본 논문에서는 안테나의 크기를 소형화하고, 동시에 다중 대역 서비스를 만족하는 다중 링 패치를 이용한 양면형 모노폴 안테나를 제안하였다. 사각 링 형태의 패치를 사용하여 대역폭을 증가시키고, 다수의 링 패치를 연속적으로 배열함으로써 링 패치의 단점인 빔 폭을 증가시켰다. 다수의 링 패치를 연속적으로 삽입하면, 첫 번째 패치로부터 전류가 연쇄적으로 흘러 공진이 발생한다. 이는 패치 간의 간격이 매우 좁기 때문에 가능하다. 다중 링 패치를 동일면에 모두 배열할 경우, 패치 간의 간격이 매우 좁아, 이를 해결하기 위하여 기판의 앞면과 뒷면에 순차적으로 설계하였다. 다중 대역 특성을 얻기 위해서 패치를 기판의 양면에 순차적으로 배열하였기 때문에 안테나의 기판 두께와 비유전율이 본 안테나의 중요한 파라미터가 된다. 따라서 두 파라미터에 대해 모의실험을 통해 최적의 값을 찾아내고, 한쪽 면에 패치가 있는 경우와 거의 동일한 효과를 발생시켰다. 전체적인 패치는 기본 링형 패치에서 단계별로 85 %를 감소시켜, 총 4단계의 패치로 구성하였다. 이로 인하여 제안된 안테나는 1.75~2.6 GHz(850 MHz), 3.24~3.46 GHz(220 MHz), 3.8~4.0 GHz(200 MHz), 4.4~4.9 GHz(500 MHz)의 주파수 대역을 만족한다.
본 논문에서는 안테나의 크기를 소형화하고, 동시에 다중 대역 서비스를 만족하는 다중 링 패치를 이용한 양면형 모노폴 안테나를 제안하였다. 사각 링 형태의 패치를 사용하여 대역폭을 증가시키고, 다수의 링 패치를 연속적으로 배열함으로써 링 패치의 단점인 빔 폭을 증가시켰다. 다수의 링 패치를 연속적으로 삽입하면, 첫 번째 패치로부터 전류가 연쇄적으로 흘러 공진이 발생한다. 이는 패치 간의 간격이 매우 좁기 때문에 가능하다. 다중 링 패치를 동일면에 모두 배열할 경우, 패치 간의 간격이 매우 좁아, 이를 해결하기 위하여 기판의 앞면과 뒷면에 순차적으로 설계하였다. 다중 대역 특성을 얻기 위해서 패치를 기판의 양면에 순차적으로 배열하였기 때문에 안테나의 기판 두께와 비유전율이 본 안테나의 중요한 파라미터가 된다. 따라서 두 파라미터에 대해 모의실험을 통해 최적의 값을 찾아내고, 한쪽 면에 패치가 있는 경우와 거의 동일한 효과를 발생시켰다. 전체적인 패치는 기본 링형 패치에서 단계별로 85 %를 감소시켜, 총 4단계의 패치로 구성하였다. 이로 인하여 제안된 안테나는 1.75~2.6 GHz(850 MHz), 3.24~3.46 GHz(220 MHz), 3.8~4.0 GHz(200 MHz), 4.4~4.9 GHz(500 MHz)의 주파수 대역을 만족한다.
In this paper, the dual-faced monopole antenna, which is arranged by numerous rectangular ring patches in sequence for the multi-bands is proposed. The ring type structure of the patch can be increased the bandwidth. Therefore the bandwidth and beam width are improved by using multiple arrayed patch...
In this paper, the dual-faced monopole antenna, which is arranged by numerous rectangular ring patches in sequence for the multi-bands is proposed. The ring type structure of the patch can be increased the bandwidth. Therefore the bandwidth and beam width are improved by using multiple arrayed patches. When the ring type patches are inserted serially, the resonance frequencies are occurred by the current flow from the first ring patch. It is possible because the gap between the patches is very narrow. In addition, if the patches are composed on the same plane as the feed-line, fabrication could be very difficult because the gap between the patches is extremely narrow. The thickness and permittivity of the antenna, moreover, are very important parameters because both sides of the substrate are used. We finally found the optimal thickness and permittivity to generate the coupling effect by simulation. All patches are consisted of 4-steps which the patch size was decreased 85 % by each step. In conclusion, the resonant frequency bands are 1.75~2.6 GHz(850 MHz), 3.24~3.46 GHz(220 MHz), 3.8~4.0 GHz(200 MHz), and 4.4~4.9 GHz(500 MHz).
