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문제 정의
- 본 논문에서는 UWB 전대역 (3.1 ~ 10.6 GHz)에서 정재 파비가 2이하를 만족하며 –10dB이하의 입력대비 반사손실을 갖게 하기 위하여 기본 포크형 구조를 가진 안테나에 원형 패치 구조를 결합하고 기존 논문들과 달리 접지면을 원호 구조로 설계하였다.
- 본 논문에서는 포크형 구조를 가진 UWB 안테나를 설계, 제작 및 측정을 하였다. 최종 안테나의 전체 크기는 34 mm(W) × 50 mm(L) × 1 mm(t)이며, 포크형 구조에 적절히 Strip 1, 2 구조를 제거하고 Combine 1 구조를 결합하여 UWB 대역 안테나를 설계하였다.
제안 방법
- 그림 6은 제안된 안테나에서 급전선로 폭인 W4의 길이 변화에 따른 반사손실 특성의 변화를 나타내었다. 그림 6에서 보는 바와 같이 W4의 길이를 1.5 mm에서 2.5 mm로 0.5 mm씩 변화시켰을 때 반사손실 특성변화를 비교하였다. W4 = 1.
- 그림 7은 제안된 안테나에서 급전선로의 길이인 L5의 변화에 따른 반사손실 특성을 나타내었다. 그림 7에서 보는 바와 같이 L5의 길이를 29 mm에서 31 mm로 1 mm씩 변화시켰을 때 반사손실 특성변화를 비교하였다. L5 = 29 mm일 때 10 GHz 대역에서 공진이 되면서 UWB 대역을 만족하지 못하였다.
- 그림 10 (a)를 보면 3 ~ 5 GHz 대역에서 Strip 2를 제거하면 전류가 이동하는 거리가 길어지면서 저주파 대역을 얻을 수 있었다. 따라서 Strip 2를 제거하여 최적화된 반지름 길이인 R2 = 29.5 mm를 갖는 원호 접지면을 설계하였다.
- 6 GHz)에서 정재 파비가 2이하를 만족하며 –10dB이하의 입력대비 반사손실을 갖게 하기 위하여 기본 포크형 구조를 가진 안테나에 원형 패치 구조를 결합하고 기존 논문들과 달리 접지면을 원호 구조로 설계하였다. 또한 상용툴을 사용하여 최적화된 모델과 수치를 얻었으며 전류 분포를 통하여 안테나의 동작 원리를 확인하였다. 제작 및 측정 결과를 토대로 안테나의 반사손실, 전류분포, 방사 패턴을 얻었다.
- 상용 툴 시뮬레이션을 통해 최적화된 수치를 사용하여 안테나를 제작하였고 반사손실 특성을 측정하였다. 그림 8은 실제 제작된 안테나의 사진이다.
- 시뮬레이션을 통해 얻은 최적화된 수치를 바탕으로 제안된 안테나를 FR-4 기판에 제작하고 네트워크 분석기를 이용하여 측정하였다. 반사손실 측정 결과 –10 dB 기준으로 2.
- 최종 안테나의 전체 크기는 34 mm(W) × 50 mm(L) × 1 mm(t)이며, 포크형 구조에 적절히 Strip 1, 2 구조를 제거하고 Combine 1 구조를 결합하여 UWB 대역 안테나를 설계하였다. 안테나의 길이, 급전 선로의 두께, Strip 1,2와 Combine 1 유/무의 변화에 대한 상용툴 시뮬레이션을 진행하여 반사손실 특성을 분석하였다.
- 4, 두께 1 mm인 FR-4 기판 위에 좌우대칭 구조를 갖도록 안테나를 설계하였다. 원형 패치는 UWB 대역의 넓은 대역폭을 만족시키기 위해 결합되며, 접지면은 불필요한 부분을 제거하고 전류를 중심부로 집중시키기 위해 원호형으로 제안하였다. 포크형 구조에 반지름 6 mm(R1)인 원형 패치를 결합하였고, 접지면은 반지름 29.
- 급전라인 두께인 W4의 길이 변화에 따라 제안된 안테나의 시뮬레이션 반사손실 특성 분석을 통해 W4의 길이가 2mm일 때 최적화된 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다. 원호 접지면에 Strip 2를 제거함으로써 급전선로와 접지면의 커플링을 적절히 유도시켜 최적화된 UWB 특성을 얻었다.
