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문제 정의
- 본 논문에서는 UWB 동작 시스템에서 사용이 가능한 변형된 접지면 구조를 갖는 UWB 평판형 모노폴 안테나를 제안하였다. 안테나의 동작 대역은 VSWR≤2에서 2.
- 이는 안테나의 방사체에 인가되는 입력 임피던스의 용량성 리액턴스 성분을 증가시켜 입력 임피던스의 특성을 변화시키고, 슬릿의 면적(SW×SH)에 따라 동작 대역 내 임피던스 특성을 달라지게 한다. 본 논문에서는 슬릿의 면적을 조정하여, UWB 동작 대역 내 제안된 안테나의 임피던스 정합 특성을 향상시켰다.
제안 방법
- 제안된 안테나의 UWB 동작 대역을 만족하고, 임피던스 정합 특성 향상을 위한 설계 변수는 슬릿의 높이(SH)와 슬릿의 너비(SW)로 나타낼 수 있으며, 대역 저지 특성을 얻기 위한 설계 변수로는 개방 스터브의 길이(OL)와 개방 스터브의 폭(OD)으로 나타낼 수 있다. 각각의 설계 변수가 반사 손실에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)을 이용하여 모의실험하였고, 주요 설계 변수에 따른 특성 변화를 분석하였다.
- 개방 스터브의 길이(OL)를 6 mm로 고정하고, 개방 스터브의 폭(OD)을 0.4 mm 간격으로 0.2 mm에서 1.4 mm까지 변화를 주어 살펴보았다. 개방 스터브폭(OD)이 증가함에 따라 하향 저지 대역의 임피던스 저항 성분이 낮게 형성되어 그림 6과 같이 저지대역으로 형성된 주파수 대역이 점점 넓어지고, 정재파비 계수가 더 높아지게 된다.
- 개방 스터브의 특성을 알아보기 위하여 개방 스터브의 폭(OD)을 0.2 mm로 고정하고, 개방 스터브의 길이(OL)를 3 mm에서 6 mm까지 1 mm 간격으로 변화를 주어 그림 5에 나타내었다. 개방 스터브의 길이(OL)가 길어짐에 따라 저지 대역은 낮은 주파수 대역으로 일정하게 형성되었다.
- 군 지연 측정 방법은 제안된 안테나 간 이격거리에 따른 안정성을 고려하여, UWB 동작 대역에 해당하는 3.1 GHz의 2∼5 λ 정도 이격한 상태에서 제안된 안테나의 앞면을 대칭적으로 마주 보게 하여 측정하였다.
- 본 논문에서는 기저 대역에서 임펄스를 직접 송․수신하는 UWB 안테나의 특성 상, 안테나에서 전송하는 임펄스의 왜곡과 손실을 최소화하기 위해 접지 면 중앙 부근에 두 개의 슬릿을 삽입하여 동작 대역 내 임피던스 정합 특성을 향상시켰으며, 두 개의 슬릿 사이에 결합된 개방 스터브를 통해 5 GHz WLAN 대역의 저지 특성을 구현하였다. 제안된 안테나의 반사 손실 특성과 이득 특성, 군 지연 특성 등의 결과들은 모의실험과 측정을 통해 나타내었다.
- 유전체 윗면에 위치한 방사체의 면적은 3.1 GHz의 동작 대역을 만족시키기 위해 3.7 GHz 공진 주파수의 λ/4 길이에 해당하는 9.5 mm×9.5 mm의 정사각형 패치로 설계하였으며, 유전체의 아랫면에 위치한 접지 면의 면적은 15 mm×6 mm로 고정하였다.
- 이러한 슬릿과 개방 스터브의 임피던스 특성은 개방 회로로 종단된 전송 선로의 임피던스 특성과 동일한 조건을 갖는다. 이러한 개방 스터브의 전류 분포 특성을 통해, 동작 대역 내 개방 스터브의 폭과 길이로부터 원하는 대역의 저지 특성을 유도하였다. 개방 스터브와 슬릿의 길이(OL + SH)는 5 GHz WLAN 대역의 중심 주파수인 5.
- 개방 스터브폭(OD)이 증가함에 따라 하향 저지 대역의 임피던스 저항 성분이 낮게 형성되어 그림 6과 같이 저지대역으로 형성된 주파수 대역이 점점 넓어지고, 정재파비 계수가 더 높아지게 된다. 이러한 특성의 변화로부터 5 GHz WLAN 대역의 저지 특성을 만족시키는 개방 스터브 폭(OD)은 0.2 mm로 설정하였다.
- 접지 면의 중앙 부근에 두 개의 슬릿을 삽입함으로써 동작 대역 내 임피던스 정합 특성을 향상시켰으며, 슬릿의 중앙으로부터 형성된 개방 스터브의 폭과 길이를 통해 5.08∼5.83 GHz에 해당하는 저지 대역 차단 특성을 구현하였다.
- 제안된 안테나의 동작 내역 내 방사 패턴은 각각 3 GHz, 5.5 GHz, 8 GHz, 그리고 10.5 GHz에서 측정하였다. 각 주파수 대역의 방사 패턴은 그림 9과 같이 전방향성 패턴에 가까운 특성을 나타낸다.
