[논문]LTE, ISM, WLAN에 적용 가능한 Arm 구조 삼중대역 안테나 최적 설계

이승제; 오승훈; 이정혁; 김형석

doi:10.5370/kiee.2014.63.12.1655

LTE, ISM, WLAN에 적용 가능한 Arm 구조 삼중대역 안테나 최적 설계
The Optimal Design of a Triple-Band Antenna with Additional Arm Resonating Structure for LTE, ISM and WLAN Application 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.12, 2014년, pp.1655 - 1660

이승제 (school of Electrical and Electronics Engineering, Chung-Ang University) , 오승훈 (School of Electrical and Electronics Engineering, Chung-Ang University) , 이정혁 (School of Electrical and Electronics Engineering, Chung-Ang University) , 김형석 (School of Electrical and Electronics Engineering, Chung-Ang University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a design of a triple-band microstrip circular patch antenna. The proposed antenna generates the triple frequency resonance at 1.85GHz(LTE), 2.45GHz(ISM) and 5.5GHz(WLAN). Firstly, we design the dual-band antenna. The dual-band antenna consist of the circular patch, slits, and the slot. The circular patch and slot are designed for dual frequency of 2.45GHz and 5.5GHz, respectively. And then the dual-band antenna is combined with additional arm-shaped structure for the triple-band characteristic. The arm-shaped structure is operated as the dipole. It is designed for lowest frequency of 1.85GHz. Each part of the antenna unites to a new structure. In order to design the proposed antenna automatically and optimally, APSO algorithm is adopted. During APSO, the mismatch of the proposed antenna is resolved. The optimal designed antenna has an acceptable return loss(-10dB) at each bands(i.e, 1.85GHz, 2.45GHz and 5.5GHz).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제안하는 구조는 원형패치 안테나를 기본으로 슬롯과 슬릿을 삽입하여 이중대역을 구현한다. 구현된 이중대역 안테나와 Arm형태의 추가 공진 구조를 삽입함으로써 삼중대역 안테나의 특성을 부여하는 것을 목표로 하였 다. 먼저 각 구조물의 특성을 파악하고, 두 구조의 결합을 통하여 삼중대역의 특성을 확인하도록 한다.
따라서 본 논문에서는 앞서 언급한 세 주파수에서 공진하는 구조를 결합한 새로운 구조의 삼중대역 안테나를 제안한다. 안테나는 슬릿과 슬롯을 이용한 이중대역 원형 패치 안테나와 Arm 형태의 추가 공진구조를 결합하여 삼중대역 특성을 갖도록 설계되었다.
APSO를 이용한 최적화 결과 목적함수는 25번에 수렴하였으며, 최적화 결과 3가지의 목표주파수에서 우수한 반사특성을 확인할 수 있었다. 최적화 안테나의 방사패턴과 전류 분포 및 안테나 이득에 대해서 확인하여 본 결과 위와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 안테나 이득의 경우 각각 1.

