 필수적입니다.
패치 안테나는 좁은 대역폭으로 알려져 있으며, 이는 일반적으로 중심 주파수의 5% 미만입니다. 이 제한은 주로 방사 패치의 작은 크기에 기인하여 고품질 계수 (Q)와 결과적으로 좁은 대역폭을 초래합니다. 유전체 기판, 패치의 크기 및 모양 및 공급 메커니즘을 포함하여 패치 안테나의 대역폭에 영향을 미칩니다.
대역폭 증가의 도전
패치 안테나의 대역폭을 늘리는 것은 대역폭, 게인, 효율성 및 크기 사이의 고유 한 상충 관계로 인해 어려운 작업입니다. 패치 안테나의 좁은 대역폭은 주로 고품질 계수 (Q) 때문입니다. 이는 손실 된 에너지에 비해 안테나에 저장된 에너지의 척도입니다. Q 값이 높을수록 대역폭이 더 좁고 Q 값이 낮 으면 더 넓은 대역폭이됩니다.
유전체 기판, 패치의 크기 및 모양 및 공급 메커니즘을 포함하여 몇 가지 요인이 패치 안테나의 높은 Q에 기여합니다. 유전체 기판의 선택은 안테나의 유효 유전 상수 및 손실 접선을 결정하므로 중요합니다. 접선이 낮은 손실 및 높은 유전 상수를 갖는 기질이 선호되지만, 종종 크기가 작고 Q가 더 높습니다.
패치의 크기와 모양은 대역폭을 결정하는 데 중요한 역할을합니다. 더 큰 패치는 Q가 낮고 대역폭이 더 넓어지는 경향이 있지만 컴팩트 한 응용 프로그램에는 적합하지 않습니다. 동축 프로브, 마이크로 스트립 라인 또는 조리개 커플 링과 같은 공급 메커니즘은 추가 손실 및 공명을 도입하여 대역폭에 영향을 줄 수 있습니다.
이러한 요소 외에도 배열 구성에서 여러 패치 간의 상호 결합은 대역폭에 영향을 줄 수 있습니다. 인접한 패치 사이의 상호 작용은 유효 유전 상수 및 방사 패턴의 변화로 이어질 수 있으며, 이는 안테나 어레이의 전체 성능에 영향을 줄 수 있습니다.
대역폭 향상을위한 설계 전략
패치 안테나의 대역폭을 향상시키기 위해 몇 가지 설계 전략을 사용할 수 있습니다. 이러한 전략에는 두꺼운 유전체 기판을 사용하고 기생 요소를 통합하고 조리개 커플 링을 사용하며 다중 소개 기술을 사용하는 것이 포함됩니다.
두꺼운 유전체 기판 사용 : 패치 안테나의 대역폭을 증가시키는 가장 간단한 방법 중 하나는 두꺼운 유전체 기판을 사용하는 것입니다. 더 두꺼운 기판은 안테나의 Q 계수를 감소시켜 더 넓은 대역폭을 초래합니다. 그러나이 접근법은 크기가 증가하고 효율이 감소 될 수 있으며, 이는 모든 응용 분야에 적합하지 않을 수 있습니다.
기생 요소 통합 : 디렉터 및 반사기와 같은 기생 요소를 패치 안테나에 추가하여 대역폭을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 요소는 피드 라인에 직접 연결되지 않고 전자기 커플 링을 통해 방사 패치와 상호 작용합니다. 기생 요소의 길이와 간격을주의 깊게 설계함으로써 안테나의 대역폭을 증가시킬 수 있습니다. 이 기술은 일반적으로 Yagi-Uda 안테나에서 사용되며 여러 감독이 대역폭과 게인을 증가시키는 데 사용됩니다.
조리개 커플 링 사용 : 조리개 커플 링은 접지 평면의 슬롯 또는 조리개를 통해 패치 안테나를 공급하는 기술입니다. 이 방법은 Q 계수를 줄이고 안테나의 대역폭을 늘리는 데 도움이 될 수 있습니다. 조리개 커플 링은 또한 피드 라인과 방사 패치 사이의 개선 된 분리를 제공하여 원치 않는 커플 링을 줄이고 안테나의 성능을 향상시킬 수 있습니다.
다중 소도 기술 사용 : 다중 소도 기술에는 여러 공진 주파수를 지원하기 위해 패치 안테나를 설계해야합니다. 이것은 스택 패치 또는 내장 패치와 같은 다양한 패치 모양의 조합을 사용하거나 슬롯 또는 노치와 같은 추가 공진 요소를 패치에 도입함으로써 달성 할 수 있습니다. 공진 주파수를 조심스럽게 조정함으로써 안테나의 대역폭을 증가시킬 수 있습니다. 이 접근법은 일반적으로 3.1 ~ 10.6GHz의 주파수 범위에서 작동하는 UWB (Ultra-Wideband) 안테나와 같은 광대역 안테나에서 일반적으로 사용됩니다.
패치 안테나의 대역폭을 증가시키는 또 다른 효과적인 방법은 다층 또는 스택 구성을 사용하는 것입니다. 이 접근법에서, 다수의 패치는 수직으로 쌓여 상이한 유전 방지를 갖는 유전체 기판에 의해 분리된다. 패치와 유전체 층 간의 상호 작용은 추가 공명을 생성하여 더 넓은 대역폭을 초래할 수 있습니다. 이 기술은 넓은 대역폭이있는 소형 안테나가 필요한 애플리케이션에 특히 유용합니다.
또한, 불균일 한 공급 기술을 사용하면 패치 안테나의 대역폭을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다. 테이퍼 또는 다중 섹션 공급 라인을 사용함으로써 피드 라인과 안테나 사이의 임피던스 일치는 더 넓은 주파수 범위에서 개선 될 수 있습니다. 이 접근법은 더 큰 대역폭을 달성하기 위해 기생 요소 또는 조리개 커플 링과 같은 다른 대역폭 향상 기술과 결합 될 수 있습니다.
결론
패치 안테나의 대역폭을 늘리는 것은 어려운 목표입니다. 두꺼운 유전체 기판을 사용하고 기생 요소를 통합하고 조리개 커플 링을 사용하고 다중 소개 기술을 사용하는 것과 같은 다양한 설계 전략을 사용함으로써 패치 안테나의 대역폭을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이러한 기술은 특정 애플리케이션에 대한 원하는 대역폭을 달성하기 위해 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있습니다.
패치 안테나의 대역폭을 증가시키는 것은 게인, 효율 및 크기와 같은 다른 성능 매개 변수의 비용으로 올 수 있습니다. 따라서 응용 프로그램의 특정 요구 사항과 디자인과 관련된 트레이드 오프를 신중하게 고려해야합니다. 이러한 요소의 균형을 유지함으로써 광범위한 무선 통신 시스템에 대한 원하는 대역폭 및 성능 특성으로 패치 안테나를 설계 할 수 있습니다.