In this paper, the dual-faced monopole antenna, which is arranged by numerous rectangular ring patches in sequence for the multi-bands is proposed. The ring type structure of the patch can be increased the bandwidth. Therefore the bandwidth and beam width are improved by using multiple arrayed patches. When the ring type patches are inserted serially, the resonance frequencies are occurred by the current flow from the first ring patch. It is possible because the gap between the patches is very narrow. In addition, if the patches are composed on the same plane as the feed-line, fabrication could be very difficult because the gap between the patches is extremely narrow. The thickness and permittivity of the antenna, moreover, are very important parameters because both sides of the substrate are used. We finally found the optimal thickness and permittivity to generate the coupling effect by simulation. All patches are consisted of 4-steps which the patch size was decreased 85 % by each step. In conclusion, the resonant frequency bands are 1.75~2.6 GHz(850 MHz), 3.24~3.46 GHz(220 MHz), 3.8~4.0 GHz(200 MHz), and 4.4~4.9 GHz(500 MHz).
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문제 정의
본 논문은 전류의 커플링 효과를 이용하여 다중 대역 특성을 보이는 링형 모노폴 안테나를 설계하였다. 공진 주파수 대역을 결정하기 위하여 대역폭을 증가시킬 수 있는 기본적인 링 형태의 패치를 설계하였고, 85 %씩 안테나의 크기와 위치를 감소시켜 연속적으로 배열함으로써 다중 공진 특성을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 안테나의 소형화와 다중 대역 서비스를 만족하기 위한 마이크로스트립 양면형 모노폴 안테나를 제안하였다. 다중 대역 특성을 얻기 위해서 링 형태의 패치를 연속으로 배열하였으며, 안테나의 소형화를 위하여 기판의 양면에 패치를 순차적으로 배열하였다.
제안 방법
본 논문은 전류의 커플링 효과를 이용하여 다중 대역 특성을 보이는 링형 모노폴 안테나를 설계하였다. 공진 주파수 대역을 결정하기 위하여 대역폭을 증가시킬 수 있는 기본적인 링 형태의 패치를 설계하였고, 85 %씩 안테나의 크기와 위치를 감소시켜 연속적으로 배열함으로써 다중 공진 특성을 얻을 수 있었다. 또한, 제작상의 이점과 안테나의 소형화를 위하여 설계된 안테나의 패치를 기판의 앞면(급선전이 있는 부분)과 뒷면(접지면이 있는 부분)에 순차적으로 배열하였다.
따라서 본 연구에서도 기본적으로 2 GHz 대역에서 광대역 특성을 얻기 위하여 두께를 1 mm 정도로 만들고, 나머지 부분을 제거했다. 기본적인 공진이 2 GHz에서 발생되는 것을 확인하고, 추가적으로 3.5 GHz에서 공진을 만들어주기 위하여 두 번째 사각 링 패치를 삽입하였다. 이때 첫 번째 패치와 두 번째 패치의 커플링을 유도하기 위하여 간격을 약 0.
본 연구에서는 안테나의 소형화와 다중 대역 서비스를 만족하기 위한 마이크로스트립 양면형 모노폴 안테나를 제안하였다. 다중 대역 특성을 얻기 위해서 링 형태의 패치를 연속으로 배열하였으며, 안테나의 소형화를 위하여 기판의 양면에 패치를 순차적으로 배열하였다. 안테나의 기판 두께와 비유전율을 적절히 조절하여 한쪽 면에 패치가 있는 경우와 동일하게 커플링 효과를 발생시켰으며, 다수의 사각링 패치를 기판의 앞면과 뒷면에 배치하여 다중 공진특성을 발생시켰다[14],[15].
