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문제 정의
- Loop type 안테나는 일반적으로 광대역 특성을 갖고 다중 대역 안테나를 구현하기에 용이하다. 본 논문은 루프 안테나 Calculatoi를 사용하여 필요한 주파수 대역의 루프 안테나의 길이 및 높이 등을 계산하였다.
제안 방법
- WiMAX 및 WLAN 대역의"仞 이 중 공진이 일어나는 선인장 모양(cactus-shaped)의 급전 선로를 갖는 마이크로 스트립 슬롯 안테나(3.5 ~5.82 GHz)는 공진이 일어나지 않는 2.4 GHz 대역에 루프 형태의 패치를 추가설계 하여 공진을 일으켜 2.4~5.82 GHz 대역을 응용할 수 있는 안테나로 설계하였다. 이렇게 하여 최근 많은 분야에서 사용되고 있는 Bluetooth/Zigbee/Wi-MAX /WLAN(2.
- 4 GHz 대역을 중심으로 큰 차이를 보인다. Loop type 파라미터를 그림 10에서《6과 厶을 각각 20 mm와 7 mm 로 하였고, 마이크로 스트립 급전 선로를 따라 Loop type의 중앙의 패치를 삽입하여 2.4 GHz 대역의 공진을 발생하는데 있어 최적의 정합 특성을 얻을 수 있는 역할을 하도록 하였다. 그림 10과 표 1에서 보여준 최적화된 안테나의 파라미터들은 모의실험 및 계산에 의해 최적으로 설계되었다.
- FR-4 기판의 두께 및 유전율을 참고하여 설계된 급전 선로는 3 mm 폭을 가지며 급전 선로의 길이에 따라 회전시킨 사각 슬롯과의 커플링이 변하여 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 변화시킨다. 계산된 파라미터를 근거로 하여 급전 선로를 상용 소프트웨어인 HFSS를 이용한 모의실험을 통하여 1 mm 단위로 증가시켰을 때 최적의 정합 특성을 나타내는 급전 선로 길이를 그림 1과 같이 설계하였다. 제안한 다중 대역용 안테나 설계는 앞서 언급한 구조의 특성 중 그림 1과 같이 다중 대역에서 공진을 일으키기 위해 마이크로 스트립 급전 선로를 따라 한 쌍의 기생 패치를 계산된 파라미터에 의해 추가하여 대역폭을 증대시켰다.
- 또한, 정사각형의 슬롯 크기를 고정시킨 상태에서는 양호한 정합 특성을 얻을 수 없었다. 고안한 방법은 슬롯에 회전각을 주어 회전시키면서 슬롯의 길이를 증가시켰고 슬롯의 길이가 증가함에 따라 대역폭은 넓어졌다. 공진 주파수 결정에 슬롯의 길이는 다음 식으로 계산하였다[10][11].
- 또한, 각각 양쪽의 패치의 전류의 흐름을 원활하게 해주기 위해 모서리 부분을 둥근 모양으로 만들어 주었다回. 그리고 안테나의 패치의 크기를 조절하여 원하는 주파수 대역에서 공진이 발생할 수 있도록 설계하였다.
- 설계하였다. 마이크로 스트립 급전 선로의 폭(w)은 FR-4 기판의 유전율(弓)과 기판의 두께(力), 박막두께U), 주파수 대역(/), 임피던스 등의 요소(factor) 를 참고하여 설계되었다. 그림 3은 앞서 언급한 구조를 종합하여 설계한 선인장 모양의 급전 선로를 갖는 마이크로스트립 슬롯 안테나로써 광대역 특성
- 또한, 중심축에서 45° 회전시킨 기 하학적 구조를 가진 사각 슬롯을 접지면에 설계 첨부하여 기존 슬롯 안테나에서 공진을 일으키는 방식보다 대역폭을 극대화시켜 더 넓은 주파수 대역을 획득될 수 있게 되었다. 마지막으로 3.5 ~5.82 GHz 대역을 공진시키는 선인장 모양의 급전선로에 Loop type을 추가 설계하여 2.4 GHz 대역의 공 진을 발생 시켜 Bluetooth, Zigbee, WiMAX, WLAN 4개 대역(2.4~5.825 GHz)에서 동작하는 새로운 구조의 마이크로 스트립 슬롯 안테나를 설계하였다. 결과적으로 기생패치의 설계, 회전된 사각슬롯의 설계, 선인장 모양의 급전선로 설계, Loop type을 추가 설계하여 4개 대역에 동작하는 안테나를 제작할 수 있었다.
- 반사 손실 측정은 Agilent 사의 E 8802AA RF Vector Network Analyzer를 사용하여 반사 손실을 측정하였다. 측정 결과, 그림 12에서 반사 손실 -10 dB 이하를 기준으로 보았을 때 모의실험의 첫 번째 공진 주파수는 2.
