본 논문에서는 1.7-2.7 GHz 대역에서 동작하는 이동통신 기지국용 광대역 직렬 급전 보우타이 다이폴 쌍(series-fed bow-tie dipole pair; SBDP) 안테나를 제안하였다. 기존의 직렬 급전 다이폴 쌍(series-fed dipole pair; SDP) 안테나에서 사용하는 직선 스트립 다이폴 소자 대신에, 제안된 안테나는 보우타이 모양의 다이폴 소자를 사용하였다. 시뮬레이션 분석 결과, 양 끝으로 벌어진 각도가 증가할수록 안테나의 가장 낮은 동작 주파수가 저주파수 대역으로 이동하였으며, 이를 이용하여 저주파수 대역으로 이동한 만큼 다이폴 소자의 길이를 줄일 수 있다. 양 끝으로 벌어진 각도가 10도인 SBDP 안테나를 FR4 기판(비유전율 4.4, 두께 1.6 mm) 상에 제작하였고, SDP 안테나와 비교하여 폭이 10% 줄어들었다. 제작된 SBDP 안테나를 측정한 결과, 전압 정재파비(voltage standing wave ratio; VSWR)가 2 이하인 임피던스대역폭은 48.8% (1.69-2.78 GHz), 이득은 5.8-6.3 dBi, 전후방비는 14-17 dB이다.
본 논문에서는 1.7-2.7 GHz 대역에서 동작하는 이동통신 기지국용 광대역 직렬 급전 보우타이 다이폴 쌍(series-fed bow-tie dipole pair; SBDP) 안테나를 제안하였다. 기존의 직렬 급전 다이폴 쌍(series-fed dipole pair; SDP) 안테나에서 사용하는 직선 스트립 다이폴 소자 대신에, 제안된 안테나는 보우타이 모양의 다이폴 소자를 사용하였다. 시뮬레이션 분석 결과, 양 끝으로 벌어진 각도가 증가할수록 안테나의 가장 낮은 동작 주파수가 저주파수 대역으로 이동하였으며, 이를 이용하여 저주파수 대역으로 이동한 만큼 다이폴 소자의 길이를 줄일 수 있다. 양 끝으로 벌어진 각도가 10도인 SBDP 안테나를 FR4 기판(비유전율 4.4, 두께 1.6 mm) 상에 제작하였고, SDP 안테나와 비교하여 폭이 10% 줄어들었다. 제작된 SBDP 안테나를 측정한 결과, 전압 정재파비(voltage standing wave ratio; VSWR)가 2 이하인 임피던스 대역폭은 48.8% (1.69-2.78 GHz), 이득은 5.8-6.3 dBi, 전후방비는 14-17 dB이다.
In this paper, a broadband series-fed bow-tie dipole pair (SBDP) antenna operating in the band of 1.7-2.7 GHz for mobile communication base station applications is proposed. The proposed antenna uses bow-tie-shaped dipole elements instead of straight strip dipole ones used in a conventional series-f...
In this paper, a broadband series-fed bow-tie dipole pair (SBDP) antenna operating in the band of 1.7-2.7 GHz for mobile communication base station applications is proposed. The proposed antenna uses bow-tie-shaped dipole elements instead of straight strip dipole ones used in a conventional series-fed dipole pair (SDP) antenna. The simulation results show that the lowest operating frequency is shifted toward lower frequency as the flare angle increases, and so the lengths of the bow-tie dipole elements can be reduced in proportion to the frequency shift toward lower frequency. An SBDP antenna with a flare angle of 10 degrees is fabricated on an FR4 substrate (dielectric constant = 4.4 and thickness = 1.6 mm) and total width of the fabricated antenna is reduced by 10% compared to that of the conventional SDP antenna. The measured impedance bandwidth for voltage standing wave ratio (VSWR) < 2 is 48.8% (1.69-2.78 GHz), gain is 5.8-6.3 dBi, and the front-to-back ratio (FBR) is 14-17 dB.
In this paper, a broadband series-fed bow-tie dipole pair (SBDP) antenna operating in the band of 1.7-2.7 GHz for mobile communication base station applications is proposed. The proposed antenna uses bow-tie-shaped dipole elements instead of straight strip dipole ones used in a conventional series-fed dipole pair (SDP) antenna. The simulation results show that the lowest operating frequency is shifted toward lower frequency as the flare angle increases, and so the lengths of the bow-tie dipole elements can be reduced in proportion to the frequency shift toward lower frequency. An SBDP antenna with a flare angle of 10 degrees is fabricated on an FR4 substrate (dielectric constant = 4.4 and thickness = 1.6 mm) and total width of the fabricated antenna is reduced by 10% compared to that of the conventional SDP antenna. The measured impedance bandwidth for voltage standing wave ratio (VSWR) < 2 is 48.8% (1.69-2.78 GHz), gain is 5.8-6.3 dBi, and the front-to-back ratio (FBR) is 14-17 dB.
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문제 정의
본 논문에서는 1.7—2.7 GHz 대역에서 동작하는 이동 통신 기지국용 광대역 직렬 급전 보우타이 다이폴 쌍 안테나를 제안하였다.
