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문제 정의
- 목표로 설정한 최저 동작주파수인 800 MHz에서 시작하여 최고 동작주파수 5.8 GHz를 넘는 주파수 범위까지 입력 임피던스의 실수부가 이론치인 188.5 Ω 근처에서 안정된 특성을 나타내고 있음을 볼 수 있다.
- 본 논문에서는 0.6～6 GHz 주파수 대역에서 150 Ω을 50 Ω에 정합시킬 수 있는 광대역 발룬을 설계하였다.
- 본 논문에서는 0.8～6 GHz 대역에서 현재 사용되고 있는 모든 통신 서비스의 주파수 대역을 포함하는 초광대역 시뉴어스 안테나를 제안하였다. 제안한 안테나는 각도로 정의되는 시뉴어스 곡선 방정식을 사용하여 두 개의 팔(arm)을 자기상보 구조로 설계함으로써 입력 임피던스가 양호한 주파수 무관 특성을 나타내도록 하였다.
- 본 논문에서는 Cellular/GSM800, GSM900, ISM, GPS, DCS/GSM1800, PCS/GSM1900, WCDMA/UMTS/IMT2000, WiBro, WLAN, WiMax의 주파수 대역(0.824～5.85 GHz)을 모두 포함하는 초광대역 자기상보형 시뉴어스 안테나를 제안하였다. 시뉴어스 안테나의 최대 반지름 R1에 따른 fL의 변화와 상대 유전율 εr에 따른 입력 임피던스의 변화를 분석하여 최적의 설계 파라미터를 구하였다.
가설 설정
- 이를 위해 그림 5와 같이 윗면이 완전도체로 막혀 있는 구조의 평행 스트립 선로를 살펴보자. 유전체 기판의 폭을 무한히 넓은 것으로 가정하고, 스트립 도체의 두께를 무시하면 선로의 유효 유전상수와 특성 임피던스를 다음과 같이 쓸 수 있다[8].
제안 방법
- 5 GHz가 되어야 임피던스 값이 안정된다는 것을 그래프에서 확인할 수 있다. 800 MHz부터 안정된 임피던스 특성을 나타내도록 설계하기 위해 fL=800 MHz일 때의 R1을 100 %(기준)로 하여 fL 값을 85 %, 70 %, 55 %, 40 %로 15 %씩 낮춰가며 R1에 따른 입력 임피던스의 특성변화를 살펴보았다. 식 (4), (5)로부터 fL=800 MHz일 때 R1=39.
- 따라서 계산된 a(xi) 값으로 실제 임피던스를 구해 보면 당초 목표로 한 값과는 다소 차이가 발생한다. 따라서 16개로 분할한 각 스텝마다 최초 계산값을 시작점으로 하여 미세조정을 수행하여 클로펜스타인 임피던스 값에 가장 근접하게 되는 최적의 a(xi)의 폭을 구하였다. 지금까지의 계산값과 시뮬레이션 결과를 종합하여 구한 발룬의 최적 설계 파라미터를 표 2에 정리하였다.
- 또한, 목표로 하는 동작주파수 대역에서 반사손실 -10 dB 이하의 조건을 만족시키기 위해 클로펜스타인 테이퍼 구조의 광대역 발룬을 설계하여 안테나가 50 Ω의 기준 임피던스에 정합되도록 하였다.
- 제안한 안테나는 각도로 정의되는 시뉴어스 곡선 방정식을 사용하여 두 개의 팔(arm)을 자기상보 구조로 설계함으로써 입력 임피던스가 양호한 주파수 무관 특성을 나타내도록 하였다. 또한, 안테나의 입력 임피던스를 50 Ω의 특성 임피던스에 정합시키기 위해 클로펜스타인 테이퍼(Klopfenstein taper)구조의 광대역 발룬(balun)을 이용하여 안테나를 급전시켰다. 안테나와 발룬의 설계 및 시뮬레이션은 Ansys사의 HFSS[3]를 이용하여 수행하였고, 실제 제작을 통해 그 특성을 분석하였다.
- 본 논문에서는 셀의 개수를 n = 8로 설정하고, 축소율은 τp=0.6825로 한 다음, 최적의 시뉴어스 안테나 설계 파라미터를 얻기 위해 Ansys사의 HFSS를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 본 논문에서는 임피던스 정합용 발룬을 설계해서 안테나에 급전시킬 것을 고려해, 임피던스 변동 폭이 크지 않으면서도 입력 임피던스가 높지 않은 εr=2.5을 기판의 상대 유전율로 설정하였다.
- 본 논문에서는 통과대역의 반사손실 특성과 테이퍼의 전체 길이 사이에 존재하는 트레이드오프(trade-off) 관계를 고려하여, 최대 리플이 Γm =0.08일 때 전체 길이 L을 120 mm로 결정하였다.