- 본 논문은 광대역 특성을 갖는 4중 대역 안테나로서 넓은 대역폭을 얻기 위해 한 쌍의 기생 스트립을 설계함으로써 다른 마이크로스트립 안테나보다 넓은 대 역폭을 갖게 하였다. 또한, 중심축에서 45° 회전시킨 기 하학적 구조를 가진 사각 슬롯을 접지면에 설계 첨부하여 기존 슬롯 안테나에서 공진을 일으키는 방식보다 대역폭을 극대화시켜 더 넓은 주파수 대역을 획득될 수 있게 되었다.
- 본 논문은 대역폭을 개선하기 위해 기생 소자를 추가하는 방법을 사용하였으며, 또한 중심축에서 45° 회전시킨 기하학적 구조를 가진 사각 슬롯으로 설계하여 기존 슬롯 안테나에서 공진을 일으키는 방식보다 더 넓은 주파수 대역을 획득하였다. WiMAX 및 WLAN 대역의"仞 이 중 공진이 일어나는 선인장 모양(cactus-shaped)의 급전 선로를 갖는 마이크로 스트립 슬롯 안테나(3.
- 95 dBi의 이득을 가졌다. 실제 방사 패턴 측정은 전자파 무반 사실(anechoic chamber)에서 진행되었다.
- 않은 정합 특성이 나타났다. 양호한 정합 특성을 나타내기 위해 슬롯의 각도 및 길이를 설계 변수의 반복적인 모의실험을 수행하여 정합 특성이 좋은 최적의 선인장 모양의 급전 선로의 파라미터를 찾아내었다. 선인장 모양의 안테나에서 그림 6(a)와 같이 마이크로 스트립 급전 선로의 왼쪽 L자형 패치의 기능은 WLAN 대역인 5 GHz 대역의 공진주파수를 발생시킨다.
- 정합 특성이 나타났다. 원인은 계산된 파라미터는 단일 루프 안테나의 파라미터이며 본 논문은 선인장 모양의 급전 선로 및 슬롯과의 복합적으로 정합 특성이 이루어져야 하므로 양호한 정합 특성을 나타내기 위해 Loop type의 수직 선로의 길이를 축소시키고 수평 선로의 길이를 변화시키면서 슬롯의 길이 또한 변화시켰다. 이런 설계 변수의 반복적인 모의실험을 수행하여 정합 특성이 좋은 최적의 Loop type 파라미터를 찾아내었다.
- 슬롯의 폭이 너무 넓어질 경우 안테나의 크기 및 다른 대역에 영향을 줄 수 있어 최적으로 정합특성을 얻는 것이 매우 중요하다. 이러한 설계 변수들의 변화에 반복적인 모의실험을 통하여 양호한 정합 특성이 나타나는 설계 변수를 찾았다.
- 원인은 계산된 파라미터는 단일 루프 안테나의 파라미터이며 본 논문은 선인장 모양의 급전 선로 및 슬롯과의 복합적으로 정합 특성이 이루어져야 하므로 양호한 정합 특성을 나타내기 위해 Loop type의 수직 선로의 길이를 축소시키고 수평 선로의 길이를 변화시키면서 슬롯의 길이 또한 변화시켰다. 이런 설계 변수의 반복적인 모의실험을 수행하여 정합 특성이 좋은 최적의 Loop type 파라미터를 찾아내었다. 그림 9에서 볼 수 있듯이 Loop type이 없는 선인장 모양의 안테나와 Loop type을 추가 설계한 안테나의 반사 손실은 2.
- 계산된 파라미터를 근거로 하여 급전 선로를 상용 소프트웨어인 HFSS를 이용한 모의실험을 통하여 1 mm 단위로 증가시켰을 때 최적의 정합 특성을 나타내는 급전 선로 길이를 그림 1과 같이 설계하였다. 제안한 다중 대역용 안테나 설계는 앞서 언급한 구조의 특성 중 그림 1과 같이 다중 대역에서 공진을 일으키기 위해 마이크로 스트립 급전 선로를 따라 한 쌍의 기생 패치를 계산된 파라미터에 의해 추가하여 대역폭을 증대시켰다. 그림 1의 구조는 안테나 전면의 급전 선로를 중심으로 좌우 대칭인 기생 패치가 배치되었고, 그 크기는 6시6 mm이다.
대상 데이터
- 4.8, 두께가 1.6 mm인 FR-4 기 판(tan a =0.02)이며, 사용된 마이크로스트립 안테나의 전체 기판 크기는 70 mm(w)x70 mm(/)x1.6이다. FR-4 기판의 두께 및 유전율을 참고하여 설계된 급전 선로는 3 mm 폭을 가지며 급전 선로의 길이에 따라 회전시킨 사각 슬롯과의 커플링이 변하여 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 변화시킨다.
