[논문]CRLH-TL을 이용한 2.45GHz 무선랜용 ZOR 안테나 설계

김승환; 유진하; 이영순

doi:10.12673/jkoni.2012.16.5.773

초록
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본 논문은 CRLH-TL(composite right left handed transmission line) 메타물질을 이용하여 2.45GHz 무선랜용 ZOR(zeroth order resonance) 안테나를 설계하는 것이다. 일반적으로 안테나는 파장에 대비한 선로의 길이에 따라 공진주파수가 결정되지만 ZOR 안테나는 파장의 길이와 상관없이 안테나의 공진주파수를 결정한다. 그러므로 소형화 할 수 있는 장점이 있으며 방사패턴 또한 등방성의 방사패턴을 가지는 장점이 있다. ZOR 안테나를 설계하기 위해 먼저 단위 셀 길이를 ${\lambda}/4$의 길이보다 작도록 조정하여 균질한 매질 특성을 가질 수 있도록 하였다. 제안된 안테나는 공진 주파수의 감소와 대역폭의 증가를 위하여 CPW 급전을 사용하였고, 기존의 mush-room 형태의 CRLH-TL 보다 높은 인덕턴스와 낮은 캐패시턴스를 얻기 위하여 방사패치와 접지면 사이에 단락 스터브가 사용 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

ZOR(zeroth order resonance) antenna for 2.45GHz WLAN(wireless local area network) is designed by use of CRLH-TL(composite right left handed transmission line) meta-material. The electrical length of conventional antennas is determined generally according to the resonant frequency, whereas that of ZO...

ZOR(zeroth order resonance) antenna for 2.45GHz WLAN(wireless local area network) is designed by use of CRLH-TL(composite right left handed transmission line) meta-material. The electrical length of conventional antennas is determined generally according to the resonant frequency, whereas that of ZOR antenna can be determined without reference to the resonant frequency. Therefore ZOR antenna has advantage in miniaturization of antenna in comparison with conventional antennas. In order to design such ZOR antenna, first unit cell with electrical length shorter than a quarter wavelength at 2.45GHz is designed to the some characteristics of homogeneous medium. In order to decrease resonant frequency and enhance frequency bandwidth, the proposed antenna is fed by CPW(co-planar waveguide) and short stub between radiation patch and ground plane is used for obtaining both higher inductance and smaller capacitance than previous mush-room type of CRLH-TL.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 CRLH-TL을 이용한 2.45GHz 무선랜 용 ZOR 안테나의 설계 방법에 대해 알아보고자 한다. 앞서 살펴보았듯이 공진 길이에 관계없이 안테나를 소형화 시킬 수 있는 특징을 고려하여 안테나를 설계하였다.
본 논문에서는 메타물질의 특성을 가지는 CRLH-TL을 이용하며 CPW급전 구조를 가지는 2.45GHz 무선랜 대역 ZOR 안테나를 설계하였다.

제안 방법

그림 5와 같이 Ls의 길이가 증가 할수록 LL값이 증가되어 공진 주파수가 내려가는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 Ls파라미터를 증가시켜 2.45GHz 대역에 공진이 발생하도록 하였다.
신호는 CPW(Co Planar Waveguide) 급전을 통해 인가하였고, 50Ω 매칭을 위하여 바닥면의 그라운드 패치와 T형 매칭 스텁을 적용 하였다.
45GHz 무선랜 용 ZOR 안테나의 설계 방법에 대해 알아보고자 한다. 앞서 살펴보았듯이 공진 길이에 관계없이 안테나를 소형화 시킬 수 있는 특징을 고려하여 안테나를 설계하였다. 또한 CPW 급전 구조를 사용하여 기존의 버섯구조 급전방식보다 C_R성분이 감소 되였고 이로 대역폭의 증가 효과를 얻게 되었으며 바닥기생패치와 T 매칭 스텁을 사용하여 임피던스 매칭을 유도하였다[5].
앞서 확인한 것과 같이 Ls의 길이에 따라 공진점이 변화한다는 결과를 바탕으로 구조를 변경하였다. 그림 6과 같이 병렬 스텁의 위치와 각각의 길이를 달리하여 2.

