[논문 리뷰] Modified Design of Microstrip Patch Antenna for WiMAX Communication System

Nidhi Lal, Ashutosh Kumar Singh|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 30.

Antenna Design and Analysis참고 문헌 10인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 RT/DUROID 5880 기판을 사용하여 4–4.5 GHz 대역의 WiMAX 응용 분야를 위한 최적화된 수정된 U자형 미세스트립 패치 안테나를 제안한다. 설계는 이득과 리턴 로스 향상으로 이어져 좁은 대역 WiMAX 통신 시스템의 성능을 향상시키는 기하학적 및 재료 최적화를 통해 향상된 성능을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, a new design for U-shaped microstrip patch antenna is proposed, which can be used in WiMAX communication systems. The aim of this paper is to optimize the performance of microstrip patch antenna. Nowadays, WiMAX communication applications are widely using U-shaped microstrip patch antenna and it has become very popular. Our proposed antenna design uses 4-4.5 GHZ frequency band and it is working at narrowband within this band. RT/DUROID 5880 material is used for creating the substrate of the microstrip antenna. This modified design of the microstrip patch antenna gives high performance in terms of gain and return loss.

연구 동기 및 목표

• 미세스트립 패치 안테나의 WiMAX 통신 시스템 성능을 향상시키기 위해.
• 기존 U자형 패치 설계에서의 이득 및 리턴 로스 한계를 해결하기 위해.
• 좁은 대역 응용을 위한 4–4.5 GHz 주파수 대역 내에서 안테나 성능을 최적화하기 위해.
• 기판 재료(RT/DUROID 5880)가 복사 및 임피던스 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 직향성 및 대역폭 효율성을 향상시키기 위한 수정된 U자형 기하학을 개발하기 위해.

제안 방법

• 복사 효율성과 임피던스 매칭을 향상시키기 위해 차원을 수정한 U자형 미세스트립 패치 안테나를 재설계하였다.
• 기판은 저유전 손실과 안정한 비편율을 지닌 RT/DUROID 5880 재료를 사용하여 제작되었다.
• 모의 실험을 통해 안테나 기하학을 최적화하여 4–4.5 GHz에서 공진하도록 하였으며, 좁은 대역 WiMAX 응용을 목표로 하였다.
• 성능 지표 평가를 위해 전자기 모의 도구를 사용하여 리턴 로스 및 이득을 분석하였다.
• U자형 패치의 기하학적 조정을 통해 전방 대비 뒷방향 비율과 직향성을 향상시키는 데 초점을 두었다.
• 최종 구성은 주요 RF 파rameter의 시뮬레이션 기반 성능 평가를 통해 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 U자형 패치 기하학을 수정함으로써 4–4.5 GHz 대역에서 리턴 로스 및 이득에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 RT/DUROID 5880 기판을 사용할 경우 임피던스 대역폭과 복사 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 수정된 설계가 신뢰할 수 있는 WiMAX 통신을 위해 충분한 이득과 리턴 로스를 달성할 수 있는가?
• RQ4 기본적인 U자형 설계와 비교할 때 제안된 안테나는 직향성 및 전방 대비 뒷방향 비율 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 목표 WiMAX 주파수 대역 내에서 공진을 달성하기 위해 U자형 패치의 최적 치수는 무엇인가?

주요 결과

• 수정된 U자형 미세스트립 패치 안테나는 4–4.5 GHz 대역 전반에서 리턴 로스가 -10 dB 이하로 유지되어 효과적인 임피던스 매칭을 나타낸다.
• 안테나는 약 7.5 dBi의 최대 이득을 기록하여 기존 설계 대비 향상된 직향성을 나타낸다.
• 모의 결과는 측면 lob 감소와 함께 안정된 복사 패턴을 확인하여 신호 집중도를 향상시킴을 확인한다.
• RT/DUROID 5880 기판의 사용은 운영 대역에서 저유전 손실과 향상된 효율성을 기여한다.
• 설계는 4.25 GHz 중심의 좁은 대역 응답을 보이며, 목표로 하는 WiMAX 응용에 적합하다.
• 수정된 기하학은 이득과 리턴 로스를 효과적으로 향상시켜 고성능 WiMAX 시스템에 적합함을 확인한다.