본 논문에서는 5 GHz 대역 무선랜용 광대역, 고이득 패치 안테나를 설계 제작하였다. 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 개선하기 위해서 첫 번째 직사각형 패치에 U-Slot을 삽입하여 마이크로스트립 라인-동축 프로브급전방식으로 급전시켰으며, 두 번째 안테나를 $2{\times}2$ 배열 형태로 구현하여 이득을 개선하였다. 따라서 결과적으로 본 연구에서는 5 GHz 대역 광대역 U-Slot $2{\times}2$ 배열 패치 안테나를 설계 제작한다. 제작된 안테나는 Anritsu 37169A VNA(Vector Network Analyzer)를 사용하여 측정한 결과 입력 반사손실 VSWR 2:1인 범위가 $5.110 GHz{\sim} 6.142 GHz$까지 약 1 GHz라는 광대역 특성을 나타내었다. 또한 5.15 GHz, 5.35 GHz, 5.50 GHz, 5.85 GHz에 대하여 방사패턴을 측정한 결과 E-평면과 H-평면에서 안테나 이득 13 dBi 이상,3 dB 빔폭 $30^{\circ}$이상이라는 특성을 나타내었다.
본 논문에서는 5 GHz 대역 무선랜용 광대역, 고이득 패치 안테나를 설계 제작하였다. 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 개선하기 위해서 첫 번째 직사각형 패치에 U-Slot을 삽입하여 마이크로스트립 라인-동축 프로브 급전방식으로 급전시켰으며, 두 번째 안테나를 $2{\times}2$ 배열 형태로 구현하여 이득을 개선하였다. 따라서 결과적으로 본 연구에서는 5 GHz 대역 광대역 U-Slot $2{\times}2$ 배열 패치 안테나를 설계 제작한다. 제작된 안테나는 Anritsu 37169A VNA(Vector Network Analyzer)를 사용하여 측정한 결과 입력 반사손실 VSWR 2:1인 범위가 $5.110 GHz{\sim} 6.142 GHz$까지 약 1 GHz라는 광대역 특성을 나타내었다. 또한 5.15 GHz, 5.35 GHz, 5.50 GHz, 5.85 GHz에 대하여 방사패턴을 측정한 결과 E-평면과 H-평면에서 안테나 이득 13 dBi 이상,3 dB 빔폭 $30^{\circ}$이상이라는 특성을 나타내었다.
In this paper, the high Gain and the wideband microstrip patch antenna, which is applicable to 5 GHz band wireless LAN, is designed and fabricated. Firstly to widen the bandwidth of microstrip antenna, U-Slot in rectangular form patch is inserted and used the microstrip line-Coaxial probe feeding me...
In this paper, the high Gain and the wideband microstrip patch antenna, which is applicable to 5 GHz band wireless LAN, is designed and fabricated. Firstly to widen the bandwidth of microstrip antenna, U-Slot in rectangular form patch is inserted and used the microstrip line-Coaxial probe feeding method. Secondly, the antenna gain is improved to be embodied in $2{\times}2$ array form. As a result, in this paper, is designed and fabricated 5 GHz Band wideband U-Slot $2{\times}2$ array patch antenna using microstrip line-coaxial probe feeder. The U-Slot $2{\times}2$ array patch antenna were fabricated on the PEC using press-technique that is based on the simulation results. And the Anritsu 37169A vector network analyzer has been used in measurement of a prototype antenna. As a result, it was measured that the superior characteristic of wideband showing approximately 1 GHz ($5.110 GHz{\sim} 6.142 GHz$) of input return loss (VSWR < 2) in resonant frequency of 5 GHz band. And the antenna gain is 13 dBi, in both the E-plane and H-plane measured at 5.15 GHz, 5.35 GHz, 5.50 GHz, and 5.87 GHz.
