[논문]UWB 응용을 위한 소형 계단형 개방 슬롯 안테나 설계

여준호; 이종익

doi:10.6109/jkiice.2017.21.1.1

UWB 응용을 위한 소형 계단형 개방 슬롯 안테나 설계
Design of Compact Stepped Open Slot Antenna for UWB Applications 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.1, 2017년, pp.1 - 7

여준호 (School of Computer and Communication Engineering) , 이종익 (Division of Mechatronics Engineering, Dongseo University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 ultra wide band(UWB) 대역(3.1-10.6 GHz)에서 동작하는 소형 계단형 개방 슬롯 안테나의 설계 방법에 대하여 연구하였다. 계단형 개방 슬롯 안테나의 접지면에 L형 슬롯을 추가하여 낮은 주파수에서 공진이 발생하도록 하여 소형화하고, 중간주파수 및 고주파수 대역에서 이득을 높이기 위해 스트립 도파기를 추가하였다. L형 슬롯의 길이, 도파기와 슬롯 안테나 사이의 간격 및 도파기의 길이에 따른 입력 반사계수와 이득 특성을 분석하였다. $30mm{\times}30mm$ 크기로 최적화된 안테나를 FR4 기판 상에 제작하고 특성을 실험한 결과 전압 정재파비(voltage standing wave ratio; VSWR)가 2 이하인 대역은 3.02-11.04 GHz으로 UWB 대역에서 동작함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a design method for a compact stepped open slot antenna for an operation in the UWB band is studied. The proposed antenna is miniaturized by inserting L-shaped slots on the ground plane of the stepped open slot antenna through the creation of a resonance in the low frequency, and a strip director is appended to the antenna in order to increase the gain in the middle and high frequency regions. The effects of varying the length of the L-shaped slots, the distance between the director and the slot antenna, and the director length on input reflection coefficient and realized gain characteristics of the proposed antenna are analyzed. The optimized antenna with the size of $30mm{\times}30mm$ is fabricated on an FR4 substrate, and the experiment results show that the antenna has a frequency band of 3.02-11.04 GHz for a VSWR < 2, which assures the operation in the UWB band.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 UWB 대역 응용을 위한 소형 계단형 개방 슬롯 안테나의 설계 방법에 대하여 연구하였다. 먼저, 계단형 개방 슬롯 안테나의 접지면에 L형 슬롯을 추가하여 낮은 주파수에서 공진이 발생하도록 하여 소형화하였다.
본 논문에서는 UWB 응용을 위한 소형 계단형 개방 슬롯 안테나에 대한 설계 방법에 대하여 연구하였다. 제안된 안테나는 계단형 개방 슬롯 안테나의 접지면에 L형 슬롯을 추가하여 낮은 주파수에서 공진이 발생하도록 하여 소형화하고, 중간주파수 및 고주파수 대역에서 이득을 높이기 위해 도파기를 추가하였다.

가설 설정

두 번째 선로는 직선 부분과 90도 꺾인 부분의 길이는 l_f2와 l_f3이고 폭은 w_f2이다. 세 번째 선로의 길이와 폭은 l_f4와 w_f3이다. 세 번째 선로와 연결된 종단 원형 스터브의 반지름은 r₁이다.

