[논문]SIR을 이용한 제 2저지 대역 제어 가능 UWB 안테나

최형석; 최경; 황희용

doi:10.5515/kjkiees.2012.23.9.1019

SIR을 이용한 제 2저지 대역 제어 가능 UWB 안테나
A UWB Antenna with the Adjustable Second Rejection Band Using a SIR 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.23 no.9, 2012년, pp.1019 - 1024

최형석 (강원대학교 IT대학 전기전자공학부) , 최경 (강원대학교 IT대학 전기전자공학부) , 황희용 (강원대학교 IT대학 전기전자공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 SIR(Step Impedance Resonator)을 이용하여 제 1저지 대역인 5 GHz WLAN 대역의 신호 간섭을 제거하며 제 2저지 대역을 제어할 수 있는 UWB 안테나를 제안하였다. SIR은 단일 임피던스 공진기와는 다르게 Step Impedance의 차이로 제 2고조파가 정해지는 특징이 있으므로 UWB 안테나에 적용하여 제 2저지 대역을 제어 가능하도록 하였다. 또한, 제 1저지 대역에서 안테나의 동작을 등가 회로로 나타내었으며, SIR의 등가 모델값 및 안테나와 SIR의 결합 값을 구하였다. 제안된 안테나는 UWB 전체 대역에서 -10 dB 이하의 반사 손실 특성과 5 GHz WLAN 대역에서 저지 특성을 나타내었다. 또한, H-평면에서 +y방향으로 지향성을 나타내며, 1.0 ns 이내의 군지연 변화 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a UWB antenna using a SIR(Step Impedance Resonator) that eliminate signal interference at 5 GHz WLAN as the first rejection band and adjust the second rejection band is proposed. Unlike the unit impedance resonator, the second harmonic of SIR is decided according to step impedance. Therefore, To adjust the second rejection band, SIR is applied to UWB antenna. Also, the equivalent circuit of the antenna at first rejection band is presented and the equivalent modeling values of the SIR and the coupling value is obtained. The proposed antenna is satisfied to cover full UWB band with return losses less than -10 dB and has band rejection characteristic in 5 GHz WLAN band. The radiation patterns show +y directivity characteristics in H-plane and the group delay variations are within 1.0 ns.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 보우-타이 모노폴 UWB 안테나를 설계하고, 안테나 근처에 2단 SIR을 배치하여 제 1저지 대역인 5 GHz WLAN 대역의 신호 간섭을 제거할 것이다. SIR의 형태에 따라 제 2차 고조파가 결정되는 특징을 이용하여 제 2저지 대역을 제어할 것이며, UWB 대역 내에 존재하지 않도록 SIR을 설계할 것이다.
본 논문에서는 보우-타이 모노폴 UWB 안테나에 SIR을 적용하여 제 1저지 대역인 5 GHz WLAN를 저지하였고, 제 2저지 대역이 조절 가능함을 보였다. 제 1저지 대역에서의 안테나 특성을 예측하고 확인하기 위해 SIR의 등가 모델 값 및 안테나와의 결합 값을 구하여 등가 회로로 표현하였다.
본 논문을 이용하여 다수의 SIR을 안테나 근처에 배치하여 다단 대역 저지 특성을 갖는 UWB 안테나를 설계할 수 있을 것으로 보이며, 등가 회로를 구성하여 저지 대역폭, 최대 저지 특성 등을 조절할 수 있을 것으로 보인다

가설 설정

이것으로 안테나와 SIR의 간격 Gap이 작아지면 C_c가 커지므로 대역 저지 주파수는 낮아지고, Gap이 커지면 C_c가 작아지므로 대역 저지 주파수가 높아짐을 예상할 수 있다. 또한, Gap이 작아지면 초단 결합 값이 커지므로 높은 저지 특성을 나타내고, Gap이 커지면 초단 결합 값이 작아지므로 낮은 저지 특성을 나타낼 것이다.

