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문제 정의
- 본 논문에서는 SRR 도체를 이용한 소형 CPW급전 슬롯 안테나에 대한 설계 방법을 연구하였다. 슬롯의 길이를 줄이기 위해 사각형 모양의 SRR 도체를 슬롯 내에 삽입하였다.
제안 방법
- 2.45 GHz 대역(2.4-2.485 GHz)에서 VSWR < 2로 동작하도록 설계변수를 조정하여 최적화하였다.
- 슬롯의 길이를 줄이기 위해 사각형 모양의 SRR 도체를 슬롯 내에 삽입하였다. 2.45 GHz 대역에서 최적의 설계 변수를 도출하기 위하여, SRR 도체와 슬롯 사이의 간격, SRR 도체의 폭 등의 변화에 따른 입력 VSWR 특성을 분석하였다.
- CPW 급전 선로의 신호선의 폭과 신호선과 접지면 사이의 간격은 FR4 기판의 비유전율과 두께를 고려하여 설계하였다. 계산된 값은 각각 wf = 3 mm, gf = 0.
- CPW 급전선의 신호선의 폭은 wf이고 신호선과 접지면 사이의 간격은 gf이며, 입력 임피던스 50 Ω과 정합되도록 설계하였다.
- 기존의 CPW 급전 사각형 슬롯 안테나와 제안된 소형 슬롯 안테나의 구조가 그림 1에 나타나 있다. 사각형 슬롯 안테나는 사각형 슬롯, CPW 급전 선로, T형 스터브(stub)로 구성되며, 제안된 안테나는 소형화를 위해 SRR 도체가 추가되었다.
- 최적의 설계 변수를 도출하기 위하여, SRR 도체와 슬롯 사이의 간격, SRR 도체의 폭의 변화에 따른 입력 VSWR 특성을 분석하였다. 상용 툴인 CST사의 Microwave Studio(MWS)를 이용하여 안테나의 특성을 시뮬레이션하고 설계 변수를 2.45 GHz 대역(2.4 - 2.485 GHz)에서 동작하도록 최적화하였다. 최적화된 소형 슬롯 안테나를 FR4 기판(비유전율 4.
- T형 스터브는 사각형 슬롯의 위쪽 면과의 간격 gt, 폭 wt, 길이 lt에 의해 결정된다. 이들 설계 변수가 입력 VSWR과 이득과 같은 안테나 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 이들 설계 변수에 따른 특성 변화를 분석하였다.
- 슬롯의 길이를 줄이기 위해 사각형 모양의 SRR 도체를 슬롯 내에 삽입하였다. 최적의 설계 변수를 도출하기 위하여, SRR 도체와 슬롯 사이의 간격, SRR 도체의 폭의 변화에 따른 입력 VSWR 특성을 분석하였다. 상용 툴인 CST사의 Microwave Studio(MWS)를 이용하여 안테나의 특성을 시뮬레이션하고 설계 변수를 2.
- 485 GHz)에서 동작하도록 최적화하였다. 최적화된 소형 슬롯 안테나를 FR4 기판(비유전율 4.4, 두께 0.8mm) 상에 제작하여 특성을 확인하였다.
- 또한, 다이폴과 쌍대적 구조를 가진 슬롯 안테나도 많이 연구되고 있다. 평면 슬롯 안테나는 유전체 기판의 한쪽 면에 있는 얇은 도체 면에 슬롯을 에칭 등의 방법을 이용하여 삽입하고 이 슬롯이 공진을 일으키도록 한다. 평면 슬롯 안테나를 급전하는 방법은 크게 급전 선로의 종류에 따라 마이크로스트립(MS; microstrip) 선로와 CPW 선로에 의한 급전 방법으로 나눌 수 있다[2].
대상 데이터
- 시뮬레이션 결과를 검증하기 위하여 FR4 기판(비유 전율 = 4.4, 두께 = 0.8 mm, loss tangent = 0.025)을 이용하여 그림 9와 같이 기존의 사각형 슬롯 안테나와 제안된 소형 안테나를 제작하였다. 제작된 사각형 슬롯 안테나의 크기는 42 mm (L) × 30 mm (W)이고, 제안된 안테나의 크기는 36 mm (L) × 30 mm (W)이며, SMA 컨넥터로 급전되었다.
- 안테나의 길이와 폭은 L과 W이고, 유전율이 4.4이고 두께 (h)가 0.8 mm인 FR4 기판을 사용하였다. 사각형 슬롯의 길이는 ls이고 폭은 ws이다.
- 제작된 사각형 슬롯 안테나의 크기는 42 mm (L) × 30 mm (W)이고, 제안된 안테나의 크기는 36 mm (L) × 30 mm (W)이며, SMA 컨넥터로 급전되었다.
데이터처리
- 제작된 안테나의 입력 VSWR은 네트워크분석기(Agilent사 N5230A)를 이용하여 측정하였고, 결과는 그림 10에 나타나 있다. 사각형 슬롯 안테나의 경우, 시뮬레이션 결과 VSWR < 2 이하인 대역이 2.
성능/효과
- 63 GHz)로 증가한다. 또한 대역 내에서 최대 이득도 0.2 mm일 때 1.5 dBi에서 0.4 mm일 때 2.7 dBi로 증가함을 알 수 있다. 이것은 gd1이 증가함에 따라 SRR 도체의 크기가 줄어들고 슬롯과의 상호결합이 줄어들기 때문이다.
- 54 GHz)로 약간 증가한다. 또한 대역 내에서 최대 이득도 0.2 mm일 때 2.3 dBi에서 0.4 mm 일 때 2.5 dBi로 조금 증가함을 알 수 있다.
- 65 GHz)로 증가한다. 또한 대역 내에서 최대 이득도 0.3 mm일 때 2.4 dBi에서 2.3 mm일 때 2.6 dBi로 조금 증가함을 알 수 있다.
- 45 GHz 대역에서 동작하는 것을 확인하였고 방사패턴도 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 확인하였다. 제안된 소형 슬롯 안테나의 길이는 기존의 사각형 슬롯 안테나에 비해 14.3% 줄어들었다. 이득은 2.
- 3 dBi이다. 제안된 소형 안테나는 주파수 대역폭과 이득이 기존의 사각형 슬롯 안테나에 비해 줄어들었으나 안테나의 길이를 14.3% 로 줄여 소형화할 수 있다. 실제 슬롯의 길이는 37.
- 제안된 소형 안테나의 경우, 시뮬레이션 결과 VSWR< 2 이하인 대역이 2.40-2.50 GHz(4.1%)이며, 측정 결과는 2.40-2.49 GHz(3.7%)이다.
- 최적화된 소형 슬롯 안테나를 FR4 기판 상에 제작하고 특성을 실험한 결과 VSWR < 2인 대역이 2.40-2.49 GHz(3.7%)로 2.45 GHz 대역에서 동작하는 것을 확인하였고 방사패턴도 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 확인하였다.
후속연구
- 제안된 안테나는 무선 랜, RFID, 렉테나 등의 응용 분야의 휴대단말기에 적용할 수 있는 소형 안테나로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
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