김선웅
(Department of Information and Communication Engineering, Graduate School of Chosun University)
,
김걸범
(Department of IT Convergence Engineering, Chosun University)
,
윤중현
(Department of Photoelectronics, Chosun College of Science & Technology)
,
최동유
(Department of Information and Communication Engineering, Chosun University)
안테나에서의 소형화 기법은 안테나의 물리적인 모양을 변형하여 공진에 필요한 전기적인 길이를 주어진 공간에서 최대화하고 경우에 따라서 고차의 공진모드를 이용하는 방법이다. 가장 대표적인 설계방법으로는 헬리컬 안테나, 미앤더 안테나, 프랙탈 안테나 등이다. 본 논문에서 제안한 소형화 안테나는 프랙탈 개념의 koch curve 구조이다. 안테나는 ISM 대역의 2.45 GHz 주파수이며, 마이크로스트립 패치 안테나로 제작하였다. koch curve 마이크로스트립 패치 안테나는 유전율 4.7, 유전체 높이 1.6 mm, 손실 탄젠트 0.02의 FR4 epoxy 기판을 사용하였으며, 에칭공정으로 제작하였다. 제작된 안테나의 반사손실 결과는 2.45 GHz 대역에서 -23.17 dB, VSWR 결과는 1.1491, 임피던스정합은 $46{\Omega}$이다.
안테나에서의 소형화 기법은 안테나의 물리적인 모양을 변형하여 공진에 필요한 전기적인 길이를 주어진 공간에서 최대화하고 경우에 따라서 고차의 공진모드를 이용하는 방법이다. 가장 대표적인 설계방법으로는 헬리컬 안테나, 미앤더 안테나, 프랙탈 안테나 등이다. 본 논문에서 제안한 소형화 안테나는 프랙탈 개념의 koch curve 구조이다. 안테나는 ISM 대역의 2.45 GHz 주파수이며, 마이크로스트립 패치 안테나로 제작하였다. koch curve 마이크로스트립 패치 안테나는 유전율 4.7, 유전체 높이 1.6 mm, 손실 탄젠트 0.02의 FR4 epoxy 기판을 사용하였으며, 에칭공정으로 제작하였다. 제작된 안테나의 반사손실 결과는 2.45 GHz 대역에서 -23.17 dB, VSWR 결과는 1.1491, 임피던스 정합은 $46{\Omega}$이다.
The antenna miniaturization technique involves the increment of the electrical length of the resonator the variation of the physical appearance of the antenna. The most typical method of size reduction is designing helical antenna, meander antenna, and fractal antenna. Size reduction using fractal a...
The antenna miniaturization technique involves the increment of the electrical length of the resonator the variation of the physical appearance of the antenna. The most typical method of size reduction is designing helical antenna, meander antenna, and fractal antenna. Size reduction using fractal antenna is proposed in this paper. Fractal koch curve has been etched in microstrip patch antenna to downsize the antenna at ISM (Industrial Scientific and Medical) frequency band of 2.45 GHz koch curve microstrip patch antenna ha FR4 epoxy substrate with dielectric constant 4.7, loss tangent equal to 0.02 and dielectric high of 1.6 mm. The designed antenna is fabricated using etching process. The fabricated antenna has return loss of 2.45 GHz, VSWR of 1.1492, and impedance is matched to $46{\Omega}$.
The antenna miniaturization technique involves the increment of the electrical length of the resonator the variation of the physical appearance of the antenna. The most typical method of size reduction is designing helical antenna, meander antenna, and fractal antenna. Size reduction using fractal antenna is proposed in this paper. Fractal koch curve has been etched in microstrip patch antenna to downsize the antenna at ISM (Industrial Scientific and Medical) frequency band of 2.45 GHz koch curve microstrip patch antenna ha FR4 epoxy substrate with dielectric constant 4.7, loss tangent equal to 0.02 and dielectric high of 1.6 mm. The designed antenna is fabricated using etching process. The fabricated antenna has return loss of 2.45 GHz, VSWR of 1.1492, and impedance is matched to $46{\Omega}$.
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문제 정의
따라서 본 연구는 무선통신 시스템의 소형 및 경량화를 위해 안테나의 소형화를 연구하였다. 안테나의 소형화 방법에는 안테나의 물리적인 모양을 변형하여 공진에 필요한 전기적인 길이를 주어진 공간에서 최대화하고 경우에 따라서 고차의 공진모드를 이용하는 방법이다.
제안 방법
17 ㏈이며, -10 ㏈ 대역폭은 50 ㎒이다. VSWR 및 스미스 차트를 통해 koch curve 마이크로스트립 패치 안테나의 정합을 확인하였다. 제작한 koch curve 마이크로스트립 패치 안테나의 정재파비 실측 값은 그림 9와 같다.