In this paper, the high Gain and the wideband microstrip patch antenna, which is applicable to 5 GHz band wireless LAN, is designed and fabricated. Firstly to widen the bandwidth of microstrip antenna, U-Slot in rectangular form patch is inserted and used the microstrip line-Coaxial probe feeding method. Secondly, the antenna gain is improved to be embodied in $2{\times}2$ array form. As a result, in this paper, is designed and fabricated 5 GHz Band wideband U-Slot $2{\times}2$ array patch antenna using microstrip line-coaxial probe feeder. The U-Slot $2{\times}2$ array patch antenna were fabricated on the PEC using press-technique that is based on the simulation results. And the Anritsu 37169A vector network analyzer has been used in measurement of a prototype antenna. As a result, it was measured that the superior characteristic of wideband showing approximately 1 GHz ($5.110 GHz{\sim} 6.142 GHz$) of input return loss (VSWR < 2) in resonant frequency of 5 GHz band. And the antenna gain is 13 dBi, in both the E-plane and H-plane measured at 5.15 GHz, 5.35 GHz, 5.50 GHz, and 5.87 GHz.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 5 [GHz] 대역 무선랜 시스템에서 사용할 수 있는 고 이득, 광대역를 제작하기 위해서 다음과 같은 방법을 사용하였다. 먼저 안테나의 대역폭을 개선하기 위해서 첫 번째 직사각형 패치에 U-slot을추가하여 이 중 공진 효과를 이용하였으며, 두 번째 프로브급전방 식보다 대역폭이 넓고 개구 결합 급전 방식보다 제작상의 오차를 줄일 수 있는 마이크로스트립 라인- 동축 프로브급 전방식을 사용하였다.
제안 방법
먼저 안테나의 대역폭을 개선하기 위해서 첫 번째 직사각형 패치에 U-slot을추가하여 이 중 공진 효과를 이용하였으며, 두 번째 프로브급전방 식보다 대역폭이 넓고 개구 결합 급전 방식보다 제작상의 오차를 줄일 수 있는 마이크로스트립 라인- 동축 프로브급 전방식을 사용하였다. 그리고 안테나의 이득을 개선하기 위해서 2x2배열 구조로 안테나를 최종 설계하였다.
논문에서는 5 GHz 대역을 하나의 안테나로 통합하여 사용할 수 있도록 광대역 고 이 득 안테나를 제작하기 위해 초기의 설계대역폭을 입력 반사 손실 -10dB 이하의 범위에서 5.150 ~ 5.875 GHz, 안테나 이득은 13 dBi, 그리고 3 dB 빔폭 30° 이상으로 설정하였다.
또한 2x2배열 안테나의 급 전회로의 구성은 상호 결합 을줄이고주어진 소자 개수에서 최대이득을 얻으며 급전선 간의 충분한 공간을 확보하고자 入/2이상 되도록 선택 하는더】, 방사패치 간의 상호 결합을 고려하여 약0.76A 간격으로 균일분포 형태로 하였다. 그림 3에서 처럼 중앙의 50 Q 급전점에서 75 Q의 A/4 임피던스 변환기를 통해서 50 Q 전력 분배기와 결합되고, 양쪽 100 Q 급전선으로 각 방사패치 안테나에 전력을 공급하여 안테나를 여기 시킨다.
시뮬레이션에 의해 최적으로 설계되어진 5 GHz 대역 무선랜용 광대역 U-slot 2x2배열 마이크로스트립 패치 안테나는 제작비용이 저렴 한 프레스물 기법 을 사용하여, 접지면과4개의 방사 패치에 동일한 전력을 공급하기 위해서 마이크로스트립라인에 의해 설계되어진 전력 분배 기와 연결된 임피던스 변환기의 중심에 비하를 뚫어 직접 급전하는 마이크로스트립 라인- 동축 프로브급전방식으로 제작하였다. 또한 공기층에 의해 분리 되어 진방사패치 와 접지 면을 연결하는 프로브 및 방사패 치 의 유동에 의한 안테나 파손을 막기 위해 서 비유전체 봉을 사용하여 고정 하였다.
