[논문]이중공진을 위한 슬롯이 부착된 직사각형 슬롯 안테나 연구

김온; 이승엽; 조기량; 이정남; 신현식

이중공진을 위한 슬롯이 부착된 직사각형 슬롯 안테나 연구
A Study on Rectangular Slot Antenna with Slots for Dual Band Operation 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.10 no.2, 2006년, pp.368 - 373

김온 (여수대학교 전자통신공학과) , 이승엽 (여수대학교 전자통신공학과) , 조기량 (여수대학교 전자통신공학과) , 이정남 (여수대학교 전자통신공학과) , 신현식 (여수대학교 전자통신공학과)

초록
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본 논문에서는 CPW 급전된 두 개의 슬롯이 부착된 이중공진 직사각형 슬롯안테나를 제시하였다. 이 안테나는 약 2.1GHz 및 3.3GHz에서 공진되는 이중 안테나로 각 공진 주파수에서 넓은 대역폭을 갖는다. 이들 각 공진 주파수에서 정합하기 위해 CPW inset 구조를 갖도록 하였다. 직사각형 슬롯안테나의 각 파라미터의 변화를 알아보기 위해 여러 안테나를 제작하고, 각 안테나의 특성을 직접 측정하였다. 그리고 이를 분석하여 안테나 설계방법에 대해 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a CPW fed rectangular slot antenna loaded with two slots for dual band operation is presented. This antenna operates at about 2.1GHz and 3.3GHz with the broad bandwidth at these frequencies. a CPW inset structure is used to match the antenna at the two seperated frequencies. Some prot...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 CPW 급전을 이용하여 두 개의 슬롯을 이용한 이중공진 직사각형 슬롯 안테나의 설계에 따른 각 파라미터의 특성을 연구하였다. 안테나의 주요 파라미터를 변화 시켜 낮은 공진 주파수에서는 대역폭 20% 이상 높은 공진 주파수에서는 대역폭이 최대 18%까지 넓은 대역폭을 갖는 이 중 공진 특성을 얻었다.
본 논문에서는 직사각형 슬롯 안테나에서 내부에 듀얼 슬롯을 만들어 그에 따른 설계 방법에 대해 기술하였다. 우선 직사각형 슬롯 안테나에서 슬롯 안테나의 특성을 연구하고, CPW 구조가 마이크로 스트립 선로보다 분산(dispersion)이 적고, 회로의 크기 면에서도 소형화할 수 있다는 장점을 살려 CPW 급전을 이용하여 두 개의 슬롯을 패치에 만들어 이 중 주파수 안테나를 설계하는 방법을 제시하였다.

제안 방법

두 번째로 표2와 같이 두 슬롯의 폭의 변화에 따른 안테나의 특성 변화를 측정하였다.
본 논문에서는 안테나의 기본 파라미터를 알기 위해서 안테나 설계 프로그램인 Zeland사의 IE3D프로그램을 이용하였고, 설계 프로그램 시뮬레이션에 나온 안테나의 특성을 바탕으로 각 파라미터별로 안테나를 직접 제작하여 HP 851OC Network Analyzer를 통하여 임피던스 변화 및 반사 손실을 측정하였다.
본 논문에서 제안하는 이 중 주파수 직사각형 슬롯 안테나의 구조를 그림 1에서 나타내었다. 비유전율 4.7, 두께 1.6mm인 유전체 기판에 각 파라미터들의 초기 치수를 AL=28.0i7im, AW=37.5mm, FL=61.0mm, FW=2.4mm, FWS=0.5mm, AWS=1.5mm, ALS=0.5mm, d= 1.5mm, c=2.0mm, b=13.0mm로 정 했다.
세 번째로 안테나를 이루는 주요 파라미터인 안테나 폭 부분의 슬롯의 폭(AWS) 와 안테나 길이 부분의 슬롯 폭 (ALS) 를 변화 시켜 보았다. 우선 AWS를 표 3과 같이 증가 시켜 보았다.
우선 이 중 공진을 일으키는 요소인 두 개의 슬롯 크기 변화에 대한 특성 변화를 알아보기 위해 먼저 b의 값을 10mm으로 고정하고 슬롯 길이(z)의 값을 표 1과 같이 변화해 보았다. 표 1과 그림 2는 슬롯 길이 변화에 대한 측정된 안테나 특성 결과를 나타낸 것이다.
본 논문에서는 직사각형 슬롯 안테나에서 내부에 듀얼 슬롯을 만들어 그에 따른 설계 방법에 대해 기술하였다. 우선 직사각형 슬롯 안테나에서 슬롯 안테나의 특성을 연구하고, CPW 구조가 마이크로 스트립 선로보다 분산(dispersion)이 적고, 회로의 크기 면에서도 소형화할 수 있다는 장점을 살려 CPW 급전을 이용하여 두 개의 슬롯을 패치에 만들어 이 중 주파수 안테나를 설계하는 방법을 제시하였다.
이들 슬롯의 위치는 치수 d와 b에 의하여 정의된다. 이 슬롯 안테나를 급전하기 위해 프로브(probe)급 전과 어퍼처(aperture)급전을 이용할 수 있지만, 본 논문에서는 그림 1과 같이 CPW급전을 사용하였다.

