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문제 정의
- 본 논문에 서 는 슬리 브 모노폴에 4개 의 Post형 태 기 생소자를 추가하여 기존의 상용 이동통신 주파수 대역을 모두 만족하는 광대역의 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 광대역 특성과 더불어 디스크 형태의 부하를 Top-loading 하여 안테나의 높이를 크게 감소시킴으로써, 소형화 할 수 있는 구조이다.
- 본 논문에서는 모노폴 안테나의 좁은 임피던스 대역폭을 개선하기 위하여 Top-loading한 슬리브 모노폴에 4 개의 Post 형태 기생소자를 추가함으로써, 기존의 상용이동통신 시스템의 주파수를 하나로 통합 할 수 있는 소형 이면서, 광대역 특성을 갖는 모노폴 안테나를 설계 및 제작하였다.
제안 방법
- 제안한다. 급전방식은 동축 프로브 급전방식을 채택하였으며, 복사소자 밑부분에 나사 탭을 내어 나사산이 있는 동축 커 넥터의 핀과 체결하는 방식으로 급전하였다. 또한 안테나의 소형화를 위하여 모노폴에 Top-loading한 구조로 구현하였다.
- 급전방식은 동축 프로브 급전방식을 채택하였으며, 복사소자 밑부분에 나사 탭을 내어 나사산이 있는 동축 커 넥터의 핀과 체결하는 방식으로 급전하였다. 또한 안테나의 소형화를 위하여 모노폴에 Top-loading한 구조로 구현하였다. 안테나의 경량화와 가공성을 위하여 4개의 Post 형태 기생소자는 속이 빈 실린더 형태로 제작하였으며, 접지면과 Post 형태의 기생 소자는 나사로 결합하였고, 안테나 구성소자의 재질은 가공성 이 용이한 황동과 알루미늄 소재의 금속 재질을 사용하였다.
- 모노폴 안테나의 좁은 임피던스 대역폭을 개선하기 위하여 그림 1과 같은 형태의 슬리브 모노폴 안테나의 반사손실 특성 을 살펴 보았다.
- 반사손실, 방사패턴, 안테나의 이득을 시뮬레이션 결과와 실제 측정된 결과를 비교, 분석하였다. 반사손실은 HP 8753ES VNA(Vector Network Analyzer)를 사용하여 측정하였으며, 시뮬레이션을 이용하여 여러 설계 변수들을 Parameter Sweep 한 결과를 도시하였다.
- 반사손실은 HP 8753ES VNA(Vector Network Analyzer)를 사용하여 측정하였으며, 시뮬레이션을 이용하여 여러 설계 변수들을 Parameter Sweep 한 결과를 도시하였다. 그림 6은 최적화된 다른 설계변수를 고정시키고, Post 형태 기생 소자의 길이만을 변화시켜 반사손실 값을 관찰하였다.
- 결과와 비교, 도시하였다. 방사패턴 측정은 Far-field 측정 이 가능한 Anechonic Chamber에서 이 루어 졌으며, PCS(1.750~ 1.870 GHz), W-CDMA(1.885~ 2.170 GHz), WiBro(2.300~ 2.390 GHz), W-LAN(2.400~ 2.483 GHz), S-DMB(2.600 -2.655 GHz) 대 역 의 중심주파수에서 측정하였다. 측정 프로그램은 Orbit사의 Midas 3.
- 본 논문에서 제안한 안테나는 그림 4에서 보는 것과 같이 원형 접지판 위에 수직으로 세워져 있는 Top-loading한 슬리브 모노폴에 4개의 Post 형태 기생 소자를 90도 간격 으로 추가하여 광대 역 특성 을 갖는 안테나를 제안한다. 급전방식은 동축 프로브 급전방식을 채택하였으며, 복사소자 밑부분에 나사 탭을 내어 나사산이 있는 동축 커 넥터의 핀과 체결하는 방식으로 급전하였다.
- 본 논문에서는 먼저 Top-loading한 슬리브 모노폴 안테 나의 반사손실 특성 을 살펴 보고, 제 안하고 있는 4개 의 Post 형 태 기생소자를 추가한 광대 역 슬리브 모노폴 안테나에 대한 각 소자의 Parameter 변화에 따른 반사손실 특성을 관찰하고, 시뮬레이션 결과와 측정결과를 비교, 분석하였다.
- 또한 안테나의 소형화를 위하여 모노폴에 Top-loading한 구조로 구현하였다. 안테나의 경량화와 가공성을 위하여 4개의 Post 형태 기생소자는 속이 빈 실린더 형태로 제작하였으며, 접지면과 Post 형태의 기생 소자는 나사로 결합하였고, 안테나 구성소자의 재질은 가공성 이 용이한 황동과 알루미늄 소재의 금속 재질을 사용하였다. 안테나는 두께가2.
- 제안된 안테나는 광대역 특성과 더불어 디스크 형태의 부하를 Top-loading 하여 안테나의 높이를 크게 감소시킴으로써, 소형화 할 수 있는 구조이다. 안테나의 특성을 살펴보기 위 하여 FIM(Finite Integration Method)에 근간을 두고 있는 상용 시뮬레이션 To이인 CST MWS(Microwave studio) 5.0을 이 용하였고, 각 소자의 Parameter에 따른 반사손실 특성을 관찰하였으며, PCS, W-CDMA, WiBro, W-LAN, S-DMB 대역의 중심주파수에서 복사 특성을 살펴보았다. 제안된 안테나는 수평면내 무지향성, 수직 면내 8자형의 지향성을 가지며, L67〜3.
