본 논문에서는 차세대 WLAN 시스템을 위한 다중대역 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 기존의 WLAN 시스템에서는 UWB용 안테나를 병행으로 사용하였으며, 안테나 구조에 따라 각각 다른 부분에서 복사가 일어나기 때문에 분산 특성으로 인한 불안정한 임펄스 응답 특성을 갖는 단점이 있다. 이런 점을 보완하기 위해 WLAN 대역에 적합한 복사 패턴을 갖는 UWB 안테나가 개발되었으나 임피던스 매칭이 좋지 않고 반향이 심한 문제점이 있다. 그러므로 본 논문에서는 안테나 설계 시 다양한 임피던스를 쉽게 구현할 수 있고, 설계 시 사용할 수 있는 파라미터를 더 많이 도출하여 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 CPW 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다.
본 논문에서는 차세대 WLAN 시스템을 위한 다중대역 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 기존의 WLAN 시스템에서는 UWB용 안테나를 병행으로 사용하였으며, 안테나 구조에 따라 각각 다른 부분에서 복사가 일어나기 때문에 분산 특성으로 인한 불안정한 임펄스 응답 특성을 갖는 단점이 있다. 이런 점을 보완하기 위해 WLAN 대역에 적합한 복사 패턴을 갖는 UWB 안테나가 개발되었으나 임피던스 매칭이 좋지 않고 반향이 심한 문제점이 있다. 그러므로 본 논문에서는 안테나 설계 시 다양한 임피던스를 쉽게 구현할 수 있고, 설계 시 사용할 수 있는 파라미터를 더 많이 도출하여 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 CPW 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다.
In this paper, we designed a multiband monopole antenna for next-generation WLAN system. In conventional WLAN system, UWB antennas were used together, and, because the radiation occurs in different parts depending on the antenna structure, it has the disadvantage of having an unstable impulse respon...
In this paper, we designed a multiband monopole antenna for next-generation WLAN system. In conventional WLAN system, UWB antennas were used together, and, because the radiation occurs in different parts depending on the antenna structure, it has the disadvantage of having an unstable impulse response characteristic due to dispersion characteristics. Although a UWB antenna that has suitable radiation pattern for WLAN band, it does not have good impedance matching and has severe echo. Therefore, in this paper, a monopole antenna was designed by using CPW power feed so that various impedances can be easily implemented when designing an antenna and more parameters can be derived that can be used for design for optimal performance.
In this paper, we designed a multiband monopole antenna for next-generation WLAN system. In conventional WLAN system, UWB antennas were used together, and, because the radiation occurs in different parts depending on the antenna structure, it has the disadvantage of having an unstable impulse response characteristic due to dispersion characteristics. Although a UWB antenna that has suitable radiation pattern for WLAN band, it does not have good impedance matching and has severe echo. Therefore, in this paper, a monopole antenna was designed by using CPW power feed so that various impedances can be easily implemented when designing an antenna and more parameters can be derived that can be used for design for optimal performance.
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문제 정의
그러나 높은 유전율의 유전체를 사용하면 안테나의 크기를 매우 축소할 수 있으나, 유전체 손실에 의한 효율의 저하는 여전히 문제가 되고 있다[3][4]. 따라서 본 논문에서는 IEEE 802.11의 무선랜 대역에서의 사용이 용이하고, 주파수의 독립특성을 갖고 광대역 정합 특성과 다양한 방사패턴으로 폭넓은 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 및 축비 대역폭을 확보할 수 있는 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 안테나 설계시 PSO[5] 알고리즘을 적용하여 기존 안테나의 단점이었던 안테나의 낮은 입력저항, 대역폭, 안테나의 이득 등을 개선하였으며 안테나 제작 시 발생하게 되는 매개변수 검출 오류를 최소화 하였다.
본 논문에서는 IEEE 802.11의 무선 랜 대역에서의 사용이 용이하고, 주파수의 독립특성을 갖고 광대 역 정합 특성과 다양한 방사패턴으로 폭넓은 VSWR 및 축비 대역폭을 확보할 수 있는 소형 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 안테나제작 시 IC 집적회로에 전송선을 집적 쉽게 연결하며, 중앙 스트립 선로와 슬롯의 폭을 변화시켜 원하는 다양한 임피던스를 쉽게 구현할 수 있고, 설계 시 사용할 수 있는 파라미터를 더 많이 도출하여 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 CPW급전을 사용하여 안테나를 설계하였다.