본 논문에서는 1.7-2.7 GHz 대역에서 동작하는 이동통신 기지국용 광대역 SBDP 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 기존의 SDP 안테나의 직선 다이폴 소자 대신에 보우타이 모양의 다이폴 소자를 사용하였다.
가설 설정
4] Input impedance characteristics vs. flare angle: (a) resistance and (b) reactance.
제안 방법
다음 단계에서는, 설계된 SDP 안테나의 직선 다이폴 소자 대신에 보우타이 다이폴 소자를 Fig. 2(b)와 같이 적용하여 양끝으로 벌어진 각도에 따른 안테나 특성변화를 조사하였다. 이 때, 접지면에도 보우타이 모양의 절반인 V 모양의 패치가 추가되었다.
기존의 직렬 급전 다이폴 쌍 안테나는 두 개의 서로 다른 길이의 직선 스트립 다이폴이 CPS 급전선으로 바로 연결되어 있으며[8], 제안된 안테나는 직선 다이폴 소자 대신에 보우타이 모양의 다이폴 소자를 사용하였다. 보우타이 다이폴의 양끝으로 벌어진 각도(flare angle)에 따른 안테나의 입력 반사계수, 이득 및 입력 임피던스 특성을 분석하였다. 양 끝으로 벌어진 각도가 10도인 SBDP 안테나를 FR4 기판(비유전율 4.
제안된 안테나는 기존의 SDP 안테나의 직선 다이폴 소자 대신에 보우타이 모양의 다이폴 소자를 사용하였다. 보우타이 다이폴의 양끝으로 벌어진 각도에 따른 안테나의 입력 반사계수, 이득 및 입력 임피던스 특성을 비교 분석하였다. 시뮬레이션 분석 결과, 양 끝으로 벌어진 각도가 증가할수록 안테나의 가장 낮은 동작 주파수가 저주파수 대역으로 이동하였으며, 이를 이용하여 저주파수 대역으로 이동한 만큼 다이폴 소자의 길이를 줄일 수 있다.
6mm) 상에 제작하여 SDP 안테나와 특성을 비교하였다. 상용 툴인 CST사의 Microwave Studio (MWS)를 이용하여 안테나의 특성을 시뮬레이션하고 설계 변수를 최적화하였다.
보우타이 다이폴의 양끝으로 벌어진 각도(flare angle)에 따른 안테나의 입력 반사계수, 이득 및 입력 임피던스 특성을 분석하였다. 양 끝으로 벌어진 각도가 10도인 SBDP 안테나를 FR4 기판(비유전율 4.4, 두께 1.6mm) 상에 제작하여 SDP 안테나와 특성을 비교하였다. 상용 툴인 CST사의 Microwave Studio (MWS)를 이용하여 안테나의 특성을 시뮬레이션하고 설계 변수를 최적화하였다.
대상 데이터
임피던스 대역폭을 최대화하고 안정된 이득을 얻기 위해 시뮬레이션을 통해 최적화된 파라메터는 다음과 같다[8]. lg =90 mm, wg = 15 mm, xf = 5 mm, yf = 23 mm, l1 = 72 mm, l2 = 50.4 mm, w1 = w2 = 7.5 mm, wCPS = 20 mm, s1 = s2 = 36 mm, ws = 0.7 mm, W = 115 mm. 시뮬레이션 결과, VSWR < 2인 대역폭은 47.
7 GHz 대역에서 동작하는 이동 통신 기지국용 광대역 직렬 급전 보우타이 다이폴 쌍 안테나를 제안하였다. 기존의 직렬 급전 다이폴 쌍 안테나는 두 개의 서로 다른 길이의 직선 스트립 다이폴이 CPS 급전선으로 바로 연결되어 있으며[8], 제안된 안테나는 직선 다이폴 소자 대신에 보우타이 모양의 다이폴 소자를 사용하였다. 보우타이 다이폴의 양끝으로 벌어진 각도(flare angle)에 따른 안테나의 입력 반사계수, 이득 및 입력 임피던스 특성을 분석하였다.
제안된 설계 방법과 시뮬레이션 결과를 검증하기 위하여 FR4 기판(εr = 4.4 , 두께 = 1.6 mm, loss tangent =0.025)을 이용하여 Fig. 6과 같이 SDP 안테나와 각도가 10도인 SBDP 안테나를 제작하였다.
제안된 설계 방법과 시뮬레이션 결과를 검증하기 위하여 양 끝으로 벌어진 각도가 10도인 SBDP 안테나를 FR4기판 상에 제작하였고, SDP 안테나와 비교하여 안테나의 전체 폭이 10% 줄어들었다. 제작된 SBDP 안테나의 VSWR이 2 이하인 측정된 임피던스 대역폭은 48.
7 GHz 대역에서 동작하는 이동통신 기지국용 광대역 SBDP 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 기존의 SDP 안테나의 직선 다이폴 소자 대신에 보우타이 모양의 다이폴 소자를 사용하였다. 보우타이 다이폴의 양끝으로 벌어진 각도에 따른 안테나의 입력 반사계수, 이득 및 입력 임피던스 특성을 비교 분석하였다.
