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근거리 WLAN을 위한 광대역 마이크로스트립 패치 안테나 설계
Design of Compact Microstrip Patch Antenna for Short Distance WLAN 원문보기

韓國ITS學會 論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.13 no.1, 2014년, pp.67 - 74  

최용석 (상지대학교 컴퓨터정보공학부, (주)코스모티어 기술연구소)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

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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.
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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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참고문헌 (13)

  1. S. H. Yeh, K. L. Wong, "Dual-band F-shaped Monople Antenna for 2.4/5.2GHz Wlan Application," In Proc. of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, vol. 4, pp.72-75, 2002. 

  2. Y. Liu, Q. W. Ye, B. Xiao, H. Yang, "A novel application of frequency selective surface in dual-band WLAN antenna,"In Proc. of International Symposium on Antennas and Propagation & EM Theory, vol. 1, pp.512-514, 2012. 

  3. C. Kim, J. S. Jang, Y. H. Jung, H. S. Lee, D. K. Cho, S. B. Park, "A Wideband Planar Surface Wave Antenna for the WLAN Router," International Journal of Electronics and Communications, vol. 64, Issue 9, pp.888.894, 2010. 

  4. M. C. Liang, Y. M. Chen, C. C. Huang, W. S. Chen, "An Electrically Small Impedance-matched Microstrip Antenna Design,"In Proc. of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, vol. 4, pp.38-41, 2002. 

  5. A. Kaveh, S. Talatahari,"Particle Swarm Optimizer, ant Colony Strategy and Harmony Search Scheme Hybridized for Optimization of Truss Structures" Computers & Structurem vol. 87, Issues 5-6, pp.267-283, 2009. 

  6. H. Kanaya, Y. Nakamura, R. K. Pokharel, K. Yoshida, H. Matsukuma,"Development of Electrically Small Planar Antennas with Transmission Line based Impedance Matching Circuit for a 2.4GHz band," International Journal of Electronics and Communications, vol. 65, Issue 2, pp.148-153, 2011. 

  7. J. Ng, R. W. Ziolkowski, J. S. Tyo, M. C. Skipper,"An Efficient, Electrically Small, Three-Dimensional Magnetic EZ Antenna for HPM Applications," IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 40, Issue 11, 2012. 

  8. H. Morishita, Y. H. Kim, K. Fujimoto,"Design oncept of Antennas for Small Mobile Terminals and the Future Perspective," IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 44, Issue 5, pp.30-43, 2002. 

  9. P. Lotfi, S. Soltani, M. Azarmanesh,"Triple band-notched UWB CPW and Microstrip line Fed Monopole Antenna using Broken ${\cap}$ -shaped Slot," International Journal of Electronics and Communication, vol. 65, Issue 9, pp.734-741, 2011. 

  10. X. L. Quan, R. L. Li, Y. H. Cui, M. M. Tentzeris,"Analysis and Design of a Compact Dual-Band Directional Antenna," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 11, pp.547-550, 2012. 

  11. P. S. Shelokar, P. Siarry, V. K. Jayaraman, B. D. Kulkarni, "Particle Swarm and Ant Colony Algorithms Hybridized for Improved Continuous Optimization", Applied Mathematics and vol. 188, Issue 1, pp.129-142, 2007. 

  12. R. Ghatak, R. K. Mishra, D. R. Poddar,"Perturbed Sierpinski Carpet Antenna With CPW Feed for IEEE 802.11 a/b WLAN Application," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 7, pp.742-744, 2008. 

  13. G. Rowdra, C. Goswami, R. K. Mishra, D. R. Poddar, "A CPW-Fed Planar Monopole Antenna with Modified H-Shaped Slot for WLAN/Wi-MAX Application," Microwave and Optical Technology Letters, vol. 54, Issue 5. pp.1296-1301, May 2012. 

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