본 논문에서는 WLAN 대역에서 사용이 가능하고 태그의 크기를 소형화 시키면서 다양한 방사패턴을 확보하고, 폭넓은 VSWR 및 축비 대역폭을 확보 할 수 있도록 CPW 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. CPW 급전 구조는 마이크로파용 집적회로를 제작할 때 IC 집적회로에 전송선을 집적 쉽게 연결할 수 있다.
제안 방법
CPW 급전 선로 구성 시 등각매핑(Conformal Mapping) 방법을 이용한 CPW 해석을 이용하여 먼저 실효 유전율과 50Ω에 맞는 CPW 급전 선로의 폭, 선로의 길이와 접지면의 간격을 결정 하였다.
소형 안테나를 설계하게 될 경우, 최적화 변수가 방향과 범위에 의해 제어되기 때문에 고정 비율에 의해 변수 사이에서 복잡한 관계를 설정할 수 없다는 단점을 가지고 있어 소형안테나 설계 시 최적화 된 매개 변수 검출 시 오류를 발생하게 된다. 따라서 PSO기법을 적용하여 안테나를 설계하여 기존 방식으로 제작된 소형 안테나 단점인 낮은 안테나의 입력저항, 대역폭, 안테나의 이득 등을 개선하였다. 본 논문에서 설계한 안테나는 국제 WLAN 표준인 IEEE 802.
안테나 설계 시 태그 칩의 입력 리액턴스 성분이 커패시티브한 값을 가지므로, 태그 안테나가 광대역 특성을 갖기 위해서 태그 안테나의 입력 임피던스가 태그 칩과 유사한 낮은 입력 저항 값을 갖고 입력 리액턴스는 인덕티브한 성분을 가져 임피던스공액 정합이 잘 이루어지도록 하였다. 또한 그라운드에 사용되는 상단, 하단 패치는 폭넓은 VSWR 및 축비 대역폭을 확보할 수 있도록 대칭이 될 수 있는 크기로 설계하였다. 이 때, 패치의 소자는 선형변단면으로 되어있으며, 폭 (W)와 길이 (L), 패치와 패치 사이의 폭 (g), 패치와 CPW 선로사이의 폭 (d)는 PSO 알고리즘을 적용하여 최적의 값을 설정 하였으며, 패치에 삽입되는 슬롯은 실험을 통해 최적의 값을 설정하였다.
또한 안테나에 부착되는 상용 태그 칩과 정합을 위해 사각 형태의 급전부를 본체에 연결하였으며, 안테나의 복수부인 본체를 효과적으로 축소하기 위하여 패치에 슬롯을 삽입한 형태로 설계하였다. CPW 급전 선로 구성 시 등각매핑(Conformal Mapping) 방법을 이용한 CPW 해석을 이용하여 먼저 실효 유전율과 50Ω에 맞는 CPW 급전 선로의 폭, 선로의 길이와 접지면의 간격을 결정 하였다.
그리고 안테나의 양호한 임피던스 매칭과 축비를 위한 Sw=15mm일 때 반사손실이 가장 적게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 설계된 안테나는 HFSS를 사용하여 시뮬레이션 하였다. 측정결과 안테나의 시뮬레이션에 의한 임피던스 대역폭은 –10dB 미만의 S11에 대하여 5.
안테나 설계 및 시뮬레이션 과정을 기반으로 최적화된 파라미터 값으로 안테나를 설계하였다. 설계된 안테나의 시뮬레이션은 HFSS를 사용하였으며, 측정결과 <그림 7>에 나타난바와 같이 안테나의 반사손실은 -10dB 미만의 S11에 대하여 5.
