[논문]WLAN 시스템에 적용 가능한 삼중 폴디드 패치를 가진 CPW 급전 소형 안테나

최인태; 신호섭

doi:10.5515/kjkiees.2015.26.9.777

WLAN 시스템에 적용 가능한 삼중 폴디드 패치를 가진 CPW 급전 소형 안테나
Compact CPW-Fed Antenna with Triple Folded Patch for WLAN Applications 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.26 no.9, 2015년, pp.777 - 782

최인태 (군산대학교 전자정보공학부 정보통신전파공학 전공) , 신호섭 (군산대학교 IT정보제어공학부 IT융합통신공학전공)

초록
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본 논문에서는 WLAN 시스템에 적용 가능한 이중 대역을 갖는 삼중 폴디드 형태의 CPW 급전 방식의 소형 안테나를 제안하였다. 기존 이중 역-L형 안테나를 ㄷ자 형의 패치와 이중 역-L형 안테나로 변경하여 안테나의 소형화에 따른 협대역 특성을 극복하였으며, $16.5mm{\times}29.5mm{\times}1.0mm$의 크기로 2.4 GHz 대역과 5 GHz 대역에서 사용할 수 있도록 최적화하여 설계 및 제작하였다. 두께 1.0 mm의 FR-4 기판으로 제작하였으며, 측정한 결과 이중 대역에서 -10 dB 이하의 반사 손실 값을 얻어 이중 대역 WLAN 시스템용 안테나로서 사용할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the compact CPW-fed antenna with triple folded patch for dual-band WLAN applications is proposed. As the conventional double inverted-L antenna is changed into the C-shaped patch and double inverted-L antenna, the antenna overcomes the narrow-band characteristics according to the miniaturization of the antenna. The proposed antenna with the size of only $16.5mm{\times}29.5mm{\times}1.0mm$ is designed and fabricated by optimized parameters to be operated at 2.4 GHz band and 5 GHz band. The antenna is fabricated into FR-4 substrate with thickness of 1.0 mm. We confirm that it is operated as antenna for WLAN applications by obtaining the measured return loss level of < -10 dB at dual-band.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 WLAN 시스템에서 사용하는 이중 대역에서 사용이 가능한 ㄷ자형과 이중의 역-L형의 패치들로 이루어진 CPW 급전방식의 소형 안테나를 제안하였다. 모의실험을 통하여 최적화한 후 비유전율이 4.
본 논문에서는 WLAN의 2.4 GHz 대역과 5 GHz 대역의 모바일 환경에서도 사용이 가능한 이중 공진 소형 안테나를 제안하였다^[2]. 기본적으로 진공에서의 공진되는 파장의 4배를 줄일 수 있는 1/4 λ₀ 모노폴 안테나를 사용하고, 비유전율이 4.

제안 방법

0 mm인 저렴한 FR-4기판을 사용하여 소형화 하였다^[5]. 그러나 소형화됨에 따라 협대역의 특성을 가지게 되기 때문에 이를 개선하기 위해 기존에 발표된 이중 역-L형 구조를 ㄷ자형과 이중 역-L형의 구조로 설계하였다^[6],[7]. 또한, 준-TEM파의 특성을 갖는 CPW 급전 방식을 사용하여 제안된 안테나를 설계하는 것에 도움을 주었다^[8].
그림 8은 최적화된 안테나의 반사손실 모의실험 결과와 제작한 안테나의 측정결과를 보여주고 있다. 제작된 안테나는 안테나 분석기(Antenna Analyzer, Anritsu S331- D)를 이용하여 반사손실을 측정하였다. 최적화된 모의실험 결과와 측정결과가 약간의 오차가 있지만, 두 결과의 값이 유사한 패턴을 보이고 있는 것을 확인할 수 있다.