따라서 본 논문에서는 5 [GHz] 대역 무선랜 시스템에서 사용할 수 있는 고 이득, 광대역를 제작하기 위해서 다음과 같은 방법을 사용하였다. 먼저 안테나의 대역폭을 개선하기 위해서 첫 번째 직사각형 패치에 U-slot을추가하여 이 중 공진 효과를 이용하였으며, 두 번째 프로브급전방 식보다 대역폭이 넓고 개구 결합 급전 방식보다 제작상의 오차를 줄일 수 있는 마이크로스트립 라인- 동축 프로브급 전방식을 사용하였다. 그리고 안테나의 이득을 개선하기 위해서 2x2배열 구조로 안테나를 최종 설계하였다.
본 논문에서는 안테나의 대역폭과 이득을 개선하기 위해서 직사각형 패치에 U-slot을 삽입하여 마이크로스트립 라인-동축 프로브급 전방식으로 급전시켰으며, 안테나를 2x2배열 형태로 구현한 5GHz대역 광대역 안테나를 설계 제작하였다.
시뮬레이션에 의해 최적으로 설계되어진 5 GHz 대역 무선랜용 광대역 U-slot 2x2배열 마이크로스트립 패치 안테나는 제작비용이 저렴 한 프레스물 기법 을 사용하여, 접지면과4개의 방사 패치에 동일한 전력을 공급하기 위해서 마이크로스트립라인에 의해 설계되어진 전력 분배 기와 연결된 임피던스 변환기의 중심에 비하를 뚫어 직접 급전하는 마이크로스트립 라인- 동축 프로브급전방식으로 제작하였다. 또한 공기층에 의해 분리 되어 진방사패치 와 접지 면을 연결하는 프로브 및 방사패 치 의 유동에 의한 안테나 파손을 막기 위해 서 비유전체 봉을 사용하여 고정 하였다.
따라서 마이크로스트립 안테나에서 대역폭을 넓히기 위해 고차모드가 복사 패턴에 큰 영향을 주지 않는 범 위에 서폭 W를 크게 하는 것이 좋다. 위와 같은 이론을 바탕으로 안테나 수치 해석 프로그램인 PCAAD 3.0μ'을 사용하여 공진패치의 폭과 길이를 구하였다. 공진패치의 입력임피던스를 100 Q으로 적용하였을 때 중심 주파수 5.
대상 데이터
제작된 안테 나를 Anritsu 37169A VNA (Vector Network Analyzer)를 사용하여 측정하였으며, 그림 6은 측정결과를 보여주고 있다.
성능/효과
그리고 최근 슬롯 안테나에 주로 사용하는 개구 결합 급전방식은 제작하기가 매우 어렵고, 대역폭이 좁다는 단점이 있다. 그러나 본 논문에서 사용한 마이크로스트립 라인- 동 축 프로브 급전방식은 프로브 급전방식에 비해 넓은 광대역 특성을 가지며, 동시에 공진 패치의 크기를 줄일 수 있다. 또한 마이크로스트립 라인을 이용함으로써, 프로브안테나의 배열구조 구현의 어려움을 해결하고, 배열 안테나로 설계가 가능하다.
따라서 본 논문에서 사용한 설계 방식이 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 개선하는 데 효과가 있음을 확인하였다.
142GHz까지 약 1 GHz라는 광대역 특성을 나타내었다. 또한 5.15 GHz, 5.35 GHz, 5.50 GHz, 5.85 GHz에 대하여 방사 패턴을 측정한 결과 E-평 면 에서는 안테나 이득 13 dBi이상, 3 dB 빔폭 30° 이상을 나 타내었고, H-평면에서는 안테나 이득 13dBi 이상, 3dB 빔폭 30° 이상이 라는 안테나 특성을 나타내었다.
142 GHz) 특성을 나타내었다. 또한 각 측정주파수에서 E-평면과 H-평면의 방사 패턴에 대한 안테나의 이득은 13dBi 이상을 나타내었으며, 3 dB 빔폭은 30° 이상이 라 는 특성을 나타내었다.
시뮬레이션 결과 입력 반사 손실 -10 dB 이하의 주파수 대역폭은 5.134 ~ 6.014 GHz를 나타내었으며, E-평면과 H-평면의 방사 패턴에 대한 안테나의 이득은 13dBi 이상, 그리고 3 dB 빔폭은 30° 이상이라는 특성을 확인하였다. 이러한 시뮬레 이 션 결과를 바탕으로 실제 제작된 안테나의 측정 결과 안테나 주파수 대역은 시뮬레이션 결과(5.
