본 논문에서는 손과 같은 물체가 안테나에 접근하였을 때 이탈된 공진 주파수와 임피던스를 자동으로 복원하여 무선기기의 송수신 성능을 항상 최적의 상태로 유지하도록 할 수 있는 UHF 특정 소출력 무선주파수 대역(425 MHz)의 소형 마이크로스트립 안테나를 설계, 제작하였다. 반파장 마이크로스트립 방사체의 양쪽 끝단을 접지면 쪽으로 폴딩하여 소형화하고, 역시 방사체와 접지면 사이에 바랙터 다이오드에 의한 캐패시턴스를 장하한 다음, 각각 역바이어스 전압 조절에 의한 용량을 비대칭적으로 변화시킴으로써, -30 dB 이하의 일률적인 반사 손실을 유지하면서 395 MHz에서 455 MHz까지 연속적인 공진 주파수 조절이 가능한 전압 제어 안테나를 설계하였다. RF 모듈로부터 시험 신호를 안테나에 송출하여, 부정합에 의해 안테나로부터 되돌아 온 반사 신호 레벨을 RSS(Receive Signal Strength) 검출 회로와 오프셋 증폭기를 통하여 마이크로콘트롤러에 입력하고, 그 레벨이 최소가 되도록 안테나의 바이어스 전압을 자동 조절하는 펌웨어를 설계, 시스템을 완성하여 시험한 결과, 손, 금속판, 유전체 등의 물체를 접근시켰을 때 틀어졌던 안테나의 특성이 수 초 이내에 완전하게 복원됨을 확인하였다.
본 논문에서는 손과 같은 물체가 안테나에 접근하였을 때 이탈된 공진 주파수와 임피던스를 자동으로 복원하여 무선기기의 송수신 성능을 항상 최적의 상태로 유지하도록 할 수 있는 UHF 특정 소출력 무선주파수 대역(425 MHz)의 소형 마이크로스트립 안테나를 설계, 제작하였다. 반파장 마이크로스트립 방사체의 양쪽 끝단을 접지면 쪽으로 폴딩하여 소형화하고, 역시 방사체와 접지면 사이에 바랙터 다이오드에 의한 캐패시턴스를 장하한 다음, 각각 역바이어스 전압 조절에 의한 용량을 비대칭적으로 변화시킴으로써, -30 dB 이하의 일률적인 반사 손실을 유지하면서 395 MHz에서 455 MHz까지 연속적인 공진 주파수 조절이 가능한 전압 제어 안테나를 설계하였다. RF 모듈로부터 시험 신호를 안테나에 송출하여, 부정합에 의해 안테나로부터 되돌아 온 반사 신호 레벨을 RSS(Receive Signal Strength) 검출 회로와 오프셋 증폭기를 통하여 마이크로콘트롤러에 입력하고, 그 레벨이 최소가 되도록 안테나의 바이어스 전압을 자동 조절하는 펌웨어를 설계, 시스템을 완성하여 시험한 결과, 손, 금속판, 유전체 등의 물체를 접근시켰을 때 틀어졌던 안테나의 특성이 수 초 이내에 완전하게 복원됨을 확인하였다.
This paper presents a microstrip antenna which recovers its resonant frequency and impedance shifted automatically by the approach of other objects such as hands. This can be used for telemetry sensor applications in the ultrahigh frequency(UHF) industrial, scientific, and medical(ISM) band. It is t...
This paper presents a microstrip antenna which recovers its resonant frequency and impedance shifted automatically by the approach of other objects such as hands. This can be used for telemetry sensor applications in the ultrahigh frequency(UHF) industrial, scientific, and medical(ISM) band. It is the key element that an frequency-reconfigurable antenna could be electrically controlled. This antenna is miniaturized by loading the folded plates at both radiating edges, and varactor diodes are installed between the radiating edges and the ground plane to control the resonant frequency by adjusting the DC bias asymmetrically. Using this voltage-controlled antenna and the micro controller peripheral circuits of reading the returned level, the antenna is designed and fabricated which recovers its resonant frequency and impedance automatically. Designed frequency auto recovering antenna is conformed to be recovered within a few seconds when the resonant frequency and impedance are shifted by the approach of other objects such as hand, metal plate, dielectric and so on.
