본 논문에서는 GPS(1.57~1.577 GHz)와 WiBro(2.3~2.4 GHz), WLAN(2.4~2.48 GHz)에서 이중 대역 동작하는 변형 스파이럴 모노폴 인쇄형 안테나를 설계 제작하였다. 이중 대역 동작하는 안테나 설계 시 필요한 주파수비를 자유롭게 조절하기 위해, 기본 공진 주파수와 3배수 하모닉 공진 주파수의 전류 분포가 다름을 이용하여 스파이럴 내부 선로의 간격을 다르게 하고 브랜치 라인을 삽입하였다. 측정 대역폭은 기본 공진 주파수에서 140 MHz(1.47~1.61 GHz), 3배수 하모닉 공진 주파수에서 420 MHz(2.29~2.71 GHz)로 나타났다. 최대 방사 이득은 GPS(1.575 GHz) 대역에서 2.825 dBi, WiBro(2.35 GHz) 대역에서 3.65 dBi, 그리고 WLAN(2.45 GHz) 대역에서 4.564 dBi로 측정되었다.
본 논문에서는 GPS(1.57~1.577 GHz)와 WiBro(2.3~2.4 GHz), WLAN(2.4~2.48 GHz)에서 이중 대역 동작하는 변형 스파이럴 모노폴 인쇄형 안테나를 설계 제작하였다. 이중 대역 동작하는 안테나 설계 시 필요한 주파수비를 자유롭게 조절하기 위해, 기본 공진 주파수와 3배수 하모닉 공진 주파수의 전류 분포가 다름을 이용하여 스파이럴 내부 선로의 간격을 다르게 하고 브랜치 라인을 삽입하였다. 측정 대역폭은 기본 공진 주파수에서 140 MHz(1.47~1.61 GHz), 3배수 하모닉 공진 주파수에서 420 MHz(2.29~2.71 GHz)로 나타났다. 최대 방사 이득은 GPS(1.575 GHz) 대역에서 2.825 dBi, WiBro(2.35 GHz) 대역에서 3.65 dBi, 그리고 WLAN(2.45 GHz) 대역에서 4.564 dBi로 측정되었다.
In this paper, modified spiral monopole printed antenna for dual band operation in GPS(1.57~1.577 GHz) and WiBro(2.3~2.4 GHz), WLAN(2.4~2.48 GHz) is proposed. To control the frequency ratio of the antenna for dual band operation freely, distance between inner lines of the spiral is diversified by us...
In this paper, modified spiral monopole printed antenna for dual band operation in GPS(1.57~1.577 GHz) and WiBro(2.3~2.4 GHz), WLAN(2.4~2.48 GHz) is proposed. To control the frequency ratio of the antenna for dual band operation freely, distance between inner lines of the spiral is diversified by using the different current distribution between basic resonance frequency of spiral monopole antenna and harmonic resonance frequency$(3\lambda_H/4)$. And also the branch line is inserted. Bandwidth(-10 dB) of the antenna is measured 140 MHz(1.47~1.61 GHz) in basic resonance frequency and 420 MHz(2.29~2.71 GHz) in harmonic resonance frequency$(3\lambda_H/4)$. The peak antenna gains are measured 2.825 dBi in GPS(1.57 GHz), and 3.65 dBi in WiBro(2.35 GHz), and 4.564 dBi in WLAN(2.44 GHz).
In this paper, modified spiral monopole printed antenna for dual band operation in GPS(1.57~1.577 GHz) and WiBro(2.3~2.4 GHz), WLAN(2.4~2.48 GHz) is proposed. To control the frequency ratio of the antenna for dual band operation freely, distance between inner lines of the spiral is diversified by using the different current distribution between basic resonance frequency of spiral monopole antenna and harmonic resonance frequency$(3\lambda_H/4)$. And also the branch line is inserted. Bandwidth(-10 dB) of the antenna is measured 140 MHz(1.47~1.61 GHz) in basic resonance frequency and 420 MHz(2.29~2.71 GHz) in harmonic resonance frequency$(3\lambda_H/4)$. The peak antenna gains are measured 2.825 dBi in GPS(1.57 GHz), and 3.65 dBi in WiBro(2.35 GHz), and 4.564 dBi in WLAN(2.44 GHz).
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문제 정의
본 논문에서는 변형된 스파이럴 구조를 이용해 GPS, WiBro, WLAN의 이중 대역에서 동작하는 인쇄형 모노폴 안테나를 제안하였다. 이중 대역 동작을 위한 기본 공진 주파수와 하모닉 공진 주파수의 비를 조절하기 위해, 선로 간격이 일정하지 않은 스파이럴 구조와 하모닉 주파수에서 위상이 변하는 지점에 브랜치 라인을 삽입하였다.
