특정 주파수의 마이크로스트립 패치 안테나 길이를 어떻게 계산합니까?

패치 길이는 fr = c/ (2LEFF√EFF) 공식을 사용하여 계산한 기판 내 파장의 약 절반입니다. 여기서 Leff는 물리적 길이에 각 모서리의 프린징 익스텐션 (ΔL) 을 더한 값입니다.일부 자기장선이 패치 위의 공기를 통해 이동하기 때문에 유효 유전상수는 기판의 εr보다 낮다는 점을 고려해야 합니다.

마이크로스트립 패치 안테나의 유효 유전율은 얼마입니까?

유효 유전상수는 기판과 공기를 모두 통과하는 자기장선을 나타내며, εeff = (εr+1) /2 + (εr-1) /2 × (1 + 12h/W) ^ (-0.5) 로 계산됩니다.두께가 1.6mm이고 너비가 38.1mm인 FR4 (εr=4.4) 의 2.4GHz 패치의 경우, εeff는 약 4.09로 계산됩니다.

FR4의 2.4GHz 패치 안테나 크기는 어떻게 됩니까?

표준 FR4의 2.4GHz (εr=4.4, h=1.6mm) 의 경우 패치 너비는 W = c/ (2fr) × √ (2/ (εr+1)) 을 사용하여 약 38.1mm로 계산됩니다.그런 다음 유효 유전 상수와 프린징 확장을 설명하는 공진 주파수 공식에서 길이를 도출합니다.

패치 폭은 마이크로스트립 안테나 성능에 어떤 영향을 미칩니까?

패치 폭은 방사 효율과 입력 임피던스에 모두 영향을 미칩니다. 패치가 넓을수록 방사 효율이 높아지지만 유효 유전 상수가 변경되고 임피던스 매칭이 복잡해집니다.일반적으로 W = c/ (2fr) × √ (2/ (εr+1)) 로 계산하여 이러한 트레이드오프의 균형을 맞출 수 있는 실용적인 최적 폭이 있습니다.

Antenna Design2026년 7월 20일6분 읽기

마이크로스트립 패치 안테나 설계: 구리로 환산하는 계산기

WiFi, 5G mmWave 등에 대한 실제 계산을 통해 직사각형 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하는 방법을 알아보십시오.실제 사례와 일반적인 함정이 포함되어 있습니다.

패치 안테나가 어디에나 있는 이유

WiFi 라우터, GPS 수신기 또는 5G 휴대폰을 열면 마이크로스트립 패치 안테나가 하나 이상 있습니다.평평하고 제조 비용이 저렴하며 PCB에 직접 통합됩니다.트레이드오프?협대역이므로 목표 주파수에 도달하려면 세심한 치수 조정이 필요합니다.

기본 개념은 간단합니다. 직사각형 구리 패치를 접지면 위에 유전체 기판으로 분리하여 배치하는 것입니다.패치는 공진 캐비티 역할을 하며 크기에 따라 작동 주파수가 결정됩니다.길이를 몇 퍼센트 잘못 설정하면 안테나의 공명이 반사 손실을 메울 수 있을 만큼 충분히 이동합니다.

물리학 요약

직사각형 패치 안테나는 두 개의 “방사 에지”, 즉 피드 방향에 수직인 모서리에서 방사합니다.패치 길이 $L$ 길이는 기판 소재 파장의 약 절반에 불과하며, 이는 유효 길이를 물리적 길이보다 약간 길게 만드는 프린징 필드를 고려합니다.

공진 주파수는 다음과 같은 방식으로 패치 길이와 관련이 있습니다.

f_r = \frac{c}{2L_{eff}\\sqrt{\\varepsilon_{eff}}}

여기서 $L_{eff}$ 은 유효 길이 (물리적 길이+프린징 연장) 이고, $\\varepsilon_{eff}$ 은 유효 유전 상수,$ c$은 빛의 속도입니다.

유효 유전율은 일부 자기장선이 기판뿐만 아니라 패치 위의 공기를 통해 이동한다는 사실을 설명합니다.마이크로스트립 구조의 경우:

\\varepsilon_{eff} = \frac{\\varepsilon_r + 1}{2} + \frac{\\varepsilon_r - 1}{2}\\left(1 + 12\frac{h}{W}\right)^{-0.5}

패치 폭 $W$ 은 방사 효율과 입력 임피던스에 영향을 미칩니다.패치가 넓을수록 방사 효율이 높아지지만 유효 유전 상수도 변경됩니다.임피던스 매칭 문제와 효율의 균형을 맞출 수 있는 실용적인 최적화 방법이 있습니다.

