[논문]고조파 억제를 위한 CPW급전 슬롯 안테나 설계

여준호; 이종익

doi:10.6109/jkiice.2015.19.1.19

고조파 억제를 위한 CPW급전 슬롯 안테나 설계
Design of CPW-fed Slot Antenna for Harmonic Suppression 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.19 no.1, 2015년, pp.19 - 25

여준호 (School of Computer and Communication Engineering, Daegu University) , 이종익 (Department of Electronics Engineering, Dongseo University)

초록
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본 논문에서는 고조파 억제를 위한 코플래너 도파관(CPW; coplanar waveguide)급전 슬롯 안테나에 대한 설계 방법을 연구하였다. 제안된 슬롯 안테나는 고조파를 억제하기 위해 SIR(stepped impedance resonator)를 사각형 슬롯의 양끝 부분에 대칭적으로 추가하였다. SIR의 길이와 폭의 변화에 따른 입력 반사계수 특성을 분석하여 최적의 설계 변수를 도출하였다. 2.45 GHz 무선랜 대역에서 최적화된 고조파 억제 슬롯 안테나를 FR4 기판 상에 $42mm{\times}30mm$ 크기로 제작하였다. 제안된 고조파 억제 슬롯 안테나의 슬롯의 길이는 SIR의 추가로 인해 기존의 사각형 슬롯 안테나에 비해 33.3% 줄어들었다. 실험 결과, 전압 정재파비(VSWR; voltage standing wave ratio) < 2인 대역이 2.39-2.49 GHz으로 2.45 GHz 대역에서 동작하는 것을 확인하였고, 2.45 GHz에서 이득은 2.5 dBi로 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a design method for a CPW-fed slot antenna for harmonic suppression is studied. The structure of the proposed slot antenna is a rectangular slot antenna appended with stepped impedance resonators (SIRs) at both ends of the slot symmetrically. Optimal design parameters are obtained by analyzing the effects of the length and width of the SIRs on the input reflection coefficient. The optimized harmonic-suppressed slot antenna operating at 2.45 GHz WLAN band is fabricated on an FR4 substrate with a dimension of 42 mm by 30 mm. The slot length of the proposed harmonic-suppressed slot antenna is reduced to 33.3% compared to that of a conventional rectangular slot antenna owing to the appended SIRs. Experiment results show that the antenna has a desired impedance characteristic with a frequency band of 2.39-2.49 GHz for a VSWR < 2, and a measured gain of 2.5 dBi at 2.45 GHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고조파 억제를 위한 CPW급전 슬롯안테나에 대한 설계 방법을 연구하였다. CPW 선로 급전 방법 중에서 용량성(capacitive) 급전을 사용하면 슬롯의 길이가 공진주파수의 관내파장의 반일 때 공진하여 유도성(inductive) 급전에 비해 상대적으로 안테나의 크기를 줄일 수 있다[8].
본 논문에서는 고조파 억제를 위해 SIR이 추가된 CPW급전 슬롯 안테나에 대한 설계 방법을 연구하였다. 2.