두 패치의 커플링 유도로 원하는 특성을 얻을 수 있었으나, 간격이 너무 가까워 제작상의 문제가 발생하였고, 이를 해결하기 위하여 두 번째 패치를 접지면이 있는 면으로 이동시켰다. 이 경우, 기판의 두께가 최적의 커플링 효과를 유도할 수 있는 중요한 변수가 되며, 모의실험을 통하여 최적의 두께를 산출하였다.
예전부터 링(원형 또는 사각형) 구조의 안테나는 광대역으로 만들기 위해 사용되었으며, 면 패치를 링 형태로 만들기 위해 중간 부분을 적절히 제거시키게 되면 넓은 광대역 특성이 나타나게 된다. 따라서 본 연구에서도 기본적으로 2 GHz 대역에서 광대역 특성을 얻기 위하여 두께를 1 mm 정도로 만들고, 나머지 부분을 제거했다. 기본적인 공진이 2 GHz에서 발생되는 것을 확인하고, 추가적으로 3.
링 패치의 단점인 빔폭이 좁아진다는 단점을 연속적으로 배열함으로써 보완하였으며, 패치 간의 간격을 적절히 조절하여 원치 않는 대역을 제거시킬 수 있었다. 또한, 안테나의 파라미터를 조절하여 원하는 주파수 대역에서 공진이 발생하도록 조절이 가능하며, 본 논문에서는 총 4단계의 패치로 구성하여 0~5 GHz 사이에서 4개의 공진 주파수를 만들었다. 제안된 안테나는 1.
공진 주파수 대역을 결정하기 위하여 대역폭을 증가시킬 수 있는 기본적인 링 형태의 패치를 설계하였고, 85 %씩 안테나의 크기와 위치를 감소시켜 연속적으로 배열함으로써 다중 공진 특성을 얻을 수 있었다. 또한, 제작상의 이점과 안테나의 소형화를 위하여 설계된 안테나의 패치를 기판의 앞면(급선전이 있는 부분)과 뒷면(접지면이 있는 부분)에 순차적으로 배열하였다. 링 패치의 단점인 빔폭이 좁아진다는 단점을 연속적으로 배열함으로써 보완하였으며, 패치 간의 간격을 적절히 조절하여 원치 않는 대역을 제거시킬 수 있었다.
안테나의 설계 및 해석을 위하여 상용 EM 시뮬레이터를 사용하였다. 설계 초기 기본적으로 2 GHz 대역에서 공진을 발생시키기 위하여 사각 링 구조의 패치 안테나를 설계하였다. 패치의 넓이는 17 mm, 높이는 18 mm로 하였으며, 패치의 두께는 1 mm이다.
다른 특징은 패치를 기판의 앞면과 뒷면에 반복적으로 배열함으로써 제작상의 이점과 안테나 크기를 소형화 할 수 있다는 장점이 있다. 설계 초기에 50옴 매칭을 위하여 마이크로스트립 선로(microstrip line)의 폭은 비유전율, 기판의 두께, 공진 주파수 대역 등의 요소(factor)를 이용하여 수치적으로 계산하였다. 안테나의 크기에 대한 파라미터는 다음의 표 1에서 정리하였다
연속적으로 패치를 배열하기 위하여 두 번째 패치는 첫 번째 패치의 크기를 85 % 축소한 다음, 이에 비례하여 이동을 시켰다. 앞서 설명하였듯이 이러한 방법은 두 패치 간의 간격을 일정하게 축소시키기 때문에 다중 패치를 배열하는데 위치의 정확성을 높일 수 있으며, 패치를 기판의 앞면과 뒷면에 순차적으로 적재함으로써 발생하는 영향 등을 분석하는데 효과적이다.
25 mm 정도로 가깝게 하였다. 이를 적용하기 위하여 두 번째 패치의 크기와 위치는 첫 번째 패치 크기와 위치를 기준으로 85% 축소하여 만들어 주었으며, 마찬가지로 세 번째 패치는 두 번째 패치 크기의 85 % 축소하였다. 이러한 방식으로 기본 패치를 제외하고 총 4개의 추가적인 패치를 부설하였다.