제안 방법

그림 3(a)에 나타낸 것과 같이 UWB 안테나에 대역 저지 특성을 구현하기 위해 패치면과의 거리 Gap을 두고 SIR을 구부려서 배치하였다. SIR의 등가 회로 값을 얻어내기 위해 그림 3(b)와 같이 구성하여 모의 실험하였으며, 입력 어드미턴스를 Y_in1로 나타내었다.
본 논문에서는 보우-타이 모노폴 UWB 안테나를 설계하고, 안테나 근처에 2단 SIR을 배치하여 제 1저지 대역인 5 GHz WLAN 대역의 신호 간섭을 제거할 것이다. SIR의 형태에 따라 제 2차 고조파가 결정되는 특징을 이용하여 제 2저지 대역을 제어할 것이며, UWB 대역 내에 존재하지 않도록 SIR을 설계할 것이다. 또한, 제 1저지 대역에서 안테나의 특성을 예측하고 확인해 보기 위하여 SIR의 등가 모델 값 및 안테나와의 결합 값을 구하여 등가 회로로 표현할 것이다.
그림 2에 나타낸 것처럼 UWB 안테나는 보우-타이 모노폴 안테나에 자계벽 조건을 적용하여 소형화된 형태로 참고문헌 ^[7]을 참고하여 설계하였다. 유전체를 중심으로, 패치면과 접지면은 앞뒷면에 배치되어 있으며, 광대역 동작 특성을 얻기 위해 접지면을 3개의 굴곡각이 있는 형태로 구성하였다.
SIR의 형태에 따라 제 2차 고조파가 결정되는 특징을 이용하여 제 2저지 대역을 제어할 것이며, UWB 대역 내에 존재하지 않도록 SIR을 설계할 것이다. 또한, 제 1저지 대역에서 안테나의 특성을 예측하고 확인해 보기 위하여 SIR의 등가 모델 값 및 안테나와의 결합 값을 구하여 등가 회로로 표현할 것이다. 설계 및 제작된 안테나에 사용된 기판은 Taconic社의 RF-60A로 유전체 두께 0.
5 GHz 대역의 반사 손실 특성은 향상된다. 또한, 추가적인 임피던스 정합을 위해 급전선로의 끝 부분부터 안테나가 시작되는 부분이 겹치도록 설계하였다. 안테나의 설계 변수들은 표 1에 나타내었다.
을 참고하여 설계하였다. 유전체를 중심으로, 패치면과 접지면은 앞뒷면에 배치되어 있으며, 광대역 동작 특성을 얻기 위해 접지면을 3개의 굴곡각이 있는 형태로 구성하였다. 굴곡각 α에 의해 5～6 GHz, 7～10 GHz 대역의 반사 손실 특성이 변화하며 α의 값이 작아질수록 5～6 GHz, 7～10 GHz 대역의 반사 손실 특성은 나빠진다.
, 간섭 대역의 감쇄가 작아 실제로 사용할 만큼을 충족시키기 어려운 단점을 갖고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 2단 단락 SIR을 UWB 안테나의 급전선 근처에 놓아 간섭대역을 저지하는 방법을 제안되었다. 그러나 SIR의 단락 부분에 사용되는 via hole의 영향으로 특정 대역에서 감쇄가 작아지는 단점이 있다^[5].
본 논문에서는 보우-타이 모노폴 UWB 안테나에 SIR을 적용하여 제 1저지 대역인 5 GHz WLAN를 저지하였고, 제 2저지 대역이 조절 가능함을 보였다. 제 1저지 대역에서의 안테나 특성을 예측하고 확인하기 위해 SIR의 등가 모델 값 및 안테나와의 결합 값을 구하여 등가 회로로 표현하였다.

대상 데이터

또한, 제 1저지 대역에서 안테나의 특성을 예측하고 확인해 보기 위하여 SIR의 등가 모델 값 및 안테나와의 결합 값을 구하여 등가 회로로 표현할 것이다. 설계 및 제작된 안테나에 사용된 기판은 Taconic社의 RF-60A로 유전체 두께 0.64 mm, 손실탄젠트 0.0025, 비유전율 6.15의 속성을 가지며, 본 논문에 제시된 모든 모의 실험 결과는 Ansoft 社의 HFSS를 이용하였다.
안테나는 10×7×7 크기의 전파 무반향실에서 측정되었으며, Anritsu 社의 37397C VNA(Vector Network Analyzer)를 이용하였다.