- 4 GHz 대역부터 –10dB 이상으로 올라가 이중 공진이 되는데 반사손실 특성이 좋지 않아 UWB 전대역을 만족하지 못하였다. 이를 개선하기 위해 Combine 1을 결합하면서 반사손실 특성곡선을 전체적으로 향상시켰다. 즉, Combine 1이 결합되었을 때 반사손실 특성이 향상되고 4.
- 마지막으로 L3의 길이를 8 mm로 설계하여 원형 패치와 공진이 되면서 최적의 반사손실 특성이 나타났다. 제안된 안테나의 시뮬레이션 과정은 3D 설계가 가능한 상용툴을 사용하여 최적의 패턴 구조와 방사특성을 갖도록 설계하였다. 표1에는 최적화된 UWB 대역 안테나의 파라미터가 나타나 있다.
- 또한 상용툴을 사용하여 최적화된 모델과 수치를 얻었으며 전류 분포를 통하여 안테나의 동작 원리를 확인하였다. 제작 및 측정 결과를 토대로 안테나의 반사손실, 전류분포, 방사 패턴을 얻었다.
- 그림 8 (a)는 제작된 안테나의 앞면을 나타내며 그림 8 (b)는 제작된 안테나의 뒷면을 나타낸다. 제작된 안테나는 신라대학교 공과대학 공동기기실 내에 있는 회로망 분석기(Network Analyzer, Anritsu MS4623B)를 사용하여 반사손실 특성을 측정하였다. 그림 9에서는 제안된 안테나의 반사손실 특성 곡선에 대한 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교하였다.
- 최종 안테나의 전체 크기는 34 mm(W) × 50 mm(L) × 1 mm(t)이며, 포크형 구조에 적절히 Strip 1, 2 구조를 제거하고 Combine 1 구조를 결합하여 UWB 대역 안테나를 설계하였다.
대상 데이터
- Combine 1이 반사손실 특성에 영향을 끼친다는 것을 알게 되었다. 따라서 Combine 1인 포크형 구조에 반지름 길이가 R1 = 6 mm인 원형패치를 삽입하였다.
- 안테나를 제작하는데 사용된 기판의 크기는 34 mm(W) × 50 mm(L)이며 유전율(∊r) = 4.4, 두께 1 mm인 FR-4 기판 위에 좌우대칭 구조를 갖도록 안테나를 설계하였다.
- 원형 패치는 UWB 대역의 넓은 대역폭을 만족시키기 위해 결합되며, 접지면은 불필요한 부분을 제거하고 전류를 중심부로 집중시키기 위해 원호형으로 제안하였다. 포크형 구조에 반지름 6 mm(R1)인 원형 패치를 결합하였고, 접지면은 반지름 29.5 mm(R2)인 원호로 제작하였다. UWB 대역에 많은 영향을 주는 부분 중 하나인 포크형 구조 하단 부분에 한 면의 길이가 3.
성능/효과
- L5 = 31 mm일 때 반사손실 특성 곡선이 WLAN 대역을 포함하고, 저주파 대역에서만 반사손실 특성이 나타나면서 UWB 대역을 만족하지 못하였다. L5의 길이가 29 mm와 31 mm일 때 각각 10 GHz, 4 GHz 대역에서만 공진하며 UWB 대역을 만족하지 못했고, 30 mm일 때 UWB 전대역을 만족시켰고, 충분한 반사손실 특성을 가지는 가장 우수한 결과를 확인할 수 있다.
- 5 mm로 설정하였다. 급전라인 두께인 W4의 길이 변화에 따라 제안된 안테나의 시뮬레이션 반사손실 특성 분석을 통해 W4의 길이가 2mm일 때 최적화된 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다. 원호 접지면에 Strip 2를 제거함으로써 급전선로와 접지면의 커플링을 적절히 유도시켜 최적화된 UWB 특성을 얻었다.
