[논문]WLAN용 패치 안테나 특성

박용욱

doi:10.13067/jkiecs.2011.6.6.803

WLAN용 패치 안테나 특성
Characteristics of patch antenna for WLAN 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.6 no.6, 2011년, pp.803 - 808

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본 연구에서는 5.150-5.350GHz까지 동작하는 무선랜용 $1{\times}2$ 마이크로 스트립 패치 어레이 안테나를 최적화 설계를 수행한 후 제작한 안테나의 특성을 비교 분석하였다. 측정 결과, 제작된 배열 안테나의 중심 주파수 5.214GHz, 반사손실은 -41.17dB이고 제작한 안테나의 대역폭은 258MHz로 설계목표인 200MHz보다 광대역의 대역폭을 얻을 수 있었고 VSWR은 1.1로 원하는 설계 목표값 만족하였으며, 임피던스 또한 $50{\Omega}$에 근접한 $49.724{\Omega}$을 값을 구현할 수 있었다.

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In this study, $1{\times}2$ microstrip patch array antenna of 5.150 - 5.350GHz for wireless LAN was investigated and analyzed after optimizing the antenna parameters. From the measurement result, we obtained that the center frequency of the antenna is 5.214GHz and -41.17dB of the insertio...

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 높은 방사 특성 및 광대역 출력 특성을 갖는 5.150∼5.350GHz 대역의 마이크로 스트립 패치 어레이 안테나를 개발하기 위하여 연구를 수행 하였다.
본 연구에서는 5.150-5.350GHz대역에서 동작하는 무선랜용 1x2 마이크로 스트립 패치 어레이 안테나를 설계하기 위해 5.2GHz 중심 주파수와 반사손실 20dB를 가져야 하므로 설계목표는 아래 표 1과 같다.

제안 방법

높은 방사 특성 및 광대역 출력 특성을 갖는 5.150∼5.350 GHz 대역의 마이크로스트립 패치 어레이 안테나를 구현하기 위하여 안테나의 간격(P)과 급전선의 모서리 길이(Wc) 및 전력분배기의 연결 높이(W1)의 변화에 따른 특성을 분석하여 최적의 특성을 갖는 배열 안네타를 설계한 후 FR-4 기판을 사용하여 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 제작한 후 특성을 비교 분석하였다.
본 논문에서는 슬롯을 가지는 마이크로 스트립 안테나를 설계 한 후 50Ω의 임피던스를 가진 급전선에 그림 3과 같은 T-junction 전력 분배기를 연결하여 무선랜용 1x2 마이크로 스트립 패치 어레이 안테나를 설계하였다. 높은 방사 특성과 광대역 출력 특성을 얻기 위해 마이크로 스트립 패치 안테나의 간력(P)에 따른 특성 변화, 50Ω의 임피던스를 갖는 급전선의 손실을 최소화하기 위해 급전선의 연결부위의 모서리 길이 변화(Wc) 및 전력 분배기의 연결 높이(W1)과 같은 변수를 조정해가며 각각의 파라미터 별 최적의 특성을 조사하여 안테나를 제작하여 시뮬레이션 결과와 제작한 안테나를 비교분석하였다.
본 논문에서는 슬롯을 가지는 마이크로 스트립 안테나를 설계 한 후 50Ω의 임피던스를 가진 급전선에 그림 3과 같은 T-junction 전력 분배기를 연결하여 무선랜용 1x2 마이크로 스트립 패치 어레이 안테나를 설계하였다. 높은 방사 특성과 광대역 출력 특성을 얻기 위해 마이크로 스트립 패치 안테나의 간력(P)에 따른 특성 변화, 50Ω의 임피던스를 갖는 급전선의 손실을 최소화하기 위해 급전선의 연결부위의 모서리 길이 변화(Wc) 및 전력 분배기의 연결 높이(W1)과 같은 변수를 조정해가며 각각의 파라미터 별 최적의 특성을 조사하여 안테나를 제작하여 시뮬레이션 결과와 제작한 안테나를 비교분석하였다.
본 연구에서는 높은 방사 특성과 광대역 출력 특성을 갖는 5.150-5.350GHz까지 동작하는 무선랜용 1x2마이크로 스트립 패치 어레이 안테나를 최적화 설계를 수행한 후 제작한 안테나의 특성을 비교 분석하였다. 측정 결과, 제작된 배열 안테나의 중심 주파수 5.
350GHz 대역의 마이크로 스트립 패치 어레이 안테나를 개발하기 위하여 연구를 수행 하였다. 패치 어레이 안테나의 출력 특성 개선을 위하여 안테나에 균일한 전력을 공급하고 임피던스 정합을 개선하기 위해 전력분배기를 사용한 마이크로 스트립 패치 어레이 안테나를 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structural Simulator)를 이용하여 최적의 임피던스 특성 변화 및 최적의 방사특성을 연구하였고, 설계된 파라미터를 사용하여 FR-4기판으로 안테나를 제작하여 제작된 안테나의 특성을 회로망 분석기(Network Analyzer, Anritsu MS4623B)를 이용하여 측정 분석하였다.

