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CPWG 구조를 이용한 Wibro 및 WLAN 통신용 안테나 설계 및 제작
Design and Fabrication of the Antenna for Wibro and WLAN Communications Using CPWG Structure 원문보기 논문타임라인

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.19 no.10 = no.137, 2008년, pp.1086 - 1095  

이승우 (충북대학교 정보통신공학과) ,  김남 (충북대학교 정보통신공학과) ,  이승엽 (전남대학교 전기.전자통신.컴퓨터공학부)

초록
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본 논문에서는 사다리꼴 모양을 가지며, Wibro와 무선 랜 통신에 이용할 수 있는 CPWG 안테나를 설계하고 제작하였다. 안테나의 기본적인 형태를 사다리꼴로 만들어 광대역 특성을 얻었으며, 사다리꼴 내부에 H형 패치를 삽입하여 안테나의 공진 및 임피던스 매칭의 안정화를 가져왔다. 특히 본 논문에서 제안한 CPWG 구조는 모노폴과 CPW를 결합한 구조로써 급전선과 그라운드 간의 간격이나 크기 변화에 따른 임피던스 매칭이 변하는 CPW의 단점을 보완해 주었다. 설계된 안테나는 측정 결과 -10 dB($VSWR{\leq}2$) 기준으로 $2.2{\sim}4.6$ GHz(70.5 %)의 주파수 대역에서 공진이 일어났으며, H-plane의 방사 패턴이 전방향 특성을 나타냈다 또한, 급전선과 그라운드의 영향으로 인한 임피던스 매칭의 변화율이 작다는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we designed and fabricated the trapezoidal antenna using the CPWG structure for Wibro and WLAN communications. This antenna has broadband characteristics using the basic trapezoidal antenna, and an H-shaped parasitic patch is making an expansion of resonance bandwidth and bringing sta...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 광대역 안테나의 특성 중고조파 특성을 확인하기 위하여 설계된 안테나의 방사 패턴을 확인해 보았다. 설계된 안테나는 Wibro와 WLAN 통신 대역을 기준으로 하기 때문에, 그림 7에서 보는 것처럼 2.
  • 본 논문은 광대역 특성을 갖는 H형 기생 패치를 삽입한 사다리꼴 형태의 CPWG 안테나를 설계하였다. 기존의 사다리꼴 형태의 안테나는 광대역 특성을 가지고 있어 UWB 통신에 사용되고 있으나, 본 논문에서는 Wibro 및 WLAN 통신에서도 사용 가능하도록 슬롯 형태의 사다리꼴 구조를 사용하였으며, 원하는 주파수 대역에서 공진이 발생하고 50-Q 임피던스 매칭이 일어나도록 H형 기생패치를 삽입하여 주었다.
  • 사다리꼴 형태의 안테나는 일반적으로 광대역 특성을 보이며, UWB 통신에 응용된 다虬 본 논문에서는 Wibro 및 WLAN 통신에 응용하기 위하여 면 형태의 사다리꼴안테나에 슬릿을 만들어주는 변형을 통하여 안테나를 제작하였다. 또한, 급전선과 전면그라운드 간의 간 격 차이나급전선 너비의 변화 등으로 발생하는 공진 또는 임피던스 매칭의 급격한 변화를 줄이기 위하여 후면부에 그라운드를 삽입한 CPWG 급전 방식을 사용하였다.

가설 설정

  • 실제 측정에서 반사 손실값은 실험실의 환경적인 영향이나 측정자의 영향 등으로 변할 수 있는 요인이 있으므로큰 차이는 아니라고 본다. 또한, 본 논문의 목적과 적합하지 않은 1.5 GHz 대역은 사용하지 않* 고 2.2 GHz 이상의 대역을 사용할 것이다. 그림 9(b)는 반사 손실값을 가지고 계산된 VSWR 값을 보여주고 있다.
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참고문헌 (17)

  1. K. Hiraswa, M. Haneishi, Analysis, Design, and Measurement of Small and Low-Profile Antennas, Artech House, London, 1992 

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    안테나의 소형화방법에는 집중 소자 기술을 사용하는 방법과 기하학적인 구조를 사용하는 방법, 기생 소자를 사용하는방법 등이 있다[1],[2].