- 상용툴을 이용한 시뮬레이션 결과를 통해 앞면의 패치와 뒷면의 접지면 사이의 거리가 제안된 안테나에 큰 영향을 준다는 것을 확인하였고, 제안된 안테나가 최적화된 특성을 얻기 위해 L5의 길이를 30mm로 설정하였다. 동시에 L4의 두께도 제안된 안테나의 특성에 많은 영향을 주는 것으로 확인되었으며 시뮬레이션 결과상 가장 적절한 2.5 mm로 설정하였다. 급전라인 두께인 W4의 길이 변화에 따라 제안된 안테나의 시뮬레이션 반사손실 특성 분석을 통해 W4의 길이가 2mm일 때 최적화된 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.
- 5 mm(W2)인 직각 삼각형을 양쪽으로 제거하였다. 마지막으로 L3의 길이를 8 mm로 설계하여 원형 패치와 공진이 되면서 최적의 반사손실 특성이 나타났다. 제안된 안테나의 시뮬레이션 과정은 3D 설계가 가능한 상용툴을 사용하여 최적의 패턴 구조와 방사특성을 갖도록 설계하였다.
- 반사손실 측정 결과 –10 dB 기준으로 2.7 ~ 10.9 GHz의 결과를 얻어 UWB 대역 (3.1 ~ 10.6 GHz) 특성을 만족시켰다.
- 제안된 안테나를 최적화하는 과정 중에서 가장 영향이 큰 부분을 그림 2에 나타낸 것이며 Strip 1, 2가 제거되고 Combine 1을 결합함으로써 안테나 대역폭에 우수한 결과를 보인다. 상용툴을 이용한 시뮬레이션 결과를 통해 앞면의 패치와 뒷면의 접지면 사이의 거리가 제안된 안테나에 큰 영향을 준다는 것을 확인하였고, 제안된 안테나가 최적화된 특성을 얻기 위해 L5의 길이를 30mm로 설정하였다. 동시에 L4의 두께도 제안된 안테나의 특성에 많은 영향을 주는 것으로 확인되었으며 시뮬레이션 결과상 가장 적절한 2.
- L5 = 29 mm일 때 10 GHz 대역에서 공진이 되면서 UWB 대역을 만족하지 못하였다. 제안된 안테나에서 최적화된 길이인 L5 = 30 mm일 때와 비교한다면 전체적인 반사손실 특성이 좋지 않은 점을 확인할 수 있다. L5 = 31 mm일 때 반사손실 특성 곡선이 WLAN 대역을 포함하고, 저주파 대역에서만 반사손실 특성이 나타나면서 UWB 대역을 만족하지 못하였다.
- 제안된 안테나의 측정 결과가 시뮬레이션 결과보다 오른쪽으로 이동되었지만 2.7 ∼ 10.9 GHz 대역에서 반사손실 –10dB 이하 기준을 모두 만족한다.
- 이를 개선하기 위해 Combine 1을 결합하면서 반사손실 특성곡선을 전체적으로 향상시켰다. 즉, Combine 1이 결합되었을 때 반사손실 특성이 향상되고 4.9 GHz와 8.3 GHz 대역에서 이중 공진 현상이 일어나면서 UWB 대역을 만족하게 되었다. Combine 1이 반사손실 특성에 영향을 끼친다는 것을 알게 되었다.
- 8 GHz 대역에서 –10dB 이상으로 올라가면서 반사손실 특성이 UWB 대역 중 고주파 부분을 만족하지 못하였다. 즉, Strip 1의 유무가 고주파에 영향을 많이 끼친다는 것을 알게 되었으며, Strip 1이 제거되었을 때 UWB 대역 폭을 만족할 수 있게 되었다. 그림 10 (b)를 보면 8GHz 대역에서 전류분포가 제거된 Strip 1 때문에 전류분포가 밀집되는 것을 알 수 있다.
- 즉, Strip 2가 제거되었을 때 저주파 대역에 영향을 주는 것을 알 수 있고, 반사손실 특성의 대역폭이 넓어 지면서 제안된 안테나는 UWB 대역폭을 만족할 수 있게 되었다. 그림 10 (a)를 보면 3 ~ 5 GHz 대역에서 Strip 2를 제거하면 전류가 이동하는 거리가 길어지면서 저주파 대역을 얻을 수 있었다.
후속연구
- 6 GHz) 특성을 만족시켰다. 이러한 결과로 본연구에서 제안하는 UWB 안테나는 여러 서비스 대역에서 사용 가능할 것으로 판단된다.
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