This paper presents a microstrip antenna which recovers its resonant frequency and impedance shifted automatically by the approach of other objects such as hands. This can be used for telemetry sensor applications in the ultrahigh frequency(UHF) industrial, scientific, and medical(ISM) band. It is the key element that an frequency-reconfigurable antenna could be electrically controlled. This antenna is miniaturized by loading the folded plates at both radiating edges, and varactor diodes are installed between the radiating edges and the ground plane to control the resonant frequency by adjusting the DC bias asymmetrically. Using this voltage-controlled antenna and the micro controller peripheral circuits of reading the returned level, the antenna is designed and fabricated which recovers its resonant frequency and impedance automatically. Designed frequency auto recovering antenna is conformed to be recovered within a few seconds when the resonant frequency and impedance are shifted by the approach of other objects such as hand, metal plate, dielectric and so on.
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문제 정의
본 논문에서는 안테나 특성이 자동 조절되는 오토튜닝 안테나를 설계, 제작하였다. 마이크로스트립 안테나를 소형화 하는데 있어서 지금까지 공간적인 전․자계의 에너지 분포에 의하여 해석해 왔던 섭동 효과를 집중 소자로 대치하여 논하였으며, 시험 결과와 일치함을 알 수 있었다.
이와 같이 설계된 마이크로스트립 안테나는 정해진 범위 내에서 전압을 인가하여 공진 주파수 및 급전점 입피던스를 연속적으로 제어할 수 있다. 이로써 주변 환경에 의하여 이탈된 안테나의 특성을 자동으로 복원할 수 있는 가능성을 제시하였다.
제안 방법
그리고 마이크로스트립의 폭 역시 소형화를 위하여 방사 특성이 크게 저하되지 않는 50 mm(0.07 λ)로 설정하였으며, 접지면의 크기는 클수록 좋으나 접지면 효과가 조금 감소되더라도 소형화를 위하여 방사 소자 면적보다 조금 넓게하여 마이크로스트립 방사 소자 높이 20 mm(0.03λ)의 2배 정도로 설정하였다.
그리고 안테나의 기구적 구조에 의한 전 · 자계 에너지는 변하지 않으므로 상수로 하여 역시 계산을 간소화 하였다.
그리고 이 결과를 근거로 전압으로 공진 주파수와 급전점 임피던스를 제어할 수 있는 반파장 마이크로스트립 안테나를 설계하였다. 이 안테나는 CVL과 CVS로 명명된 각 제어 단자에 전압을 DC 0.
그리고 이러한 레벨 값을 읽어내고, 그에 따른 회로 제어 신호를 만들어 내는 마이크로콘트롤러(MCU)주변 회로와, 이 제어신호를 전압 제어 안테나에 제어 전압으로 인가할 수 있도록 변환하는 하드웨어 인터페이스를 개발하였다. PWM을 이용하여 별도의 DC 증폭기 없이 0～3.
또한, 바랙터 다이오드를 이용하여 공진 주파수의 변화가 가능하면서도 소형화된 반파장 마이크로스트립 안테나를 UHF 대역(425 MHz)에서 설계 및 제작하였다. 그리고 주파수 튜닝 레인지 안에서 입력 임피던스가 일정하게 유지되도록 바랙터 다이오드에 전압을 비대칭적[17]으로 인가함으로써 기존 방식의 문제점을 해결하였다.
따라서 RF 신호에 거의 영향을 주지 않는 큰 값의 DC 바이어스 루프 저항 R3(10 kΩ)을 통하여 접지판에 연결되도록 설계하였다.
또한, 마이크로스트립 방사체는 접지판과 떨어져 있으므로 제어 전압과의 DC 루프를 형성시키기 위하여 10 kΩ 저항 R3를 통하여 접지판에 연결하였다.
본 논문에서는, 섭동이론[14]을 이용한 플레이트로딩 기법[15],[16]을 기반으로, 전계가 강한 안테나의 방사 개구에 수평구조로 플레이트를 로딩함으로써, 마이크로스트립 안테나를 소형화 하였다. 또한, 바랙터 다이오드를 이용하여 공진 주파수의 변화가 가능하면서도 소형화된 반파장 마이크로스트립 안테나를 UHF 대역(425 MHz)에서 설계 및 제작하였다. 그리고 주파수 튜닝 레인지 안에서 입력 임피던스가 일정하게 유지되도록 바랙터 다이오드에 전압을 비대칭적[17]으로 인가함으로써 기존 방식의 문제점을 해결하였다.