- 제안된 안테나는 광대역 특성과 더불어 디스크 형태의 부하를 Top-loading 하여 안테나의 높이를 크게 감소시킴으로써, 소형화 할 수 있는 구조이다. 안테나의 특성을 살펴보기 위 하여 FIM(Finite Integration Method)에 근간을 두고 있는 상용 시뮬레이션 To이인 CST MWS(Microwave studio) 5.
- 655 GHz) 대 역 의 중심주파수에서 측정하였다. 측정 프로그램은 Orbit사의 Midas 3.0을 이용하였으며, 제안된 안테나의 방사패턴은 수평 면내 무지향성, 수직면내 8자형의 지향성을 가지는 전형적인 모노폴 안테나의 방사패턴 특성을 가지고 있다. 주파수가 올라갈수록 수직면내 방사패턴의 왜곡이 발생함을 알 수 있는데, 이는 주파수가 올라감에 따라 상대적으로 접지면의 크기가 커지게 됨으로써 후방의 방사가 줄어들게 되어 생기는 현상이며, 방사이득도 증가함을 알 수 있다.
대상 데이터
- 그림 5는 본 논문에서 제안하고 있는 안테나의 제작된 사진이며, 제안된 안테나의 최적화된 설계 Parameter 값은 모노폴의 길 이 Hm=31 mm, Top-loading한 디 스크의 두께 Ht=4 mtn, 디 스크의 반지 름 Rt=5.75 nun, Post 형태 기 생 소자의 길 이 Hp=15 mm, Post 형 태 기 생 소자 간의 간격 Gpp=21.2mm, 모노폴 소자 중심에서 Post 형 태 기생 소자와의 간격 Gmp=15mm 이며, 원형의 슬리브 지름은 21.5 mm로 제작하였다.
- 0mm인 원형 접지판, 원형 의 슬리 브, Top-loading한 복사소자와 4개 의 Post 형 태 기생 소자로 구성 되어있다. 원형의 접지판Dg는지름이 110mm이며, 접지판중심에 복사 소자를 위치하게 설계하였다.
이론/모형
- 위 의 결과로부터 측정치 의 공진주파수가 50 Ml衣정도 상향 이동하였으나, 대체로시뮬레 이션 결과와 일치하는 것을 알 수 있다. 사용한 시뮬레이션 Tool은 FIM(Finite Integration Method)에 근간을 두고 있는 상용 프로그램인 CST MWS(Microwave studio) 5.0 을사용하였다.
성능/효과
- 0을 이 용하였고, 각 소자의 Parameter에 따른 반사손실 특성을 관찰하였으며, PCS, W-CDMA, WiBro, W-LAN, S-DMB 대역의 중심주파수에서 복사 특성을 살펴보았다. 제안된 안테나는 수평면내 무지향성, 수직 면내 8자형의 지향성을 가지며, L67〜3.55 GHz 주파수대역(B/WW72 %)에서 RettimlossV-lOdB의 양호한 반사손실과 L14〜3.66dBi의 이득을 얻을 수 있었다"다라서 임피던스의 광대역 특성뿐만 아니라 복사패턴도 광대역 특성을 가짐을 확인하였다.
- 그림 3에서 Top-loading한 슬리브 모노폴 안테나의 대역(L65〜2.05 GHz, B/W=21 %)에 비해 본 논문에서 제안하고 있는 4개 의 Post 형 태 기 생 소자를 추가한 안테 나의 주파수 대 역 (1.67 〜3.55GHz, B/W=72 %)이 약 51 % 이상의 대역폭 향상 효과를 얻고 있다. 또한 최근 보고된참고문헌[2] [3]과 같은 비슷한 형태의 광대역 모노폴 안테나에 비해서도 17 %이상의 대역폭 확장 효과를 나타내고 있다.
- 99 아Iz)를 함께 보여 주고 있다. 위 의 결과로부터 측정치 의 공진주파수가 50 Ml衣정도 상향 이동하였으나, 대체로시뮬레 이션 결과와 일치하는 것을 알 수 있다. 사용한 시뮬레이션 Tool은 FIM(Finite Integration Method)에 근간을 두고 있는 상용 프로그램인 CST MWS(Microwave studio) 5.
- Post 형 태 기 생 소자의 길 이 Hp가 15 mm 일 때 최 적 화 되었으며, 최적화된 설계 값보다 길어질 경우에는 공진주파수의 대 역폭이 좁아지 는 것을 관찰 할 수 있다. 최 적 화 된 설계 값보다작아질 경우 대역폭은넓게 되나설계 목표치인 대역내 -10dB 이하의 설계 값을 만족하지 못하는 것을 알 수 있다. 그림 7은 모노폴 소자 중심에서 Post 형태 기생소자까지의 위치를 변화하여 반사손실 변화를 나타낸 것이다.
- 그림 8은 최종 제작된 안테나의 반사손실 변화를 나타내었다. 측정치와 시뮬레이션 결과를 함께 나타내었으며, 반사손실의 측정결과 Return Loss<-10 dB를 기준으로 L67〜3.55 GHz(B/W=72 %) 대역을 만족하였고, 최적화된 시뮬레이션 결과 대역 (1.63-3.48 GHz) 에 비 해 공진주파수가 약 40 MHz정 도상향 이동한 것을 알 수 있다. 이는 안테나 제작상에 있어서 구성소자들을 정밀하게 가공하지 못한 것에 대한 오차라 생각된다.
후속연구
- 본 논문에서 제안된 안테나는 기존에 상용 되는 이동통신 주파수인 PCS, W-CDMA, WiBro, W-LAN, S-DMB 대역을 하나로 통합 할 수 있는 실내 이동통신 중계기용안테 나로 사용 될 수 있을 것으로 사료된다.
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