- 제안한 다중 대역용 안테나 설계는 앞서 언급한 구조의 특성 중 그림 1과 같이 다중 대역에서 공진을 일으키기 위해 마이크로 스트립 급전 선로를 따라 한 쌍의 기생 패치를 계산된 파라미터에 의해 추가하여 대역폭을 증대시켰다. 그림 1의 구조는 안테나 전면의 급전 선로를 중심으로 좌우 대칭인 기생 패치가 배치되었고, 그 크기는 6시6 mm이다. 즉, 급전 선로는 마이크로 스트립선로에 직접 급전되며, 기생 패치는 급전 선로와 전자기적으로 결합되어 여기된다.
- 본 논문에서 제안한 다중 대역 안테나는 공진 특성을 갖는 선인장 모양의 급전 선로를 갖는 마이크로 스트립 슬롯 안테나이다. 안테나 구조는 통신기 기안에 내장시킬 수 있는 평판 구조로서 크기가 작고 가벼운 형태를 갖는다.
데이터처리
- 50-Q의 임피던스 매칭을 사용하였으며, 그림 1"은 그림 10과 표 1에서 나타낸 설계 값으로 실제 제작된 안테나를 보여주고 있다. 본 논문에서 안테나 특성 및 해석은 Aiisoft사의 HFSS를 사용하였으며, 표 1에서 나타낸 최적화된 안테나 파라미터를 가지고 모의실험 결과와 제작한 안테나의 반사 손실 결과를 그림 12에서 비교하였다.
이론/모형
- 본 논문의 안테나는 50-Q의 임피던스 매칭을 사용하도록 설계하였다. 마이크로 스트립 급전 선로의 폭(w)은 FR-4 기판의 유전율(弓)과 기판의 두께(力), 박막두께U), 주파수 대역(/), 임피던스 등의 요소(factor) 를 참고하여 설계되었다.
성능/효과
- 77 GHz 대역에서 측정한 방사 패턴이며, E-plane (XZ 평 면)과 H-plane(XY 평면)을 나타내고 있다. Bluetooth, Zigbee, WLAN 대역인 2.4 GHz에서 최대 이득은 3.82 dBi, WiMAX 대역 3.5 GHz에서 최대 이득은 448 dBi, WLAN 대역 5.25 GHz에서 최대 이득은 6.41 dBi, 5.77 GHz에서 최대 이득은 6.65 dBi의 이득을 가졌다.
- 825 GHz)에서 동작하는 새로운 구조의 마이크로 스트립 슬롯 안테나를 설계하였다. 결과적으로 기생패치의 설계, 회전된 사각슬롯의 설계, 선인장 모양의 급전선로 설계, Loop type을 추가 설계하여 4개 대역에 동작하는 안테나를 제작할 수 있었다. 또한, 광대역 안테나로서 많은 대역에서 사용할 수 있으므로 차후에 개선하여 Wibro와 S-Band 및 UWB 대역에도 사용할 수 있도록 연구하여 다양한 분야에 응용이 가능한 안테나가 연구될 것으로 사료된다.
- 계산된 파라미터를 가지고 기본 일자 모양의 급전 선로에 추가 삽입하였을 때의 모의 실험 결과는 좋지 않은 정합 특성이 나타났다. 양호한 정합 특성을 나타내기 위해 슬롯의 각도 및 길이를 설계 변수의 반복적인 모의실험을 수행하여 정합 특성이 좋은 최적의 선인장 모양의 급전 선로의 파라미터를 찾아내었다.
- 계산된 파라미터를 가지고 선인장 모양의 급전선로에 추가 삽입하였을 때의 모의실험 결과는 좋지 않은 정합 특성이 나타났다. 원인은 계산된 파라미터는 단일 루프 안테나의 파라미터이며 본 논문은 선인장 모양의 급전 선로 및 슬롯과의 복합적으로 정합 특성이 이루어져야 하므로 양호한 정합 특성을 나타내기 위해 Loop type의 수직 선로의 길이를 축소시키고 수평 선로의 길이를 변화시키면서 슬롯의 길이 또한 변화시켰다.
- 그림에 잘 나타나 있다. 그림에서 넓은 슬롯의 폭이 29.35 tnm부터 38.35 mm까지 변하면서 그에 따른 안테나의 반사 손실 값이 나타나 있으며, 넓은 슬롯의 폭이 증가할수록 주파수는 거의 일정한 값을 가진 채 대역폭이 넓어지는 것을 확인할 수 있다. 이런 현상은 슬롯의 넓이가 넓어질수록 안테나의 임피던스의 변동이 작아지기 때문이며, 35 mm보다 커질 경우 선인장 모양의 급전 선로와 양호한 정합 특성을 얻을 수 없어 원하는 대역에서 공진이 일어나지 않았다.