대상 데이터

ZOR 안테나 사양은 PCB 두께 1.6mm에 유전율 4.3의 FR4 에폭시 기판을 사용하였고 PCB 전체 크기는 가로×세로 = 24.2mm×28mm 이며 여기서 안테나의 공간은 22.2mm×14mm이다.
이에 대한 원인은 모의실험과 실제 측정 환경의 차이와 제작 오차 등으로 여겨진다. 실제 제작된 안테나의 T형 스텁의 가로 길이는 12.4mm이다. 이에 따른 모의실험과 실제측정 결과를 그림 7에 나타내었다.
2mm ×14mm이다. 유전체는 유전율이 4.3인 에폭시를 사용하였고 두께는 1.6mm 이다. 급전에는 CPW(Co-Planar Waveguide)방식을 사용하였고, 패치와 그라운드 사이에는 단락스텁을 이용하여 리엑턴스 값을 증가 또는 감소시켜 공진주파수의 가변이 용이하게 하였다.
제안된 안테나의 PCB 크기는 가로×세로 =24.2mm×28mm이며 안테나의 공간은 24.2mm ×14mm이다.

데이터처리

또한 CPW 급전 구조를 사용하여 기존의 버섯구조 급전방식보다 C_R성분이 감소 되였고 이로 대역폭의 증가 효과를 얻게 되었으며 바닥기생패치와 T 매칭 스텁을 사용하여 임피던스 매칭을 유도하였다[5]. 안테나 설계를 위해서 모의실험용 소프트웨어인 CST MWS가 이용되었고, 제작된 안테나의 반사손실(return loss) 및 방사패턴(radiation pattern) 측정 결과를 모의실험 결과와 비교하여 나타내었다. 본 논문에서 제안한 안테나는 기존 ZOR 안테나에서 무선 LAN용에 사용가능한 안테나 설계를 위해 구조적 변형을 가져 왔다.

이론/모형

6mm 이다. 급전에는 CPW(Co-Planar Waveguide)방식을 사용하였고, 패치와 그라운드 사이에는 단락스텁을 이용하여 리엑턴스 값을 증가 또는 감소시켜 공진주파수의 가변이 용이하게 하였다.

성능/효과

4835GHz에 만족하였으며 방사패턴은 X-Z평면으로 전방향 패턴을 형성하며 모노폴 안테나의 방사패턴과 유사하게 측정 되었다. 모의실험 결과와 측정결과를 비교했을 때 일부 약간 다르게 패턴이 형성 되었지만 전체적으로는 유사한 것을 확인할 수 있었다. 모의실험상 최대 이득은 1.
모의실험 결과와 측정결과를 비교했을 때 일부 약간 다르게 패턴이 형성 되었지만 전체적으로는 유사한 것을 확인할 수 있었다. 모의실험상 최대 이득은 1.21dBi, 효율은 80.4%로 해석되었며 측정된 최대 이득은 5.72dBi, 효율은 65.3%로 이득은 약4dB 높게 나왔고 효율은 약 15% 낮게 측정되었다. 무선랜용 기기에 적용 가능할 것으로 예상된다.
방사패턴의 측정은 구미 전자정보 기술원 내에 위치한 OTA(Over The Air Performance System) 측정실험실에서 이루어졌으며 측정된 방사패턴의 X-Z평면은 전방향 패턴을 형성하면서 모의실험과 유사하게 측정되었으며 Y-Z 평면 역시 유사하게 패턴이 형성된 것을 확인 할 수 있다. 모의실험에서 최대 이득은 1.21dBi, 효율은 80.4%이며 실제측정에서 최대 이득은 5.72dBi, 효율은 65.3%로 최대 이득은 모의실험 보다 높게 나왔지만 효율은 15% 감소되었다. 모의실험과 실제 측정의 효율과 이득을 비교하면 차이가 매우 크게 나타난다.
방사패턴의 측정은 구미 전자정보 기술원 내에 위치한 OTA(Over The Air Performance System) 측정실험실에서 이루어졌으며 측정된 방사패턴의 X-Z평면은 전방향 패턴을 형성하면서 모의실험과 유사하게 측정되었으며 Y-Z 평면 역시 유사하게 패턴이 형성된 것을 확인 할 수 있다. 모의실험에서 최대 이득은 1.
안테나 설계를 위해서 모의실험용 소프트웨어인 CST MWS가 이용되었고, 제작된 안테나의 반사손실(return loss) 및 방사패턴(radiation pattern) 측정 결과를 모의실험 결과와 비교하여 나타내었다. 본 논문에서 제안한 안테나는 기존 ZOR 안테나에서 무선 LAN용에 사용가능한 안테나 설계를 위해 구조적 변형을 가져 왔다.
제안된 안테나의 대역폭은 IEEE 802.11b의 무선랜 주파수대역 2.412GHz - 2.4835GHz에 만족하였으며 방사패턴은 X-Z평면으로 전방향 패턴을 형성하며 모노폴 안테나의 방사패턴과 유사하게 측정 되었다. 모의실험 결과와 측정결과를 비교했을 때 일부 약간 다르게 패턴이 형성 되었지만 전체적으로는 유사한 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