대상 데이터

기본적으로 진공에서의 공진되는 파장의 4배를 줄일 수 있는 1/4 λ₀ 모노폴 안테나를 사용하고, 비유전율이 4.6이고, 두께가 1.0 mm인 저렴한 FR-4기판을 사용하여 소형화 하였다[5].
그림 9는 제작한 안테나의 측정된 복사패턴을 보여준 것이다. 측정은 MTG사 전자파 무반사실(anechoic chamber)에서 이루어졌으며, 송신안테나로 표준 혼안테나(horn antenna)를 사용하였다. 무선랜안테나는 안테나가 어디에 있듯 수신이 가능해야 하므로 모노폴 안테나처럼 전방향성에 가까운 복사패턴이 요구되는데, 그림 9을 보면 3면(x-z면, y-z면, x-y면)에서 전방향성에 가까운 복사패턴을 나타내므로 무선랜용 안테나로 적합하다고 할 수 있는 것으로 사료된다.

성능/효과

에 따른 영향을 보여주고 있다. 1.0 mm의 작은 차이지만 5 GHz 대역의 공진 주파수가 변화하고, 대역폭이 차이가 많이 나는 것을 알 수 있다. 길이가 8.
길이가 길어질수록 파라미터 L_R3와 유사 하게 5 GHz 대역에의 공진 주파수가 낮아지는 것을 알수가 있다. 따라서 L_R3뿐만 아니라, L_R2도 공진주파수와 대역폭에 영향을 많이 주는 설계변수임을 확인할 수 있다. 그림 5는 최적화된 안테나의 표면 전류 분포를 보여 주고 있다.
또한, 보다 빠르게 데이터를 송수신하기를 원하는 소비자들의 욕구가 커짐에 따라서 IEEE 802.11b의 2.4～2.4835 GHz 대역보다 넓은 대역을 포함하는 5 GHz의 WLAN이 고려되었다. IEEE의 802.
또한, 제작된 안테나의 크기는 16.5 mm×29.5 mm×1.0 mm로서 기존 안테나의 크기를 3배 정도 줄여서 무선랜 시스템에서 차지하는 안테나 공간의 크기를 크게 줄였으므로, 무선랜 시스템 내부의 공간활용도를 크게 향상시켰다.
모의실험을 통하여 최적화한 후 비유전율이 4.6인 저렴한 가격의 FR-4 기판을 사용하여 제작 및 측정한 결과, 주파수 2.4 GHz 대역(2.4～2.4835 GHz)과 5 GHz 대역(5.15～5.825 GHz)에서 —10 dB 이하의 반사 손실을 얻었고, 전방향성에 가까운 복사패턴을 얻어서 WLAN 시스템에서 사용할 수 있음을 확인하였다.
그림 2는 폭이 좁고 길이가 짧은 오른쪽 역-L형이 추가 되기 전과 추가하여 모의실험을 통하여 최적화된 반사 손실 결과들을 비교한 것이다. 역-L형 패치를 추가하기 전에는 5.15～5.25 GHz 대역에서는 사용할 수가 없는 실험 결과가 나왔지만, 추가하여 최적화하여 5 GHz 대역 모두 사용 가능할 수 있다는 결과를 얻었다.
그림 6은 모의실험을 통하여 계산된 3D 복사패턴을 나타내었다. 주파수 2.442 GHz, 5.25 GHz, 5.75 GHz에서의 이득은 각각 1.79 dBi, 3.17 dBi, 3.68 dBi의 양호한 결과를 얻었다. 복사패턴이 무지향 특성을 띄고 있으나, 한 쪽 방향으로 좀 더 큰 것은 비대칭적인 안테나 구조가 주된 원인으로 판단된다.
제작된 안테나는 안테나 분석기(Antenna Analyzer, Anritsu S331- D)를 이용하여 반사손실을 측정하였다. 최적화된 모의실험 결과와 측정결과가 약간의 오차가 있지만, 두 결과의 값이 유사한 패턴을 보이고 있는 것을 확인할 수 있다. 오차는 제작상에서의 파라미터 수치의 오차와 측정 환경 등에 의해서 발생되는 것으로 판단되어진다.
측정 결과, WLAN에서 사용하는 2.4 GHz 대역(2.4～2.4835 GHz)과 5 GHz 대역(5.15～5.825 GHz)에서 —10 dB 이하로 낮아지는 것을 확인할 수가 있다.
표 2를 보면 IEEE 802.11b의 2.4～2.4835 GHz 대역에서 —2.31～—1.99 dBi의 평균이득과 58.77～63.29 %의 효율을 가지며, IEEE의 802.11a의 5.15～5.35 GHz와 5.725～5.825 GHz 대역에서 —1.99～—0.99 dBi의 평균이득과 63.29～79.54 %의 효율을 가짐으로써 무선랜용 안테나로 사용하기에 충분한 이득과 효율을 나타내고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IEEE의 802.11a에서 정의하는 5 GHz 주파수 대역은 무엇인가?	IEEE의 802.11a에서 정의되는 5 GHz 주파수 대역은 5.15～5.35 GHz, 5.725～5.825 GHz이고, 최대 54 Mbps의 전송률을 지원하고 있으며, 802.11n에서는 600 Mbps의 전송률을 지원하고 현재 표준화가 진행 중인 802.
	WLAN의 장점은 무엇인가?	최근 WLAN(Wireless Local Area Network)은 건물내 또는 건물과 건물 사이나 기타 모바일 환경에서 망의 재구축이 쉽다는 장점으로 인하여 높은 선호도를 나타내고 있다. 네트워크 구축시 WLAN은 랜케이블을 연결할 필요 없이 기존의 유선 LAN의 기능을 사용할 수 있다는 장점이 있어 보다 편리하고 자유롭게 사용할 수 있어 그 응용 범위를 확장시키고 있다[1].
	2.4 GHz 대역과 5 GHz 대역에서 모두 사용이 가능한 이중 공진 안테나의 개발이 필요한 이유는 무엇인가?	4835 GHz 대역보다 넓은 대역을 포함하는 5 GHz의 WLAN이 고려되었다. IEEE의 802.11a에서 정의되는 5 GHz 주파수 대역은 5.15～5.35 GHz, 5.725～5.825 GHz이고, 최대 54 Mbps의 전송률을 지원하고 있으며, 802.11n에서는 600 Mbps의 전송률을 지원하고 현재 표준화가 진행 중인 802.11ac에서는 6.9 Gbps까지의 전송률을 지원하는 것을 목표로 하고 있다. 이에 따라 2.