안테나 설계 시 태그 칩의 입력 리액턴스 성분이 커패시티브한 값을 가지므로, 태그 안테나가 광대역 특성을 갖기 위해서 태그 안테나의 입력 임피던스가 태그 칩과 유사한 낮은 입력 저항 값을 갖고 입력 리액턴스는 인덕티브한 성분을 가져 임피던스공액 정합이 잘 이루어지도록 하였다. 또한 그라운드에 사용되는 상단, 하단 패치는 폭넓은 VSWR 및 축비 대역폭을 확보할 수 있도록 대칭이 될 수 있는 크기로 설계하였다.
11의 무선랜 대역에서의 사용이 용이하고, 주파수의 독립특성을 갖고 광대역 정합 특성과 다양한 방사패턴으로 폭넓은 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 및 축비 대역폭을 확보할 수 있는 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 안테나 설계시 PSO[5] 알고리즘을 적용하여 기존 안테나의 단점이었던 안테나의 낮은 입력저항, 대역폭, 안테나의 이득 등을 개선하였으며 안테나 제작 시 발생하게 되는 매개변수 검출 오류를 최소화 하였다.
11의 무선 랜 대역에서의 사용이 용이하고, 주파수의 독립특성을 갖고 광대 역 정합 특성과 다양한 방사패턴으로 폭넓은 VSWR 및 축비 대역폭을 확보할 수 있는 소형 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 안테나제작 시 IC 집적회로에 전송선을 집적 쉽게 연결하며, 중앙 스트립 선로와 슬롯의 폭을 변화시켜 원하는 다양한 임피던스를 쉽게 구현할 수 있고, 설계 시 사용할 수 있는 파라미터를 더 많이 도출하여 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 CPW급전을 사용하여 안테나를 설계하였다. 또한 안테나 설계 시 소형화에 중요하게 적용되는 매개변수들의 정확한 값을 적용하기 PSO 알고리즘을 적용하여 안테나의 매개변수를 도출하였다.
또한 그라운드에 사용되는 상단, 하단 패치는 폭넓은 VSWR 및 축비 대역폭을 확보할 수 있도록 대칭이 될 수 있는 크기로 설계하였다. 이 때, 패치의 소자는 선형변단면으로 되어있으며, 폭 (W)와 길이 (L), 패치와 패치 사이의 폭 (g), 패치와 CPW 선로사이의 폭 (d)는 PSO 알고리즘을 적용하여 최적의 값을 설정 하였으며, 패치에 삽입되는 슬롯은 실험을 통해 최적의 값을 설정하였다. <그림 4>는 적용된 PSO 알고리즘의 체계도를 나타낸 것으로 수행절차는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
대상 데이터
본 논문에서 설계한 안테나는 국제 WLAN 표준인 IEEE 802.11a를 만족하기 위해 안테나의 공진 주파수를 5.2GHz로 설정하였고, FR-4 기판을 사용하였으며, 실제 단말기 사이즈를 고려하여 35 mm×65mm 크기의 기판을 이용하여 설계하였다.
<그림 3>은 설계된 안테나의 구조를 나타낸 것이다. 안테나 설계에 사용된 기판은 설계에 사용된 기판은 좁은 대역폭에서 안테나의 소형화를 위하여 유전율 4.3를 가지고 두께가 0.8 mm인 FR-4 기판을 사용하였으며, 안테나 설계에 사용된 유전체 재료는 실리콘을 사용하였다. 또한 실제 단말기 사이즈를 고려하여 35mm×65mm 크기의 기판을 이용하였고, 안테나가 5GHz 대역에서의 공진을 위해 안테나의 상단부에 슬롯을 삽입하였다.
이론/모형
안테나제작 시 IC 집적회로에 전송선을 집적 쉽게 연결하며, 중앙 스트립 선로와 슬롯의 폭을 변화시켜 원하는 다양한 임피던스를 쉽게 구현할 수 있고, 설계 시 사용할 수 있는 파라미터를 더 많이 도출하여 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 CPW급전을 사용하여 안테나를 설계하였다. 또한 안테나 설계 시 소형화에 중요하게 적용되는 매개변수들의 정확한 값을 적용하기 PSO 알고리즘을 적용하여 안테나의 매개변수를 도출하였다. 소형 안테나를 설계하게 될 경우, 최적화 변수가 방향과 범위에 의해 제어되기 때문에 고정 비율에 의해 변수 사이에서 복잡한 관계를 설정할 수 없다는 단점을 가지고 있어 소형안테나 설계 시 최적화 된 매개 변수 검출 시 오류를 발생하게 된다.