제안 방법

그림 2(c)는 제안된 안테나이다. L형 슬롯과 도파기가 없는 계단형 개방 슬롯 안테나를 먼저 설계한 후, L형 슬롯을 추가하여 낮은 주파수에서 공진을 발생시켜 대역폭을 늘리고 소형화하였다. 중간주파수 및 고주파수 대역에서 이득을 높이기 위해 도파기를 추가하여 설계하였다.
제안된 안테나는 계단형 개방 슬롯 안테나의 접지면에 L형 슬롯을 추가하여 낮은 주파수에서 공진이 발생하도록 하여 소형화하고, 중간주파수 및 고주파수 대역에서 이득을 높이기 위해 도파기를 추가하였다. L형 슬롯의 길이, 도파기 사이의 간격 및 도파기의 길이에 따른 입력 반사계수와 이득 특성을 분석하였다. 최종 설계된 안테나를 FR4 기판(비유전율 4.
먼저, 계단형 개방 슬롯 안테나의 접지면에 L형 슬롯을 추가하여 낮은 주파수에서 공진이 발생하도록 하여 소형화하였다. 다음으로 도파기를 추가하여 중간주파수 및 고주파수 대역에서 이득을 높였다. 주요 설계 변수들인 L형 슬롯의 길이, 도파기와 슬롯 안테나 사이의 간격 및 도파기의 길이에 따른 입력 반사계수와 이득 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 UWB 대역 응용을 위한 소형 계단형 개방 슬롯 안테나의 설계 방법에 대하여 연구하였다. 먼저, 계단형 개방 슬롯 안테나의 접지면에 L형 슬롯을 추가하여 낮은 주파수에서 공진이 발생하도록 하여 소형화하였다. 다음으로 도파기를 추가하여 중간주파수 및 고주파수 대역에서 이득을 높였다.
제시된 설계 변수들은 주요 설계 변수들을 변화시켜 안테나 특성을 분석하여 결정하였으며, 주요 설계 변수 조정을 통한 특성 변화는 다음 절에 설명되어 있다. 먼저, 급전구조와 관련된 설계 변수들을 UWB 대역에서 동작하도록 최적화하고, 다른 설계 변수들은 안테나 특성을 고려하여 결정하였다.
) 및 도파기의 길이(ld)이다. 이들 설계 변수들의 변화에 대한 제안된 안테나의 입력 반사계수와 이득 특성의 영향을 조사하였다.
UWB 대역에서 동작하는 제안된 소형 계단형 개방 슬롯 안테나의 설계 변수들이 표 1에 나타나 있다. 제시된 설계 변수들은 주요 설계 변수들을 변화시켜 안테나 특성을 분석하여 결정하였으며, 주요 설계 변수 조정을 통한 특성 변화는 다음 절에 설명되어 있다. 먼저, 급전구조와 관련된 설계 변수들을 UWB 대역에서 동작하도록 최적화하고, 다른 설계 변수들은 안테나 특성을 고려하여 결정하였다.
제안된 소형 계단형 개방 슬롯 안테나의 주요 설계 변수들은 L형 슬롯의 90도 꺾인 길이(l_gs2), 도파기 사이 의 간격(d_s) 및 도파기의 길이(ld)이다. 이들 설계 변수들의 변화에 대한 제안된 안테나의 입력 반사계수와 이득 특성의 영향을 조사하였다.
본 논문에서는 UWB 응용을 위한 소형 계단형 개방 슬롯 안테나에 대한 설계 방법에 대하여 연구하였다. 제안된 안테나는 계단형 개방 슬롯 안테나의 접지면에 L형 슬롯을 추가하여 낮은 주파수에서 공진이 발생하도록 하여 소형화하고, 중간주파수 및 고주파수 대역에서 이득을 높이기 위해 도파기를 추가하였다. L형 슬롯의 길이, 도파기 사이의 간격 및 도파기의 길이에 따른 입력 반사계수와 이득 특성을 분석하였다.
그림 8은 제작된 제안된 소형 계단형 개방 슬롯 안테나의 입력 반사계수와 이득 특성을 나타내고 있다. 제작된 안테나의 입력 반사계수는 회로망분석기(N5230A, Agilent社)를 이용하여 측정하였고, 이득은 전파무반사실에서 측정하였다.
다음으로 도파기를 추가하여 중간주파수 및 고주파수 대역에서 이득을 높였다. 주요 설계 변수들인 L형 슬롯의 길이, 도파기와 슬롯 안테나 사이의 간격 및 도파기의 길이에 따른 입력 반사계수와 이득 특성을 분석하였다.
L형 슬롯과 도파기가 없는 계단형 개방 슬롯 안테나를 먼저 설계한 후, L형 슬롯을 추가하여 낮은 주파수에서 공진을 발생시켜 대역폭을 늘리고 소형화하였다. 중간주파수 및 고주파수 대역에서 이득을 높이기 위해 도파기를 추가하여 설계하였다.

대상 데이터

최종 설계된 소형 계단형 개방 슬롯 안테나를 FR4 기판(∊r 4.4, 두께 = 0.8 mm, loss tangent = 0.025)을 이용하여 그림 7과 같이 제작하였고, 안테나의 크기는 30 mm × 30 mm이다.
L형 슬롯의 길이, 도파기 사이의 간격 및 도파기의 길이에 따른 입력 반사계수와 이득 특성을 분석하였다. 최종 설계된 안테나를 FR4 기판(비유전율 4.4, 두께 0.8 mm) 상에 제작하여 특성을 확인하였다.