본 논문에서는 안테나의 소형화와 이중 공진 특성을 위해 모노폴 타입의 변형된 스파이럴 안테나를 제안하였다. 안테나 제작의 용이성을 위해 단면 인쇄형 구조를 이용하였다.
제안 방법
브랜치 라인과 스파이럴 상단의 전류 방향이 반대로 형성되어 네거티브 커플링이 일어난다. 네거티브 커플링의 영향을 줄이기 위해 선로 간격을 1.4 mm로 하였다. 소형 안테나는 전기적 크기가 작아 낮은 방사 저항을 가지므로 임피던스 정합이 어렵다.
하모닉 공진 대역의 전기적 길이를 길어지게 하기 위해 gap_2를 줄여 포지티브 커플링의 영향을 증가시켰다. 또한, 브랜치 라인(Branch_L)을 삽입하여 하모닉 주파수를 원하는 동작 대역으로 유도하였다. 브랜치 라인은 급전부로부터 하모닉 주파수의 λ H/2 되는 곳에 위치하였다[12].
모노폴 타입 스파이럴 안테나의 공진 주파수 비를 조절하기 위해 기본 공진 주파수( λ B/4: λ B는 기본 공진 주파수 파장)와 하모닉 공진 주파수(3 λ H/4: λ H는 하모닉 공진 주파수 파장)의 전류 분포를 분석이었다.
본 논문에서는 안테나의 소형화와 이중 공진 특성을 위해 모노폴 타입의 변형된 스파이럴 안테나를 제안하였다. 안테나 제작의 용이성을 위해 단면 인쇄형 구조를 이용하였다. 포지티브 커플링을 이용한 변형된 스파이럴 구조를 제안하고, 브랜치 구조를 삽입하였다.
안테나의 전류 분포 분석을 위해 설계 목표 대역 중 기본 공진 주파수 1.57 GHz에서 동작하는 스파이럴 모노폴 안테나를 설계하였다.
또한, 포지티브 커플링은 전류 크기에 비례한다[11]. 이를 이용하여 3배수 하모닉 주파수에서의 전류의 크기가 기본 공진 주파수에서의 전류의 크기보다 상대적으로 큰 스파이럴 중앙부 선로간 간격(gap_2)을 작게 하였다.
본 논문에서는 변형된 스파이럴 구조를 이용해 GPS, WiBro, WLAN의 이중 대역에서 동작하는 인쇄형 모노폴 안테나를 제안하였다. 이중 대역 동작을 위한 기본 공진 주파수와 하모닉 공진 주파수의 비를 조절하기 위해, 선로 간격이 일정하지 않은 스파이럴 구조와 하모닉 주파수에서 위상이 변하는 지점에 브랜치 라인을 삽입하였다. 제안된 안테나는 11.
안테나 제작의 용이성을 위해 단면 인쇄형 구조를 이용하였다. 포지티브 커플링을 이용한 변형된 스파이럴 구조를 제안하고, 브랜치 구조를 삽입하였다. 접지면의 크기는 개인 휴대 단말기 중 바 타입의 크기인 45 mm×70 mm로 고정하였다.
또한, 포지티브 커플링은 안테나의 물리적 길이의 비해 전기적 길이를 길게 하고, 전류의 크기가 클수록 그 영향이 커진다. 하모닉 공진 대역의 전기적 길이를 길어지게 하기 위해 gap_2를 줄여 포지티브 커플링의 영향을 증가시켰다. 또한, 브랜치 라인(Branch_L)을 삽입하여 하모닉 주파수를 원하는 동작 대역으로 유도하였다.
대상 데이터
제안된 안테나는 11.2 mm×8.6 mm×1 mm의 부피를 갖는다.
제안된 이중 대역 변형 스파이럴 모노폴 안테나는 비유전율 4.2이고 두께 1 mm인 FR-4 유전체를 이용하여 제작하였다. 안테나의 구조 변수는 그림 1과 같고, Blanch_L=12 mm, gap_1=0.
그림 6은 제작된 안테나의 실제 모습이며, 그림 7은 안테나의 시뮬레이션과 측정한 반사 손실이다. 측정은 Agilent Technology사의 E5071C를 사용하였다. 시뮬레이션 대역폭은 －10 dB 기준으로 기본 공진 주파수 대역에서 110 MHz(1.
성능/효과
안테나의 급전 위치가 바뀌게 되면 수직 접지면의 전류 분포가 달라진다. 그 결과, 안테나의 특성 임피던스 중 저항 성분에 영향을 준다. 이를 이용하여 방사 저항이 작은 소형 모노폴 안테나의 임피던스 특성을 개선할 수 있다[14].