제안 방법

CPW 급전 선로의 신호선의 폭과 신호선과 접지면 사이의 간격은 FR4 기판의 비유전율과 두께를 고려하여 설계하였다. 계산된 값은 각각 w_f = 3 mm, g_f = 0.
CPW 급전선의 신호선의 폭은 wf이고 신호선과 접지면 사이의 간격은 gf이며, 입력 임피던스 50 Ω과 정합되도록 설계하였다.
본 논문에서는 슬롯 안테나의 고조파 억제를 위해 슬롯의 양끝 부분에 SIR을 추가하였다. SIR을 추가함으로써, 슬롯안테나가 첫 번째 공진주파수의 고조파 주파수에서 공진하지 않도록 입력 임피던스를 변화시키고 첫 번째 공진주파수를 낮은 주파수로 이동시켜 슬롯의 길이를 소형화할 수 있다.
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.
T형 스터브는 슬롯의 위쪽 면과의 간격 g_t, 폭 w_t, 길이 l_t에 의해 결정된다. 이들 설계 변수가 입력 반사계수와 이득과 같은 안테나 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 이들 설계 변수에 따른 특성 변화를 분석하였다.
SIR을 추가함으로써, 슬롯안테나가 첫 번째 공진주파수의 고조파 주파수에서 공진하지 않도록 입력 임피던스를 변화시키고 첫 번째 공진주파수를 낮은 주파수로 이동시켜 슬롯의 길이를 소형화할 수 있다. 최적의 설계 변수를 도출하기 위하여, SIR의 길이와 폭의 변화에 따른 입력 반사계수 특성을 분석하였다. 상용 툴인 CST사의 Microwave Studio(MWS)를 이용하여 안테나의 특성을 시뮬레이션하고 설계 변수를 2.

대상 데이터

시뮬레이션 결과를 검증하기 위하여 FR4 기판(비유전율 = 4.4, 두께 = 0.8 mm, loss tangent = 0.025)을 이용하여 그림 7과 같이 기존의 사각형 슬롯 안테나와 제안된 소형 안테나를 제작하였다. 제작된 사각형 슬롯 안테나와 제안된 고주파 억제 슬롯 안테나의 크기는 42 mm (L) ×30 mm (W)로 동일하며, SMA 컨넥터로 급전되었다.
안테나의 길이와 폭은 L과 W이고, 유전율이 4.4이고 두께 (h)가 0.8 mm인 FR4 기판을 사용하였다. 사각형 슬롯의 길이는 l_s이고 폭은 w_s이다.

데이터처리

제작된 안테나의 입력 반사계수는 네트워크분석기(Agilent사 N5230A)를 이용하여 측정하였고, 결과는 그림 8에 나타나 있다. 사각형 슬롯 안테나의 경우, 시뮬레이션 결과 첫 번째 공진주파수에서 VSWR < 2 이하인 대역이 2.

성능/효과

2.45 GHz 무선랜 대역에서 SIR의 길이와 폭을 최적화하여 FR4 기판 상에 제작하고 특성을 실험한 결과 VSWR < 2인 대역이 2.39—2.49 GHz(4.1%)로 2.45GHz 대역에서 동작하는 것을 확인하였고 방사패턴도 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 확인하였다.
또한, 첫 번째 공진주파수 이후에 11.29 GHz에서–5.2 dB로 약한 공진만 발생하여 고조파가 억제됨을 알 수 있었다.
사각형 슬롯 안테나의 경우, 시뮬레이션 결과 첫 번째 공진주파수에서 VSWR < 2 이하인 대역이 2.36—2.54 GHz(7.4%)이며, 측정 결과는 2.36—2.53 GHz(7.0%)이다.
8 dBi이다. 제안된 고조파 억제 슬롯 안테나의 경우 측정 이득은 2.5 dBi이다. 제안된 안테나는 주파수 대역폭과 이득이 기존의 사각형 슬롯 안테나에 비해 줄어들었으나 슬롯의 길이는 37.
제안된 고조파 억제 슬롯 안테나의 경우, 시뮬레이션 결과 첫 번째 공진주파수에서 VSWR <2 이하인 대역이 2.39—2.51 GHz(4.9%)이며, 측정 결과는 2.39—2.49 GHz(4.1%)이다.
2 dB로 약한 공진만 발생하여 고조파가 억제됨을 알 수 있었다. 제안된 고조파 억제 슬롯 안테나의 슬롯의 길이는 기존의 사각형 슬롯 안테나에 비해 33.3% 줄어들어 소형화하였다. 이득은 2.
5 dBi이다. 제안된 안테나는 주파수 대역폭과 이득이 기존의 사각형 슬롯 안테나에 비해 줄어들었으나 슬롯의 길이는 37.65 mm에서 25.1 mm로 33.3% 줄어 소형화하였다.
제안된 안테나의 경우, 시뮬레이션 결과 첫 번째 공진주파수 이후에 10.7 GHz에서–3.9dB로 약한 공진이 발생하였고, 측정결과 10.83 GHz에서–5.1 dB로 고조파 억제가 됨을 확인할 수 있다.
제작된 안테나의 시뮬레이션 이득과 효율은 2.45 GHz에서 각각 2.86 dBi와 81.7%이며, 사각형 슬롯 안테나의 경우 각각 2.85 dBi와 77.4%이다. 제작된 안테나의 이득은 전파무반향실에서 측정되었으며, 사각형 슬롯 안테나의 경우 측정 이득은 2.

