마이크로스트립 안테나

섬네일|마이크로스트립 안테나 어레이의 급전 구조 다이어그램

전기 통신에서 마이크로스트립 안테나(microstrip antenna, printed antenna)는 일반적으로 인쇄 회로 기판(PCB)에 사진 석판술 기술을 사용하여 제작되는 안테나이다. 이는 일종의 내부 안테나이다. 주로 마이크로파 진동수에서 사용된다. 개별 마이크로스트립 안테나는 PCB 표면에 다양한 모양의 금속 박막 패치(패치 안테나)로 구성되며, 보드 반대편에는 금속 박막 접지면이 있다. 대부분의 마이크로스트립 안테나는 2차원 배열로 된 여러 개의 패치로 구성된다. 안테나는 일반적으로 박막 마이크로스트립 전송선로를 통해 송신기 또는 수신기에 연결된다. 무선 주파수 전류는 안테나와 접지면 사이에 인가되거나 (수신 안테나에서는 수신 신호가 생성된다) 한다. 마이크로스트립 안테나는 소비자 제품, 항공기 및 미사일 표면에 통합될 수 있는 얇은 평면형 프로파일, 인쇄 회로 기술을 사용한 손쉬운 제작, 안테나를 회로의 나머지 부분과 동일한 보드에 쉽게 통합할 수 있는 점, 그리고 마이크로파 집적회로와 같은 능동 소자를 안테나 자체에 추가하여 능동 안테나를 만들 수 있는 가능성 덕분에 최근 수십 년 동안 매우 인기를 얻었다.
패치 안테나는 그 기원에 따라 마이크로(매우 얇은/작은)와 스트립(날개/조각 모양)의 두 단어로 구성되며, 매우 얇거나 작은 날개/조각 모양을 가진 안테나의 한 종류로 정의된다.

가장 일반적인 마이크로스트립 안테나는 일반적으로 패치 안테나로 알려져 있다. 배열에서 패치를 구성 요소로 사용하는 안테나도 가능하다. 패치 안테나는 인쇄 회로 기판과 같은 절연 유전체 (물리학) 기판에 금속 트레이스에 안테나 요소 패턴을 에칭하여 제작되는 협대역, 광광선빔 안테나이며, 기판의 반대쪽에는 접지면을 형성하는 연속적인 금속층이 접합되어 있다. 일반적인 마이크로스트립 안테나의 모양은 정사각형, 직사각형, 원형, 타원형이지만, 어떤 연속적인 모양도 가능하다. 일부 패치 안테나는 유전체 기판을 사용하지 않고 유전체 스페이서를 사용하여 접지면 위에 장착된 금속 패치로 만들어진다. 그 결과 구조는 덜 견고하지만 더 넓은 대역폭 (신호 처리)을 가진다. 이러한 안테나는 매우 낮은 프로파일을 가지며 기계적으로 견고하고 차량의 곡선형 표면에 맞게 모양을 만들 수 있기 때문에 항공기 및 우주선의 외부에 장착되거나 이동 무선 통신 장치에 통합되는 경우가 많다.

장점
마이크로스트립 안테나는 간단한 2차원 물리적 형상 때문에 제조 및 설계 비용이 상대적으로 저렴하다. 안테나의 크기가 공명 주파수에서의 파장에 직접적으로 연결되어 있기 때문에 일반적으로 UHF 및 그 이상의 주파수에서 사용된다. 단일 패치 안테나는 약 6~9 dBi의 최대 지향성 이득을 제공한다. 석판 인쇄 기술을 사용하여 단일 (대형) 기판에 패치 배열을 인쇄하는 것은 비교적 쉽다. 패치 배열은 약간의 추가 비용으로 단일 패치보다 훨씬 높은 이득을 제공할 수 있다. 매칭 및 위상 조정은 인쇄된 마이크로스트립 급전 구조를 통해 수행할 수 있으며, 이는 복사 패치를 형성하는 동일한 작업에서 이루어진다. 낮은 프로파일 안테나에서 고이득 배열을 만들 수 있는 능력은 패치 배열이 비행기 및 기타 군사 응용 분야에서 흔히 사용되는 이유 중 하나이다.

이러한 패치 안테나 배열은 동적 빔포밍 기능을 가진 위상배열 안테나를 쉽게 만드는 방법이다."Welcome to antennas 101" by Louis E. Frenzel, "Electronic Design" 2008

패치 안테나의 고유한 장점은 편광 다양성을 가질 수 있다는 것이다. 패치 안테나는 여러 급전 지점 또는 비대칭 패치 구조를 가진 단일 급전 지점을 사용하여 수직, 수평, 오른손 원형 (RHCP) 또는 왼손 원형 (LHCP) 편광을 갖도록 쉽게 설계될 수 있다.Bancroft, R. Microstrip and Printed Antenna Design Noble Publishing 2004, chapter 2-3 이러한 독특한 특성 덕분에 패치 안테나는 다양한 요구 사항을 가질 수 있는 여러 유형의 통신 링크에 사용될 수 있다.

