직사각형 마이크로 스트립 패치 안테나 설계 절차에 대해 살펴 보도록 한다. 여기서 설계된 소형 직사각형 마이크로 스트립 패치 안테나는 모바일폰에 사용하도록 설계되었고, 다음 장에서 시뮬레이션을 통하여 얻은 결과로 성능을 평가하도록 한다. 직사각형 마이크로스트립 패치 안테나 설계를 위한 세 가지 필수 매개 변수는 동작주파수와 유전체 기판의 유전상수, 기판의 높이가 있다[9-11]. 동작 주파수(f₀)는 안테나의 공진 주파수를 적절히 선택해야 하는데, 개인 통신 시스템에서 1850-1990 MHz의 주파수 범위를 사용하고, 설계된 안테나는 이 주파수 범위에서 작동 할 수 있도록 한다. 여기에서 설계에 채택된 공진 주파수는 1.9GHz이다. 기판의 유전 상수 (ε_r) 또한 매우 중요한 성능 파라미터중 하나인 데 여기서 설계에 선택된 유전체는 11.9의 유전 상수를 갖는 실리콘이고, 이러한 유전율이 높은 기판은 안테나의 크기를 감소시킬 수 있기 때문에 선택되었다[12-14]. 유전체 기판 높이 (h)는 모바일 단말기의 크기와 두께에 영향을 미치기 때문에 적절히 선택되어야 한다. 마이크로 스트립 패치 안테나를 단말기에 사용하기위해 안테나가 부피에 큰 영향을 주지 않도록 유전체 기판의 높이는 1.5 mm로 선택되었다.

동축 급전 또는 프로브 급전은 마이크로스트립패치 안테나를 급전하는 데 사용되는 매우 일반적인 기술이며, 동축 커넥터의 내부 도체는 유전체를 통해 뻗어 있고 방사 패치에 납땜되어 있으며 외부 도체는 접지면에 연결되어 있다[9][15-16]. 이런 유형의 급전 방식의 주요 장점은 급전을 입력 임피던스와 일치시키기 위해 패치내의 원하는 위치에 급전점을 배치 할 수 있다는 것이다. 이 공급방법은 제조가 용이하고 스퓨리어스 방사가 적으나 주요 단점은 좁은 대역폭을 제공하고 기판에 구멍을 뚫어야하고 커넥터가 접지면 외부로 돌출되어 두꺼운 기판(h>0.02λ₀)에 대해 완전히 평면이 되지 않기 때문에 모델링하기가 어렵다는 것 이다[17-18]. 또한 두꺼운 기판의 경우 프로브 길이가 길어지면 입력 임피던스의 유도성 리액턴스가 더 높아져 매칭 문제가 발생할 수 있다[19-20].

<그림 1>과 같은 마이크로스트립 패치 안테나에서 안테나의 폭(W)은 다음 식으로 설계한다[9-10].

여기서 c=3×10⁸[m/sec]이고, ε_r = 11.9, f₀ = 1.99GHz이다. 따라서 스트립의 폭 W는 31.1mm가 된다. 설계하려는 유전체 기판의 유효 유전상수(εreff)는 다음과 같이 계산되어진다.

여기서 h는 유전체 기판의 높이이고, 1.5mm로하면, εreff는 10.7871이 된다. 기판의 유효길이 (L_eff)는 또한 다음과 같이 계산할 수 있는데

유효유전상수값과 전파속도c를 대입하면 L_eff는 24mm로 구해진다. 길이에 따른 패치의 치수는 각 끝에서 거리 ΔL만큼 확장되며, 이는 실험에 의해 다음과 같이 구하여 진다.

이전에 구한 값들을 윗 식에 대입하면 ΔL은 6.3455 × 10^-4mm로 나오고, 실제 패치의 길이 L은

에 의하여 22.8mm로 구하여 진다.

접지면의 길이(L_g)와 폭(W_g)을 구하여 보면 먼저 전송선 모델은 무한 접지면에만 적용되나 실제적인 고려를 위해서는 유한한 접지면이 있어야 하고, 접지면의 크기가 주변부 전체의 기판 두께의 약 6배만큼 패치 치수보다 큰 경우 유한 및 무한 접지면에 대한 유사한 결과를 얻을 수 있다는 것이 이미 제시되었다. 따라서 이 설계에서 접지면 치수는 다음과 같이 주어진다.