- 대역폭 증가를 위해 간단하게 회전시킨 기하학적 구조를 가진 사각 슬롯을 설계하여 기존 사각 슬롯 안테나에서 공진을 일으키는 방식보다 더 넓은 주파수 대역을 획득할 수 있었다.
- 고 있다. 또한, 2.4 GHz 대역 Bluetooth, Zigbee, WLAN에서 최대 이득은 3.71 dBi, WiMAX 대역 3.5 GHz에서 최대 이득은 3.91 dBi, WLAN 대역 5.25 GHz에서 최대 이득은 4.97 dBi, 5.77 GHz에서 최대이득은 5.95 dBi의 이득을 가졌다. 실제 방사 패턴 측정은 전자파 무반 사실(anechoic chamber)에서 진행되었다.
- 대 역폭을 갖게 하였다. 또한, 중심축에서 45° 회전시킨 기 하학적 구조를 가진 사각 슬롯을 접지면에 설계 첨부하여 기존 슬롯 안테나에서 공진을 일으키는 방식보다 대역폭을 극대화시켜 더 넓은 주파수 대역을 획득될 수 있게 되었다. 마지막으로 3.
- 77 GHz 대역에서 모의 실험한 방사 패턴이며, 각각 E-plane과 H-plane을 나타내고 있다. 모의실험 결과, 각 대역에서 사용할 수 있는 안테나는 양방향성 특성으로 방사가 된 것을 확인할 수 있다. 양방향성 특성으로 방사된 이유는 본 논문에서 설계된 안테나는 삽입된 기생 패치 및 루프 형태가 추가된 선인장 모양의 급전 선로에 의해 접지면 상에 슬롯을 통하여 전계, 자계 에너지가 방사하게 되고, 슬롯으로 인하여 방사되므로 양 방향성 특성으로 보 이
- 82 GHz까지의 WiMAX/WLAN 대역을 응용할 수 있다. 모의실험 측정 결과 3.5-6 GHz에서 공진이 발생된 것을 볼 수 있다.
- 본 논문은 선인장 모양의 급전 선로를 갖는 안테나에 그림 8과 같이 Loop type을 추가 설계하여 2.4 GHz의 대역 Bluetooth, Zigbee, WLAN을 대역에서 도공 진이 발생하게 되었으며, 2.4 GHz 대역을 응용할 수 있게 되었다. Loop type 안테나는 일반적으로 광대역 특성을 갖고 다중 대역 안테나를 구현하기에 용이하다.
- 선인장 모양의 급전 선로는 Calculator를 사용하여 필요한 주파수 대역의 선인장 모양의 급전 선로 길이 및 높이 등을 알 수 있었다.
- 반사 손실의 모의실험 결과와 측정 결과, 차이 나는 이유는 커넥터 내도체와 패치면과의 접합 부위에서 손실 및 급전 점용기판과 커넥터 내 도체 사이의 공간 형성에 따른 유전손실 등에서 기인하는 것으로 보인다. 앞서 비교한 것과 같이 2.4~5.82 GHz의 Bluetooth, Zigbee, Wi-MAX, WLAN 대역을 만족하는 측정 결과를 얻을 수 있었다.
- 측정하였다. 측정 결과, 그림 12에서 반사 손실 -10 dB 이하를 기준으로 보았을 때 모의실험의 첫 번째 공진 주파수는 2.4 GHz, 두 번째 공진 주파수는 3.5 GHz, 세 번째 공진 주파수는 5 GHz에서 일어났으며, 제작된 안테나에서는 2.34~6 GHz의 대역에서 공진이 일어나 거의 동일한 결과를 얻었다. 반사 손실의 모의실험 결과와 측정 결과, 차이 나는 이유는 커넥터 내도체와 패치면과의 접합 부위에서 손실 및 급전 점용기판과 커넥터 내 도체 사이의 공간 형성에 따른 유전손실 등에서 기인하는 것으로 보인다.
후속연구
- 결과적으로 기생패치의 설계, 회전된 사각슬롯의 설계, 선인장 모양의 급전선로 설계, Loop type을 추가 설계하여 4개 대역에 동작하는 안테나를 제작할 수 있었다. 또한, 광대역 안테나로서 많은 대역에서 사용할 수 있으므로 차후에 개선하여 Wibro와 S-Band 및 UWB 대역에도 사용할 수 있도록 연구하여 다양한 분야에 응용이 가능한 안테나가 연구될 것으로 사료된다.
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