제안 방법

기본적인 알고리즘의 흐름 및 위치 업데이트 방식은 PSO와 동일하지만, 입자의 위치에 따라 탐험 (exploration), 개발(exploitation), 수렴(convergence), 도약 (jumping out)의 4가지 경우의 조건을 추가한다. 각 추가된 경우에 따라서 속도 업데이트 과정의 가속도 계수를 변화시켜 수렴속도를 개선한다. 그림 4는 APSO 알고리즘의 순서도를 보여주고 있다[7].
개선된 가속도 상수와 가중치 상수를 이용하여 속도 업데이트를 수행하고 속도 자료를 기반으로 다음 입자의 위치를 업데이트 한다. 속도는 현재의 위치와 속도의 정보를 바탕으로 Pbest와 Gbest의 정보를 이용하여 업데이트 한다.
8GHz에서 동작하는 것을 확인하였다. 두 구조를 결합하였을 때 기존 패치 내부의 공진형태와 임피던스 정합 형태가 달라지는 문제로 안테나의 주파수 특성이 변화하는 것을 확인하였 고, 목표 주파수에서 정확한 동작 및 안테나의 신뢰성 있는 설계를 위하여 APSO 알고리즘을 이용하여 최적설계를 수행하였다. 최적설계 결과 5개체 25세대에서 수렴하였고, 목표주파수에서 –10dB이하의 반사손실 특성을 확인하였다.
패치 안테나의 경우 각 주 주파수 별 공진구조의 형태 및 임피던스가 다르고, 구조물 형태의 변화에 따라 임피던스가 변화하기 때문에 임피던스 정합의 어려움이 발생한다. 따라서 안테나 구조에 따른 임피던스 정합 문제를 해결하기 위해 동축선로 형태의 급전을 사용하였다.
5GHz에서는 안테나 내부 슬롯을 이용하여 공진하게 된다. 또한, 원형 패치 안테나를 사각의 슬릿 형태로 식각하여 전체적인 원형 패치 안테나를 소형화 하였다.
구현된 이중대역 안테나와 Arm형태의 추가 공진 구조를 삽입함으로써 삼중대역 안테나의 특성을 부여하는 것을 목표로 하였 다. 먼저 각 구조물의 특성을 파악하고, 두 구조의 결합을 통하여 삼중대역의 특성을 확인하도록 한다.
본 논문에서 제안된 안테나는 기존의 안테나 구조에 새로운 공진구조를 삽입함으로써 삼중대역에서 공진 하도록 설계되었다. 원형 패치 안테나에 슬롯을 삽입하여 이중대역의 특성을 부여하고 슬릿을 사용하여 안테나의 크기를 축소하였으며, Arm 형태의 공진구조를 결합하여 삼중대역 특성을 가지도록 안테나를 설계하였다.
본 논문에서 제안하는 구조는 원형패치 안테나를 기본으로 슬롯과 슬릿을 삽입하여 이중대역을 구현한다. 구현된 이중대역 안테나와 Arm형태의 추가 공진 구조를 삽입함으로써 삼중대역 안테나의 특성을 부여하는 것을 목표로 하였 다.
또한 하나의 설계변수에서 안테나의 특성이 매우 민감하게 변화함으로 기존의 시행착오적 방법을 이용한 설계기법 사용의 한계가 존재한다. 설계 소요 시간 감소 및 신뢰성 있는 동작 및 재연성있는 설계를 위하여 APSO알고리즘을 적용한 최적화를 수행하였다.
개선된 가속도 상수와 가중치 상수를 이용하여 속도 업데이트를 수행하고 속도 자료를 기반으로 다음 입자의 위치를 업데이트 한다. 속도는 현재의 위치와 속도의 정보를 바탕으로 Pbest와 Gbest의 정보를 이용하여 업데이트 한다. 입자의 속도는 식 (6)과 같이 Pbest와 Gbest의 상대적 위치에 따라 변경된다.
따라서 본 논문에서는 앞서 언급한 세 주파수에서 공진하는 구조를 결합한 새로운 구조의 삼중대역 안테나를 제안한다. 안테나는 슬릿과 슬롯을 이용한 이중대역 원형 패치 안테나와 Arm 형태의 추가 공진구조를 결합하여 삼중대역 특성을 갖도록 설계되었다. 특히 설계과정에서 소요되는 시간과 불필요한 해석과정 및 구조 간 전자기 간섭으로 인한 오류를 줄이고, 설계의 재연성 확보를 위해 APSO 최적화 알고리즘을 이용하여 안테나를 최적 설계하였다.
앞서 설계된 원형 패치 안테나에 슬롯을 삽입하여 이중대역의 특성을 구현하였다. 아래 그림 1(a), 표 1의 형태와 같이 원형패치 내부에 슬롯을 삽입하여 안테나를 구현하였으며, 그림 (b)와 같이 설계된 안테나의 이중대역의 동작 특성을 확인하였다.
본 논문에서 제안된 안테나는 기존의 안테나 구조에 새로운 공진구조를 삽입함으로써 삼중대역에서 공진 하도록 설계되었다. 원형 패치 안테나에 슬롯을 삽입하여 이중대역의 특성을 부여하고 슬릿을 사용하여 안테나의 크기를 축소하였으며, Arm 형태의 공진구조를 결합하여 삼중대역 특성을 가지도록 안테나를 설계하였다. 각 구조에 대해 전자장 해석을 통하여 안테나의 동작을 확인하였을 때 원형 패치 안테나는 2.
제안된 안테나의 설계변수는 패치 반지름(R1)과 슬롯 사이즈(L1, W1), 공진구조(R2), 브릿지(Br_w)와 급전부 위치의 좌표(FP_x, FP_y)로 총 7개이며, 최적화를 위하여 5개의 개체를 사용한다. 목표 성능에 대한 목적함수는 다음과 같이 정의한다.
5GHz로 설정한다. 채택한 목적함수의 형태는 공진점 비교방식으로서 목표주파수 주변에 일정한 주파수 구간을 설정하고 구간 내 최소의 반사손실과 목표주파수의 값을 비교하는 방식으로 선정하였다.
안테나는 슬릿과 슬롯을 이용한 이중대역 원형 패치 안테나와 Arm 형태의 추가 공진구조를 결합하여 삼중대역 특성을 갖도록 설계되었다. 특히 설계과정에서 소요되는 시간과 불필요한 해석과정 및 구조 간 전자기 간섭으로 인한 오류를 줄이고, 설계의 재연성 확보를 위해 APSO 최적화 알고리즘을 이용하여 안테나를 최적 설계하였다.
해당 시뮬레이션을 통해 안테나의 동작 성능을 확인하였으며 실제 제작 및 측정을 통하여 안테나의 실질적인 동작에 대해서 확인하여 보았다. 그림 6과 같이 FR4기판 위에 안테나를 제작하여 반사특성을 확인한 결과 그림 8과 같은 결과를 확인할 수 있었다.