성능/효과

1의 VWSR 값을 가져 아주 우수한 특성을 보였으며, 또한 설계목표값에 근접하는 아주 우수한 특성을 얻을수 있었다. W1의 증가에 따른 특성의 변화는 크지 않았지만 W1이 존재하지 않는 T-Junction의 형상에서는 약 -10dB의 반사손실 값을 가져 반사 손실을 최소화하기 위해서는 삼각형의 형상을 갖는 W1의 존재가 반사손실 특성에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
1의 VWSR값을 보여 주였다. 그리고 P의 값이 증가함에 따라 중심 주파수는 감소하여 P=33.5mm에서 가장 낮은 5.13GHz의 중심주파수 특성을 보였고 또한 반사손실은 증가하여 가장 낮은 값인 -12dB의 값을 가졌다. 이와 같은 결과에서 안테나 간격인 P는 중심 주파수와 반사손실 등에 큰 영향을 미치는 것으로 생각된다.
모서리 길이 (Wc)를 4.5 ∼ 6.3mm 까지 0.3mm 씩 단계적 증가함에 따라 Wc=4.5mm에서 중심 주파수 5.11GHz의 값을 가지며 중심주파수는 점점 감소하는 경향을 보였으며 Wc=6.3mm에서 가장 낮은 4.97GHz의 중심 주파수 특성을 보여 Wc의 길이가 증가 할수록 중심주파수는 감소하는 특성을 가지는 것을 알 수 있었다.
3mm 씩 단계적 증가함에 나타나는 특성 변화를 보여주고 있다. 이 결과에서 알 수 있듯이 중심 주파수는 W1=1.2mm에서 중심 주파수 5.18GHz, 반사손실은 -33.9dB, -10dB 대역폭은 303MHz, 1.1의 VWSR 값을 가져 아주 우수한 특성을 보였으며, 또한 설계목표값에 근접하는 아주 우수한 특성을 얻을수 있었다. W1의 증가에 따른 특성의 변화는 크지 않았지만 W1이 존재하지 않는 T-Junction의 형상에서는 약 -10dB의 반사손실 값을 가져 반사 손실을 최소화하기 위해서는 삼각형의 형상을 갖는 W1의 존재가 반사손실 특성에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
97GHz의 중심 주파수 특성을 보여 Wc의 길이가 증가 할수록 중심주파수는 감소하는 특성을 가지는 것을 알 수 있었다. 즉, 급전선 모서리 길이(Wc) 는 길이의 변화에 상관없이 -18dB 근방의 반사손실, 약 400MHz 대역폭 및 1.3의 VWSR값을 가져 Wc는 중심주파수에는 영향을 주지만 다른 특성에 미치는 영향은 크지 않은 것을 확인 할 수 있었다.
350GHz까지 동작하는 무선랜용 1x2마이크로 스트립 패치 어레이 안테나를 최적화 설계를 수행한 후 제작한 안테나의 특성을 비교 분석하였다. 측정 결과, 제작된 배열 안테나의 중심 주파수 5.214GHz, 반사손실은 -41.17dB이고 제작한 안테나의 대역폭은 258MHz로 설계목표인 200MHz보다 광대역의 대역폭을 얻을 수 있었고 VSWR은 1.1로 원하는 설계 목표값 만족하였으며, 임피던스 또한 50Ω에 근접한 49.724Ω을 값을 구현할 수 있었다.
그림 8은 실제 제작된 1x2 마이크로 스트립 패치어레이 안테나의 측정 결과를 보여 주고 있다. 측정결과, 배열 안테나의 중심 주파수 5.214GHz의 값을 가져 목표 설계값에 근접한 값을 얻었다. 또한 반사손실은 -41.
