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문제 정의
- 본 논문에서는 이중 슬리브를 갖는 직사각형 평면 모노폴 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나의 특성을 확인하기 위하여 갭 슬리브 간격 변화, 외각 슬리브 길이 변화, 급전 간격 변화를 주어 안테나 성능을 개선하였다.
제안 방법
- 이중 슬리브를 갖는 직사각형 평면 모노폴 안테나의 특성을 확인하기 위해서 첫 번째로 두 개의 갭 슬리브 간격 변화에 따른 반사손실을 그림 2에 나타내었다. 두 개의 갭 슬리브 간격 변화(SG1)에 따른 특성을 확인하기 위하여 갭 슬리브 간격을 0.1mm, 0.6mm, 1.2mm로 변화를 주었다. 이 간격은 접지면과 각각의 슬리브 사이에 기생요소를 발생하여 광대역화 영향을 준다.
- 본 논문에서는 여러 평면형 모노폴 구조 중에서 가장 기본인 직사각형 구조를 이용하였고, 슬리브 구조에는 두 개의 갭 슬리브와 외각 슬리브를 추가하여 안테나 성능을 개선하였다. 두 개의 갭 슬리브 간격 조정과 외각 슬리브 길이 조정, 직사각형 모노폴 구조와 급전 사이의 간격(gap)을 조정하여 임피던스 매칭을 하였다. 제안된 안테나의 검증을 위하여 ANSYS사의 HFSS 시뮬레이션 툴을 이용하여 안테나를 설계하였고, 안테나 측정을 위하여 Agilent사의 HP8722ES Vector Network Analyzer를 이용하여 반사손실을 측정하였으며, Far Filed Chamber를 통하여 안테나의 복사 특성을 측정하여 성능을 검증하였다.
- 복사패턴 측정은 대전 테크노파크의 Antenna Far Field Chamber를 이용하여 측정하였다. 그림 8은 측정된 안테나의 복사패턴을 나타내었다.
- 직사각형 평면 모노폴 구조에 슬리브 추가로 접지면과 슬리브 사이에 기생요소 변화와 임피던스 매칭, 다중 대역, 광대역, 소형화를 통해 UWB 안테나에 적용 가능한 구조라 할 수 있다. 본 논문에서는 여러 평면형 모노폴 구조 중에서 가장 기본인 직사각형 구조를 이용하였고, 슬리브 구조에는 두 개의 갭 슬리브와 외각 슬리브를 추가하여 안테나 성능을 개선하였다. 두 개의 갭 슬리브 간격 조정과 외각 슬리브 길이 조정, 직사각형 모노폴 구조와 급전 사이의 간격(gap)을 조정하여 임피던스 매칭을 하였다.
- 안테나 급전은 SMA 컨넥터를 이용하여 급전을 하였고, 그림 6은 제작된 안테나 사진을 나타내었다. 안테나 특성 파라미터인 반사손실 측정은 에질런트사의 HP8722ES Vector Network Analyzer를 이용하여 측정하였다.
- 4mm2 이다. 양쪽 접지면 사이에 급전을 위해 CPW 라인을 설계하였다. 기본 CPW 설계 값 CW, CG는 각각 2mm, 0.
- 이중 슬리브를 갖는 직사각형 평면 모노폴 안테나의 특성을 확인하기 위해서 두 번째로 외각 슬리브를 추가시켰고, 외각 슬리브 길이(OSH)를 변화시켰다. 외각 슬리브 폭(OSW)은 3mm로 하였다.
- 직사각형 평면 모노폴 구조에서 급전간격이 매우 중요한 최적화 파라미터이다. 접지면과 모노폴 사이의 급전 간격을 0.5mm, 1mm, 1.5mm로 조정하였다. 급전 간격이 0.
- 제안된 안테나는 직사각형 형태의 평면형 모노폴 구조를 기본으로 하고 두 번의 슬리브를 추가시켜 임피던스 매칭을 하였다. 그림 1은 제안한 안테나 구조를 나타내었다.
- 본 논문에서는 이중 슬리브를 갖는 직사각형 평면 모노폴 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나의 특성을 확인하기 위하여 갭 슬리브 간격 변화, 외각 슬리브 길이 변화, 급전 간격 변화를 주어 안테나 성능을 개선하였다. 갭 슬리브 간격(SG1)은 0.
- 제안한 안테나의 제작은 최적화된 시뮬레이션 결과를 이용하여 안테나를 제작하였다. 안테나 기판 재질은 비유전율 εr = 4.
- 02)을 이용하여 설계하였다. 직사각형 평면 모노폴 구조를 기본으로 하고 광대역을 이루기 위해 두 개의 갭 슬리브와 외각 슬리브를 추가시켜 임피던스 정합을 이루었다. 두 개의 갭 슬리브 간격(SG1) 조정과 외각 슬리브(OSH, OSW) 추가로 인한 기생요소 변화로 광대역 특성이 나타나고, 고주파 대역에서 임피던스 정합이 향상되는 것을 예측할 수 있다.
- 그림 8은 측정된 안테나의 복사패턴을 나타내었다. 측정 패턴은 XY-plane과 YZ-plane을 측정하였고, 측정 주파수는 3GHz와 6GHz, 9GHz이다 표 2에 각각의 주파수 별 이득(gain)을 나타내었다. 최대 이득은 2.