본 논문에서는 마이크로스트립 패치 안테나의 소형화를 위하여 프랙탈 개념의 koch curve 구조를 응용하여 제작하였다. koch curve 마이크로스트립 패치 안테나는 Ansys사의 HFSS 툴을 이용하여 설계하였으며, 이를 기반으로 에칭 공정으로 제작하였다. 안테나는 유전율 4.
공진 주파수가 낮아지는 특성을 통해 표 4의 구조 1, 구조2, 구조 3, 구조 4의 전기적 길이의 변화를 통해 2.074 ㎓ 대역에서 2.45 ㎓ 대역으로 다시 재 정합하였으며, 안테나의 면적을 축소시켰다. 이에 따른 반사손실 결과는 그림 6과 같다.
본 논문에서 제안한 koch curve 마이크로스트립 패치 안테나는 그림 1의 기본 구조 안테나(L, W)에 koch curve 구조를 적용하여 전기적 길이(L1, W1)를 증가함으로서 안테나의 공진 주파수의 특성을 분석하였다. 안테나의 구조 및 상세 크기는 그림 4, 표 3과 같다.
본 논문에서는 마이크로스트립 패치 안테나의 소형화를 위하여 프랙탈 개념의 koch curve 구조를 응용하여 제작하였다. koch curve 마이크로스트립 패치 안테나는 Ansys사의 HFSS 툴을 이용하여 설계하였으며, 이를 기반으로 에칭 공정으로 제작하였다.
본 논문에서는 프랙탈 구조의 koch curve 형태를 적용하여 소형의 마이크로스트립 패치 안테나(microstrip patch antenna)를 설계 및 제작하였다. 기존에 연구한 koch curve 마이크로스트립 패치 안테나에 사각 슬릿을 더욱 반복하였으며, 안테나의 공진점 및 물리적 길이의 변화를 관찰하였다[5].
안테나는 초고주파 해석 시뮬레이션 프로그램인 Ansys사의 HFSS (Ver.12)를 이용하여 시뮬레이션을 하였다. 제안한 기본 구조 마이크로스트립 패치 안테나의 반사손실 예측 값은 그림 3과 같다.
이러한 다양한 응용에서 방사체가 큰 안테나는 무선통신 시스템의 소형화 관점에서 적합하지 않으므로 koch curve 구조를 통해 안테나의 소형화를 유도하였다. 제안한 기본 구조 마이크로스트립 패치 안테나는 inset-fed 구조를 갖는 안테나로서 패치와 급전선이 연결되는 부분에 두 개의 슬롯을 통하여 임피던스를 정합하였다[10-13].
기존에 연구한 koch curve 마이크로스트립 패치 안테나에 사각 슬릿을 더욱 반복하였으며, 안테나의 공진점 및 물리적 길이의 변화를 관찰하였다[5]. 이를 위해 제 2 장에서는 koch curve 마이크로스트립 패치 안테나를 설계 및 제안하였다. 제 3 장에서는 시뮬레이션 및 측정을 통해 안테나 특성을 분석하였으며, 제 4 장에서는 결론을 맺는다.
이러한 다양한 응용에서 방사체가 큰 안테나는 무선통신 시스템의 소형화 관점에서 적합하지 않으므로 koch curve 구조를 통해 안테나의 소형화를 유도하였다. 제안한 기본 구조 마이크로스트립 패치 안테나는 inset-fed 구조를 갖는 안테나로서 패치와 급전선이 연결되는 부분에 두 개의 슬롯을 통하여 임피던스를 정합하였다[10-13].
제작한 koch curve 마이크로스트립 패치 안테나는 다양한 변수를 통해 분석하였다. 전기적 길이 변화에 따른 구조-4의 koch curve 마이크로스트립 패치 안테나 동작 주파수가 ISM 대역 2.
제작한 안테나는 Agilent사의 네트워크 분석기 (N5230A)를 이용하여 반사손실 및 임피던스, 정재파비등을 측정하였다. 제작한 koch curve 마이크로스트립 패치 안테나의 반사손실 실측 값은 그림 8과 같다.
대상 데이터
본 논문에서 설계한 inset-fed 구조의 마이크로스트립 패치 안테나의 주요 파라미터와 상세 크기는 표 1, 표 2와 같다.
본 논문에서 제안한 마이크로스트립 패치 안테나는 접지면을 갖는 유전율 ɛr인 유전체 기판 위에 폭 W와 길이 L을 갖는 전형적인 사각형 패치 안테나이며 그림 1과 같다.
koch curve 마이크로스트립 패치 안테나는 Ansys사의 HFSS 툴을 이용하여 설계하였으며, 이를 기반으로 에칭 공정으로 제작하였다. 안테나는 유전율 4.7인 FR4_epoxy 기판을 사용하였으며, 제작한 안테나는 Agilent사의 네트워크 분석기(N5230A)를 이용하여 반사손실과 정재파비, 임피던스 정합을 측정하였다.