후속연구

제안된 안테나는 무선전력전송을 위한 렉테나용 안테나와 무선 랜, RFID 등의 응용 분야의 휴대 단말기에 적용할 수 있는 소형 안테나로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선 센서 네트워크 기술은?	무선 센서 네트워크 기술은 컴퓨팅 능력과 무선 통신 능력을 갖춘 센서노드(sensor node)를 응용 환경에 배치하여 자율적인 네트워크를 형성하고 센서 노드로부터 획득한 정보들을 무선으로 수집하여 감시/제어 등의 용도로 활용하는 기술이다. 센서 노드는 이동성을 높이고 배치를 용이하게 하기 위해 대부분 전지를 이용해 전원을 공급한다.
	CPW급전 슬롯 안테나를 사용할 수 있는 곳으로 기대되는 분야는?	제안된 안테나는 무선전력전송을 위한 렉테나용 안테나와 무선 랜, RFID 등의 응용 분야의 휴대 단말기에 적용할 수 있는 소형 안테나로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
	고조파 억제 안테나를 사용할 경우 장점은?	최근에는 대역통과필터 대신에 고조파 억제 기능을 갖는 안테나가 연구되고 있다. 고조파 억제 안테나를 사용할 경우 기존 렉테나의 대역통과필터를 제거하여 소형화할 수 있는 장점이 있다. 대역저지필터 특성을 갖는 접지면과 연결된 U자형 도체를 슬롯에 추가하는 방법 [4], 결함접지면(DGS)을 사용하는 방법 [5], 광 밴드갭(PBG) 구조를 사용하는 방법 [6], 주기적인 격자로 구성된 wiggly-line 대역저지필터를 슬롯에 추가하는 방법 [7], SIR을 슬롯에 추가하는 방법 [8] 등이 제안되었다.

참고문헌 (9)

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D. Puccinelli and M. Haenggi, "Wireless sensor networks: applications and challenges of ubiquitous sensing," IEEE Circuits and Systems Magazine, vol. 5, no. 3, pp. 19-31, Sep. 2005.

상세보기
C. R. Valenta and G. D. Durgin, "Harvesting wireless power: Survey of energy-harvester conversion efficiency in far-field, wireless power transfer systems," IEEE Microwave Magazine, vol. 15, no. 4, pp. 108-120, Jun. 2014.

상세보기
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Y. J. Sung, M. Kim, and Y.-S. Kim, "Harmonic reduction with defected ground structure for a microstrip patch antenna," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 2, pp. 111-113, 2003.

상세보기
Y. Horii and M. Tsutsumi, "Harmonic control by photonic bandgap on microstrip patch antenna," IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 9, pp. 13-15, Jan. 1999.

상세보기
S. I. Kwak, J. H. Kwon, D.-U. Sim, K. Chang, and Y. J. Yoon, "Design of the printed slot antenna using wiggly-line with harmonic suppression," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 9, pp. 741-743, 2010.

상세보기
W.-H. Tu, "Compact harmonic-suppressed coplanar waveguide-fed inductively coupled slot antenna," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 7, pp. 542-544, 2008.
R. Garg, et. al., Microstrip antenna design handbook. Boston, Artech House, 2001.

저자의 다른 논문 :

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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