성능/효과

굴곡각 γ에 의해 4.5～11 GHz의 반사 손실 특성이 변화하며, γ의 값이 작아질수록 4.5～6.5 GHz, 9.6～11 GHz 대역의 반사 손실 특성은 나빠지며, 6.5～9.5 GHz 대역의 반사 손실 특성은 향상된다.
설계된 안테나의 제작 및 측정 결과와 모의 실험 결과를 비교하여 그림 6에 나타내었다. 모의 실험 결과와 제작 및 측정 결과가 유사함을 보이며, 저지 대역인 5 GHz WLAN 대역을 제외하고 3.1～10.6 GHz에서 -10 dB 이하의 반사 손실 특성을 보인다. 5 GHz의 최대 저지 특성이 모의 실험 결과와 차이가 나는 것은 제작 및 측정상의 오차로 사료된다.
또한, Type 2-1와 Type 2-2는 K<1이므로 f_s2>2_f0인 특성을 나타내며, Type 2-1의 경우 제 2저지 대역 주파수인 f_s2가 13 GHz보다 높은 특성을 갖고 있다. 이러한 결과를 통해 SIR을 이용하여 제 2차 고조파가 조정 가능함을 보인다.
제작된 안테나는 제 2저지 대역이 UWB 대역 내에 존재하지 않도록 SIR을 설계였고, 측정 결과 반사 손실 특성은 3.1～10.6 GHz에서 -10 dB 이하를 나타내 UWB 시스템에 사용될 수 있음을 확인하였다. 전 대역에서 E-평면의 방사 패턴은 전방향성 안테나의 방사 패턴과 유사하며, H-평면의 방사 패턴은 +y 방향으로 지향성을 갖는다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UWB 통신 시스템에 사용되는 안테나가 만족해야 할 조건은 어떤 것들인가?	이러한 이유로 Ultra-wideband(UWB) 시스템에 대한 관심이 증가하고 있다. UWB 통신 시스템에 사용되는 안테나는 광대역 임피던스 정합, 일정한 방사 패턴, 일정한 군지연, 물리적으로 작은 크기 등의 조건을 만족해야 한다. 또한, UWB 통신 대역 내에 포함되는 타 시스템에서 발생하는 원치 않는 신호를 제거하는 기능이 포함되어야 한다[1].
	2단 단락 SIR을 UWB 안테나의 급전선 근처에 놓아 간섭대역을 저지하는 방법이 제안된 이유는 어떠한 문제를 해결하기 위해서인가?	SRR을 이용할 경우[4], 간섭 대역의 감쇄가 작아 실제로 사용할 만큼을 충족시키기 어려운 단점을 갖고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 2단 단락 SIR을 UWB 안테나의 급전선 근처에 놓아 간섭대역을 저지하는 방법을 제안되었다.
	단일 임피던스 공진기와 비교했을 때 SIR의 특징은 무엇인가?	본 논문에서는 SIR(Step Impedance Resonator)을 이용하여 제 1저지 대역인 5 GHz WLAN 대역의 신호 간섭을 제거하며 제 2저지 대역을 제어할 수 있는 UWB 안테나를 제안하였다. SIR은 단일 임피던스 공진기와는 다르게 Step Impedance의 차이로 제 2고조파가 정해지는 특징이 있으므로 UWB 안테나에 적용하여 제 2저지 대역을 제어 가능하도록 하였다. 또한, 제 1저지 대역에서 안테나의 동작을 등가 회로로 나타내었으며, SIR의 등가 모델값 및 안테나와 SIR의 결합 값을 구하였다.

참고문헌 (7)

J. -W. Jang, H. -Y. Hwang, "Design of a miniaturized quarter-circular-slot UWB antenna", Microwave Journal, 2008.
D. -O. Kim, C. -Y. Kim, "CPW-fed ultra-wideband antenna with triple-band notch function", Electron. Lett., 46(18), pp. 1246-1248, 2010.

상세보기
Tharaka Dissanayake, Karu P. Esselle, "Prediction of the notch frequency of slot loaded printed UWB antennas", vol. 55, no. 11, pp. 3320-3325, 2007.

상세보기
Y. Zhang, W. Hong, Kuai, and J. Y. Zhou, "A compact multiple bands notched UWB antenna by loading SIR and SRR on the feed line", Proc. Int. Conf. Microwave and Milimeter Wave Technology, pp. 198- 201, 2008.
Y. Zhang, W. Hong, C. Yu, J. -Y. Zhou, and Z. -Q. Kuai, "Design and implementation of planar ultrawideband antennas with multiple notched bands based on stepped impedance resonators", IET Microwaves, Antennas Propag., vol. 3, no. 7, pp. 1051- 1059, 2008.
M. Mitsuo, Y. Sadahiko, "Bandpass filters using parallel coupled stripline stepped impedance resonators", Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 28, no. 12, pp. 1413-1417, 1980.

상세보기
최형석, 최경, 황희용, "보우-타이 모노폴 UWB 안테나의 소형화 및 대역 저지 특성", 한국전자파학회논문지, 23(3), pp. 300-305, 2012년.

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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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