GPS에서 140 MHz, WiBro와 WLAN에서 420 MHz의 대역폭을 갖는다. 그리고 GPS 대역에서 최대 이득은 2.825 dBi, 방사효율은 87.17 %, WiBro 대역에서 최대 이득은 3.65 dBi, 방사 효율은 83.33 %, WLAN 대역에서 최대 이득은 4.564 dBi, 방사효율은 94.45 %를 갖는다. 그리고 본 논문에서 제안한 구조를 이용하면 임의의 이중 대역 동작 안테나를 쉽게 설계할 수 있을 것으로 사료된다.
각 방사 패턴의 H-plane은 전방향 특성을 보여 준다. 측정된 최대 방사 이득은 GPS(1.575 GHz) 대역에서 2.825 dBi, WiBro(2.35 GHz) 대역에서 3.65 dBi, 그리고 WLAN (2.45 GHz) 대역에서 4.564 dBi이다. 안테나의 측정된 효율은 GPS(1.
후속연구
45 %를 갖는다. 그리고 본 논문에서 제안한 구조를 이용하면 임의의 이중 대역 동작 안테나를 쉽게 설계할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
안테나의 대표적인 소형화 기술로 어떤 것이 있는가?
이와 함께 휴대 단말기의 중요 소자인 안테나 또한 다중 대역 동작과 소형화 연구가 활발히 이뤄지고 있다[1]～[5]. 안테나의 대표적인 소형화 기술로는 헬리컬 안테나, 미앤더 안테나, 스파이럴 안테나, 그리고 Inverted F 안테나 등이 있다[6]～[9]. 다중 대역 동작을 위한 기술로는 가지 구조, 커플드 라인 그리고 기생 소자를 추가하는 방법 등이 있다[10]～[12].
다중 대역 동작을 위한 기술로 어떤 것이 있는가?
안테나의 대표적인 소형화 기술로는 헬리컬 안테나, 미앤더 안테나, 스파이럴 안테나, 그리고 Inverted F 안테나 등이 있다[6]～[9]. 다중 대역 동작을 위한 기술로는 가지 구조, 커플드 라인 그리고 기생 소자를 추가하는 방법 등이 있다[10]～[12].대표적인 소형 이중 대역 동작 기술 중 변형된 헬리컬 구조를 이용한 안테나는 적층형 구조로 제작이 어렵다[13].
어떤 점을 이용하여 스파이럴 중앙부 선로간 간격을 작게 하였는가?
기본 공진 주파수와 3배수 하모닉 공진 주파수의 전류 분포가 다른 것을 볼 수 있다. 선로 간의 흐르는 전류의 방향이 같으면 포지티브 커플링이 일어난다. 포지티브 커플링은 전기적 길이를 늘어나게 하므로 실제 선로의 길이를 짧게 해 더욱 소형화가 가능하게 한다. 또한, 포지티브 커플링은 전류 크기에 비례한다[11]. 이를 이용하여 3배수 하모닉 주파수에서의 전류의 크기가 기본 공진 주파수에서의 전류의 크기보다 상대적으로 큰 스파이럴 중앙부 선로간 간격(gap_2)을 작게 하였다.
참고문헌 (14)
H. D. Chen, "Compact CPW-fed dual-frequency monopole antenna", Electronics Letters, vol. 38, no. 25, pp. 1622-1624, 2002.
Y. Lin, C. Lin, and P. Hall, "A miniature dielectric loaded monopole antenna for 2.4/5 GHz WLAN applications", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 16, no. 11, pp. 591-593, Nov. 2006.
C. Y. Pan, T. S. Horng, W. S. Chen, and C. H. Huang, "Dual wideband printed monopole antenna for WLAN/WiMax applications", IEEE Antennas Wireless Propagation. Letters, vol. 6, pp. 149-151, 2007.
G. Augustin, P. C. Bybi, V. P. Sarin, P. Mohanan, C. K. Aanandan, and K. Vasudevan, "A compact dualband planar antenna for DCS-1900/PCS/PHS, WCDMA/ IMT-2000, and WLAN applications", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 7, pp. 108-111, 2008.
H. Nakano, N. Ikeda, Yu-Yuan Wu, R. Suzuki, H. Mimaki, and J. Yamauchi, "Realization of dual-frequency and wide-band VSWR performances using normal-model helical and inverted-F antennas", IEEE Antennas and Propagation, vol. 46, no. 6, pp. 788-793, 1998.
P. Bernardi, M. Cavagnaro, S. Pisa, and E. Piuzzi, "Power absorption and temperature elevations induced in the human head by a dual-band monopole-helix antenna phone", IEEE Microwave Theory and Techniques, vol. 49, no. 12, pp. 2539-2546, 2001.
B. Sun, Q. Liu, and H. Xie, "Compact monopole antenna for GSM/DCS operation of mobile phone handsets", Electronics Letters, vol. 39, no. 22, pp. 1562-1563, Oct. 2003.
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