설계에는 동축 프로브 유형의 급전이 사용되는데 앞의 <그림 1>에서 볼 수 있듯이 패치 중심은 원점으로 사용되며 급전점 위치는 원점의 좌표 (X_f, Y_f)에 의해 지정된다. 급전점은 패치의 해당지점에 있어야하며, 공진 주파수의 입력 임피던스는 50Ω이다. 따라서 시행착오방법을 사용하여 급전점을 찾는데, 급전점의 다른 위치에 대해 반사손실이 비교되고 반사손실이 가장 음인 급전점이 선택된다. 반사손실이 최소인 패치의 길이를 따라 급전점이 있고, 그러므로 이 설계에서 Y_f 는 0이되고 최적 급전점을 찾기 위해 X_f만 변화시켜 찾는다.

아래표에 나와있는 결과는 패치 길이를 따라 급전 위치를 원점 (패치 중심)에서 가장 오른쪽 가장자리까지 변경 한 후 얻은 결과이며, 사용된 동축프로브 급전은 0.5mm의 반경을 갖도록 설계되었다. 정확한 결과를 얻으려면 1.7-2.1 GHz의 주파수 범위가 선택되고 이 범위에서 401개의 주파수 포인트가 선택된다. <표 1>은 다양한 공급 위치에 대한 반사손실과 대역폭의 계산 결과를 보여준다.

반사 손실이 최소인 주파수로 중심 주파수를 선택하고, 대역폭은 반사손실의 그래프에서 계산할 수 있는 데 안테나의 대역폭은 반사손실이 –9.5 dB 보다 큰 주파수 범위라고 할 수 있다. -9.5dB는 정재파비 2에 해당한다. <표 1>에서 최적의 급전점은 –31.3585 dB의 반사손실이 구해지는 (X_f, Y_f)=(4, 0)에 있는 것으로 확인되고, 이 급전점 위치에 대한 안테나 대역폭은 23.28 MHz로 계산되며 이에 따라 1.9120 GHz의 중심 주파수가 <그림 2>와 같이 얻어지고 이는 원하는 설계 주파수인 1.9 GHz에 매우 가깝다. 급전점 위치가 패치 중심에서 멀어짐에 따라 중심 주파수가 약간 감소하기 시작하는 것이 실험 결과표에서 볼 수 있고, <그림 3>처럼 최대 반사 손실이 (X_f, Y_f)=(4, 0)에서 얻어지지만 최대 대역폭은 (X_f, Y_f)=(4.75, 0)에서 얻어짐을 알 수 있다.

마이크로 스트립 패치 안테나는 패치 표면에 수직으로 방사하기 때문에 𝜙=0° 및 𝜙=90°의 고도 패턴이 중요하다. 아래의 <그림 4>는 𝜙=0° 및 𝜙=90°에 대한 1.9120GHz에서의 안테나 이득을 보여준다.

최대 이득은 브로드사이드 방향으로 얻어지며 𝜙=0° 및 𝜙=90°모두 이득이 1.87 dBi로 측정된다. 후엽 방사는 충분히 작으며 위의 패턴에 대해 -5.3 dBi인 것으로 측정된다. 낮은 후면 방사는 모바일 단말기에서 이 안테나를 사용하는 데 추가적인 장점이 있다. 이는 사용자의 머리쪽을 향하는 전자기파의 방사량을 감소시키기 때문이다. 안테나에 대한 3차원 패턴은 다른 각도에서 <그림 5>에 표시한다.

설계된 마이크로 스트립 패치 안테나가 모바일 단말기에 장착되면, 주엽 부분이 방사 방향이 되고, 후엽의 부분이 단말기 부분이 되어 인체를 보호할 수 있게 된다.

1.912GHz에서 안테나의 이득, 지향성, 안테나 효율 및 3dB 빔폭과 같은 다른 파라미터의 계산된 결과는 다음과 같다.

• 게인 = 1.8717 dBi

• 지향성 = 5.56 dBi

• 안테나 효율 = 42.77 %

• 3 dB 빔 폭 = (106.85, 110.24)°