[논문]WiBro/WiMAX 대역 IBBD 배열 안테나의 설계

최환기; 최학근; 정영배; 전순익

doi:10.5515/kjkiees.2008.19.1.033

WiBro/WiMAX 대역 IBBD 배열 안테나의 설계
Design of IBBD Array Antennas for WiBro/WiMAX Band 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.19 no.1 = no.128, 2008년, pp.33 - 39

최환기 (단국대학교 전자공학과) , 최학근 (단국대학교 전자공학과) , 정영배 (한국전자통신연구원) , 전순익 (한국전자통신연구원)

초록
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본 논문에서는 WiBro/WiMAX 대역(2.3${\sim}$3.5 GHz)에서 동작하는 광대역 $16(4{\times}4)$ 소자 배열 구형 반사판 안테나를 설계하고, 복사 특성을 고찰하였다. 설계된 안테나는 IBBD(Integrated Balun Bow-tie Dipole) 소자로 구성 되며, 급전 회로에서 발생하는 불요 전자파를 줄이기 위하여 반사판 뒷면에 급전 회로를 두었다. 설계된 안테나의 광대역 특성을 확인하기 위하여 실제 안테나를 제작하고 복사 특성을 측정하여 계산된 결과와 비교하였다. 측정결과는 계산 결과와 비슷하게 나타났으며, $2.06{\sim}3.89GHz$ 대역에서 VSWR 1.6 이하를 만족하였고, 안테나 이득은 사용 주파수 대역에서 10.3dBi 이상으로 나타났다. 따라서 본 논문에서 설계된 안테나는 WiBro/WiMAX 공용 배열 안테나로 사용할 수 있을 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a broadband rectangular reflector antenna with 16-array elements for WiBro/WiMAX band(2.3${\sim}$3.5 GHz) is designed, and its radiation characteristics are investigated. The designed antenna is composed of the IBBD(Integrated Balun Bow-tie Dipole) elements and has the feed circuit at the rear of the reflector to reduce the unwanted electromagnetic wave from it. To confirm the broadband characteristics of the designed antenna, test antenna is fabricated and its radiation characteristics are measured, compared with calculated results. The measured results show good agreement with the calculated results. As a result of measurements, 1.8GHz of bandwidth(VSWR<1.6) is achieved at $2.06{\sim}3.89GHz$ and the antenna gain over 10.3 dBi. We confirm that the designed antenna can be used as a broadband antenna for WiBro/WiMAX.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 30 dB 이상의 전후 방비와 -30 dB 이하의 사이드로브 레벨을 갖는 배열 안테나를 설계한다.
본 논문에서는 WiBro/WiMAX 대역 16 소자 IBBD 배열 안테나를 설계 제작하고 복사 특성을 측정하여 사용 가능성을 고찰하였다. 설계 제작된 안테나는 integrated balun 급전 방식과 bow-tie 구조의 다이폴안테 나를 사용하여 광대 역 특성을 구현하였으며, 급전 회로의 접지면을 반사판으로 사용하여 안테나와 급전 회로 사이를 효율적으로 격리하였으며, 4개의 소자를 하나의 패널에 위치하여 제작이 용이하도록 하였다.

제안 방법

높인다. 또한, 네 개의 복사 소자를 한 기판에 두어, 보다 손쉽게 안테 나를 제작할 수 있도록 하고, 안테나가 광대역 특성을 갖도록 integrated balun 급전 방식"'과 bow-tie161 구조를 채용한다.
이러한 신기술을 적용한 시스템의 연구 개발 시험을 위해서는 WiBro/WiMAX 대역을 만족하는 광대역기지국 안테나의 개발이 우선적으로 이루어져야 한다. 따라서 본 논문에서는 WiBro/WiMAX 공용 주파수인 2.3~3.5 GHz(중심 주파수 기준 4138 %) 대역에서 사용할 수 있는 구형 반사판을 갖는 광대역 단일 복사 소자를 설계하고, 단일 소자의 복사 패턴을 배열 이론에 적용하여 16 소자 배열 안테나를 설계한다. 안테나는 일반적인 구형 반사판 안테나처럼 평면형 반사판의 위에 복사 소자를 설치된 구조이다 [기构 안테나의 광대역 특성을 고찰하기 위하여 안테나 구조 파라미터를 변화시키면서 CST사의 MWS (V.
본 논문에서 설계된 안테나는 기존의 안테나와 달리 급전 회로를 안테나 반사판의 뒷면에 두어 급전 회로에서 발생되는 불요 전자파를 최 소화시 켜 효율성을 높인다. 또한, 네 개의 복사 소자를 한 기판에 두어, 보다 손쉽게 안테 나를 제작할 수 있도록 하고, 안테나가 광대역 특성을 갖도록 integrated balun 급전 방식"'과 bow-tie161 구조를 채용한다.
가능성을 고찰하였다. 설계 제작된 안테나는 integrated balun 급전 방식과 bow-tie 구조의 다이폴안테 나를 사용하여 광대 역 특성을 구현하였으며, 급전 회로의 접지면을 반사판으로 사용하여 안테나와 급전 회로 사이를 효율적으로 격리하였으며, 4개의 소자를 하나의 패널에 위치하여 제작이 용이하도록 하였다. 설계된 안테나는 WiBro/WiMAX 대역을 포함하는 2.
여기서는 IBBD 안테나의 구조에 따른 복사 특성을 도출하여 광대역 특성을 갖는 안테나 구조를 설계하기 위하여 소자의 길이 L, 폭 a, 높이 力의 기본 구조 파라미터를 변화시키면서 VSWR을 계산한다. 급전선은 그림 2 (b)로 하고, 다이폴의 시작단의 폭은 6 mm, 다이폴 지지대의 간격은 1.
여기서는 앞에서 설계된 배열 안테나의 소자와 급전 회로를 사용하여 WiBro/WiMAX 대 역 IBBD 배열 안테나를 제작하고 그 성능을 측정한다.
2006b)를 사용하여 복사 특성을 계산하고, 검토하여 단일 소자의 구조를 도출하고 제작하여 복사패턴을 측정한다. 이상에서 측정된 단일 소자의 복사 패턴을 배열 이론厠에 적용하여 16(4x4) 소자 배열 안테나를 설계한다. 마지막으로 설계된 안테나의 복사 특성을 분석 하기 위하여 실제 안테나를 제 작하여 VSWR과 복사 패턴을 측정하여 계산 결과와 비교 한다.