대상 데이터
- 직사각형 모노폴과 접지면 사이의 급전 간격(G)은 1mm일 때 최적화가 되었다. 시뮬레이션 주파수 대역폭은 8GHz이고, 측정된 주파수 대역폭은 7.4GHz이다. 측정된 최대 이득 값은 2.
- VSWR 기준으로는 2이하 값이다. 시뮬레이션된 반사손실 결과의 주파수 범위는 2.5GHz - 10.5GHz이고, 대역폭은 8GHz이다. 측정된 결과의 주파수 범위는 2.
- 7인 FR4를 사용하였고. 안테나 기판 높이는 1mm이다. 안테나와 접지면 재질은 1온스의 동(copper)을 사용하여 제작하였다.
- 안테나 기판 재질은 비유전율 εr = 4.7인 FR4를 사용하였고.
- 안테나 기판은 FR4 기판(εr = 4.4, tanδ = 0.02)을 이용하여 설계하였다.
- 안테나 기판 높이는 1mm이다. 안테나와 접지면 재질은 1온스의 동(copper)을 사용하여 제작하였다. 안테나 급전은 SMA 컨넥터를 이용하여 급전을 하였고, 그림 6은 제작된 안테나 사진을 나타내었다.
- 외각 슬리브 폭(OSW)은 3mm로 하였다. 외각 슬리브 길이는 0mm, 1.5mm, 3mm로 하였다. 외각 슬리브 길이가 0mm 일 때 주파수 범위는 2.
- 이중 슬리브를 갖는 직사각형 평면 모노폴 안테나의 최적화된 반사손실 값을 그림 5에 나타내었다. 최적화된 파라미터를 살펴보면 직사각형 모노폴 폭(W)과 길이(H)는 각각 15mm와 20.5mm이다. 갭 슬리브 간격(SG1)은 0.
데이터처리
- 두 개의 갭 슬리브 간격 조정과 외각 슬리브 길이 조정, 직사각형 모노폴 구조와 급전 사이의 간격(gap)을 조정하여 임피던스 매칭을 하였다. 제안된 안테나의 검증을 위하여 ANSYS사의 HFSS 시뮬레이션 툴을 이용하여 안테나를 설계하였고, 안테나 측정을 위하여 Agilent사의 HP8722ES Vector Network Analyzer를 이용하여 반사손실을 측정하였으며, Far Filed Chamber를 통하여 안테나의 복사 특성을 측정하여 성능을 검증하였다.
성능/효과
- 갭 슬리브 간격의 변화에 따라서 임피던스 정합은 고주파 대역에서 영향을 받는 것을 확인 할 수 있었다. 이 간격은 접지면과 각각의 슬리브 사이에 기생요소에 의해 기인한 것이다.
- 직사각형 평면 모노폴 구조를 기본으로 하고 광대역을 이루기 위해 두 개의 갭 슬리브와 외각 슬리브를 추가시켜 임피던스 정합을 이루었다. 두 개의 갭 슬리브 간격(SG1) 조정과 외각 슬리브(OSH, OSW) 추가로 인한 기생요소 변화로 광대역 특성이 나타나고, 고주파 대역에서 임피던스 정합이 향상되는 것을 예측할 수 있다. 직사각형 평면 모노폴 구조에서 급전간격(G)이 매우 중요한 최적화 파라미터이다.
- 12GHz 차이가 나는 것을 알 수 있다. 시뮬레이션 결과를 보면 UWB 대역용 안테나에 적용 가능한 결과이다.
- 35GHz이다. 외각 슬리브 길이가 1.5mm일 때 최대 대역폭을 얻을 수 있었고, 외각 슬리브 길이에 따라서 임피던스 정합은 저주파 대역과 고주파 대역의 대역폭 감소와 중간대역의 반사손실 향상에 영향을 주는 것을 알 수 있다. 직사각형 평면 모노폴과 외각 슬리브의 비는 1.
- 직사각형 평면 모노폴 구조에 갭 슬리브와 외각 슬리브를 추가하여 광대역화와 임피던스 정합이 되는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 이중 슬리브를 갖는 직사각형 평면 모노폴 안테나가 UWB 대역용 안테나에 적용가능하며, 실용화 가능성을 확인할 수 있었다.
- 그러나 저주파 대역에서 반사손실은 향상되었다. 이러한 시뮬레이션 결과에서 급전 간격 증가 될수록 대역폭은 감소되고, 저주파 대역에서 임피던스 정합이 향상되는 것을 알 수 있었다. 그림 4에 급전 간격 변화에 따른 반사손실 변화를 나타내었다.
- 안테나의 크기는 40×40mm2이다. 직사각형 평면 모노폴 구조에 갭 슬리브와 외각 슬리브를 추가하여 광대역화와 임피던스 정합이 되는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 이중 슬리브를 갖는 직사각형 평면 모노폴 안테나가 UWB 대역용 안테나에 적용가능하며, 실용화 가능성을 확인할 수 있었다.
- 5GHz이고, 대역폭은 8GHz이다. 측정된 결과의 주파수 범위는 2.92GHz - 10.32GHz이고, 대역폭은 7.4GHz이다.
- 측정된 이득을 살펴보면 주파수가 높을수록 이득이 감소하는 특징을 나타내고 있고, 주파수가 높을수록 Null의 개수가 증가하는 것을 알 수 있다. 그 이유는 표면 전류 변화에 의해 나타난다.
후속연구
- 시뮬레이션 결과와 측정된 결과를 비교하여 보면 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 측정된 대역폭이 7GHz 이상이므로 UWB 대역용 안테나로 사용 가능할 수 있을 것이다.
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