[논문]개방 종단된 계단형 슬롯을 사용한 UWB용 안테나의 소형화

이기용; 이영순

doi:10.12673/jant.2017.21.4.353

개방 종단된 계단형 슬롯을 사용한 UWB용 안테나의 소형화
Miniaturization of UWB Antenna Using Open Ended Stepped Slot 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.21 no.4 = no.85, 2017년, pp.353 - 358

이기용 (국방기술품질원 대구센터1팀) , 이영순 (금오공과대학교 전자공학부)

초록
AI-Helper

기존의 UWB용 계단형 슬롯 안테나의 크기를 절반으로 줄이기 위해 개방 종단된 계단형 슬롯 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 방사부로써 접지면에 에칭된 계단형 슬롯과 윗면의 광대역 임피던스 정합을 위한 사각형 패치를 가진 마이크로스트립 급전선으로 구성된다. 제안된 안테나는 유전상수(${\epsilon}_r$)가 4.3, 두께가 1.6 mm, 크기가 $28.5{\times}32mm^2$ 인 FR4 기판에 설계 및 제작 되었다. 제안된 안테나의 제작 및 측정 결과, 임피던스 대역폭(${\mid}S_{11}{\mid}{\leq}-10dB$)이 7.99 GHz (3.01~11 GHz)로 UWB 대역(3.1 ~ 10.6 GHz)을 충분히 만족하였다. 특히 제안된 안테나의 크기가 기존의 안테나에 비해 절반으로 줄어들었음에도 불구하고, 사용하고자 하는 전 대역에서 안정되고 우수한 무지향성 방사패턴을 얻을 수 있었으며 2.18 ~ 4.93 dBi의 높은 이득 또한 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to reduce the size of the previous stepped slot antenna for UWB applications(3.1 ~ 10.6 GHz) to half, an open ended stepped slot antenna is proposed. The proposed antenna consists of a stepped slot etched on the ground plane as radiation part and a microstrip feed-line with rectangular patch on the top plane for wideband impedance matching. The proposed antenna is designed and fabricated on the FR4 substrate with dielectric constant of 4.3, thickness of 1.6 mm and size of $28.5{\times}32mm^2$. The measured impedance bandwidth (${\mid}S_{11}{\mid}{\leq}-10dB$) of the fabricated antenna is 7.99 GHz(3.01~11 GHz) which is sufficient to cover UWB band (3.1 ~ 10.6 GHz). In particular, it has been observed that antenna has a good omnidirectional radiation patterns and high gain over the entire frequency band of interest even though the size of the proposed antenna is reduced to half when compared with the previous antenna.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 UWB 대역(3.1~10.6 GHz)을 만족하는 한쪽 끝이 개방된 계단형 슬롯 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 28.
본 논문에서는 참고문헌 [9]의 UWB용 계단형 슬롯 안테나의 구조를 절반의 크기로 소형화 하기 위해, 반파장 공진형 슬롯이 접지면의 가장자리에서 절단된 형태인 개방 종단 모노폴 슬롯 [10]에 근거한 한 쪽 끝이 개방된 계단형 슬롯 안테나를 설계하고자 한다. 급전 구조는 광대역 정합을 위해 참고문헌 [9]에서와 같이 마이크로스트립 패치 형태로 하였다.

제안 방법

마지막으로 급전선과 마이크로스트립 패치 사이의 변환기의 폭 WM2의 변화에 따른 경향을 제시하였다. WM2를 1 mm에서 1.
6 GHz)을 만족하는 한쪽 끝이 개방된 계단형 슬롯 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 28.5 × 32mm² 의 PCB 기판 윗면에 설계하였으며 주요 파라미터에 대한 경향분석과 그 결과를 토대로 최종적인 형태의 안테나를 제작 및 측정하였다. 최종 제작된 안테나의 임피던스 대역폭 측정결과 7.

대상 데이터

또한 그림 1의 아랫면의 왼쪽에서부터 S3, S2, S1 세 개의 계단 형태의 사각형 슬롯이 있는데 여기서 W와 L은 각각 슬롯의 폭과 길이를 의미한다. 모의실험에서 사용된 유전체 기판은 유전상수(#)가 4.3, 두께가 1.6 mm, 특히 기판 크기는 참고문헌 [9]에서의 57 mm × 32 mm의 절반 크기인 28.5 mm × 32 mm 의 FR4 기판을 사용하였다. 이와 같이 제안된 안테나 구조의 최적의 설계를 위하여 몇 가지 중요한 설계 파라미터 변화에 따른 공진주파수 및 반사계수의 변화들을 분석하여 아래의 그림들에 제시하였다.
이와 같은 설계에 대한 논의와 설계 파라미터에 따른 변화를 Ⅱ장에서 제시하였으며, Ⅲ장 및 Ⅳ장에서는 측정 결과 및 결론에 대해 각각 제시하였다. 본 논문에서의 안테나 모의실험 설계는 CST사의 MWS를 사용하였다.
앞서 분석된 결과를 토대로 최적화 된 구조를 적용하여 제작한 안테나를 그림 6에 제시하였다. 제작에는 모의 실험에서와 동일하게 두께 1.6 mm, 유전율 4.3인 FR4 기판이 사용되었다. 그림 7에서는 모의실험 결과 VSWR을 제시하였고, 그림 8에서는 모의실험 결과와 실제 제작된 안테나의 반사 손실 측정결과를 비교하여 제시하였다.

