[논문]5.5GHz 근거리 무선통신용 능동안테나 설계

김갑기; 최충연; 김철수

[국내논문] 5.5GHz 근거리 무선통신용 능동안테나 설계
Design of Active Antenna for 5.5GHz Local Wireless Communication System 원문보기

본 논문에서는 근거리무선 통신용 RF 모듈을 구성하는 핵심 부품인 5.5GHz 대역 LNA와 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. LNA는 NEC사의 NE3210S01를 사용하여 잡음특성을 개선하였으며 마이크로 스트립 패치 안테나는 전방향성을 갖도록 설계하였다. 제작된 LNA는 이득이 약15dB, 입출력 반사손실이 -20 dB 이하이며, VSWR은 1.5를 넘지 않는 특성을 보였다. 단일패치 안테나는 입력 반사 손실이 -28 dB이며, VSWR은 1.2 이하의 우수한 특성을 나타내었다.

This paper shows the design of Active antenna which appled to 5.5GHz RF module for local wireless communication system. The LNA, which was designed Super low noise HJ FET of NE3210S01, is used to obtain a good noise figure characteristics. And the microstrip patch antenna was designed to obtain omnidirectional antenna characteristics. The measured LNA gain is 15 dB, input & output return loss is under -20 dB and VSWR under 1.5. The Single microstrip patch antenna input return loss is under -29 45, VSWR under 1.2.

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문제 정의

본 논문에서는 근거리 무선 통신용으로 사용 가능한 능동안테나를 구현하기 위해 저잡음 증폭기와 단 일 패치 안테나를 설계 및 제작하였다. 제작된 증폭기는 중심주파수 5.

제안 방법

508mm인 타코닉사의 테플론 기판 위에 LNA와 단일 패치 안테나를 설계하였다. LNA는 중심 주파수 5.5GHz에서 15dB 이상의 이득과 IdB 이하의 잡음지수를 가지며, 또한 이득이 5dBi 이상을 얻을 수 있도록 단일 패치 안테나를 설계하였다.
132 mm 인기본 패치를 설계하였다. 공진주파수 5.5 GHz에서 안테나의 입력임피던스 145 [Q]임을 알 수 있었으며, 패치와 급전선로 간의 임피던스 정합을 위해 λ/4 임피던스변환기를 이용하였으며, 기본 패치와 임피던스변환기가 결합하여 그림 1과 같은 사각형 단일 패치를 완성하였다.
따라서 Noise Circle과 Gain Circle 상에서 잡음지수와 이득을 적절히 고려하여 trade-off점을 잡아 입력정합회로를 설계하고 입력정합회로가 결정되면 출력정합회로는 공액정합이되도록 설계하게 된다. 따라서 본 논문에서는 입력단은 잡음특성에 의해 매칭 회로를 설계하고, 출력단은 이득 특성을 고려하여 매칭 회로를 설계하여 5GHz 대역에서 상용되는 저잡음 증폭기의 특성에준하여 설계 스펙을 결정하였으며, 이를 표 2에서 보여주고 있다.
본 논문에서는 I.J.Bahl 과 P.Bhartia의 이론식 근거로 사각형 패치의 초기치를 구하고, ADS 모멘템시뮬레이션 툴을 이용하여 최적화하였다. 사각형마이크로스트립 패치안테나의 설계는 기술된 공식을 이용하면 된다[3].
본 논문에서는 NEC사의 NE3210S01 HJ-FET를사용하였고, 설계한 LNA의 동작점을 V_DS = 2V, I_DS=10mA로 만족시키기 위해 V_GS = —0.48V 를 인가 시켰다.

대상 데이터

공진주파수 5.5 GHz에서 패치의 폭 W은 19.362 mm 그리고 길이 l은 14.132 mm 인기본 패치를 설계하였다. 공진주파수 5.
따라서 본 논문에서는 NEC사의 super low noise HJ FET를 사용하였으며 기판은 비유전율이 3.5, 유전체 두께가 0.508mm인 타코닉사의 테플론 기판 위에 LNA와 단일 패치 안테나를 설계하였다. LNA는 중심 주파수 5.
실제 설계제작한 단일 패치 안테나를 Anritsu 사의 벡터회로망 분석기 37169A를 이용하여 측정하였다. 측정 결과 입력임피던스 특성은 그림에서 보여주는 것과 같이 약 49.

성능/효과

NE3210S01의 칩 분석 결과 잡음지수는 0.5 dB, 이득은 15 dB, 그리고 μ-factor는 1.02로 5.5 GHz에서 소자가 안정하다는 것을 알 수 있다.
5 이하의 특성을 얻을 수있었다. 또한 설계된 단일 패치 안테나는 중심주파수 5.5 GHz에서, 입력 반사 손실이 약-28 dB를 나타내었고, 전압 VSWR이 1.132를 나타내었으며, 대역폭이 매우 좁음을 알 수 있었다.
설계된 패치안테나는 5.5GHz에서 공진이 일어나는 것을 알 수 있으며, 반사 계수가 약 -28dB이고 반사 손실이 10dB (VSWR 2:1)가 되는 대역폭은 약 50MHz 정도임을 알 수 있었으며, 또한 안테나의 이득은 5 dBi, 그리고 패치 안테나 방사소자의 원거리 영역방사 패턴이 전방향 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
시뮬레이션 결과 입줄력 반사계수는 -20 dB이하, 잡음 지수는 0.735 dB, 이득은 15 dB 입출력 정재파비는 L2를 넘지 않는 특성을 보였다.
제작된 증폭기는 중심주파수 5.5 GHz에서 입출력 반사손실이 -20 dB이하를 나타내었으며, 이득은 약 15dB, 입출력 VSWR은 1.5 이하의 특성을 얻을 수있었다. 또한 설계된 단일 패치 안테나는 중심주파수 5.
측정 결과 입력 반사 손실은 시뮬레이션 결과와 -5dB, 출력 반사 손실은 4 dB, 그리고 이득은 약 1dB 정도 시뮬레이션 결과와 차이가 있었다, 이는제작과정에서 에칭 오차와 차폐 및 완전한 그라운드, 그리고 바이어스 전압의 변동에 의해 발생하였을 것으로 생각된다.
측정 결과 입력임피던스 특성은 그림에서 보여주는 것과 같이 약 49.2+j2.842 [Ω]을 나타내었다.

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