- 6 GHz)에 동작하는 것을 만족시킨다[12]. 제안된 안테나의 아랫면은 슬릿과 개방 스터브가 삽입된 접지 면으로 구성되어 있으며, 방사체와 접지 면은 유전체의 양면에 인쇄되어 있다. 제안된 안테나의 구조는 그림 1에 제시하였다.
대상 데이터
- 제안된 안테나의 구조는 그림 1에 제시하였다. 제안된 안테나는 비유전율이 3.5이고, 두께가 1.52 mm인 Teflon 기판을 사용하였다. 제안된 안테나의 전체 면적은 15 mm×19 mm×1.
- 제안된 안테나의 윗면은 급전 선로, 방사체, 급전선로와 방사체 사이 임피던스 매칭 선로로 구성되어 있다. 급전 선로와 방사체 사이 임피던스 매칭 선로의 길이는 2.
- 제안된 안테나의 전체 면적은 15 mm×19 mm×1.52 mm이다.
데이터처리
- 본 논문에서는 기저 대역에서 임펄스를 직접 송․수신하는 UWB 안테나의 특성 상, 안테나에서 전송하는 임펄스의 왜곡과 손실을 최소화하기 위해 접지 면 중앙 부근에 두 개의 슬릿을 삽입하여 동작 대역 내 임피던스 정합 특성을 향상시켰으며, 두 개의 슬릿 사이에 결합된 개방 스터브를 통해 5 GHz WLAN 대역의 저지 특성을 구현하였다. 제안된 안테나의 반사 손실 특성과 이득 특성, 군 지연 특성 등의 결과들은 모의실험과 측정을 통해 나타내었다.
- 제작된 안테나의 앞면과 뒷면은 그림 7에 제시하였으며, 측정을 위해 급전 선로에 SMA 커넥터를 부착하였다. 제작된 안테나의 각 특성은 Anritsu 37325-A 네트워크 분석기를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- 각 주파수 대역의 방사 패턴은 그림 9과 같이 전방향성 패턴에 가까운 특성을 나타낸다. 각 측정 주파수의 Peak Gain은 표 2에 제시하였으며, 대역 저지 특성을 나타내는 5.5 GHz의 경우 제시된 다른 주파수 영역의 방사 이득 특성보다 대역 저지 특성으로 인해 격감된 이득 특성을 갖는 것을 확인하였다.
- 1 GHz의 2∼5 λ 정도 이격한 상태에서 제안된 안테나의 앞면을 대칭적으로 마주 보게 하여 측정하였다. 군 지연 측정 결과, 제안된 안테나 간 이격 거리에 대한 변화가 안정적으로 일정하게 나타났으며, 각각의 이격 거리로부터 저지 대역을 제외한 UWB 동작 대역에서 1 ns 이내로 군 지연이 형성되었고, 개방 스터브로 구성된 저지 대역의 군 지연은 약 6 ns 이상 형성되는 것을 확인하였다. 이는 군 지연 측정을 통한 특성이 저지 대역을 제외한 동작 대역 내에서 UWB 시스템의 펄스 전송 조건을 만족시키는 것을 의미하며, UWB 통신용 안테나로 사용이 가능하다는 것을 나타낸다.
- 5 GHz의 방사 이득은 안테나 구조의 차단 특성을 통해 다른 주파수 대역보다 약 —8 dBi 이하로 나타나는 것을 확인하였다. 군 지연 측정을 통한, 동작 대역 내 펄스 왜곡 특성으로부터 제안된 안테나가 UWB 통신용 안테나로 사용이 가능함을 확인하였다.
- 83 GHz에 해당하는 저지 대역 차단 특성을 구현하였다. 이는 평판형 모노폴 안테나의 급전 선로와 접지 면이 갖는 커플링 특성을 이용하여 슬릿과 개방스터브를 접지 면에 삽입함으로써, 비교적 간단한 구조를 통해 임피던스 정합 특성과 저지 대역 특성이 동시에 구현 가능함을 나타낸다. 제안된 안테나의 방사 패턴은 동작 대역 내 전방향성에 가까운 방사 패턴 특성을 가지며, 저지 대역에 해당하는 5.
- 제안된 안테나의 UWB 동작 대역을 만족하고, 임피던스 정합 특성 향상을 위한 설계 변수는 슬릿의 높이(SH)와 슬릿의 너비(SW)로 나타낼 수 있으며, 대역 저지 특성을 얻기 위한 설계 변수로는 개방 스터브의 길이(OL)와 개방 스터브의 폭(OD)으로 나타낼 수 있다. 각각의 설계 변수가 반사 손실에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)을 이용하여 모의실험하였고, 주요 설계 변수에 따른 특성 변화를 분석하였다.
- 제안된 안테나의 방사 패턴은 동작 대역 내 전방향성에 가까운 방사 패턴 특성을 가지며, 저지 대역에 해당하는 5.5 GHz의 방사 이득은 안테나 구조의 차단 특성을 통해 다른 주파수 대역보다 약 —8 dBi 이하로 나타나는 것을 확인하였다.
- 제작된 안테나는 2.88∼10.83 GHz의 동작 대역(VSWR 2:1 기준)을 만족하고, 약 3.05∼10.58 GHz의 대역이 정재파비 1.5:1 이하의 특성을 띤다.
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