패치의 간격 (P)를 23.5 ∼ 33.5mm까지 2mm 씩 단계적으로 증가함에 따라 중심주파수, 반사손실 등의 특성을 분석한 결과 P=23.5mm에서 5.238GHz의 중심주파수와 -47dB의 반사손실, 1.1의 VWSR값을 보여 주였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로스트립 안테나는 어떤 구조를 갖는가?	마이크로스트립 안테나(Micro-Strip Antenna)는 유전체를 사이에 두고 한 편에는 접지평면이 있고, 다른 한 편에는 복사소자로 도체면이 붙어있는 구조를 갖는다. 즉 얇은 도체 접지면 위에 두께가 h이고, 유전 율이 r인 유전체가 있으며 그 위에 길이가 L, 폭이 W인 금속 패치를 지니고 있다.
	마이크로스트립 안테나의 장점은 무엇인가?	따라서 주파수 재사용의 중요한 요소가 되는 낮은 송신전력 특성을 제공하기 위해서는 우수한 효율을 가진 안테나의 개발이 절대적으로 필요 하다. 이러한 관점에서 마이크로스트립 안테나는 생산공정이 단순하면서 대량 생산에 용이하고 소형, 경량, 저가, 평면구조, 집적회로와의 유연성 등 여러 가지 측면에서 다양한 장점으로 인하여 최근 많은 연구자들에게 관심의 대상이 되고 있다[3-5].
	무선랜의 개발 및 표준화를 위해 ITU에서 고정접속시스템(FAS)용으로 검토하고 있는 주파수 대역의 범위는 얼마인가?	무선랜의 개발 및 표준화 동향을 살펴보면 현재 5GHz 대역의 무선랜 개발이 진행되고 있으며, 또한 17GHz 대역의 무선랜은 표준화가 진행 중인 상태이다. 이러한 상황하에 ITU(International Telecommuni cation Union)는 5.150∼5.350GHz 및 5.470∼5.725GHz 그리고 5.725∼5.825GHz 대역을 세계 공통으로 무선랜 등의 고정접속시스템(FAS)용으로 분배를 검토하기로 결정하였다. 5GHz 대역은 통신용 주파수로는 비교적 높은 주파수이고 전달 손실도 커지기 때문에 송신 전력은 옥내용 무선기기로서는 고출력의 출력 특성이 요구된다.

참고문헌 (5)

강문규, 이상목, "무선랜 대역의 억세스 포인트용 배열안테나의 설계 및 제작", 한국통신학회 논문지, 제32권, 12호, pp. 446-448, 2007.
김형석, 이하영, "고지향성 구현을 갖는 K-밴드 4 ${\times}$ 4 마이크로스트립 패치 어레이 안테나의 설계", 한국전기학회논문지, 제56권, 1호, pp. 161-164, 2007.
신용주, 강기조, 이학용, 김종규, 김종헌, 이종철, 김남영, 박면주, 이병제, "위성방송 수신용 배열 안테나에 관한 연구", 한국전기학회논문지, 제14권, 8호, pp. 787-788, 2003.
박경수, 최성열, 신필수, 고영호, "5GHz대역 무선랜용 소형 광대역 안테나 설계", 전자공학회논문지, 제41권, 6호, pp. 431-432, 2004.
김지혁, 김현철, 전국진, "5GHz 무선랜 응용을 위한 소형 광대역 MEMS 안테나", 전자공학회논문지, 제43권, 2호, pp. 237-238, 2006.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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