[논문 리뷰] Sub-6 GHz Microstrip Antenna: Design and Radiation Modeling

Elyes Balti, Brian K. Johnson|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 16.

Electromagnetic Simulation and Numerical Methods참고 문헌 9인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 5.80 GHz에서 원형 편광을 가지며 500 MHz 대역폭을 갖는 마이크로스트립 안테나의 설계 및 FDTD 기반 복사 모델링 프레임워크를 제시한다. 기판 매개수와 피드 위치 최적화를 통해 설계되었다. 연구는 PML 경계 조건을 사용한 1D, 2D, 3D FDTD 시뮬레이션을 수행하고, 자유 공간 및 유전체 매질에서 가우시안 펄스 및 평면파 입력에 대한 해석적 해와의 비교를 통해 결과를 검증한다.

ABSTRACT

This paper presents a global framework analysis of a microstrip antenna design circularly polarized with an operating frequency of 5.80 GHz and a bandwidth of at least 500 MHz. We evaluate the optimal antenna parameters to design requirements. Capitalizing on these parameters, we simulate the radiation model of this antenna using the Finite Difference Time Domain (FDTD) technique assuming one, two, and three dimensions. The propagation medium is assumed to be a free space bounded by absorbing boundaries, and perfect matched layer (PML). The FDTD-1D is considered in free space while FDTD-2D and 3D are considered both in free space and in a free space-medium containing either dielectric sphere or cylinder in the center. In this case, we model the incident and the scattered electromagnetic fields reflected back from hitting the dielectric object. Moreover, the microstrip antenna radiates an electromagnetic pulse either in the middle or at one end of the medium and the sources considered are Gaussian pulse and plane wave. Finally, we provide the analytic solutions of the propagation models to confirm the accuracy of the FDTD simulation technique.

연구 동기 및 목표

• 5.80 GHz에서 원형 편광과 최소 500 MHz 대역폭을 갖는 6GHz 이하 마이크로스트립 안테나의 최적 설계를 개발하기 위해.
• 1차원, 2차원, 3차원에서 유한차분시간영역(FDTD) 기법을 사용하여 안테나에서 발생하는 전자기파 전파를 모델링하기 위해.
• 자유 공간 및 유전체 물체 주변에서 입사 및 산란된 전자기장에 대한 FDTD 시뮬레이션을 해석적 해와 비교하여 검증하기 위해.
• 모의 결과를 바탕으로 VSWR, 반사 손실, 복사 패턴, 정렬도 및 임피던스와 같은 주요 안테나 성능 지표를 평가하기 위해.
• 향후 5G 밀리미터파 응용을 위한 어레이 기반 설계를 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 5.80 GHz에서의 작동을 위해 분석적 방정식을 사용하여 폭(W), 유효 허용도(εreff), 길이(L) 및 표면 효과 보정(ΔL)을 고려한 직사각형 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다.
• 최적화된 매개수 계산: W = 17.30 mm, L = 10.402 mm, h = 1.6 mm, εr = 5, 피드 위치 x_feed = 2.8 mm (원형 편광을 위한).
• Yee 알고리즘을 사용하여 맥스웰 방정식을 푸는 1D, 2D, 3D 도메인에서 FDTD 시뮬레이션을 구현하였다.
• 자유공간 복사 조건을 모의하고 반사 효과를 최소화하기 위해 완벽한 매칭층(PML) 흡수 경계 조건을 적용하였다.
• 유전체 구 및 실린더를 포함한 다양한 매질에서 가우시안 펄스 및 평면파 소스를 통해 파동 입력을 모의하였다.
• FDTD 시뮬레이션 정확도를 검증하기 위해 산란된 전자기장 및 파동 전파에 대한 해석적 해를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로스트립 패치 안테나의 최적 기하학적 및 재료 매개수는 무엇인가? 이는 5.80 GHz에서 500 MHz 대역폭과 원형 편광을 달성하기 위해 필요하다.
• RQ2 PML 경계 조건을 갖는 1D, 2D, 3D 구성에서 FDTD는 마이크로스트립 안테나에서의 전자기파 전파를 얼마나 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ3 가우시안 펄스 또는 평면파가 자유공간의 유전체 구 또는 실린더와 상호작용할 때 입사 및 산란된 전자기장은 어떻게 행동하는가?
• RQ4 균질 및 비균질 매질에서의 파동 전파 및 산란에 대해 FDTD 시뮬레이션 결과가 해석적 해와 얼마나 일치하는가?
• RQ5 설계된 안테나의 주요 복사 특성(예: 정렬도, VSWR, 반사 손실)은 무엇이며, 설계 목표와 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 최적화된 안테나 설계는 목표 사양을 충족시키는 5.80 GHz 중심 주파수와 최소 500 MHz 대역폭을 달성하였다.
• FDTD 시뮬레이션은 1D, 2D, 3D에서 파동 전파를 성공적으로 재현하였으며, XY 평면 및 Z 방향에서 E_z 필드 복사의 시각화 결과가 확인되었다.
• PML 경계 조건의 포함으로 임의의 반사 효과가 효과적으로 억제되어 자유공간 복사 조건을 정확하게 모의할 수 있었다.
• 3D FDTD 시뮬레이션에서 유전체 구 및 실린더의 산란된 전자기장 패턴이 정확하게 캡처되었으며, 경계에서 총장 및 산란장 성분이 계산되었다.
• 해석적 해를 사용하여 유전체 공에서 평면파 산란에 대해 FDTD 결과를 검증하였으며, 시뮬레이션 정확도가 확인되었다.
• 안테나는 유리한 성능 지표를 보였으며, VSWR, 반사 손실, |S11|, 복사 패턴 및 정렬도가 시뮬레이션을 통해 계산되고 검증되었다.