따라서 RF 신호에 거의 영향을 주지 않는 큰 값의 DC 바이어스 루프 저항 R3(10 kΩ)을 통하여 접지판에 연결되도록 설계하였다. 또한, 바랙터 다이오드의 DC 바이어스가 RF 회로에 영향을 주지 않도록 DC 블록킹 캐패시터 C1(220 pF)을 RF 회로에 직렬로 연결하여 DC적으로 분리하였다. 이와 같이 하면 두 개의 바랙터는 직렬 연결된 캐패시터가 되므로 전압이 0.
안테나를 원하는 공진 주파수에 정확하게 정합할 수 있도록 바랙터 다이오드의 인가 전압을 전자적 제어가 가능하도록 구성하였다[19]. 또한, 안테나에 물체가 접근되거나 온도 변화 등에 의하여 공진 주파수가 이탈되고 급전 임피던스가 변하여 성능 저하가 나타났을때, 자동으로 안테나 성능을 복원시키는 제어 알고리즘을 제안하였다.
안테나의 구조는 그림 5와 같으며, 앞 절에서 기술한 폴디드 마이크로스트립 안테나와 기구적으로는 거의 동일하다. 마이크로스트립 안테나에서 양단의 폴디드 로딩 플레이트와 접지판의 간격을 3 mm로 고정한 상태에서 장하 캐패시턴스의 변화를 약 2 pF에서 5 pF까지 선택하였다. 접지판은 184 mm×134 mm ×1.
마이크로콘트롤러에서 발생되는 PWM 파형의 주파수는 최대로 하였을 때 7.14 kHz, 주기가 140 μs이므로 적분 저항 값을 10 kΩ 일 때 적분 캐패시터 값이 0.1 uF로 계산되나, 리플 전압의 영향을 최소화하기 위하여 시험결과 4.7 uF로 정하였다.
8 GHz, 24 %)가 넓어졌지만, 저주파 대역에서의 임피던스 정합이 다소 나빠지며, 높은 바이어스 전압을 사용하는 단점이 있다. 본 논문에서는, 섭동이론[14]을 이용한 플레이트로딩 기법[15],[16]을 기반으로, 전계가 강한 안테나의 방사 개구에 수평구조로 플레이트를 로딩함으로써, 마이크로스트립 안테나를 소형화 하였다. 또한, 바랙터 다이오드를 이용하여 공진 주파수의 변화가 가능하면서도 소형화된 반파장 마이크로스트립 안테나를 UHF 대역(425 MHz)에서 설계 및 제작하였다.
이와 같은 전압 제어 안테나를 이용하여 주변 환경 변화에 능동적으로 대응하여 항상 최적의 특성을 유지할 수 있는 공진 주파수 자동 제어 안테나를 설계, 제작하였다. 시험 RF 신호를 안테나에 발사하고, 부정합에 의하여 안테나로부터 되돌아 온 신호의 크기를 측정할 수 있도록, RSS(Receive Signal Strength)를 검출하는 회로와 이 레벨을 증폭하는 증폭기를 설계하였다.
하였다. 안테나를 원하는 공진 주파수에 정확하게 정합할 수 있도록 바랙터 다이오드의 인가 전압을 전자적 제어가 가능하도록 구성하였다[19]. 또한, 안테나에 물체가 접근되거나 온도 변화 등에 의하여 공진 주파수가 이탈되고 급전 임피던스가 변하여 성능 저하가 나타났을때, 자동으로 안테나 성능을 복원시키는 제어 알고리즘을 제안하였다.
능동적으로 마이크로스트립 안테나의 동작 주파수를 변화시키기 위해서는 개구의 끝에 캐패시터를 장하하여 조절하여야 한다. 여기서는 캐패시터를 장하하기 전에 폴디드 구조물과 접지면과의 간격 g1, g2를 조절하여 공진 주파수 조절 가능성을 CST사의 MWS(Micro Wave Studio)로 시뮬레이션 하였다. 이 간격에 의하여 마이크로스트립 방사체 양단에 캐패시턴스가 장하되므로 본 논문에서는 이를 장하 간격이라 하였다.