성능/효과
Sw의 길이 변화를 측정한 결과 모든 경우 WLAN의 주파수 범위에 만족하였으며, Sw =15mm가 일 때 반사손실이 가장 적게 나타나 Sw =15mm로 선정하였다.
공진 주파수를 변화시킬 수 있는 SL=15mm의 경우 WLAN의 주파수 범위에 만족하였으며, 이 때, 반사손실이 가작 적게 나타나 SL=15mm로 선정하였다. 그리고 안테나의 양호한 임피던스 매칭과 축비를 위한 Sw=15mm일 때 반사손실이 가장 적게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 설계된 안테나는 HFSS를 사용하여 시뮬레이션 하였다.
또한, 양호한 LHCP 영역을 확인 할 수 있으며 넓은 대역 방향 (𝜃=0°)에서 RHCP보다 약 20dB 정도 크게 나타난 것을 알 수 있다. 또한 안테나의 이득은 5.285GHz에서 6.2dBi으로 나타나 우수한 성능을 갖는 것으로 나타났다. 하지만 특정 대역에서 공진이 되는 안테나이기 때문에 사용의 제한이 있어 차후 연구를 통해 다중대역에서IEEE 802.
또한 안테나의 일반적인 방사패턴 형태인 전 방향 패턴이 되는 것을 확인할 수 있으며, 2.45GHz에서 E-영역의 최대 이득은 5.2dBi, 최대 복사 방향은 25°로 나타났다.
35GHz의 영역을 보였다. 또한, 안테나의 측정된 임피던스 대역폭은 5.8%였으며 주파수 범위는 5.15~5.44GHz의 영역을 보였고, 이는 5.2GHz 대역폭의 WLAN에서 요구되는 대역폭을 만족 시켰다. 시뮬레이션에 의한 대역폭(AR≤3dB)은 70MHz 이며 5.
33%)의 주파수 범위를 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 양호한 LHCP 영역을 확인 할 수 있으며 넓은 대역 방향 (𝜃=0°)에서 RHCP보다 약 20dB 정도 크게 나타난 것을 알 수 있다. 또한 안테나의 이득은 5.
설계된 안테나의 시뮬레이션은 HFSS를 사용하였으며, 측정결과 에 나타난바와 같이 안테나의 반사손실은 -10dB 미만의 S11에 대하여 5.2%였으며 주파수 범위는 5.08~5.35 GHz의 영역을 보였다.
시뮬레이션에 의한 대역폭(AR≤3dB)은 70MHz 이며 5.23GHz에서 0.4dB의 최소 AR에 대하여 5.195~5.265 GHz의 주파수 범위를 만족하는 것을 확인할 수 있었으며, 측정된 축비는 5.285 GHz에서 1 dB의 최소 AR에 대하여 5.245 ~ 5.315 GHz (1.33%)의 주파수 범위를 나타내는 것을 확인하였다.
안테나설계 시 SL의 길이가 안테나에 미치는 효과는 Sw의 경우 보다 미약하게 나타났으며, 안테나의 양호한 임피던스 매칭과 축비를 위한 SL =5mm일 때 반사손실이 가장 적게 나타나, SL =5mm로 설정하였다.
<그림 9>는 안테나의 E-영역 방사패턴을 나타낸 것이다. 안테나의 방사패턴은 공진점인 2개의 주파수(2.45GHz, 5.5GHz)대역에서 실험하였고, 실험결과 이상적인 안테나의 방사 특성이 나타나는 것을 확인하였다. 또한 안테나의 일반적인 방사패턴 형태인 전 방향 패턴이 되는 것을 확인할 수 있으며, 2.
