[논문]이중대역 저지특성을 가지는 2.4 GHz WLAN 및 UWB 겸용 모노폴 안테나

이기용; 이영순

doi:10.12673/jant.2017.21.2.193

이중대역 저지특성을 가지는 2.4 GHz WLAN 및 UWB 겸용 모노폴 안테나
Dual Band-notched Monopole Antenna for 2.4 GHz WLAN and UWB Applications 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.21 no.2 = no.83, 2017년, pp.193 - 199

이기용 (국방기술품질원 유도전자센터) , 이영순 (금오공과대학교 전자공학부)

초록
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본 논문에서는 이중대역 저지 특성을 가지는 2.4 GHz WLAN (2.4 ~ 2.484 GHz) 및 UWB (3.1 ~ 10.6 GHz) 겸용 모노폴 안테나를 제안하였다. 3.5 GHz WiMAX 대역 저지 특성을 얻기 위하여 기존의 방사패치 중앙에 위치한 U-형태 슬롯을 대신하여 방사패치 가장자리에 위치하는 한쌍의 L-형 슬롯이 사용되고, 반면에 7.5 GHz 대역 저지를 위하여 급전선 인근에 배치되는 한 쌍의 C-형태의 스트립 공진기를 사용한다. 제안된 안테나의 제작 및 측정 결과, 임피던스 대역폭 (${\mid}S_{11}{\mid}{\leq}-10dB$) 이 8.62 GHz (2.38 ~ 11 GHz)로 2.4 GHz WLAN 대역을 포함한 UWB 대역을 충분히 만족하고, 반면에 3.5 GHz WiMAX 저지 대역 (${\mid}S_{11}{\mid}$ > -10 dB) 은 1.13GHz (3.15 ~ 4.28 GHz), 7.5 GHz 저지 대역은 800 MHz (7.2~8 GHz) 의 저지 대역폭을 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 특히 사용하고자 하는 전 주파수 대역에서 안정되고 우수한 무지향성 방사패턴을 얻을 수 있었으며 2.51~6.81 dBi의 높은 이득 또한 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the paper, a dual band-notched monopole antenna is proposed for 2.4 GHz WLAN (2.4 ~ 2.484 GHz) and UWB (3.1 ~ 10.6 GHz) applications. The 3.5 GHz WiMAX band notched characteristic is achived by a pair of L-shaped slots instead of the previous U-shaped slot on the center of the radiating patch, whereas the 7.5 GHz band notched characteristic is achived by C-shaped strip resonator placed near to the microstrip feed line. The measured impedance bandwidth (${\mid}S_{11}{\mid}{\leq}-10dB$) is 8.62 GHz (2.38 ~ 11 GHz) which is sufficient to cover 2.4 GHz WLAN and UWB band, while measured band-notched bandwidths for 3.5 GHz WiMAX and 7.5 GHz bnad are 1.13 GHz (3.15 ~ 4.28 GHz) and 800 MHz (7.2 ~ 8 GHz) respectively. In particular, it has been observed that antenna has a good omnidirectional radiation patterns and higher gain of 2.51 ~ 6.81 dBi over the entire frequency band of interest.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 경우 패치에 유기되는 전류가 중앙에 위치한 U-형태의 슬롯으로 인해 다중 전류 경로를 가지게 되므로 모노폴 안테나의 무지향성 방사패턴이 왜곡될 수 있고 또한 안테나 이득에도 손실을 볼 수 있다는 점이 문제점으로 지적될 수 있다. 그러므로 본 논문에서는 안테나이득의 손실 없이 무지향성 방사패턴을 유지하는 3.5 GHz WiMAX 대역 저지를 위해서 중앙에 위치한 U-형태의 슬롯 대신에 패치의 좌측 및 우측 가장자리에 위치하면서 한 쪽 끝이 개방된 한 쌍의 L-형태의 슬롯을 사용하고자 한다.
본 논문에서는 UWB (3.1 ~ 10.6 GHz) 뿐만 아니라 2.4 GHz WLAN (2.4 ~ 2.484 GHz) 용으로도 사용이 가능하면서, UWB 주파수 대역 내에서 5 GHz WLAN 대역은 제외한 전자기적 간섭 문제의 발생이 예상되는 3.5 GHz WiMAX(3.4 ~ 3.69 GHz) 대역 및 7.5 GHz (7.25 ~ 7.75 GHz) 위성 통신 다운 링크용 대역의 이중대역 저지를 만족하는 안테나를 설계 하고자 한다.
이와 같이 전자기적 간섭 문제를 피하기 위하여 단일 혹은 다중 주파수 대역 저지 특성을 가지는 다양한 UWB용 안테나 설계 방법이 제시되고 있다. 본 논문에서는 대역저지를 위한 다양한 방법 중에서도 비교적 구조가 간단하여 설계가 용이한 방법 중에 하나인 슬롯을 사용하는 방법을 소개하고자 한다. 슬롯을 사용하는 기존의 방법으로 방사패치 혹은 접지면 주위에 L-형태[2], E- 형태[3], C-형태[4],[5], SRR-형태[6],[7], U-형태[8],[9] 등의 다양한 형태의 슬롯을 에칭 하여 주파수 대역 저지 특성을 가지도록 설계하는 방법들이 제안되었다.
본 논문에서는 이중 대역 저지특성을 가지는 개선된 2.4 GHz WLAN 및 UWB 겸용 모노폴 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 37 × 48 mm²의 PCB기판의 윗면의 중심에 설계하였으며 주요 파라미터에 대한 경향분석과 그 결과를 토대로 최종적인 형태의 안테나를 제작 및 측정하였다.

