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사각형 마이크로스트립 패치 안테나에 원형 편파를 유도하기 위해 T-junction 전력 분배기를 사각형 패치의 두 가장자리에 급전하여 제안되었으며, 구조 및 설계 변수는 그림 1, 표 1과 같다[11][12].

Fig. 1. 
Structure of the proposed antenna

마이크로스트립 패치 안테나의 방사소자 길이 L은 동작주파수로 결정되며, 식 (1)과 같다.

여기서, c는 자유공간에서의 빛의 속도, ε_eff는 실효 유전율, Δl은 프린징 효과로 인한 가장자리 확장 값이다. 실효 유전율 ε_eff 및 Δl은 식 (2), 식 (3)과 같다.

여기서, W는 패치 안테나의 방사소자 폭이며, h는 기판의 높이, ε_r은 기판 유전율이다. 패치 안테나의 폭 W는 식 (4)와 같다.

마이크로스트립 패치 안테나에 원형편파를 유도하기 위해 전류가 패치 내에 동일한 크기를 가져야 한다. 따라서 제안된 마이크로스트립 패치 안테나의 길이와 폭(Patch_L,W)은 식 (1)로 결정된다[13].

마이크로스트립 패치 안테나는 일반적으로 선형 편파의 전파를 방사한다. 사각형 패치 안테나의 원형 편파를 유도하기 위해 90° 위상차의 두 직교모드를 급전하며, 그림 1과 같이 T-junction 전력 분배기를 통해 두 가장자리에 급전하여 원형 편파를 유도한다. 일반적인 T-junction 전력 분배기는 동일한 위상을 출력하지만, 그림 1의 변수 L₂를 조절하여 90°의 위상차를 출력하게 한다.

제안된 원형 편파 안테나는 Ansys사의 HFSS 12v.을 사용하여 설계 및 시뮬레이션 분석하였으며, 유전율 4.5, 손실 탄젠트 0.0035, 두께 1.62 ㎜를 갖는 TRF-45 기판에 제작되었다. 안테나의 구조는 사각형 패치와 T-junction 전력 분배기를 결합하여 제안되었으며, 사각형 패치와 T-junction 전력 분배기 사이에 발생하는 임피던스 부정합을 극복하기 위해 설계 변수 Q_L-1, Q_L-2, Q_L-3, Q_W가 추가된다. 제작된 안테나의 사진은 그림 2와 같다.

Fig. 2. 
Photograph of the fabricated antenna

제안된 원형 편파 안테나는 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나를 기반으로 제안되었으며, 설계 과정은 그림 3과 같다.

Fig. 3. 
Model comparison of the proposed antenna, (a) Conventional patch antenna, (b) Proposed circular polarization patch antenna

제안된 안테나의 시뮬레이션 반사계수 분석은 그림 4와 같다.

Fig. 4. 
Simulated reflection coefficient of the proposed antenna

그림 4의 결과, 관심 주파수 2.4GHz 대역에서 일반적인 패치 안테나의 경우 –12.46dB가 관찰되었으며, 제안된 원형 편파 안테나는 –17.6dB의 결과가 관찰되었다. 또한, -10dB S₁₁ 임피던스 대역폭은 일반적인 패치 안테나의 경우 2.39~2.42GHz 대역에서 30MHz의 대역폭이 관찰되었으며, 제안된 원형 편파 안테나의 경우 2.38~2.42GHz 대역에서 40MHz의 대역폭이 관찰되었다.

제안된 안테나의 전류 분포 시뮬레이션 분석은 그림 5, 그림 6과 같다.

Fig. 5. 
Current distribution analysis of the typical patch antenna

Fig. 6. 
Current distribution analysis of the proposed circular polarization patch antenna

그림 5의 결과, 각각의 위상에서 패치의 평면에 분포되는 전류는 단일한 일차원 방향으로 진행되는 선형 편파의 특성이 관찰되었다. 그림 6의 경우, 패치의 평면에 분포되는 전류는 반시계방향으로 회전하는 우회전 원형 편파(RHCP, Right Handed Circular Polarization)의 특성이 관찰되었다. 따라서 T-junction 전력 분배기가 결합된 마이크로스트립 패치 안테나가 최종 제안되었다.

일반적인 T-junction 전력 분배기는 동일한 위상을 출력한다. 마이크로스트립 패치 안테나에 90°의 위상차를 갖는 전류를 공급하기 위해 T-junction 전력 분배기의 구조를 변경하였으며, 구조는 그림 7과 같다.

Fig. 7. 
Structure of the proposed T-junction power divider

제안된 T-junction 전력 분배기의 90° 위상차를 유도하기 위해 L₂를 가변하여 분석하였다. 그림 7의 입·출력 포트 1, 2와 입·출력 포트 1, 3 사이의 위상차 출력은 그림 8과 같다.

Fig. 8. 
Phase difference results of the proposed T-junction power divider

그림 8의 결과, 제안된 T-junction 전력 분배기 위상차 출력은 관심 주파수 2.4GHz 대역에서 L₂가 20mm의 경우 83°, 21mm의 경우 90°, 22mm의 경우 94°, 23mm의 경우 100°가 출력되었다. 따라서 L₂는 21mm로 최종 제안되었다.

원형 편파 특성은 3dB 축비(AR, Axial Ratio) 대역폭을 만족하여야 하며, 제안된 안테나의 3dB 축비 대역폭 시뮬레이션 분석은 그림 9와 같다.

Fig. 9. 
Simulated 3dB AR bandwidth result of the proposed antenna

그림 9의 결과, 제안된 안테나의 시뮬레이션 3dB 축비 대역폭 분석은 2.391~2.403GHz 대역에서 12MHz의 축비 대역폭이 관찰되었다.

제안된 안테나의 2.4GHz 대역에서 XZ-평면 및 YZ-평면의 시뮬레이션 방사패턴 분석은 그림 10과 같다.

Fig. 10. 
Simulated radiation pattern result of the proposed antenna

그림 10의 결과, 제안된 안테나의 XZ 및 YZ-평면 모두 좌회전 원형 편파(LHCP, Left Handed Circular Polarization) 특성이 0dB 이하로 억압되며, 우회전 원형 편파의 경우 XZ-평면에서 이득은 5.36dBic, YZ-평면에서 이득은 5.54dBic가 관찰되었다. 따라서 제안된 안테나는 우회전 원형 편파로 동작한다.