측정 데이터와 모의실험 데이터를 비교하였으며, 안테나의 편파 특성을 확인하기 위하여 측정된 교차 편파(cross polarization)의 방사 패턴도 함께 보여준다.
6의 FR-4 기판에 제작되었으며, 설계된 모델과 동일한 크기와 구조로 제작된 것을 확인할 수 있다. 측정은 전자파 무반사실에서 진행되었으며, 표준 혼 안테나를 사용하여 방사 패턴을 측정하였다.
일반적으로 평면형 패치 안테나는 광대역 특성을 갖고 있다. 하지만 본 논문에서 제시한 구조의 안테나는 다수의 링 패치를 연속적으로 배열함으로써 다중 공진을 발생시킬 수 있으며, 동시에 원치 않는 대역을 제거(notch)할 수 있도록 설계되었다[16]
대상 데이터
비유전율이 커질수록 높은 주파수 대역의 공진 특성이 좋아지는 것을 알 수 있으며, 낮은 주파수 대역의 매칭도 좋아지는 것을 확인할 수 있다. 1 mm와 1.2 mm의 차이는 크게 보이지 않았으며, 본 논문에서는 모노폴 안테나에 주로 사용되는 1 mm 두께의 기판을 선택하였다. 비유전율도 커질수록 공진 주파수대역이 전체적으로 낮은 쪽으로 이동하는 양상을 보이며, 원하는 공진 주파수 대역을 고려하였을 때 4.
5정도의 값이 가장 적정하다고 판단하였다. 따라서 비유전율도 일반적으로 사용되는 4.6의 FR-4를 사용하였다.
또한, 그림 3(b)에서도 마찬가지로 패치의 높이 크기가 변하면서 공진 주파수 대역이 변하는 것을 볼 수 있는데, 길이가 길어질수록 공진 주파수는 우리가 원하는 대역인 2 GHz로 이동하지만, 동시에 대역폭이 좁아지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 원하는 주파수 대역에서 공진이 발생하도록 패치의 넓이와 높이를 각각 17 mm와 18 mm로 선정하였다.
설계된 안테나의 전체 크기는 30 mm(W)×60 mm(H)×1 mm(T)이며, 비유전율이 4.6인 FR-4 기판에 설계되었다.
설계 초기 기본적으로 2 GHz 대역에서 공진을 발생시키기 위하여 사각 링 구조의 패치 안테나를 설계하였다. 패치의 넓이는 17 mm, 높이는 18 mm로 하였으며, 패치의 두께는 1 mm이다. 안테나는 넓이와 높이의 크기에 따라 공진 주파수 대역이 변하며, 다음의 그림 3에서는 각각의 크기에 따른 공진 대역의 변화를 보여주고 있다.
이론/모형
안테나의 설계 및 해석을 위하여 상용 EM 시뮬레이터를 사용하였다. 설계 초기 기본적으로 2 GHz 대역에서 공진을 발생시키기 위하여 사각 링 구조의 패치 안테나를 설계하였다.
성능/효과
단일 링 패치에 비해 다중3은 측정된 방사 패턴의 최대이득 및 방사 효율에대해 주파수 별로 정리하였다. 1.9 GHz 대역에서는 약 1.5 dB의 이득을 보였으며, 주파수가 높아질수록 이득이 감소하였다.
마찬가지로 4 GHz 대역을 공진시키기 위하여 추가적인 링 패치를 삽입시켰다. 결론적으로 이렇게 다수의 링 패치를 연속적으로 배열할 경우, 면 패치와 유사한 효과를 내며, 원하는 주파수 대역에서 공진을 발생시키거나 대역 저지를 만들 수 있다. 또한, 단일 링 패치의 경우 대역폭이 넓어지는 대신 빔폭(beamwidth)은 좁아지게 되는데, 다수의 링 패치를 이용하는 경우 넓은 대역폭과 넓은 빔폭을 얻을 수 있다[15].