제안 방법

먼저 2.4 GHz WLAN 및 UWB 용의 안테나 설계를 위해 참고 문헌 [9]에서 제안된 원형 패치에 다각형 패치가 결합된 마이크로스트립 급전 모노폴 안테나를 사용하고자 한다. 참고 문헌 [9]에서는 WiMAX 단일 대역 저지를 위해 안테나의 패치 중앙에 U-형태의 슬롯을 사용하였다.
/4 모노폴 슬롯과 유사한 개념이다. 반면에 7.5 GHz 위성 통신 다운 링크용 대역 저지를 위하여 안테나 이득과 방사패턴에 영향을 적게 줄 것으로 예상되는 참고 문헌[11]에서 사용된 C-형태 도체 스트립 공진기를 급전선 양 옆에 배치하여 사용하고자 한다. 본 논문에서의 안테나 모의실험 설계는 CST사의 MWS를 사용하였다.
본 논문에서 제안 하고자하는 한 쌍의 L-형태 슬롯 및 C-형태 스트립을 사용한 이중대역 저지 특성을 갖는 마이크로스트립 급전 모노폴 안테나를 그림 1에 제시하였다. 그림 1에서 r은 원형 패치의 반지름이며 Lf는 급전선의 길이이다.
추가적으로 간단한 구조를 가지므로 쉬운 제작이 가능하다. 언급한바와 같이 본 논문이 제안한 안테나가 2.4 GHz WLAN 대역을 포함한 UWB 전 대역을 충분히 만족하면서 이중 대역저지 특성을 갖는다. 특히 기존의 안테나[9] 와 비교하여 보다 안정된 무지향성 방사패턴을 가지면서도 높은 이득을 가지는 것을 확인 할 수 있어, 본 논문이 제안한 안테나가 다른 대역과의 간섭이 적은 이중대역 저지특성을 가지는 WLAN 및 UWB 대역겸용 안테나로 바로 사용 가능할 것으로 기대된다.
제안된 안테나는 37 × 48 mm2의 PCB기판의 윗면의 중심에 설계하였으며 주요 파라미터에 대한 경향분석과 그 결과를 토대로 최종적인 형태의 안테나를 제작 및 측정하였다.

대상 데이터

유전체 기판은 유전상수(εr)가 4.4, 두께가 1.6 mm, 기판 크기가 37 mm × 48 mm 인 FR4 기판을 사용하였다.
앞서 분석된 결과를 토대로 최적화 된 구조를 적용하여 제작한 안테나를 그림 6에 제시하였다. 제작에는 모의 실험에서와같이 두께 1.6 mm, 유전율 4.4인 FR-4기판이 사용되었다.

이론/모형

5 GHz 위성 통신 다운 링크용 대역 저지를 위하여 안테나 이득과 방사패턴에 영향을 적게 줄 것으로 예상되는 참고 문헌[11]에서 사용된 C-형태 도체 스트립 공진기를 급전선 양 옆에 배치하여 사용하고자 한다. 본 논문에서의 안테나 모의실험 설계는 CST사의 MWS를 사용하였다.