  2. 이정남, 이성훈, 박종권, "사다리꼴 모양의 UWB 안테나 설계", 한국전자파학회논문지, 16(3), pp. 235-245, 2005년 

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    안테나의 소형화방법에는 집중 소자 기술을 사용하는 방법과 기하학적인 구조를 사용하는 방법, 기생 소자를 사용하는방법 등이 있다[1],[2].

  3. 최순신, 김준일, 지 용, "CPW 급전 광대역 사각 슬롯 안테나 설계", 대한전자공학회논문지, 42(11) TC, pp. 107-116, 2005년 

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    하지 만, 안테나의 소형화로 인하여 전류 밀도가 높아지면서 Q값(quality factor)도 높아져 대역폭이 크게 감소하는문제점이 있다[3]

  4. 김명석, 신경섭, 김영두, 이홍민, "CPW 급전 광대역 슬롯 안테나 설계", 한국전자파학회논문지, 15 (2), pp. 212-216, 2004년 2월 

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    이러한 공진형 안테나의 광대역 또는 다중 대역 특성을 얻기 위해서 고차 모드를 이용하는 방법, 주방사 소자에 기생 패치를 삽입하여 커플링 효과로 인한 다른 주파수 대역을 설계하는 방법, 평면 형태의 방사 소자에 슬릿을 만들어 특성을구하는 방법, 슬롯 형태의 방사 구조를 사용하는 방법, CPW 급전 방식을 이용하는 방법 등 여러 종류의 방법들과 접목하여 광대역 특성을 구하고 있다[4]

  5. N. Fortino, G. Kossiavas, J. Y. Dauvignac, and R. Staraj, "Novel antennas for ultra-wideband communications", Microwave Opt. Tech. Lett., vol. 41, no. 3, pp. 166-169, 2004 

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    지금까지 연구된 CPW 급전 슬롯 안테나는 다이폴 슬롯 형태를 가진 슬롯 안테나 구조로써,안테나의 동작 대역폭을 증가시키고, 다양한 응용분야에 적용하기 위해 여러 가지 구조로 설계되고있다[5].

  6. 김준일, 장진우, 이원택, 지 용, "2.4/5.8 GHz 이중 대역 코프래너 급전 평면형 모노폴 능동 안테나 설계", 대한전자공학회논문지, 44(8) TC, pp. 42- 50, 2007년 

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    CPW 급전 슬롯 안테나가 점차 관심을 끌고 있는이유는 마이크로스트립 방식에 비해 복사 손실이 낮고 산란이 적으며, 특성 임피던스의 변화가 작아서넓은 대역폭을 얻을 수 있다는 장점이 있기 때문이다[6]~[8]

    사각형 모양의 패치가 대부분이었으나, 전류의 흐름을 원활하게 만들어 광대역인 특성을 나타내는 사다리꼴 형태의 안테나가 제안되었다[6]

  7. 김 남, 손귀범, 박상명, "CPW 급전 단일 평면 부채꼴형 UWB 안테나 설계 및 제작", 한국전자파학회논문지, 18(3), pp. 305-314, 2007년 3월 

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    CPW 급전 슬롯 안테나가 점차 관심을 끌고 있는이유는 마이크로스트립 방식에 비해 복사 손실이 낮고 산란이 적으며, 특성 임피던스의 변화가 작아서넓은 대역폭을 얻을 수 있다는 장점이 있기 때문이다[6]~[8]

  8. 박길영, 신호섭, 오병철, 김 남, "변형된 접지면과 대역 저지 특성을 갖는 단일 평면 타원형 UWB 안테나", 한국전자파학회논문지, 16(12), pp. 1194- 1205, 2005년 12월 

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    CPW 급전 슬롯 안테나가 점차 관심을 끌고 있는이유는 마이크로스트립 방식에 비해 복사 손실이 낮고 산란이 적으며, 특성 임피던스의 변화가 작아서넓은 대역폭을 얻을 수 있다는 장점이 있기 때문이다[6]~[8]

  9. 김 남, 박상명, 김종면, "이중 대역 스파이럴 평면형 모노폴 안테나 설계 및 SAR 분석", 한국전자파학회논문지, 18(12), pp. 1370-1382, 2007년 12월 

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    이는 밀리미터파의 영역에서via 등의 기생 효과를 줄일 수 있고, 수 GHz에서 수십 GHz의 회로에서 주로 이용되고 있다[9][10]