하지만, 인접한 패치에 흐르는 전류의 크기가 메인 패치에 비해 상대적으로 매우 작으며, 방사 효율에 아주 크게 영향을 주지는 않는 것으로 분석되었다. 또한, 본 논문에서 제시한 안테나는 다수개의 링 패치를 적절한 간격으로 배치함으로써 공진 대역의 조절과 더불어 대역 노치를 가능하게 할 수 있는 특징이 있으며, 이를 위하여 방사 효율이 다소 감소되더라도 원하는 대역을 조절할 수 있는 특징이 있다.
또한, 제작상의 이점과 안테나의 소형화를 위하여 설계된 안테나의 패치를 기판의 앞면(급선전이 있는 부분)과 뒷면(접지면이 있는 부분)에 순차적으로 배열하였다. 링 패치의 단점인 빔폭이 좁아진다는 단점을 연속적으로 배열함으로써 보완하였으며, 패치 간의 간격을 적절히 조절하여 원치 않는 대역을 제거시킬 수 있었다. 또한, 안테나의 파라미터를 조절하여 원하는 주파수 대역에서 공진이 발생하도록 조절이 가능하며, 본 논문에서는 총 4단계의 패치로 구성하여 0~5 GHz 사이에서 4개의 공진 주파수를 만들었다.
측정 데이터와 모의실험 데이터를 비교하였으며, 안테나의 편파 특성을 확인하기 위하여 측정된 교차 편파(cross polarization)의 방사 패턴도 함께 보여준다. 모노폴 안테나의 일반적인 방사 패턴 형태인 전방향 패턴(omni-directional patten)이 되는 것을 확인할 수 있으며, 최대 이득(gain)은 E-plane에서 1.56, H-plane에서 1.2로 측정되었다.
본 논문에서는 총 5개의 패치를 삽입하였으며, 그림 5에서 보여주듯이 패치를 삽입함에 따라 새로운 공진 주파수가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 첫 번째 기본 패치에서는 1.
2 mm의 차이는 크게 보이지 않았으며, 본 논문에서는 모노폴 안테나에 주로 사용되는 1 mm 두께의 기판을 선택하였다. 비유전율도 커질수록 공진 주파수대역이 전체적으로 낮은 쪽으로 이동하는 양상을 보이며, 원하는 공진 주파수 대역을 고려하였을 때 4.5정도의 값이 가장 적정하다고 판단하였다. 따라서 비유전율도 일반적으로 사용되는 4.
그림 6은 앞서 언급하였듯이 기판의 두께와 비유전율에 따른 공진 주파수의 변화를 보여주고 있다. 비유전율이 커질수록 높은 주파수 대역의 공진 특성이 좋아지는 것을 알 수 있으며, 낮은 주파수 대역의 매칭도 좋아지는 것을 확인할 수 있다. 1 mm와 1.
7 GHz 대역에서 공진이 발생하고 동시에 두 패치 사이의 간격으로 인하여 커패시터 성분이 생성되어 3 GHz 대역이 제거되는 것을 확인할 수 있다. 세 번째 패치를 삽입한 결과, 공진 주파수 대역이 이동하였으며, 네 번째 및 다섯 번째 패치를 삽입할수록 추가적인 공진 대역이 생성되는 것을 알 수 있다. 이는 링 형태의 패치가 추가될수록 패치의 크기에 따라 새로운 공진 주파수가 발생하는데, 첫 번째로 부설된 패치로부터 전류가 연쇄적으로 흘러 공진이 발생하는 것을 알 수 있다.
게다가 두 안테나의 크기와 위치를 적절히 조절하면, 3 GHz 대역을 공진이 발생하지 않도록 제거할 수 있다. 이 때 두 번째 패치가 첫 번째 패치와 동일면상에 있는 경우와 접지면 상에 있는 경우를 비교한 결과, 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. 이는 기판의 두께와 비유전율에 따라 특성이 매우 크게 변하는데, 그림 4에서 모의 실험한 결과를 보여주고 있다.