이는 시뮬레이션 과정과는 다르게 방사 패치와 접지면 사이의 프로브 길이가 정확히 3mm 연결되지 못해 공진 패치와 접지면 사이의 커플링 그리고 U-Slot의 내부 슬롯 사이에 존재하는 캐패시 터 성분과 프로브에 의한 인덕터 의 상호작용에 의해서 시뮬레이션 결과보다 더 높은 주파수 쪽으로 대역폭이 증가되면서 전체적으로 주파수 대역폭이 시뮬레이션 결과보다 더 개선된 것으로 판단된다.
014 GHz를 나타내었으며, E-평면과 H-평면의 방사 패턴에 대한 안테나의 이득은 13dBi 이상, 그리고 3 dB 빔폭은 30° 이상이라는 특성을 확인하였다. 이러한 시뮬레 이 션 결과를 바탕으로 실제 제작된 안테나의 측정 결과 안테나 주파수 대역은 시뮬레이션 결과(5.134 ~ 6.014 GHz)보다 약 120 MHz정도 더 넓은(5.110 -6.142 GHz) 특성을 나타내었다. 또한 각 측정주파수에서 E-평면과 H-평면의 방사 패턴에 대한 안테나의 이득은 13dBi 이상을 나타내었으며, 3 dB 빔폭은 30° 이상이 라 는 특성을 나타내었다.
제작된 안테나는 Anritsu37169AVNA(VectorNetwork Analyzer)를 사용하여 측정한 결과 입력 반사 손실 VSWR 2:1인 범위가5.110GHz ~ 6.142GHz까지 약 1 GHz라는 광대역 특성을 나타내었다. 또한 5.
최적화된 U-slot2 x2 패치 안테나의 시뮬레이션 결과로 그림 5에서 공진 패치는 5 GHz 대역에서 공진이 일어났으며, 반사 손실 -10 dB (VSWR 2:1)가 되는 대역폭은 5.1343 GHz ~ 6.0149GHz까지 약880MHz 정도임을 알 수 있었다.
그림 4는 본 논문에서 제안한 U-slot 패치를 이용한 2 X 2 배열 안테나의 최적 설계된 구조를 보여주고 있다. 최적화된 각 변수는 직사각형 패치의 L=24mm, W=30mm, a=22 mm, b=19mm, x=2mm 그리고y=2mm임을 알 수 있었다.
그림 7과 그림 8은 제작된 안테나의 방사 패턴과 이득을 측정한 결과를 보여주고 있다. 측정 결과 E-평 면과 H- 평 면에 대하여 5.15 GHz, 5.35 GHz, 5.50 GHz, 5.85 GHz에 서의 방사패턴은 전체적으로 13 dBi 이상의 이득을 가지며 3dB 빔폭은 30° 이상의 값을 나타내었다.E-평면과 H- 평면의 방사특성에 있어서 E-평면 방사 패턴의 주빔은4。, 그리고 H-평면의 주빔은 약 3° 정도 틀어졌다.
참고문헌 (7)
S.D.Targonski, R.B.Waterhouse and D.M.Pozar, 'Design of Wide-Band Aperture-Stacked Patch Microstrip Antennas,' IEEE Trans. AP. vol 46 pp. 1245-1251, Sep. 1998
C. L. Lee. B. L. Ooi, and X. D. A. Zhou, 'Broadband Air-Filled Staked U-slot Patch Antenna,' IEEE Asia Pacific Microwave Conference, vol. 1,pp. 174-177, 1999
Jeong II Kim and Young Joong Yoon, 'Design of wideband microstrip array antennas using the coupled lines,' IEEE Int'l Symposium on Antennas and Propagation, vol. 3, pp. 1410-1413,2000
Rod B. Waterhouse, 'Design of Prove-Fed Stacked Patches,' IEEE Trans. Antenna and Propagation vol. 47, no.12,pp1780-1784 Dec. 1999
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