JKIEES, vol. 30, no. 7, pp.533-541, January, 2019

Non-Foster Circuit Design for Broadband Matching and Receiver Power Enhancement of Electrically Small Antennas 소형 안테나의 광대역 정합 및 수신전력 개선을 위한 비-포스터 회로 설계

이 용 혁․정 재 영 Yong-Hyeok Lee․Jae-Young Chung
서울과학기술대학교 전기정보공학과(Department of Electrical and Information Engineering, Seoul National University of Science and Technology)

In this paper, we describe the design, fabrication, and measurement results of a non-Foster circuit for improving the wideband matching and receiver power of small antennas. The antennas under consideration are a small monopole antenna and a small inverted F antenna. These antennas experience excessive C and L respectively; which makes it difficult to match their wideband impedance performance. To cancel out the excess C, a negative C non-Foster circuit is designed whereas a negative L non-Foster circuit is designed to cancel out the excess L. An important factor in the design of a non-Foster circuit is the stability, which is obtained by simultaneously considering the open circuit stability condition and transient response. According to the simulation, the optimized non-Foster circuit operates with negative C and L at 100~500 MHz, and it is fabricated with a PCB process and applied to the antennas. The reflection coefficients of the small monopole antenna and the inverted F antenna with non-Foster circuits are less than ?10 dB at 150~400 MHz and 220~330 MHz, respectively. In addition, we measured the receiver power using antennas with non-Foster circuits. The small monopole antenna improved by 10.3 dB on average while the small inverted F antenna improved by 7.5 dB, at this frequency band.

본 논문에서는 소형 안테나의 광대역 정합 및 수신전력 개선을 위한 비-포스터 회로의 설계, 제작 및 측정 결과에대해 서술하였다. 피측정 안테나는 소형 모노폴 안테나와 소형 역-F 안테나로, 각각 과도한 캐패시턴스(C)와 인덕턴스(L) 로 인해 광대역 임피던스 정합이 어려운 안테나이다. 두 안테나의 C와 L을 상쇄하는 음의 C와 L 발생 비-포스터 회로를각각 설계하였다. 비-포스터 회로 설계에 있어 중요한 요소인 안정도는 개방회로 안정조건과 과도응답을 동시에 고려하여 확보하였다. 시뮬레이션을 통해 최적화된 비-포스터 회로가 100 MHz~500 MHz에서 각각 음의 C와 L로 동작하는것을 확인하였고, PCB 공정을 통해 제작하여 안테나에 적용하였다. 비-포스터 회로가 적용된 소형 모노폴 안테나와 역-F 안테나의 반사계수가 각각 150 MHz~400 MHz와 220 MHz~330 MHz 대역에서 ?10 dB 이하가 됨을 확인하였다. 더불어, 비-포스터 회로가 적용된 안테나들을 이용해 수신전력을 측정한 결과, 소형 모노폴 안테나는 해당 주파수 대역에서평균 10.3 dB, 소형 역-F 안테나는 평균 7.5 dB가 개선되었다

Keyword : Electrically Small Antenna, Broadband Impedance Matching, Non-Foster Circuit, Impedance Converter

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