대상 데이터

다이폴 소자는 그림 2(c)에 보이는 것처럼 반사판 뒷면에서 슬롯을 통하여 다이폴 지지대를 따라 올라온 급전선을 통해 급전된다. 여기서 사용된 기판은 FR-4 기판(&=4.4, 力=1.6 mm, 손실탄젠트 =0.02) 이다.
여기서는 앞에서 설계된 1BBD 안테나를 기본 소자로 하는 16(4x4) 소자 IBBD 배열 안테나를 설계한다. 배열 안테나의 사이드로브 레벨은 급전 전력비와 소자 간의 간격에 따라 변화한다圆 여기서는 그림 6을 단일 소자의 복사 패턴으로 고정하고 배열 소자의 간격, 급전 전력비의 변화에 따라 합성 전계를 계산한 후 그것을 분석하여 그림 6의 모든 주파수에서 사이드로브 레벨 -30 dB 이하를 만족하는 급전 전력비와 소자 사이의 간격을 결정하였다.
제작된 안테 나의 소자 수는 16 소자이 며, 각각 4개의 소자가 하나의 기판에 제작된다. 총 4개의 소자로 구성된 4개의 안테나 패널이 반사판에 수직으로 세워지고 반사판 뒷면의 급전 회로로부터 급전된다.

데이터처리

이상에서 측정된 단일 소자의 복사 패턴을 배열 이론厠에 적용하여 16(4x4) 소자 배열 안테나를 설계한다. 마지막으로 설계된 안테나의 복사 특성을 분석 하기 위하여 실제 안테나를 제 작하여 VSWR과 복사 패턴을 측정하여 계산 결과와 비교 한다.

성능/효과

것이다. VSWRe 계산된 값과 거의 유사한 특성을 나타내었으며, 전 대역에서 1.56:1 이하의 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
6 mm이다. 계산된 급전 회로의 손실 특성은 손실 탄젠트 0.02, 기판 두께 1.6 mni 인 FR-4 기판을 사용한 결과, 약 4.41 dB의 삽입 손실(IL: Insertion Loss)을 가지며 사용 주파수 대역 내 줄력 전력비의 편차는 최대 1.7 dB이며 동일 주파수 상 최대편차는 0.5 dB 이다.
배열 안테나의 사이드로브 레벨은 급전 전력비와 소자 간의 간격에 따라 변화한다圆 여기서는 그림 6을 단일 소자의 복사 패턴으로 고정하고 배열 소자의 간격, 급전 전력비의 변화에 따라 합성 전계를 계산한 후 그것을 분석하여 그림 6의 모든 주파수에서 사이드로브 레벨 -30 dB 이하를 만족하는 급전 전력비와 소자 사이의 간격을 결정하였다. 그 결과, 사이드로브 레벨 -30 dB 이하를 만족하면서 전력 분배기의 제작이 용이한 4x4 배열 안테나의 각소자 전력비는 E면 방향으로 1:5:5:1, H 면 방향으로 1:5:5:1이며, 배열 간격은 E면 방향으로 51mm(중심주파수 기준 0.493 人), H면 방향으로 54 mm(중심 주파수 기준 0.522 人)로 나타났다.
설계 제작된 안테나는 integrated balun 급전 방식과 bow-tie 구조의 다이폴안테 나를 사용하여 광대 역 특성을 구현하였으며, 급전 회로의 접지면을 반사판으로 사용하여 안테나와 급전 회로 사이를 효율적으로 격리하였으며, 4개의 소자를 하나의 패널에 위치하여 제작이 용이하도록 하였다. 설계된 안테나는 WiBro/WiMAX 대역을 포함하는 2.06~3.89 GHz 범위 내에서 VSWR<L6을 얻었으며, 이는 중심 주파수 기준 63.1 % 의 대역폭에 해당된다. 이득은 사용 주파수 전 대역에서 10.
1 % 의 대역폭에 해당된다. 이득은 사용 주파수 전 대역에서 10.3 dBi 이상을 갖는 것으로 측정되었고, 복사 패턴은 측정치와 계산치가 비교적 유사하게 나타났다.

후속연구

이상으로 본 논문에서 설계된 배열 안테나는 WiBro/WiMAX 대역에서 동작할 수 있는 광대역 기지국 안테나의 설계에 충분히 활용 가능할 것으로 생각된다.
32。)이다. 측정 결과로부터 설계 제작된 IBBD 안테나는 배열 안테나의 기본 소자로 충분히 사용되리라 생각된다.

참고문헌 (9)

염용섭, 김형찬, 함창용, 김희수, 이내찬, '무선통신 및 데이터 통신 활성화에 따른 정책 방안 연구', 한국정보통신연구진흥원, 2001년 12월
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A. A. Eldek, A. Z. Elsherbeni, 'Modified printed bow-tie antenna for C and X bands wideband phased array systems', IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 2B, pp. 429-432, Jul. 2005
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R. Garg, P. Bhartia, Microstrip Antenna Design Handbook, Artech House, ch. 12, 2001

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