참고문헌 (8)

J. Geier, Wireless LANs, Sams, 2002.
김창일, 오종대, 양운근, 김성민, "무선 LAN 엑세스 포 인트용 2.4 GHz, 5 GHz 이중공진 안테나의 설계 및 구 현", 한국전자파학회 논문지, 14(3), pp. 304-311, 2003 년 3월.
V. Jones, H. Sampath, "Emerging technologies for WLAN", IEEE Communications Magazine, vol. 53, issue 3, pp. 141-149, Mar. 2015.

상세보기
L. Guo, Y. Wang, Z. Du, and Y. Gao, "A compact uniplanar printed dual-antenna operating at the 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN bands for laptop computers", IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol 13, Jan. 2014.
W. L. Stutzman, G. A. Thiele, Antenna Theory and Design, 3rd ed. John Wiley & Sons, 2013.
W. C. Liu, "Wideband dual-frequency double inverted-L CPW-fed monopole antenna for WLAN application", IEE Proc. Microw. Antennas Propag., vol. 152, no. 6, pp. 505-510, Dec. 2005.

상세보기
Z. N. Chen, M. Y. W. Chia, Broadband Planar Antennas: Design and Applications, John Wiley & Sons, 2006.
K. C. Gupta, Microstrip Lines and Slotlines, 2nd ed., Artech House, 1996.

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