3%로 이득은 약4dB 높게 나왔고 효율은 약 15% 낮게 측정되었다. 무선랜용 기기에 적용 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CRLH-TL은 무엇인가?	이러한 경향을 따라서 CRLH-TL(Composite Right Left Handed - Transmission line)등의 구조를 이용한 ZOR(Zeroth Order Resonance) 안테나가 큰 관심을 받고 있다[1]. CRLH-TL은 자연적으로 존재하지 않는 전자기 특성을 갖는 물질을 인공적으로 만들어 내는 기법이며 특정 주파수 대역에서 유전율과 투자율을 음의 값을 갖도록 하는 것이다. 이때 위상 속도는 군 속도의 진행 방향과 반대가 되며 이 새로운 특성을 이용하여 물리적 크기에 제약을 받지 않는 소형 안테나의 설계가 가능하다[1][2][3].
	ZOR 안테나의 장점은?	일반적으로 안테나는 파장에 대비한 선로의 길이에 따라 공진주파수가 결정되지만 ZOR 안테나는 파장의 길이와 상관없이 안테나의 공진주파수를 결정한다. 그러므로 소형화 할 수 있는 장점이 있으며 방사패턴 또한 등방성의 방사패턴을 가지는 장점이 있다. ZOR 안테나를 설계하기 위해 먼저 단위 셀 길이를 ${\lambda}/4$의 길이보다 작도록 조정하여 균질한 매질 특성을 가질 수 있도록 하였다.
	ZOR 안테나의 공진주파수 결정요소는 무엇인가?	45GHz 무선랜용 ZOR(zeroth order resonance) 안테나를 설계하는 것이다. 일반적으로 안테나는 파장에 대비한 선로의 길이에 따라 공진주파수가 결정되지만 ZOR 안테나는 파장의 길이와 상관없이 안테나의 공진주파수를 결정한다. 그러므로 소형화 할 수 있는 장점이 있으며 방사패턴 또한 등방성의 방사패턴을 가지는 장점이 있다.

참고문헌 (9)

A. Sanada, M. Kimura, I. Awai, C. Caloz and T. Itoh, "A planar Zeroth-order resonator antenna using a left-handed transmission line", IEEE Microwave Conference, vol 3, 34th European., Amsterdam, pp.1341-1344, 2004.
F. Qureshi, M. A. Antoniades, and G. V. Eleftheriades, "A compact and low-profile metamaterial ring antenna with verical polarization", IEEE antennas Wireless Propag. Lett., vol. 4, pp. 333-336, 2005.

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A. Alu, F. Bilotti, N Engheta, and L. Vegni, "Sub-wavelength, compact, resonant patch antennas loaded with metamaterials", IEEE trans. on antennas and Propag., vol. 55, no. 1, pp. 13-24, Jan. 2007.

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지정근, 성원모, "메타머티리얼(Metamaterial) 최근기술 동향", 한국전자파학회논문집, 제20 권. 제6 호, pp.48-54, 2009. Electronics, vol. 44, no. 1, pp. 217-225, Feb. 1998.
S. J. Lim, J. H. Choi and T. H. Jang, "Compact Coplanar Waveguide (CPW)-Fed Zeroth-Order Resonant Antennas With Extended Bandwidth and High Efficiency on Vialess Single Layer", IEEE trans. on antennas and Propag., vol. 59, no. 2, pp 363--372, Feb. 2011.

상세보기
Ashwin K. Iyer and George V. Eleftheriades, "Negative Refractive Index Metamaterials Supporting 2-D Waves" IEEE Trans. on Microwave Theory and techniques, vol. 50, no. 12, pp. 2702-2712, Dec. 2002.

상세보기
J. G. Lee and J. H. Lee, "Zeroth Order Resonance Loop Antenna", IEEE trans. on. antennas and propa., vol. 55, no. 3. pp 994-997, Mar. 2007.
T. H. Jang and S. J. Lim, "A compact zeroth-order resonant antenna on vialess CPW single layer", ETRI Journal, vol. 32, no. 3, pp. 472-474, Jun. 2010.

원문보기 상세보기
J. H. Park, Y. H. Park, J. G. Lee and J. H. Lee, "A novel via-free composite right-and left-handed transmission line using defected ground structure", Microwave and optical technology letters, vol. 49, no. 8 pp 1989-1993, August 2007.

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