성능/효과

그림 4에서는 C-형태의 공진기와 급전선 사이의 간격 CW의 변화에 따른 경향을 제시하였다. CW를 3 mm에서 3.75 mm까지 0.25 mm 간격으로 증가시키며 주파수 변화 및 반사계수의 크기를 비교하였을 때, CW가 증가할수록 high band (7.2 ~ 10.6 GHz) 에서 공진주파수의 변화는 거의 없고 반사계수의 변화가 크게 두드러졌다. CW의 간격이 3.
마지막으로 그림 5에서는 C-형태의 공진기에서 개방된 양끝의 세로길이 CY2 길이의 변화에 따른 경향을 제시하였다. CY2의 길이를 0.1 mm에서 0.3 mm 까지 0.1 mm 간격으로 증가시키며 주파수 변화 및 반사계수의 크기를 비교하였을 때, CY2의 길이가 증가할수록 반사계수의 변화는 거의 없고 저지 대역의 공진주파수가 낮아지는 것을 확인 할 수 있다. CY2가 0.
슬롯의 세로길이에 해당되므로 WiMAX 대역의 저지를 위한 공진주파수를 담당하는 파라미터라 예상된다. SL2의 길이를 5 mm에서 9 mm 까지 2 mm 간격으로 증가시키며 주파수 변화 및 반사계수의 크기를 비교하였을 때, SL2의 길이가 증가 할수록 반사계수의 변화는 거의 없고 예상했던바와 같이 대역저지 공진주파수가 낮아지는 현상을 볼 수 있으며, SL2의 길이가 9 mm 일 때 원하는 대역저지를 만족하는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 SL2가 WiMAX 대역의 저지를 위한 공진주파수를 담당하는 주 파라미터임을 확인 할 수 있다.
그러나 제안된 안테나는 U-형태의 슬롯을 대신하여 한 쌍의 L-형태의 슬롯을 사용하여 WiMAX (3.4 ~ 3.6 GHz) 대역을 저지하였고, 급전선 인근에 배치된 한 쌍의 C-형태의 SSRRs(single split ring resonators)를 사용하여 7.5 GHz (7.25 ~ 7.75 GHz) 대역을 저지하는 이중대역 저지 특성을 가진다. 또한 안테나 효율 및 이득 측정 결과 전체 주파수 대역에서 약 80% 의 효율과 2.
다만 모의실험 결과와 측정 결과 값이 다소 오차가 있는 것으로 보이는데, 이것은 방사패턴을 측정 할 때 흔하게 나타나는 현상으로 OTA 챔버 내에서 방사패턴 측정을 위해 SMA 커넥터와 연결된 케이블에 의한 감쇄 및 케이블의 꼬임과 장력으로 인해 방사패턴에 영향을 주었을 것으로 사료된다.
그림 8에서 볼 수 있는 것처럼 모의실험 결과와 실제 측정 결과의 방사패턴의 경향이 비교적 잘 일치하고 있음을 볼 수 있다. 또한 X-Z 평면(H-plane)에서는 사용하고자 하는 주파수 전 대역에서 무지향성인 방사패턴을 가지는 것을 확인 할 수 있다.
4 GHz WLAN을 포함한 UWB의 전체 대역폭을 충분히 만족하면서 이중 대역저지 특성도 만족했다. 또한 실제 제작된 안테나의 측정 결과로는 2.4 GHz WLAN을 포함한 전체 UWB 대역 8.62 GHz (2.38 ~ 11 GHz) 를 만족하고, WiMAX 저지 대역은 1.13 GHz (3.15 ~ 4.28 GHz), 7.5 GHz 저지 대역은 800 MHz (7.2 ~ 8 GHz) 의 대역폭을 가지는 것을 확인 할 수 있다. 모의실험 결과와 실제측정결과에서 조금의 차이는 있지만 2.
75 GHz) 대역을 저지하는 이중대역 저지 특성을 가진다. 또한 안테나 효율 및 이득 측정 결과 전체 주파수 대역에서 약 80% 의 효율과 2.51 ~ 6.81 dBi의 이득을 가지는 것도 확인 하였다. 추가적으로 간단한 구조를 가지므로 쉬운 제작이 가능하다.
2 ~ 8 GHz) 의 대역폭을 가지는 것을 확인 할 수 있다. 모의실험 결과와 실제측정결과에서 조금의 차이는 있지만 2.4 GHz WLAN을 포함한 UWB 대역과 대역저지 특성을 충분히 만족 할 수 있는 결과이다.
안테나의 이득은 기존 논문 구조의 U-형태[9] 의 슬롯의 사용 결과가 2.4 ~ 4.2 dBi의 이득을 가지는 반면에 본 논문에서의 측정결과로 2.51 ~ 6.81 dBi로 개선된 높은 이득을 얻을 수 있었다.
08 GHz) 를 가지는 것을 확인 할 수 있다. 이러한 모의실험 결과는 2.4 GHz WLAN을 포함한 UWB의 전체 대역폭을 충분히 만족하면서 이중 대역저지 특성도 만족했다. 또한 실제 제작된 안테나의 측정 결과로는 2.
제안된 안테나는 37 × 48 mm²의 PCB기판의 윗면의 중심에 설계하였으며 주요 파라미터에 대한 경향분석과 그 결과를 토대로 최종적인 형태의 안테나를 제작 및 측정하였다. 최종 제작된 안테나의 임피던스 대역폭 측정결과, 8.62 GHz (2.38 ~ 11 GHz)로 2.4 GHz WLAN을 포함한 전체 UWB 대역을 만족하고 WiMAX 저지 대역은 1.13 GHz(3.15 ~ 4.28 GHz), 7.5 GHz 저지 대역은 800 MHz(7.2 ~ 8 GHz)의 대역폭을 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 기존에는 U-형태[9]의 슬롯을 이용하여WiMAX (3.
그림 9에서 보는 바와 같이 방사 패턴의 형태가 8자 빔 형태와 다중 빔 형태를 가지는 것을 볼 수 있어 본 논문에서 제안한 안테나가 전형적인 다이폴 및 모노폴 안테나의 방사패턴 경향을 볼 수 있다. 특히 본 논문의 안테나가 사용하고자하는 주파수 전 대역에서 안정된 방사패턴을 보이며, 한 가지 강조하고 싶은 점은 X-Z 평면(H-plane)상에서 우수한 무지향성 방사패턴을 가지는 점이다.