성능/효과

APSO를 이용한 최적화 결과 목적함수는 25번에 수렴하였으며, 최적화 결과 3가지의 목표주파수에서 우수한 반사특성을 확인할 수 있었다. 최적화 안테나의 방사패턴과 전류 분포 및 안테나 이득에 대해서 확인하여 본 결과 위와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
원형 패치 안테나에 슬롯을 삽입하여 이중대역의 특성을 부여하고 슬릿을 사용하여 안테나의 크기를 축소하였으며, Arm 형태의 공진구조를 결합하여 삼중대역 특성을 가지도록 안테나를 설계하였다. 각 구조에 대해 전자장 해석을 통하여 안테나의 동작을 확인하였을 때 원형 패치 안테나는 2.45, 5.5GHz에서 동작하였고, Arm 구조는 1.8GHz에서 동작하는 것을 확인하였다. 두 구조를 결합하였을 때 기존 패치 내부의 공진형태와 임피던스 정합 형태가 달라지는 문제로 안테나의 주파수 특성이 변화하는 것을 확인하였 고, 목표 주파수에서 정확한 동작 및 안테나의 신뢰성 있는 설계를 위하여 APSO 알고리즘을 이용하여 최적설계를 수행하였다.
그림 6과 같이 FR4기판 위에 안테나를 제작하여 반사특성을 확인한 결과 그림 8과 같은 결과를 확인할 수 있었다. 제작 및 측정 결과 목표 주파수 대역에서 안정적 성능을 보였다.
최적설계 결과 5개체 25세대에서 수렴하였고, 목표주파수에서 –10dB이하의 반사손실 특성을 확인하였다.
파의 발산은 무지향성의 특징을 가지고 있으며 5.5GHz에서 외각 구조 및 내부 슬롯의 영향으로 ±40° 방향으로 파가 집중된 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