Ⅲ. 안테나 설계 및 제작
제안한 koch curve 마이크로스트립 패치 안테나의 공진 주파수는 WLAN (Wireless Local Area Network), Bluetooth, RFID (Radio Frequency IDentification) 기반의 무선통신 시스템에 널리 사용되고 있는 ISM (Industrial Scientific and Medical) 대역의 2.45 ㎓로 선정하였다[9].
성능/효과
45 ㎓에 가장 근접하였다. 기본 구조의 마이크로스트립 패치 안테나에 비하여 제안한 안테나는 23.87%의 축소율을 보였으며, ISM 대역의 2.45 ㎓ 주파수 대역에 정합되어 안테나 특성 파라미터를 만족하였다.
본 논문에서 제안한 koch curve 마이크로스트립 패치 안테나는 소형화 및 ISM 대역의 2.45 ㎓ 주파수의 두 가지 조건을 만족하였다.
074 ㎓ 대역으로 375 ㎒ 만큼 이동하였다. 즉 koch curve 구조를 이용한 전기적 길이의 증가는 공진 주파수가 낮아지는 특성을 보였다.
후속연구
향후에는 다양한 방법의 소형화 설계를 통하여 높은 이득의 소형 및 경량화 안테나를 제안하여 다양한 무선 통신 시스템의 연계성에 부합하는 안테나를 설계하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
안테나에서의 소형화 기법은 무엇을 의미하는가?
안테나에서의 소형화 기법은 안테나의 물리적인 모양을 변형하여 공진에 필요한 전기적인 길이를 주어진 공간에서 최대화하고 경우에 따라서 고차의 공진모드를 이용하는 방법이다. 가장 대표적인 설계방법으로는 헬리컬 안테나, 미앤더 안테나, 프랙탈 안테나 등이다.
프랙탈 안테나 구조는 어떻게 이루어지는가?
가장 대표적인 설계방법으로는 프랙탈(fractal) 안테나이다. 프랙탈 안테나 구조에는 sierpinski gasket, koch curve, fractal tree, sierpinski carpet 등이다.
패치 안테나가 가지는 문제점은 무엇인가?
프랙탈 구조가 반복됨에 따라 다중 공진 특성이 발생하게 되며 다중 대역에 대해 좋은 반사손실 특성을 보인다. 하지만 안테나의 구조가 복잡해지는 단점이 있다. 따라서, 안테나를 구현하는데 많은 어려움이 따른다[4].
참고문헌 (13)
G. B. Kim, "Miniaturization of Microstrip Patch Antenna using Koch Curve Geometry,"M.S. thesis, Chosun Univ., Aug. 2014.
B. S. Kim, "Miniaturization of Microstrip Patch Antenna using Fractal Geometry," M.S. thesis, Chosun Univ., Feb. 2013.
Sika, S., S.-K. Noh, and D.-Y. Choi, "Comparative Study od Antenna Design for RF Energy Harvesting", International Journal of Antennas and Propagation, 2013, pp. 1-10.
H. S. An, "Design of the UWB Antenna Using Fractal Concept," M.S. thesis, Hanbat National Univ., Feb. 2008.
S. W. Kim, D. S. Lim, Y. G. Kim and D. Y. Choi, "Design and Implementation of Koch Curve Microstrip Patch Antenna for Antenna Miniaturization," Korea Society of IT Services, vol. 12, no. 3, pp. 323-330, Sep. 2013.
E. O. Hammerstad, "Equations for Microstrip Circuit Design," Proc. Fifth European Microwave Conf., pp. 268-272, Sep. 1975.
Constantine A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, Third edition, A John Wily and Sons, INC. Publication.
I. K. Kim, "Microstrip patch antenna using the Koch island fractal geometry," M.S. thesis, Yonsei Univ. Dec. 2000.
D. Y. Choi, Sika Shrestha, J. J. Park and S. N. Noh, "Design and Performance of an Efficient Rectenna Incorporating a Fractal Structure," International Journal of Communication System, No. 2013, pp. 1-19, Jul. 2013.
S. W. Kim, D. Y. Choi, "Design and Implementation of Rectenna using 2x2 Array Patch Antenna," Korea Society of IT Services, vol. 13, no. 1, pp. 135-146, mar. 2014.
Y. B. Thakare, Rajkumar, "Design of fractal patch antenna for size and radar cross-section reduction," The Institution of Engineering and Technology, vol. 4, iss. 2, pp. 175-181, feb. 2010.
Abolfazl Azari, "A New Super Wideband Fractal Microstrip Antenna," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 59, no. 5, pp. 1724-1727, may. 2011.
V. V. Reddy, N. V. S. N. Sarma, "Compact Circularly Polarized Asymmetrical Fractal Boundary Microstrip Antenna for Wireless Applications," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 13, pp. 118-121, jan. 2014.
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