후속연구

4 GHz WLAN 대역을 포함한 UWB 전 대역을 충분히 만족하면서 이중 대역저지 특성을 갖는다. 특히 기존의 안테나[9] 와 비교하여 보다 안정된 무지향성 방사패턴을 가지면서도 높은 이득을 가지는 것을 확인 할 수 있어, 본 논문이 제안한 안테나가 다른 대역과의 간섭이 적은 이중대역 저지특성을 가지는 WLAN 및 UWB 대역겸용 안테나로 바로 사용 가능할 것으로 기대된다.
향후 본 연구가 상용 제품화될 수 있도록 양산 준비에 따른 추가적인 연구를 실시할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 슬롯을 사용한 UWB용 안테나 설계 방법은 무엇이 있는가?	본 논문에서는 대역저지를 위한 다양한 방법 중에서도 비교적 구조가 간단하여 설계가 용이한 방법 중에 하나인 슬롯을 사용하는 방법을 소개하고자 한다. 슬롯을 사용하는 기존의 방법으로 방사패치 혹은 접지면 주위에 L-형태[2], E- 형태[3], C-형태[4],[5], SRR-형태[6],[7], U-형태[8],[9] 등의 다양한 형태의 슬롯을 에칭 하여 주파수 대역 저지 특성을 가지도록 설계하는 방법들이 제안되었다.
	UWB란 무엇인가?	6GHz의 주파수 대역을 사용하고 있다[1]. UWB는 근거리에서 대용량의 데이터를 고속 전송하는 무선통신 기술로 최소 100Mbps에서 최대 1 Gbps 속도로 데이터를 전송하고, 기존 무선통신 기술인 블루투스, 와이파이 보다 전력효율이 높고, 넓은 임피던스 대역폭, 낮은 소비 전력 등과 같은 여러 장점을 가지므로 근거리 통신망(LAN), 홈 네트워크 무선기기, 레이더, 빌딩이나 제한된 영역에서 실시간으로 사람이나 객체의 위치를 자동으로 인식하는데 사용되는 위치 측위(RTLS) 등에 적합한 기술로 활용 분야가 집중 개발되고 있다. 이와 같이 UWB 무선 통신 기술의 활용 분야가 집중 개발됨에 따라 최근 견고하면서도 저렴한 가격으로 제작이 쉬운 평판형 형태의 안테나 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다.
	UWB의 장점은?	6GHz의 주파수 대역을 사용하고 있다[1]. UWB는 근거리에서 대용량의 데이터를 고속 전송하는 무선통신 기술로 최소 100Mbps에서 최대 1 Gbps 속도로 데이터를 전송하고, 기존 무선통신 기술인 블루투스, 와이파이 보다 전력효율이 높고, 넓은 임피던스 대역폭, 낮은 소비 전력 등과 같은 여러 장점을 가지므로 근거리 통신망(LAN), 홈 네트워크 무선기기, 레이더, 빌딩이나 제한된 영역에서 실시간으로 사람이나 객체의 위치를 자동으로 인식하는데 사용되는 위치 측위(RTLS) 등에 적합한 기술로 활용 분야가 집중 개발되고 있다. 이와 같이 UWB 무선 통신 기술의 활용 분야가 집중 개발됨에 따라 최근 견고하면서도 저렴한 가격으로 제작이 쉬운 평판형 형태의 안테나 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다.

참고문헌 (11)

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G. Srivastava, S. Dwari, and B. K. Kanaujia, "A compact triple band notch circular ring antenna for UWB applications," Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 57, No. 3, pp. 668-672, Mar, 2.15.

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