직사각형 패치
가장 일반적으로 사용되는 마이크로스트립 안테나는 잘린 마이크로스트립 전송선처럼 보이는 직사각형 패치이다. 대략 반파장 길이이다. 공기를 유전체 기판으로 사용할 경우 직사각형 마이크로스트립 안테나의 길이는 자유 공간 파장의 약 절반이다. 안테나가 유전체를 기판으로 사용하면 기판의 상대 유전율이 증가함에 따라 안테나의 길이가 감소한다. 안테나의 공진 길이는 확장된 전기 "프린징 필드"로 인해 전기적 길이가 약간 증가하므로 약간 더 짧다. 마이크로스트립 안테나의 초기 모델은 복사 손실을 나타내기 위해 양 끝에 등가 부하를 가진 마이크로스트립 전송선 섹션이다.

사양
마이크로스트립 안테나의 유전체 로딩은 복사 패턴과 임피던스 대역폭 모두에 영향을 미친다. 기판의 유전율이 증가하면 안테나 대역폭이 감소하여 안테나의 Q 인자가 증가하고 따라서 임피던스 대역폭이 감소한다. 이 관계는 안테나의 전송선 모델을 사용할 때는 즉시 따르지 않았지만, 1973년에 타츠오 이토와 라지 미트라가 도입한 캐비티 모델을 사용할 때 분명해진다.Tatsuo Itoh, and Raj Mittra "Analysis of microstrip disk resonator," Arch. Eleck. Ubertagung, vol. 21, Nov. 1973 pp. 456-458. 직사각형 마이크로스트립 안테나의 복사는 한 쌍의 등가 슬롯으로 이해될 수 있다. 이 슬롯들은 배열로 작동하며 안테나가 공기 유전체를 가질 때 가장 높은 지향성을 가지며, 증가하는 상대 유전율을 가진 유전체 기판으로 대체될 때 감소한다.

반파장 직사각형 마이크로스트립 안테나는 중심을 따라 가상 단락면을 가진다. 이는 물리적 단락면으로 대체되어 쿼터파장 마이크로스트립 안테나를 만들 수 있다. 이를 때때로 하프 패치라고 부른다. 안테나는 단일 복사 가장자리(등가 슬롯)만 가지므로 안테나의 지향성/이득이 낮아진다. 복사 가장자리 간의 결합이 제거되었으므로 임피던스 대역폭은 반파장 전체 패치보다 약간 낮다.

다른 종류

또 다른 종류의 패치 안테나는 평면 역 F 안테나(PIFA)이다.
PIFA는 휴대폰(모바일 폰)에 내장형 구조로 흔히 사용된다."PIFA - The Planar Inverted-F Antenna".Iulian Rosu.
"PIFA – Planar Inverted F Antenna".
이러한 안테나는 쿼터파장 하프패치 안테나에서 파생되었다. 하프패치의 단락면은 길이가 감소하여 공진 주파수를 낮춘다."Inverted-F Antenna (IFA)"
at antenna-theory.com1 낮은 프로파일과 허용 가능한 SAR 특성을 제공한다.
이 안테나는 거꾸로 된 F자 모양을 닮았는데, 이것이 PIFA라는 이름을 설명한다. 무지향성 패턴을 가진 소형 안테나로 인기가 많다.Taga, T. Tsunekawa, K. and Saski, A., "Antennas for  Detachable Mobile Radio Units," Review of the ECL, NTT, Japan, Vol. 35, No.1, January 1987, pp. 59-65.

종종 PIFA 안테나는 다양한 셀룰러 대역에서 공진하도록 여러 개의 가지를 가진다. 일부 전화기에서는 접지된 기생 소자가 복사 대역폭 특성을 향상시키는 데 사용된다.

접힌 역방향 등각 안테나 (FICA)Di Nallo, C.; Faraone, A., "Multiband internal antenna for mobile phones," Electronics Letters, vol.41, no.9, pp. 514-515, 28 April 2005는 PIFA에 비해 몇 가지 장점이 있는데, 이는 더 나은 볼륨 재사용을 허용하기 때문이다.

결함 접지 구조(DGS) 통합 마이크로스트립 패치는 여러 목적으로 인기를 얻었다. 이 기술은 패치 아래 접지면에 '결함'이라고 불리는 소형 슬롯을 제한적으로 도입하며, 이는 원거리장 및 근거리장 특성을 향상시킬 잠재력을 가진다. 이것은 2005년 데바토시 구하에 의해 고안되고 도입되었으며 추가 구성 요소, 부피, 무게 또는 비용 없이 교차 편파 복사를 제어한다. 이 기술은 마이크로스트립 패치의 대각선 평면에서도 교차 편파 복사를 줄일 만큼 발전했다. DGS 기술은 대규모 마이크로스트립 배열에서 상호 결합을 줄여 레이더 빔의 스캔 블라인드 문제를 완화하는 데에도 효과적이다. DGS 기술은 공중 응용 분야에서 매우 매력적인 것으로 밝혀졌다.

 같이 보기 
 렉테나

 각주 

 외부 링크 
 마이크로스트립 안테나 antenna-theory.com
 마이크로스트립 안테나 튜토리얼 EM Talk
 마이크로스트립 패치 안테나 계산기

분류:마이크로파 기술