인가하려고 하는 전압 값을 각각의 로터리 BCD(Binary Coded Decimal) 스위치로 셋팅하면 마이크로콘트롤러에서 이상태를 읽어서 이에 상응하는 평균 전압이 되는 PWM(Pulse Width Modulation) 출력을 각각의 출력단자 (CVL PWM Output, CVS PWM Output)로 내보낸다. 이 신호들은 MCU(Micro Controller Unit) 출력 신호이므로 버퍼 인버터(NC7ZS04: 페어차일드사)를 이용하여 전압을 드라이브 하였다. 이 PWM 전압은 10 kΩ의 저항과 4.
이와 같은 전압 제어 안테나를 이용하여 주변 환경 변화에 능동적으로 대응하여 항상 최적의 특성을 유지할 수 있는 공진 주파수 자동 제어 안테나를 설계, 제작하였다. 시험 RF 신호를 안테나에 발사하고, 부정합에 의하여 안테나로부터 되돌아 온 신호의 크기를 측정할 수 있도록, RSS(Receive Signal Strength)를 검출하는 회로와 이 레벨을 증폭하는 증폭기를 설계하였다.
장하 간격(g1, g2)를 조절하여 공진 주파수를 이동시켰을 때 각각의 공진 주파수에서 방사 패턴의 변화를 시뮬레이션 하였다. 그림 3에는 각각의 간격에 따른 공진 주파수에서의 방사 패턴을 나타내었다.
캐패시턴스 장하용 바랙터 다이오드에 필요로 하는 전압은 자유롭게 인가하기 위하여 그림 7과 같은 DC 전압 발생회로를 설계하였다. 인가하려고 하는 전압 값을 각각의 로터리 BCD(Binary Coded Decimal) 스위치로 셋팅하면 마이크로콘트롤러에서 이상태를 읽어서 이에 상응하는 평균 전압이 되는 PWM(Pulse Width Modulation) 출력을 각각의 출력단자 (CVL PWM Output, CVS PWM Output)로 내보낸다.
폴디드 구조 마이크로스트립 안테나 접지면의 크기는 축소된 방사 소자와 높이를 고려하여 184 mm(0.26 λ)×134 mm(0.20 λ)로 하였다.
대상 데이터
RSS검출기로는 아날로그디바이스사의 AD8313을 사용하였는데, 그 특성상 그림 14에 나타난 바와 같이 0.5 V 정도의 잡음 레벨 출력이 있다. MCU에 내장된 ADC(Analog to Digital Converter)는 내부 전압 모드로 하였을 때 기준 전압이 2.
안테나의 접지면으로는, 접지 배면에 공진 주파수 자동복원회로를 탑재시키기 위하여 1.6t FR-4 양면 기판으로 하였다. 그리고 마이크로스트립의 폭 역시 소형화를 위하여 방사 특성이 크게 저하되지 않는 50 mm(0.
오토튜닝 안테나의 회로는 그림 13에 나타난 바와 같이 총 7개의 블록으로 구성하였다. MCU의 RF 모듈 프로그래밍에 의하여 발생된 테스트 RF 신호(425 MHz, —10 dBm CW)는 써큘레이터를 통하여 전압 제어 안테나 RF 단자로 입력된다.
접지판은 184 mm×134 mm ×1.6 t의 FR-4 양면 기판으로 하여 한쪽 면을 회로 접지판과 공유하였다.
성능/효과
그리고 이러한 레벨 값을 읽어내고, 그에 따른 회로 제어 신호를 만들어 내는 마이크로콘트롤러(MCU)주변 회로와, 이 제어신호를 전압 제어 안테나에 제어 전압으로 인가할 수 있도록 변환하는 하드웨어 인터페이스를 개발하였다. PWM을 이용하여 별도의 DC 증폭기 없이 0～3.3 V의 선형성이 우수한 제어 전압을 얻을 수 있었다. 여기에 본 논문의 최종 목적인 자동 안테나를 운용할 수 있는 알고리즘을 구상하고 펌웨어 프로그램을 하여 전체 시스템을 완성되었다.