- 시뉴어스 안테나의 최대 반지름 R1에 따른 fL의 변화와 상대 유전율 εr에 따른 입력 임피던스의 변화를 분석하여 최적의 설계 파라미터를 구하였다.
- 또한, 안테나의 입력 임피던스를 50 Ω의 특성 임피던스에 정합시키기 위해 클로펜스타인 테이퍼(Klopfenstein taper)구조의 광대역 발룬(balun)을 이용하여 안테나를 급전시켰다. 안테나와 발룬의 설계 및 시뮬레이션은 Ansys사의 HFSS[3]를 이용하여 수행하였고, 실제 제작을 통해 그 특성을 분석하였다.
- 이 두 임피던스 값에 따라 스트립의 폭 WMS와 WPSTL이 결정된다. 임피던스 정합용 발룬에 사용할 수 있는 테이퍼의 종류는 무수히 많지만, 본 논문에서는 클로펜스타인 테이퍼를 사용하였다. 테이퍼의 길이 L이 주어질 때 통과대역의 반사손실 특성이 가장 우수한 것이 클로펜스타인 테이퍼이다[6].
- 8～6 GHz 대역에서 현재 사용되고 있는 모든 통신 서비스의 주파수 대역을 포함하는 초광대역 시뉴어스 안테나를 제안하였다. 제안한 안테나는 각도로 정의되는 시뉴어스 곡선 방정식을 사용하여 두 개의 팔(arm)을 자기상보 구조로 설계함으로써 입력 임피던스가 양호한 주파수 무관 특성을 나타내도록 하였다. 또한, 안테나의 입력 임피던스를 50 Ω의 특성 임피던스에 정합시키기 위해 클로펜스타인 테이퍼(Klopfenstein taper)구조의 광대역 발룬(balun)을 이용하여 안테나를 급전시켰다.
- 5을 기판의 상대 유전율로 설정하였다. 지금까지의 모든 시뮬레이션 결과를 종합하여 표 1과 같이 최적의 안테나 파라미터를 구하였다.
- 안테나의 동작 주파수 대역 내의 7개 주파수에서 방사패턴을 측정하고, 이를 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 측정 주파수는 각종 통신서비스 대역에 포함되는 주파수이면서 동작 대역 전체에 걸쳐 고르게 분포하도록 f1=1 GHz, f2=1.5 GHz, f3=2 GHz, f4=2.5 GHz, f5=3.5 GHz, f6=5.5 GHz, f7=5.8 GHz로 하였다. 그림에서 보듯이, E-plane 방사패턴 및 H-plane 방사패턴의 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 서로 잘 들어맞고 있음을 알 수 있다.
대상 데이터
- 그림 6은 표 1과 같이 구한 최적 설계 파라미터에 맞춰 실제로 제작한 안테나의 실물 사진으로 εr=2.5이고, 두께 h=1.578 mm인 테플론 기판(Taconic사의 TLX-9)을 사용 했다.
- 그림 8은 표 2와 같이 구한 최적 설계 파라미터에 맞춰 실제로 제작한 발룬의 실물 사진으로 εr=4.4이고, 두께 h =1.6 mm인 FR4 기판을 사용했다.
- 본 논문에서 제안한 안테나는 그림 1에서 보듯이, 두개의 팔을 가진 시뉴어스 안테나이다. 시뉴어스 안테나에서 방사소자로 동작하는 두 개의 팔은 각각 여러 개의 셀(cell)들로 이루어져 있다.
- 여기서 발룬에 사용되는 기판의 유전체는 상대 유전율이 εr=4.4인 FR4이다.
- 제작한 발룬의 크기는 120 mm×9.14 mm이고, 반사손실과 삽입손실 특성을 측정하기 위해 제작한 백투백(back to back) 구조의 발룬 크기는 240 mm×9.14 mm이다.
- 제작한 안테나의 기판 크기는 190 mm×190 mm이다.
데이터처리
- 그림 13은 제작한 초광대역 안테나의 E-plane(Φ = 0°)과 H-plane(Φ = 90°)의 동일편파(co-polarization)와 교차편파 (cross-polarization) 방사패턴이다. 안테나의 동작 주파수 대역 내의 7개 주파수에서 방사패턴을 측정하고, 이를 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 측정 주파수는 각종 통신서비스 대역에 포함되는 주파수이면서 동작 대역 전체에 걸쳐 고르게 분포하도록 f1=1 GHz, f2=1.
이론/모형
- 그림 4와 같은 구조의 발룬에서는 먼저 기판 위쪽 도체면의 폭 b(xi)를 결정해야 하는데. 본 논문에서는 b(x) = Mx + N으로 정의되는 선형 테이퍼링(linear tapering) 방법을 적용하였다. 여기서 상수 M, N은 다음과 같이 쓸 수 있다.