제작된 SDP 안테나와 SBDP 안테나의 크기는 각각 90 mm × 115 mm와 81 mm × 115 mm이다.
성능/효과
VSWR < 2인 임피던스 대역폭은 시뮬레이션 결과 각각 47.3% (1.68—2.72 GHz)와 47.96% (1.68—2.74 GHz)이고, 측정결과는 각각 47.8% (1.72—2.8 GHz)와 48.8% (1.69—2.78 GHz)이다.
시뮬레이션 결과, VSWR < 2인 대역폭은 47.62% (1.68—2.73 GHz)이고 이득은 5.4-6.1 dBi이다.
78 GHz)이다. 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 잘 일치함을 알 수 있으며, 측정 결과를 기준으로 SBDP 안테나의 대역폭이 약간 (2.1%) 증가하였음을 알 수 있다. 측정 이득의 경우, 1.
보우타이 다이폴의 양끝으로 벌어진 각도에 따른 안테나의 입력 반사계수, 이득 및 입력 임피던스 특성을 비교 분석하였다. 시뮬레이션 분석 결과, 양 끝으로 벌어진 각도가 증가할수록 안테나의 가장 낮은 동작 주파수가 저주파수 대역으로 이동하였으며, 이를 이용하여 저주파수 대역으로 이동한 만큼 다이폴 소자의 길이를 줄일 수 있다.
이상의 결과들로 볼 때, 제안된 SBDP 안테나는 SDP 안테나에 비해 폭이 10% 소형화되었음에도 불구하고 대등한 성능을 유지하는 우수한 특성을 갖는 것으로 볼 수 있다.
임피던스 대역폭은 SDP 안테나에 비해 2.1% 증가하였고, 이득은 0.1—0.3 dB 향상되었고, 전후방비는 0.8—4.4 dB 증가하였다.
측정 이득의 경우, 1.7—2.6 GHz 대역에서 각각 5.5—6.2 dBi와 5.8—6.3 dBi로 0.1—0.3 dB 향상되었음을 알 수 있다.
후속연구
제안된 안테나는 PCS, IMT2000, LTE 등의 다양한 이동통신을 지원하는 기지국 안테나 혹은 소출력 중계기용 안테나로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
프린트된 모노폴 안테나는 어떤 응용분야에 사용되고 있는가?
프린트된 모노폴과 다이폴 안테나는 가장 간단한 형태의 평면 안테나이며 다양한 분야에서 응용되고 있다. 프린트된 모노폴 안테나는 간단한 구조, 작은 크기와 전방향 방사패턴과 같은 성질을 이용하여 다중 대역과 광대역 응용분야에 사용되고 있다. 프린트된 다이폴 안테나도 모노폴 안테나와 유사한 성질을 가지며 여러 배열 안테나를 구성하는 기본 소자로써 사용되고 있다.
평면안테나에 대한 관심이 증가하는 이유는?
무선통신의 발달로 인해 평면상에 프린트 기법으로 제작하여 저가격, 경량화, 집적화가 가능한 평면안테나에 대한 관심이 증가하고 있다. 프린트된 모노폴과 다이폴 안테나는 가장 간단한 형태의 평면 안테나이며 다양한 분야에서 응용되고 있다.
본 연구에서 제안한 이동통신 기지국용 광대역 SBDP 안테나는 기존 직선 다이폴 소자 대신에 무엇을 사용하였는가?
7 GHz 대역에서 동작하는 이동통신 기지국용 광대역 SBDP 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 기존의 SDP 안테나의 직선 다이폴 소자 대신에 보우타이 모양의 다이폴 소자를 사용하였다. 보우타이 다이폴의 양끝으로 벌어진 각도에 따른 안테나의 입력 반사계수, 이득 및 입력 임피던스 특성을 비교 분석하였다.
참고문헌 (8)
R. Waterhouse, Printed Antennas for Wireless Communications. Chichester, U.K.: Wiley, 2007.
M.A. Antoniades, G.V Eleftheriades, "Multiband compact printed dipole antennas using NRI-TL metamaterial loading," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 60, no. 12, pp. 5613-5626, Dec. 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TAP.2012.2211324
R.L. Li, T. Wu, B. Pan, K. Lim, J. Laskar, and M.M. Tentzeris, "Equivalent-circuit analysis of a broadband printed dipole with adjusted integrated balun and an array for base station applications," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 57, no. 7, pp. 2180-184, Jul. 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TAP.2009.2021967
N. Kaneda, W.R. Deal, Y. Qian, R. Waterhouse, and T. Itoh, "A broad-band planar quasi-Yagi antenna," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 50, no. 8, pp. 1158-1160, Aug. 2002. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TAP.2002.801299
Z. Zhou, S. Yang, and Z. Nie, "A novel broadband printed dipole antenna with low cross-polarization," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 55, no. 11, pp. 3091-3093, Nov. 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TAP.2007.908570
J. Yeo, and J.-I. Lee, "Broadband series-fed two dipole array antenna with an integrated balun for mobile communication applications," Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 54, no. 9, pp. 2166-2168, Sep. 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/mop.27009
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