성능/효과

그리고 안테나 외부를 이루는 슬롯 파라미터인 안테나 폭의 슬롯(AWS)이 증가하면 두 주파수의 비가 감소하였으며 이 파라미 터는 두 공진 주파수 양쪽에 모두 상당한 영향을 주었다. 하지만 안테나 길이의 슬롯 폭 (ALS"] 증가하면 우선 높은 주파수는 크게 변함이 없으나 낮은 주파수는 급격하게 더 낮은 주파수대로 떨어져 두 주파수의 비가 증가함을 확인하였다. 결론적으로 패치 내부의 각 파라미터는 높은 공진 주파수의 특성 변화를 주었고, 안테나 외부 슬롯 파라미 터 중 슬롯 폭은 낮은 주파수의 특성을 크게 변화시키는 것을 알 수 있었다.
안테나의 주요 파라미터를 변화 시켜 낮은 공진 주파수에서는 대역폭 20% 이상 높은 공진 주파수에서는 대역폭이 최대 18%까지 넓은 대역폭을 갖는 이 중 공진 특성을 얻었다. 패치 내부의 슬롯 길이(2)과 슬롯의 간격(b)은 낮은 공진 주파수 변화에는 적은 영향을 주었지만 높은 공진 주파수의 인덕턴스 성분 증가로 공진 주파수가 올라감을 확인하였다. 반면에 패치 내부의 슬롯의 폭(c)을 증가시키면 패치의 높은 주파수대의 캐패시턴스 성분이 점차 증가하여 E가 감소함을 알 수 있었다.
패치 내부의 슬롯 길이(2)과 슬롯의 간격(b)은 낮은 공진 주파수 변화에는 적은 영향을 주었지만 높은 공진 주파수의 인덕턴스 성분 증가로 공진 주파수가 올라감을 확인하였다. 반면에 패치 내부의 슬롯의 폭(c)을 증가시키면 패치의 높은 주파수대의 캐패시턴스 성분이 점차 증가하여 E가 감소함을 알 수 있었다. 그리고 안테나 외부를 이루는 슬롯 파라미터인 안테나 폭의 슬롯(AWS)이 증가하면 두 주파수의 비가 감소하였으며 이 파라미 터는 두 공진 주파수 양쪽에 모두 상당한 영향을 주었다.
하지만 안테나 길이의 슬롯 폭 (ALS"] 증가하면 우선 높은 주파수는 크게 변함이 없으나 낮은 주파수는 급격하게 더 낮은 주파수대로 떨어져 두 주파수의 비가 증가함을 확인하였다. 결론적으로 패치 내부의 각 파라미터는 높은 공진 주파수의 특성 변화를 주었고, 안테나 외부 슬롯 파라미 터 중 슬롯 폭은 낮은 주파수의 특성을 크게 변화시키는 것을 알 수 있었다. 설계 프로그램 결과값과 실제 안테나 측정값이 다소 차이가 있었지만, 실험에서 검증된 각 파라미터 변화에 대한 안테나 임피던스 변화 추세는 일치하였다.
여기서 은 낮은 공진 주파수, h를 높은 공진 주파수 로 정의했다. 두 개 슬롯 길이를 줄였을 때, 그림 2의 (3)와 (b) 처럼 이중주파수의 낮은 주파수 대역은 거의 변함이 없었지만 높은 주파수의 주파수가 조금씩 증가하면서 반사손실의 값이 줄어들었고, 인덕턴스의 성분이 증가함을 알 수 있었다. 그리고 두 개의 주파수 비가 서서히 증가함을 알 수 있었다.
결론적으로 패치 내부의 각 파라미터는 높은 공진 주파수의 특성 변화를 주었고, 안테나 외부 슬롯 파라미 터 중 슬롯 폭은 낮은 주파수의 특성을 크게 변화시키는 것을 알 수 있었다. 설계 프로그램 결과값과 실제 안테나 측정값이 다소 차이가 있었지만, 실험에서 검증된 각 파라미터 변화에 대한 안테나 임피던스 변화 추세는 일치하였다.
그리고 두 개의 주파수 비가 서서히 증가함을 알 수 있었다. 슬롯의 최대 길이인 26mm와 최소 길이인 7mm의 사이에서 이 중 공진 특성을 얻을 수 있었으며, 7mm보다 작은 슬롯인 경우에는 높은 주파수에서의 반사 손실이 모두 이하로 떨어져 이 중 공진 특성이 사라짐을 알 수 있었다.