실제 사례: FR4의 2.4GHz WiFi

표준 FR4 기판을 사용하여 2.4GHz WiFi용 패치 안테나를 설계해 보겠습니다.이것은 아마도 가장 일반적인 패치 안테나 설계 시나리오일 것입니다. 즉, 저렴한 기판, 잘 알려진 주파수입니다.

주어진 파라미터:

주파수: 2.4GHz
기판: FR4, $\\varepsilon_r = 4.4$ - 기판 높이: 1.6mm (표준 두께)

1단계: 패치 너비 계산

우수한 방사 효율을 위한 너비는 다음과 같습니다.

W = \frac{c}{2f_r}\\sqrt{\frac{2}{\\varepsilon_r + 1}} = \frac{3 \times 10^8}{2 \times 2.4 \times 10^9}\\sqrt{\frac{2}{4.4 + 1}}

작업 범위: $W = 0.0625 \times 0.609 = 38.1$ mm

2단계: 유효 유전 상수 계산

W = 38.1

mm 및

h = 1.6

mm의 경우:

\\varepsilon_{eff} = \frac{4.4 + 1}{2} + \frac{4.4 - 1}{2}\\left(1 + 12 \times \frac{1.6}{38.1}\right)^{-0.5}

\\varepsilon_{eff} = 2.7 + 1.7 \times (1.504)^{-0.5} = 2.7 + 1.39 = 4.09

3단계: 프린징 확장율 계산

프린징 필드는 각 모서리의 유효 길이를 $\\Delta L$ 연장합니다.

\\Delta L = 0.412h\frac{(\\varepsilon_{eff} + 0.3)(W/h + 0.264)}{(\\varepsilon_{eff} - 0.258)(W/h + 0.8)}

플러그인: $\\Delta L = 0.412 \times 1.6 \times \frac{(4.09 + 0.3)(23.8 + 0.264)}{(4.09 - 0.258)(23.8 + 0.8)} = 0.74$ mm

4단계: 패치 길이 계산

L = \frac{c}{2f_r\\sqrt{\\varepsilon_{eff}}} - 2\\Delta L = \frac{3 \times 10^8}{2 \times 2.4 \times 10^9 \times 2.02} - 2(0.74)

L = 30.9 - 1.48 = 29.4 \text{ mm}

따라서 패치의 크기는 대략 38mm × 29mm입니다.에지 피드 임피던스는 약 200-300Ω 정도이므로 50Ω에 맞는 인셋 피드 또는 쿼터 웨이브 트랜스포머가 필요합니다.

마이크로스트립 패치 안테나 계산기 를 열면 이러한 값과 함께 에지 피드 임피던스와 예상 게인을 즉시 얻을 수 있습니다.또한 이 계산기는 인셋 피드에 대한 피드 오프셋 계산을 처리하므로 일치하는 네트워크 계산을 반복하지 않아도 됩니다.

기판 선택은 생각보다 중요합니다

FR4는 저렴하고 구할 수 있지만 솔직히 3-4GHz 이상의 안테나에는 적합하지 않습니다.손실 탄젠트 (일반적으로 0.02) 는 효율에 영향을 미치며 유전 상수는 로트당 충분히 변하므로 공진 주파수가 2-3% 정도 변할 수 있습니다.프로덕션 WiFi 제품의 경우 대부분의 엔지니어가 이를 수용하고 프로토타입 제작 중에 튜닝합니다.

Rogers RO4003C ( $\\varepsilon_r = 3.55$ , 손실 탄젠트 0.0027) 의 가격은 10배 더 비쌀 수 있지만 5.8GHz 이상에서 일관된 결과와 훨씬 더 나은 효율성을 제공합니다.28GHz 5G mmWave 작업의 경우 기본적으로 선택의 여지가 없습니다. FR4가 손실되면 링크 예산이 손실될 수 있기 때문입니다.

Rogers의 유전 상수가 낮다는 것은 동일한 주파수에서 패치 크기가 커진다는 의미이기도 하므로 제조 허용 오차를 줄이는 데 실제로 도움이 될 수 있습니다.FR4의 28GHz 패치는 크기가 작고 에칭 변동에 매우 민감합니다.