5 mm 간격으로 변화를 시켰을 때의 공진 주파수 특성을 나타내었다. 공진 주파수는 장하 간격(g1, g2)이 작아질수록 선형적으로 저하하는 특성을 보이고 있으며, g1, g2가 1.5 mm부터 임피던스 정합이 잘 되지 않는 것으로 나타났다. 공진 주파수가 하향하는 이유는 안테나의 선단과 접지면 간격이 작아질수록 장하 캐패시턴스가 커지기 때문이며, 에너지 측면에서는 섭동 효과에 의해서 전계의 체적 에너지 변화가 크기 때문이다.
45 λ)가 반파장 정도로 실제 제품에 적용하기는 어려운 크기이다. 따라서 방사소자의 양쪽 개구를 폴디드 구조로 하여 섭동 효과를 유도함으로 길이를 축소시킬 수 있었다.
본 논문에서는 안테나 특성이 자동 조절되는 오토튜닝 안테나를 설계, 제작하였다. 마이크로스트립 안테나를 소형화 하는데 있어서 지금까지 공간적인 전․자계의 에너지 분포에 의하여 해석해 왔던 섭동 효과를 집중 소자로 대치하여 논하였으며, 시험 결과와 일치함을 알 수 있었다. 이로써 기본 안테나의 구조가 결정되면 캐패시턴스의 가감 정도에 따른 공진 주파수의 변화량을 알 수 있었다.
안테나 이득 또한 —0.33 dBi에서 2.40 dBi로 하향주파수에서는 다소 저하되지만 대체적으로 우수하였다.
3 V의 선형성이 우수한 제어 전압을 얻을 수 있었다. 여기에 본 논문의 최종 목적인 자동 안테나를 운용할 수 있는 알고리즘을 구상하고 펌웨어 프로그램을 하여 전체 시스템을 완성되었다.
이 안테나는 CVL과 CVS로 명명된 각 제어 단자에 전압을 DC 0.91 V에서 3.09 V, 그리고 DC 0.7 1 V에서 2.27 V를 비대칭적으로 인가함으로써, —30 dB 이하의 일률적인 반사 손실을 유지하면서 395 MHz에서 455 MHz까지 연속적인 공진 주파수 조절이 가능하였다.
이렇게 설계, 제작된 이탈 공진 주파수 자동 복원 소형 안테나를 시험하여 손, 금속판, 유전체 등의 물체를 접근시켰을 때 수 초 이내에 완전하게 그 특성이 복원됨을 확인하였다. 따라서 회로의 응답 지연, 반사 검출 회로의 복잡성 등을 개선한다면 본 연구결과의 실용성이 제고될 것이다.
마이크로스트립 안테나를 소형화 하는데 있어서 지금까지 공간적인 전․자계의 에너지 분포에 의하여 해석해 왔던 섭동 효과를 집중 소자로 대치하여 논하였으며, 시험 결과와 일치함을 알 수 있었다. 이로써 기본 안테나의 구조가 결정되면 캐패시턴스의 가감 정도에 따른 공진 주파수의 변화량을 알 수 있었다.
제작된 안테나를 시험한 결과, 그림 10에 나타낸 바와 같이 각 제어 전압 CVL과 CVS에 따라 마이크로스트립 안테나의 공진 주파수가 395 MHz에서 455 MHz까지 연속적으로 조절되며, 반사 손실은 —30 dB 이하로 일정함을 알 수 있다.
후속연구
이렇게 설계, 제작된 이탈 공진 주파수 자동 복원 소형 안테나를 시험하여 손, 금속판, 유전체 등의 물체를 접근시켰을 때 수 초 이내에 완전하게 그 특성이 복원됨을 확인하였다. 따라서 회로의 응답 지연, 반사 검출 회로의 복잡성 등을 개선한다면 본 연구결과의 실용성이 제고될 것이다.
향후 본 논문의 결과는 휴대전화의 핸드이펙트에 대처할 수 있는 안테나와, 군사용 위치 추적 협대역 가변 공진 안테나의 개발에 적용시킬 수 있다.