성능/효과

UWB대역 VSWR < 2인 주파수 대역은 시뮬레이션 결과 2.98—11.02 GHz이고, 측정결과는 3.02—에서 시뮬레이션 이득은 3.1—7.4 dBi이고, 측정결과는 3.0—6.5 dBi이다.
1 GHz, 6 GHz, 9 GHz에서 측정된 제안된 안테나의 E-면(x-y면)과 H-면(y-z면) 복사 패턴이며 시뮬레이션과 유사함을 알 수 있다. 또한 측정된 복사패턴에서 전후방비가 8 dB 이상으로 유지됨을 알 수 있다.
5 dBi이다. 제작된 안테나의 크기는 30 mm × 30 mm로서 UWB 대역의 가장 낮은 주파수인 3.1 GHz의 자유공간 파장을 기준으로 0.31 파장 × 0.31 파장으로 소형임을 알 수 있다.
최종 설계된 안테나를 FR4 기판 상에 제작하고 특성을 실험한 결과 VSWR < 2 이하인 대역은 3.02—11.04 GHz으로 UWB 대역에서 동작함을 확인하였다. 측정이득은 UWB 대역 내에서 3.

후속연구

제안된 소형 계단형 개방 슬롯 안테나는 UWB 통신 및 UWB 레이더용 소형 지향성 안테나로 사용되거나 혹은 휴대형 방향탐지용 안테나로 전파 스펙트럼 측정을 위해 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UWB 통신용 광대역 안테나 중 소형 무지향성 안테나에는 무엇이 있는가?	UWB 통신용 광대역 안테나 중에서 소형 무지향성 안테나에는 모노폴(monopole), 다이폴(dipole) 및 루프(loop) 안테나 등이 있다. 고이득 지향성 안테나에는 혼(horn) 안테나, 스파이럴(spiral) 안테나, 대수-주기 다이폴 배열(log-periodic dipole array; LPDA) 안테나, 테이퍼드 슬롯(tapered slot) 안테나 등이 사용된다[2,3].
	UWB 통신에 필요한 장비는?	고속 전송이 가능하고 넓은 대역 폭과 매우 낮은 스펙트럼 전력 밀도로 인한 비화성 기능이 뛰어나고 다중경로에 강한 이유로 무선통신, 거리측정, 레이더, 이미징 시스템 등의 많은 분야에 응용되고 있다. 이러한 UWB 통신을 위해서는 7.5 GHz 대역 폭을 가지는 UWB 신호를 송·수신할 수 있는 광대역 안테나가 반드시 필요하다[1].
	UWB 통신 기술의 장점은?	6 GHz 대역에서 100 Mbps 이상의 전송 속도를 가진다. 고속 전송이 가능하고 넓은 대역 폭과 매우 낮은 스펙트럼 전력 밀도로 인한 비화성 기능이 뛰어나고 다중경로에 강한 이유로 무선통신, 거리측정, 레이더, 이미징 시스템 등의 많은 분야에 응용되고 있다. 이러한 UWB 통신을 위해서는 7.

참고문헌 (7)

H. Schantz, The art and science of ultra-wideband antennas. Norwood, MA: Artech House, 2005.
T. A. Denidni and G. Augustin, Ultrawideband antennas for microwave imaging systems. Norwood, MA: Artech House, 2014.
C. A. Balanis, Antenna theory - analysis and design, 3rd ed. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience, 2005.
M. Gopikrishna, D. D. Krishna, C. K. Aanandan, P. Mohanan, and K. Vasudevan, "Design of a microstrip fed step slot antenna for UWB communication," Microwave and Optical Technology Letters, vol. 51, no. 4, pp. 1126-1129, Apr. 2009.

상세보기
M. Gopikrishna, D. D. Krishna, C. K. Aanandan, P. Mohanan, and K. Vasudevan, "Compact linear tapered slot antenna for UWB applications," Electronics Letters, vol. 44, no. 20, pp. 1174-1176, Sep. 2008.

상세보기
A. M. Abbosh, "Miniaturized microstrip-fed tapered-slot antenna with ultrawideband performance," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 8, pp. 690-692, 2009.

상세보기
J. Yeo and J. I. Lee, "Miniaturized design of log-periodic dipole array antenna using half-bowtie dipole elements," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 20, no. 6, pp. 1057-1062, Jun. 2016.

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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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