흔히 저지르는 실수와 문제점

그라운드 플레인 크기 무시

계산기는 무한한 접지면을 가정하는데, 이는 지반이 패치 모서리 너머로 최소 $\\lambda/4$ 연장되는 경우에 적합한 근사치입니다.접지면을 줄이면 패턴이 왜곡되고 임피던스가 이동하며 백로브 방사선이 증가합니다.엔지니어들이 40mm × 40mm 보드에 2.4GHz 패치를 집어넣으려고 하는데 왜 반사 손실이 15dB가 아니라 6dB인지 궁금해하는 것을 본 적이 있습니다.

잘못된 유전상수 사용 $\\varepsilon_r$ 데이터시트 값은 일반적으로 1MHz로 지정됩니다.2.4GHz에서 FR4는 4.4보다 4.2-4.3에 더 가깝습니다.5.8GHz에서는 4.0일 수 있습니다.이 주파수 의존도는 크지 않지만 주의하지 않으면 공진 주파수를 50-100MHz 정도 이동시키면 충분합니다.중요한 설계의 경우 실제 기판을 측정하거나 제조업체로부터 주파수별 데이터를 구하십시오.

피드를 잊어버리기

계산기는 엣지 피드 임피던스를 제공하며, 이는 지오메트리에 따라 일반적으로 150-300Ω입니다.패치 에지까지 50Ω 마이크로스트립 라인을 연결한다고 해서 좋은 매칭을 기대할 수는 없습니다.다음 중 하나가 필요합니다.

50Ω 포인트에 도달하기 위한 인셋 피드 (패치에 노치 컷)
쿼터웨이브 트랜스포머
아래로부터의 프로브 피드

계산기의 피드 오프셋 파라미터는 50Ω 매칭을 위한 삽입 깊이를 찾는 데 도움이 됩니다.이는 실제로는 반복적입니다. 계산기가 시작점을 알려주지만 시뮬레이션을 조정해야 할 수도 있습니다.

게인 수치가 실제로 얻을 수 있는 수치라고 가정하면

공칭 게인 출력 (단일 패치의 경우 일반적으로 5-7dBi) 은 완벽한 매칭, 기판 손실 없음, 무한한 접지면을 가정합니다.실제 게인은 보통 1~2dB 더 낮습니다.5.8GHz에서 FR4의 경우 유전 손실로 인한 dB를 더 빼십시오.이 수치는 링크 예산 추정치에 유용하지만 고객에게 약속하지 마십시오.

솔더 마스크는 고려하지 않음

패치 위의 솔더 마스크는 공진 주파수를 아래쪽으로 이동시키는 또 다른 유전체 층을 추가합니다.효과는 미미하지만 (1~2% 정도) mmWave 주파수에서는 충분히 문제가 될 수 있습니다.패치 영역을 솔더 마스크에 닿지 않게 하거나 효과적인 유전체 변화를 고려하세요.

패치 안테나를 잘못 선택한 경우

패치 안테나는 평면 통합 및 반구형 커버리지에 적합하지만 협대역 (일반적으로 2-5% 대역폭) 입니다.2.4GHz 및 5.8GHz WiFi 대역을 하나의 안테나로 모두 지원해야 하는 경우 패치로는 충분하지 않습니다.Vivaldi와 같은 광대역 설계나 별도의 방사 소자를 갖춘 이중 대역 구조가 필요합니다.

또한 기판이 전기적으로 얇은 경우에는 비효율적입니다.기판 높이가 낮아지면 방사선 저항이 떨어지는데, 이는 도체 및 유전 손실로 인해 더 많은 전력이 손실된다는 것을 의미합니다.매우 얇은 기판 (< 0.01ω) 의 경우 손실이 적은 재료를 사용하더라도 효율이 50% 에 불과할 수 있습니다.

전방향 커버리지가 필요한 경우 패치는 근본적으로 잘못된 것입니다. 패치는 접지면을 따라 널로 방사되는 형태입니다.모노폴 또는 다이폴을 대신 사용하세요.

사용해 보세요

위의 계산은 간단하지만 매번 설계를 반복할 때마다 반복하는 것은 지루한 일입니다.마이크로스트립 패치 안테나 계산기 를 열어 주파수와 기판 조합의 크기를 즉시 확인할 수 있습니다.파라미터를 연결하고, 패치 폭과 길이를 구하고, 에지 임피던스를 확인하고, 피드 오프셋을 사용하여 매칭 방식을 계획하십시오.그런 다음 이 수치를 EM 시뮬레이터로 가져와 최종 최적화를 수행하십시오. 계산기를 사용하면 90% 의 결과를 얻을 수 있지만 생산 설계의 풀웨이브 시뮬레이션을 대체할 수 있는 것은 없습니다.