또한, 안테나의 파라미터를 조절하여 원하는 주파수 대역에서 공진이 발생하도록 조절이 가능하며, 본 논문에서는 총 4단계의 패치로 구성하여 0~5 GHz 사이에서 4개의 공진 주파수를 만들었다. 제안된 안테나는 1.75~2.6 GHz (850 MHz), 3.24~3.46 GHz(220 MHz), 3.8~4.0 GHz (200 MHz), 4.4~4.9 GHz(500 MHz)의 주파수 대역을 만족하는 결과를 보였다.
첫 번째 기본 패치에서는 1.9 GHz 대역의 기본 공진이 발생하는 것을 알 수 있으며, 약 3.2 GHz 대역에서도 약간의 공진이 발생하는 것을 알 수 있다.
다음의 그림 4는 두 번째 패치를 삽입 결과를 보여주고 있다. 첫 번째 패치만 있는 경우에 비해 2 GHz의 대역폭이 감소하였으나, 3.5 GHz 이상에서 다른 공진이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 게다가 두 안테나의 크기와 위치를 적절히 조절하면, 3 GHz 대역을 공진이 발생하지 않도록 제거할 수 있다.
하지만 매칭이 정확히 되지 않아 반사 손실이 약 —13 dB 정도로 크지 않은 것을 알 수 있으며, 이를 보완하기 위하여 두 번째 패치를 삽입한 결과, 3.7 GHz 대역에서 공진이 발생하고 동시에 두 패치 사이의 간격으로 인하여 커패시터 성분이 생성되어 3 GHz 대역이 제거되는 것을 확인할 수 있다.
하지만, 메인 패치에 인접한 패치에서 전류가 역방향으로 흐르는 것을 확인할 수 있으며, 이는 방사 패턴의 이득이나 방사 효율이 감소하는 결과를 초래할 수 있다. 하지만, 인접한 패치에 흐르는 전류의 크기가 메인 패치에 비해 상대적으로 매우 작으며, 방사 효율에 아주 크게 영향을 주지는 않는 것으로 분석되었다. 또한, 본 논문에서 제시한 안테나는 다수개의 링 패치를 적절한 간격으로 배치함으로써 공진 대역의 조절과 더불어 대역 노치를 가능하게 할 수 있는 특징이 있으며, 이를 위하여 방사 효율이 다소 감소되더라도 원하는 대역을 조절할 수 있는 특징이 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 통신 트렌드는 어떠한가?
최근 통신 트렌드는 통화나 문자 메시지를 송수신하는 것 이외에 인터넷이 가능한 통신으로 발전하고 있다. 따라서 기존의 CDMA 혹은 WCDMA 통신을 기반으로 LTE 통신, Wifi(WLAN) 통신 등이 복합적으로 이루어져야 한다.
안테나의 소형화 방법에는 어떤 것들이 있는가?
이에 따라 최근에는 내장형 안테나가주로 개발되며, 제작이 쉽고 개발이 용이한 모노폴 구조를 주로 사용한다. 안테나의 소형화 방법에는 집중소자 기술을 사용하는 방법, 기학학적 구조를 사용하는 방법, 기생소자를 사용하는 방법 등이 있다[1]~[3]. 또한, 마이크로스트립 급전과 접지면을 사용하여 안테나의 크기를 파장의 1/4로 줄이고, 추가적인 패치를 사용함으로써 기본 패치의 방사를 보충하여성능을 향상시켜주는 기법을 주로 사용한다[1],[4]
최근 통신 트렌드를 따라가기 위한 선결조건은?
최근 통신 트렌드는 통화나 문자 메시지를 송수신하는 것 이외에 인터넷이 가능한 통신으로 발전하고 있다. 따라서 기존의 CDMA 혹은 WCDMA 통신을 기반으로 LTE 통신, Wifi(WLAN) 통신 등이 복합적으로 이루어져야 한다. 이러한 여러 가지 통신을 복합적으로 사용하기 위해서는 제공하는 주파수 대역이 광대역 혹은 다중 대역을 만족해야 한다.
참고문헌 (17)
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