후속연구

향후 제안된 이 중 공진직 사각형 슬롯 안테나의 이론적 해석은 물론 실제 제작된 방사 패턴 측정이 필요할 것으로 사료된다.

참고문헌 (8)

Abdelnasser A. Eldek, Atef Z. Elsherbeni, Charles E. Smith, and Kai-Fong Lee,'Wideband Rectangular Slot Antenna For Personal Wireless Communication Sytstems', IEEE Antennas and propagation Magazine, Vol.44, No.4, December 2002,pp146-154
S. Maci and G. Biffi Gentili, 'Dual-Frequency Patch Antennas,' IEEE Antennas and propagation Magazine, Vol.39,No.6, December 1997,pp 13-20

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S. Maci,G. Biffi Gentili and G. Avitabile 'Single-Layer Dual Frequency Patch Antenna' Electronics Letters 5th August Vol.29, No. 16,1993, pp1441-1443

상세보기
S. Maci, G. Biffi, Gentili, P. Piazzesi, C. Slavador 'Dual-band Slot-loaded patch antenna' IEE Proc. Microw. Antennas Propag., Vol 142,No.3, June 1995, pp225-232

상세보기
Wen-Shyang Chen,'Single-feed Dual-frequency Retangular Microstrip Antenna with Square Slot,' Electronics Letters 5th Feb.Vol.34, No.3, 1998, pp231-232

상세보기
Wen-Shan Chen and Kin-Lu Wong,'A Dual Frequency Coplanar Waveguide Fedslot Antenna,' Microwave and Optical Technology Letters,Vol. 25,No. 3, May, 2000, pp226-228

상세보기
Wen-Chung Liu,'Broadband Dual Frequency Cross Shaped Slot CPW-Fed Monopole Antenna for WLAN Operation,' Microwave and Optical Technology Letters, Vol.46, No.4, Aug.,2005,pp353 -355

상세보기
K Li, C. H. Cheng, T. Matsui and M. lzutsu, 'Coplanar Patch Antennas:Principle, Simulation and Experiment,' IEEE Trans. on antennas and propagation symposium, 2001,pp402-405

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