Abstract
This paper describes a shaped-beam antenna for increasing the antenna gain of a radiating element. The proposed antenna structure is composed of an exciting element and a multi-layered disk array structure(MDAS). The stack micro-strip patch elements were used as the exciter for effectively radiating the electromagnetic power to the MDAS over the broadband, and finite metallic disk array elements - which give the role of a director for shaping the antenna beam with the high gain - were finitely and periodically layered onto it. The efficient power coupling between the exciter and the MDAS should be carried out in such a way that the proposed antenna has a high gain characteristic. The design parameters of the exciter and the MDAS should be optimized together to meet the required specifications to meet the required specifications. In this study, a shaped-beam antenna with high gain was optimally designed under the operating conditions with a linear polarization and the frequency band of $9.6{\sim}10.4\;GHz$. Two methods constructed using thin dielectric film and dielectric foam materials respectively were also proposed in order to implement the MBAS of the antenna. In particular, through the computer simulation process, the electrical performance variations of the antenna with the MDAS realized by the thin dielectric film materials were shown according to the number of disk array elements in the stack layer. Two kinds of antenna breadboard with the MDAS realized with the thin dielectric film and dielectric foam materials were fabricated, but experimentation was conducted only on the antenna breadboard(Type 1) with the MDAS realized with the thin dielectric film materials according to the number of disk array elements in the stack layer in order to compare it with the electrical performance variations obtained during the simulation. The measured antenna gain performance was found to be in good agreement with the simulated one, and showed the periodicity of the antenna gain variations according to the stack layer number of the disk array elements. The electrical performance of the Type 1 antenna was measured at the center frequency of 10 GHz. As the disk away elements became the ten stacks, a maximum antenna gain of 15.65 dBi was obtained, and the measured return loss was not less than 11.4 dB within the operating band. Therefore, a 5 dB gain improvement of the Type 1 antenna can be obtained by the MDAS that is excited by the stack microstrip patch elements. As the disk array elements became the twelve stacks, the antenna gain of the Type 1 was measured to be 1.35 dB more than the antenna gain of the Type 2 by the outer dielectric ring effect, and the 3 dB beam widths measured from the two antenna breadboards were about $28^{\circ}$ and $36^{\circ}$ respectively.
본 논문은 단위 방사 소자의 이득을 증가시키기 위한 성형 빔 안테나에 관한 것이다. 제안하는 안테나 구조는 크게 여기 소자와 다층 원형 도체 배열 구조로 구성된다. 광대역에 걸쳐 전자파 전력이 다층 원형 도체 배열로 방사하기 위한 여기 소자로 스택 마이크로스트립 패치 소자가 사용되었으며, 고이득 빔 성형을 위한 지향 소자의 역할을 담당하는 다층 원형 도체 배열 소자들은 여기 소자 위에 주기적으로 유한하게 적층되었다. 제안하는 안테나가 고이득 특성을 얻기 위해서는 여기 소자와 다층 원형 도체 배열 소자들 간의 효율적인 전력 결합이 이루어져야 하며, 이를 위해 주어진 설계 규격에 따라 여기 소자 및 다층 원형 도체 배열 소자들의 설계 변수들은 함께 최적화되어야 한다. 본 연구에서는 고이득 성형 빔 안테나는 $9.6{\sim}10.4\;GHz$ 주파수 대역 및 선형 편파 조건하에서 최적화 설계되었으며, 또한 안테나의 다층 원형 도체 배열 소자들을 구현하는 2가지 방법 즉, 얇은 유전체 필름을 이용하는 방법과 유전체 폼을 이용하는 방법들도 제안되었다. 특히, 유전체 필름을 이용하는 안테나에 대해서는 컴퓨터 시뮬레이션 과정을 통해, 원형 도체 배열 소자들의 적층 수에 따른 안테나의 전기적인 성능 변화들을 보여주었다. 유전체 필름(Type 1)과 유전체 폼(Type 2)을 이용한 2종류의 안테나 시제품들을 제작하였으며, 얇은 유전체 필름을 이용한 안테나 시제품에 대해선 시뮬레이션 된 전기적 성능 결과와 비교를 위해 원형 도체 배열 적층 수에 따른 안테나의 전기적인 성능 변화들을 실험하였다. 측정된 이득 성능은 시뮬레이션 이득 성능과 거의 유사한 결과를 보여주었으며, 원형 도체 적층 수에 따라 안테나 이득 변화는 주기성을 보였다. 10 GHz 중심 주파수에서 측정된 Type 1 안테나의 전기적 성능은 원형 도체 배열을 10개 적층(disk10)하였을 때, 15.65 dBi의 최대 안테나 이득과 11.4 dB 이상의 입력 반사 손실 성능을 보여 주었으며, 다층 원형 도체 배열 구조에 의해 약 5 dB의 이득 향상 효과를 얻을 수 있었다. 또한, 원형 도체를 12개 적층하였을 때, 외곽 유전체 링 효과에 의해 Type 1 안테나는 Type 2 안테나보다 상대적으로 약 1.35 dB 만큼 이득이 더 높았으며, 각 안테나의 3 dB 빔 폭은 각각 약 $28^{\circ}$와 $36^{\circ}$로 측정되었다.