이때, Sw가 증가하면 안테나의 공진주파수는 감소하지만 대역폭과 최소 축 비율은 Sw의 변화에 대하여 작은 변화를 보인다. 이는 매우 유용한 결과로서 대역폭이나 축 비율에 큰 영향을 주지 않고 단지 Sw의 값을 조정하여 공진 주파수를 변경할 수 있음을 알 수 있었다. Sw의 길이 변화를 측정한 결과 모든 경우 WLAN의 주파수 범위에 만족하였으며, Sw =15mm가 일 때 반사손실이 가장 적게 나타나 Sw =15mm로 선정하였다.
측정결과 안테나의 시뮬레이션에 의한 임피던스 대역폭은 –10dB 미만의 S11에 대하여 5.2%였으며 주파수 범위는 5.08~5.35GHz의 영역을 보였다.
후속연구
2dBi으로 나타나 우수한 성능을 갖는 것으로 나타났다. 하지만 특정 대역에서 공진이 되는 안테나이기 때문에 사용의 제한이 있어 차후 연구를 통해 다중대역에서IEEE 802.11의 WLAN 대역을 모두 만족할 수 있는 안테나를 연구 개발할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
안테나의 소형화가 필요하게 된 배경은?
이러한 기기들의 보급 확대와 대용량의 다양한 컨텐츠가 개발되면서 데이터의 고속 전송 및 수신 능력은 휴대기기가 갖추어야할 필수 조건이 되었으며 기기의 성능을 판정하는 척도가 되고 있다[1]. 따라서 새로운 모바일환경에 적합한 새로운 안테나 개발이 요구되고 있으며, 4세대 이동 통신 서비스를 위한 단말기는 LTE, WiMAX 서비스 외에도 이동 통신망, WLAN, 블루투스, GPS 및 DMB 등의 서비스를 포함해야하고, 이에 따라 하나의 단말기 안에 다수의 안테나가 구현되어야 한다. 하지만 단말기의 크기는 제한되어있고 제공하는 서비스가 증가하면서 시스템이 복잡해지고 부피가 증가하면서 상대적으로 안테나장착 공간은 줄어들고 있기 때문에 안테나의 소형화가 요구되고 있는 실정이다[2]. 안테나를 소형화시키면 안테나 복사 패턴은 무지향성에 가까운 특성을 갖게 되며, 안테나 이득도 낮아지고, 안테나입력 저항은 매우 작아지고 리액턴스는 매우 커져 안테나의 대역폭이 매우 좁아지게 된다.
본 논문에서 소형 마이크로스트립 패치 안테나를 어떻게 설계하였는가?
본 논문에서는 IEEE 802.11의 무선 랜 대역에서의 사용이 용이하고, 주파수의 독립특성을 갖고 광대 역 정합 특성과 다양한 방사패턴으로 폭넓은 VSWR 및 축비 대역폭을 확보할 수 있는 소형 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. 안테나제작 시 IC 집적회로에 전송선을 집적 쉽게 연결하며, 중앙 스트립 선로와 슬롯의 폭을 변화시켜 원하는 다양한 임피던스를 쉽게 구현할 수 있고, 설계 시 사용할 수 있는 파라미터를 더 많이 도출하여 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 CPW급전을 사용하여 안테나를 설계하였다. 또한 안테나 설계 시 소형화에 중요하게 적용되는 매개변수들의 정확한 값을 적용하기 PSO 알고리즘을 적용하여 안테나의 매개변수를 도출하였다.
안테나는 소형화에 따라 어떤 문제가 생기는가?
하지만 단말기의 크기는 제한되어있고 제공하는 서비스가 증가하면서 시스템이 복잡해지고 부피가 증가하면서 상대적으로 안테나장착 공간은 줄어들고 있기 때문에 안테나의 소형화가 요구되고 있는 실정이다[2]. 안테나를 소형화시키면 안테나 복사 패턴은 무지향성에 가까운 특성을 갖게 되며, 안테나 이득도 낮아지고, 안테나입력 저항은 매우 작아지고 리액턴스는 매우 커져 안테나의 대역폭이 매우 좁아지게 된다. 이러한 문제점을 극복하면서 크기가 소형인 안테나를 개발하는 것은 결코 쉬운 일이 아니기 때문에 최근에는칩 기술이나 높은 유전율의 세라믹을 이용하기도 한다.
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