- 여기서 셀은 팔에서 좌, 우로 꺾인 각각의 부분들을 말한다. 시뉴어스 안테나의 각 셀은 시뉴어스 곡선 방정식을 사용하여 설계할 수 있다. 시뉴어스 곡선은 각도 Φ와 축소율 τp로 정의된다.
성능/효과
- 4718 mm일 때 목표로 하는 800 MHz에서 안정된 입력 임피던스 특성을 나타내는 결과를 얻었다. R1=99.4718 mm일 때의 임피던스를 보면 800 MHz보다 낮은 주파수에서부터 안정된 특성을 나타내고 있으므로 안테나의 크기를 최대한 줄일 수 있도록 추가로 시뮬레이션을 수행하여 최종적으로 R1=77.6366 mm을 최적 값으로 구하였다.
- 6825, εr = 1일 때 주파수에 따른 안테나의 입력 임피던스의 실수값의 변화를 보여주고 있다. 가장 낮은 동작주파수를 fL=800 MHz로 설계했지만, 800 MHz보다 훨씬 높은 1.5 GHz가 되어야 임피던스 값이 안정된다는 것을 그래프에서 확인할 수 있다. 800 MHz부터 안정된 임피던스 특성을 나타내도록 설계하기 위해 fL=800 MHz일 때의 R1을 100 %(기준)로 하여 fL 값을 85 %, 70 %, 55 %, 40 %로 15 %씩 낮춰가며 R1에 따른 입력 임피던스의 특성변화를 살펴보았다.
- 4718 mm이 된다. 그림 2에 나타나 있듯이, fL이 낮아질수록, 다시 말해 R1이 커질수록 임피던스 값이 안정되기 시작하는 점은 낮은 주파수 영역으로 이동해가는 경향을 보였는데, 기준의 40 %에 해당하는 fL=320 MHz, R1=99.4718 mm일 때 목표로 하는 800 MHz에서 안정된 입력 임피던스 특성을 나타내는 결과를 얻었다. R1=99.
- 따라서 기판의 상대 유전율 εr 값이 달라져도 최저 동작주파수에서의 임피던스 특성이 같아지도록 R1의 값을 다시 계산하면 εr=1일 때는 R1=77.6366 mm, εr=2.5일 때는 R1=70.8722 mm, εr=4.4일 때는 R1=65.6149 mm가 되어 기판의 상대 유전율이 증가할수록 안테나의 크기는 감소함을 알 수 있다.
- 반사손실 —10 dB를 기준으로 한 대역폭을 살펴보면 시뮬레이션 결과는 0.72～6 GHz로 대역폭이 5.28 GHz이고, 측정 결과는 0.76～6 GHz로 대역폭이 5.24 GHz로 나타났다.
- 발룬을 결합하기 전에는 그림 7과 같이 입력 임피던스의 실수값이 150 Ω을 중심으로 위, 아래로 변동했지만, 발룬을 결합한 다음에는 시뮬레이션 결과와 측정 결과, 모두 0.8～6 GHz 대역에서 임피던스의 실수값이 평균적으로 50 Ω의 값을 나타내므로 입력 임피던스가 50 Ω에 잘 정합되었음을 알 수 있다.
- 그림에서 보듯이, E-plane 방사패턴 및 H-plane 방사패턴의 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 서로 잘 들어맞고 있음을 알 수 있다. 본 논문에서 제안한 안테나는 주파수 무관형 안테나로서 실제 측정 결과로부터 방사패턴, 편파, 이득 등의 안테나 특성이 넓은 주파수 범위에서큰 변동 없이 거의 일정하다는 것을 확인할 수 있다. E-plane과 H-plane의 방사 패턴은 안테나가 놓인 평면에 수직인 브로드사이드 방향으로 두 개의 빔이 형성되는 양방향성 패턴(bidirectional pattern)이다.
- 24 GHz로 나타났다. 시뮬레이션 결과가 측정 결과보다 대역폭이 40 MHz만큼 넓게 나왔다. 측정된 동작 대역의 맨 아래 주파수와 맨 위 주파수의 비는 7.
- 그림 9는 백투백 구조의 발룬의 반사손실과 삽입손실 측정 결과를 시뮬레이션으로 구한 결과와 비교한 그래프이다. 시뮬레이션 결과는 0.87～1.06 GHz 대역을 제외하고는 0.56～6 GHz 대역에서 반사 손실이 -20 dB 이하로 되는 특성을 나타냈고, 측정 결과는 일부 대역(0.88～1.12 GHz)을 제외하고는 0.6～6 GHz범위에서 -20 dB 이하의 반사손실 특성을 나타냈다. 최대 또는 최소가 되는 주파수의 위치와 반사손실 값에서 약간의 차이를 보이고 있지만, 전체적인 경향을 볼 때 두 결과가 상당히 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.