제안된 삼중대역 안테나는 LTE, ISM, WLAN과 같은 통신대역을 복합적으로 사용하는 통신기기에 유용하게 사용되어질 수 있을 것으로 사료된다. 그리고 공진구조간 간섭이 심한 결합 구조의 최적화 설계 과정은 실제 RF 소자 설계의 신뢰성을 확보하고 인력 소요를 절약 할 수 있을 것으로 사료된다.
최적설계 결과 5개체 25세대에서 수렴하였고, 목표주파수에서 –10dB이하의 반사손실 특성을 확인하였다. 제안된 삼중대역 안테나는 LTE, ISM, WLAN과 같은 통신대역을 복합적으로 사용하는 통신기기에 유용하게 사용되어질 수 있을 것으로 사료된다. 그리고 공진구조간 간섭이 심한 결합 구조의 최적화 설계 과정은 실제 RF 소자 설계의 신뢰성을 확보하고 인력 소요를 절약 할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다중의 공진구조가 결합된 안테나의 단점은 무엇인가?	각각의 공진구조는 서로에게 독립적이어야 하며, 공진을 할 때 서로 다른 공진 특성을 보여야 한다. 하지만 다중의 공진구조가 결합된 안테나는 각 구조물 간 간섭이 심해지고 구조가 복잡해져서 설계의도와는 다르게 공진특성이 틀어지게 되며, 이를 다시 정합하기 위해 많은 수행착오적인 시간과 불필요한 전자기 해석 과정이 소요될 수 있다. 또한, 재연성 없는 부정확한 설계 결과를 얻을 위험성이 있다[3].
	APSO알고리즘은 무엇인가?	APSO는 빠른 수렴속도를 위하여 PSO 알고리즘에서 변형된 방법이다. 기본적인 알고리즘의 흐름 및 위치 업데이트 방식은 PSO와 동일하지만, 입자의 위치에 따라 탐험(exploration), 개발(exploitation), 수렴(convergence), 도약(jumping out)의 4가지 경우의 조건을 추가한다. 각 추가된 경우에 따라서 속도 업데이트 과정의 가속도 계수를 변화시켜 수렴속도를 개선한다. 그림 4는 APSO 알고리즘의 순서도를 보여주고 있다[7].
	이중대역 원형 패치 안테나와 Arm 형태의 추가 공진구조를 결합한 삼중대역 안테나를 최적 설계하기 위해 이용한 알고리즘은?	안테나는 슬릿과 슬롯을 이용한 이중대역 원형 패치 안테나와 Arm 형태의 추가 공진구조를 결합하여 삼중대역 특성을 갖도록 설계되었다. 특히 설계과정에서 소요되는 시간과 불필요한 해석과정 및 구조 간 전자기 간섭으로 인한 오류를 줄이고, 설계의 재연성 확보를 위해 APSO 최적화 알고리즘을 이용하여 안테나를 최적 설계하였다.

참고문헌 (8)

In-Gon Lee, Ic-Pyo Hong, "Design of Uniplanar Antenna of 2.45GHz Band for Wireless LAN Using Dipole Structures", The Journal of Korean Institute of Information Technology, JKIIT, Vol.9, No.10, pp. 29-34, 10, 2011.
IEEE-SA Standards Board, "IEEE Std 802.11b-1999", 1999 Edition.
Dong-Hyeok Jang, Seong-In Kang, Jeong-Hyeok Lee, CHAO WU, Hyeong-Seok Kim, "performance comparison of 2.45GHz circular polarization antenna optimal design using GA and ES algorithm", Proceedings of the ITFE Summer Conference, pp. 105-108, August 28-30, 2014
Young-Sang Kim, Seung-Jin Noh, Nam-Soo Kim, Jin-Hyun Ko, Jae-Kwon Ha, "Design of a Single-Feed Dual-Band Circular Antenna for Reception of S-DMB and ITS Services", The Journal of Korea Electromagnetic Engineering Society, Vol.17, No.9, pp. 866-873, 9, 2006.
Constantine A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION, Hoboken, 2005.
Sana Arif, Syeda Areeba Nasir, Muhammad Mastaqim, and Bail A.Khawaja, "Dual U-slot Triple Band Microstrip Patch Antenna for Next Generation Wireless Networks", IEEE International Conference on Emerging Technologies(ICET), pp. 1-6, Dec. 2013.
Zhi-Hui Zhan, Jun Zhang, Yun Li, and H.S.-H. Chung, "Adaptive Particle Swarm Optimization", IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B, vol. 39, no. 6, pp. 1362-1381, Dec. 2009.

상세보기
Kun-Tae Kim, Hyeong-Seok kim, "A Comparative Study on the PSO and APSO Algorithms for the Optimal Design of Planar Patch Antennas", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 62, No. 11, pp. 1578-1583, 2013

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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