이러한 단점을 보완하기 위해 소형화된 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 능동적으로 확장하는 방법이 필요하다. 이를 위해 마이크로스트립 안테나에 YIG 페라이트 자성체를 사용하여 안테나를 소형화시키고, DC 바이어스로자계를 변화시켜 공진 주파수를 변화시키는 주파수 재구성 안테나에 대한 연구가 수행되었다[11] . 이 방법은 제작비용이 많이 들고, 효율이 저하되는 단점이 있다. 또 다른 방법으로는, PIFA(Planar Inverted F Antenna)의 개구면 쪽에 가변 캐패시터를 부착하여 캐패시터의 용량을 조절함으로써 공진 주파수를 이동시키는 것이다[12] . 이와 유사한 방법으로, 반파장 마이크로스트립 안테나의 방사 개구에 여러 개의 바랙터 다이오드를 장착하고, 바이어스 전압으로 공진 주파수를 가변시키는 방법도 제안되었다[13] . 이 방법에서는 여러 개의 바랙터 다이오드로 인해 튜닝 주파수 가변 레인지(1.45～1.8 GHz, 24 %)가 넓어졌지만, 저주파 대역에서의 임피던스 정합이 다소 나빠지며, 높은 바이어스 전압을 사용하는 단점이 있다. 본 논문에서는, 섭동이론[14]을 이용한 플레이트로딩 기법[15],[16]을 기반으로, 전계가 강한 안테나의 방사 개구에 수평구조로 플레이트를 로딩함으로써, 마이크로스트립 안테나를 소형화 하였다.
소형화된 마이크로스트립 안테나의 단점은 무엇인가?
400 MHz 대역 무선 통신 시스템에서도 이를 적용시킴으로써 송신 출력 10 dBm으로도수 km 이상의 통신이 가능해졌다[8] . 그러나 이와 같이 소형화된 마이크로스트립 안테나는 접지판과 방 사체가 가까워서 섭동(perturbation) 효과[9]가 매우 크기 때문에, 온도 변화에 의한 기구적 구조의 작은 변형에도 공진 주파수 및 입력 임피던스가 크게 변하게 된다. 또한, 안테나의 방사 특성상 설치 주변 환경에 민감하다[10] . 헤리컬 안테나와 같이 넓은 대역 특성을 가진 안테나의 경우에는 주파수에 따른 반사 손실의 변화가 완만하지만, 소형화된 마이크로스트립 안테나는 대역폭이 좁기 때문에 성능 변화가 크다.
마이크로스트립 안테나의 장점은 무엇인가?
마이크로스트립 안테나는 구조가 간단하고 저자세, 브로드 사이드 방사 특성을 가지고 있어 센서용 안테나, 배열 안테나 등 여러 응용분야에 사용된다. 미국에서는 UHF ISM 대역으로 433 MHz가 사용되고, 국내에서는 이와 유사한 특정 소출력 무선 대역으로 425 MH가 주로 사용되는 데, 수 GHz의 대역에 비해 통달 거리는 길어지나 파장(706 mm)이 길기 때문에, 이 대역에서 마이크로스트립 안테나를 사용하기 위해서는 소형화가 필요하다.
참고문헌 (20)
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K. L. Wong, J. Y. Sie, "Dual-frequency slotted rectangular microstrip antenna", Electron. Lett., vol. 34, pp. 1368-1370, Jul. 1998.
송무하, 문상만, 우종명, "소형화를 위한 주름형 선형 편파 패치안테나", 한국통신학회 하계종합 학술발표회논문집, 23(1), pp. 803-806, 2001년.
이성민, 신헌철, 류미라, 우종명, "소형화를 위한 주름형 선형 편파 원형 패치 마이크로스트립 안테나", 한국전자파학회 추계 마이크로파 및 전파 학술대회논문집, 24(2), pp. 367-370, 2001년.
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김영로, 박정용, 우종명, "캐패시터 장하 공진 주파수 및 급전 임피던스 임의조정 마이크로스 트립 안테나", 한국전자파학회 종합학술대회 논문집, 17(1), pp. 323-327, 2007년.
James T. Aberle, Sung-Hoon Oh, David T. Auckland, and Shawn D. Rogers, "Reconfigurable antennas for portable wireless device", IEEE Antenna and Propagation Magazine, vol. 45, no. 6, pp. 148-154, Dec. 2003.
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