- 8～6 GHz 대역에서 서비스되고 있는 여러 가지 통신 서비스의 주파수 대역 전체를 포함하였다. 안테나의 방사패턴을 측정한 결과, E-plane과 H-plane 모두에서 양방향성 빔이 전체 동작 주파수 대역에 걸쳐 거의 균일하게 나타났으며, 브로드사이드 방향에서 최대 이득을 나타냈다. 안테나의 최대 이득은 전체 대역 내에서 2.
- 안테나의 입력 임피던스를 살펴보면, 시뮬레이션 결과에서 실수값은 0.8～6 GHz 대역에서 평균적으로 150 Ω이고, 허수값은 0 Ω을 중심으로 -50 Ω ～ +50 Ω 사이에서 변동하는 것으로 나타났다.
- 안테나의 방사패턴을 측정한 결과, E-plane과 H-plane 모두에서 양방향성 빔이 전체 동작 주파수 대역에 걸쳐 거의 균일하게 나타났으며, 브로드사이드 방향에서 최대 이득을 나타냈다. 안테나의 최대 이득은 전체 대역 내에서 2.32～6.01 dBi 범위의 값을 갖는 것으로 측정되었다. 논문에서 제안한 안테나는 0.
- 입력 임피던스의 허수값은 시뮬레이션에서 —20 Ω ～ +20 Ω 사이의 값으로 나타났고, 측정 결과에서도 유사한 임피던스 변동폭을 보였다. 전체적인 형태를 볼 때 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 아주 잘 일치함을 알 수 있다.
- 제안한 안테나의 임피던스는 동작주파수 대역에서 평균 150 Ω이므로 발룬의 입력 임피던스 Z MS는 50 Ω, 안테나와 연결되는 부분인 출력 임피던스 Z PSTL은 150 Ω으로 값이 정해진다.
- 6～6 GHz범위에서 -20 dB 이하의 반사손실 특성을 나타냈다. 최대 또는 최소가 되는 주파수의 위치와 반사손실 값에서 약간의 차이를 보이고 있지만, 전체적인 경향을 볼 때 두 결과가 상당히 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.
- 8～6 GHz 대역에서 평균적으로 150 Ω이고, 허수값은 0 Ω을 중심으로 -50 Ω ～ +50 Ω 사이에서 변동하는 것으로 나타났다. 측정 결과는 시뮬레이션 결과보다 임피던스의 변동폭이 조금 더 크고, 3.63 GHz 이후 대역에서 임피던스 값에 다소 차이를 보였지만, 전체적인 형태를 볼 때 두 결과가 비교적 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.
- 89:1이므로 제작된 안테나가 초광대역 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 측정 결과를 살펴보면 UHF 대역에서 이루어지고 있는 다양한 통신 서비스의 주파수 대역(0.824～2.690 GHz) 이외에도 WiMax(3.4～3.6 GHz), ISM(5.725～5.85 GHz), WLAN(5.15～5.825 GHz) 등의 주파수 대역에서 양호한 반사 손실 특성을 보이고 있음을 확인할 수 있다.
후속연구
- 01 dBi 범위의 값을 갖는 것으로 측정되었다. 논문에서 제안한 안테나는 0.8～6 GHz 대역의 각종 무선 이동 통신 서비스용 시스템이나 기지국의 송, 수신 안테나로 응용될 수 있으며, 다른 주파수 대역의 안테나를 설계하는 데도 본 논문에서 사용한 방법이 응용될 수 있다. 앞으로 시뉴어스 안테나의 기하학적 구조를 변형시켜, 물리적인 크기에 변화를 주지 않고 전기적인 특성을 제어하는 소형화 기법에 대한 연구를 계속할 계획이다.
- 8～6 GHz 대역의 각종 무선 이동 통신 서비스용 시스템이나 기지국의 송, 수신 안테나로 응용될 수 있으며, 다른 주파수 대역의 안테나를 설계하는 데도 본 논문에서 사용한 방법이 응용될 수 있다. 앞으로 시뉴어스 안테나의 기하학적 구조를 변형시켜, 물리적인 크기에 변화를 주지 않고 전기적인 특성을 제어하는 소형화 기법에 대한 연구를 계속할 계획이다.
- 제안한 안테나의 입력 임피던스는 150 Ω 근처로 상당히 높은 편이므로 발룬을 설계해 50 Ω의 특성 임피던스에 정합시킬 필요가 있다. 본 논문에서는 0.
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