  10. 이호민, 이승우, 김 남, "Z자형 패치를 갖는 광대역 평판형 모노폴 안테나 설계 및 SAR 해석", 한국전자파학회논문지, 18(12), pp. 1391-1407, 2007년 12월 

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    이는 밀리미터파의 영역에서via 등의 기생 효과를 줄일 수 있고, 수 GHz에서 수십 GHz의 회로에서 주로 이용되고 있다[9][10]

  11. John L. Volakis, Antenna Engineering Handbook (4th Edition), McGraw Hill, pp. 16-5-16-6, 2007 

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    예전부터 원형 링(또는 사각 링) 안테나는 광대역으로 만들기 위해 사용되었으므로, 면형 패치의 중간 부분을 링 형태로 만들기 위해 제거시키게 되면광대역 특성이 나타나게 된다[11]

  12. V. Palanisamy, R. Garg, "Rectangular ring and H- shaped microstrip antennas-alternatives to rectangular patch antenna", Electronics Letters, vol. 21, pp. 874-876, 1985 

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    일반적인사각 링형 안테나는 대역폭은 넓지만 빔 폭이 좁은특징을 보이므로, 대 역폭은 작지만 빔 폭(beam wid-th)은 큰 특징을 보이는 H형 패치를 삽입하여 두 안테나 특성의 커플링 효과를 사용하여 원하는 주파수대역 특성을 얻었으며, 50-2 임피던스 매칭의 안정화를 가져왔다[12]

  13. Brian C. Wadell, Transmission Line Design Handbook, Artech House, p. 79, 1991 

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    설계 초기에 마이크로스트립 라인(microstrip line)의 폭은 유전율 기판의 두께, 원하는 주파수 대역등의 요소(factor)를 이용하여 수학적으로 구하였고,스트립 라인과 그라운드 사이의 임피던스 선폭도 구하였다. 원하는 임피던스를 계산하기 위하여 다음과같은 식을 사용하였다[13]

  14. Abdel F. Sheta, Samir F. Mahrnoud, "A novel H-shaped patch antenna", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 29, no. 1, pp. 62-66, 2001 

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    그림 4(a)는 기생 패치가 삽입되었을 경우와 되지 않았을 경우의 시뮬레이션을 보여주고 있으며, 그림 4(b)는 본 논문에서 사용한 H형 패치[14],[15], u형 패치[16], n형 패치[17]를 각각 삽입하였을 경우 반사 손실의 변화를 보여주고있다.

  15. S. -C. Gao, L. -W. Li, M. -S. Leong, and T. -S. Yeo, "Analysis of an H-shaped patch antenna by using the FDTD method", Progress in Electromagnetics Research, PIER 34, pp. 165-187, 2001 

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    그림 4(a)는 기생 패치가 삽입되었을 경우와 되지 않았을 경우의 시뮬레이션을 보여주고 있으며, 그림 4(b)는 본 논문에서 사용한 H형 패치[14],[15], u형 패치[16], n형 패치[17]를 각각 삽입하였을 경우 반사 손실의 변화를 보여주고있다.

  16. Filiberto Bilotti, Lucio Vegni, and Andrea Alu', "U-patch antenna loaded by complex substrates for multifrequency operation", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 32, no. 1, pp. 3-5, 2001 

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    그림 4(a)는 기생 패치가 삽입되었을 경우와 되지 않았을 경우의 시뮬레이션을 보여주고 있으며, 그림 4(b)는 본 논문에서 사용한 H형 패치[14],[15], u형 패치[16], n형 패치[17]를 각각 삽입하였을 경우 반사 손실의 변화를 보여주고있다.

  17. A. Moustafa, E. A. Abdallah, and E. A. Hashish, "Novel compact circular N-shaped patch antenna for 5.2 GHz wireless communications", 2008 IEEE Radio and Wireless Symposium, pp. 727-730, Jan. 2008 

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    그림 4(a)는 기생 패치가 삽입되었을 경우와 되지 않았을 경우의 시뮬레이션을 보여주고 있으며, 그림 4(b)는 본 논문에서 사용한 H형 패치[14],[15], u형 패치[16], n형 패치[17]를 각각 삽입하였을 경우 반사 손실의 변화를 보여주고있다.

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