성능/효과

마지막으로 급전선과 마이크로스트립 패치 사이의 변환기의 폭 WM2의 변화에 따른 경향을 제시하였다. WM2를 1 mm에서 1.125 mm 까지 0.125 mm 간격으로 미세하게 증가시키며 주파수 변화 및 반사계수의 크기를 비교하였을 때, WM2가 1.125 mm일 때 최적의 파라미터를 만족하는 것을 확인할 수 있고, 파라미터 WM2는 임피던스 정합을 위한 변환기 역할을 하는 것으로 사료되며, 전체적인 UWB 대역을 충족하도록 하는 아주 중요한 파라미터 중 하나라고 할 수 있다.
이러한 모의실험 결과는 UWB의 전체 대역을 충분히 만족하는 결과이다. 또한 실제 제작된 안테나의 측정 결과의 대역폭은 7.99 GHz (3.01~11GHz)로 UWB 대역을 충분히 만족하는 것을 확인 할 수 있다. 모의실험 결과와 실제측정결과에서 조금의 대역폭에 대한 차이는 있지만 두 결과 모두 UWB 대역의 특성을 충분히 만족할 수 있는 결과이다.
안테나 효율 및 이득 측정 결과 전체 주파수 대역에서 약 80% 이상의 효율과 2.18~4.93 dBi의 이득을 가지는 것도 확인하였다. 또한 간단한 구조로 추가적인 공정 없이 쉬운 제작이가능하다.
앞서 제시한 주요 안테나 설계 파라미터 변화에 따른 공진주파수 및 반사계수의 변화를 분석해보면 접지면에 에칭된 3개의 슬롯과 기판의 반대면에 있는 마이크로스트립 급전 라인에 의해 여기 되며, 최적의 임피던스 특성을 얻기 위해 각각을 적절하게 조절하여 전체적인 특성을 충족하는 것을 확인 할 수 있다. 앞서 제시된 모의 실험결과를 통한 최적의 안테나 구조 설계 파라미터의 값을 표 1에 제시하였다.
또한 간단한 구조로 추가적인 공정 없이 쉬운 제작이가능하다. 언급한바와 같이 본 논문이 제안한 안테나가 UWB전 대역을 충분히 만족하면서 안정된 방사패턴도 확인 수 있었다. 결론적으로 본 논문이 제안한 안테나가 UWB 대역에서 동작하는 휴대용 단말기의 소형화된 안테나로 적용이 가능할 것으로 예상되며, 향후 연구방향으로 대역저지 특성을 추가한 수정된 형태의 안테나에 대한 연구가 진행 중에 있다.
제안한 안테나의 이득은 전체 주파수 대역에서 2.18~4.93dBi의 이득을 얻을 수 있었다.
5 × 32mm² 의 PCB 기판 윗면에 설계하였으며 주요 파라미터에 대한 경향분석과 그 결과를 토대로 최종적인 형태의 안테나를 제작 및 측정하였다. 최종 제작된 안테나의 임피던스 대역폭 측정결과 7.99 GHz(3.01~11 GHz)의 대역폭을 가지며, FCC에서 규정한 UWB 대역(3.1 ~ 10.6GHz)를 충분히 만족 하는 것을 확인 할 수 있었다.
특히 본 논문의 안테나가 기존의 계단형 슬롯 안테나 [9]의 크기인 57 × 32 mm² 에 비해 절반으로 축소된 크기를 가지고 있음에도 불구하고 기존의 UWB 안테나의 특성을 그대로 유지하고 있음을 알 수 있다.

후속연구

언급한바와 같이 본 논문이 제안한 안테나가 UWB전 대역을 충분히 만족하면서 안정된 방사패턴도 확인 수 있었다. 결론적으로 본 논문이 제안한 안테나가 UWB 대역에서 동작하는 휴대용 단말기의 소형화된 안테나로 적용이 가능할 것으로 예상되며, 향후 연구방향으로 대역저지 특성을 추가한 수정된 형태의 안테나에 대한 연구가 진행 중에 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적인 UWB 무선 기술의 주파수 대역폭은?	미국의 연방통신원회(FCC; federal communication commission)는 UWB 통신 시스템을 중심 주파수의 20 % 이상의 점유 대역폭 및 500 MHz 이상의 점유 대역폭을 갖는 무선통신 기술로 규정하였고, 기존의 무선 통신 기술 중에서도 500MHz 이상의 대역폭을 가지면 UWB 무선 기술로 구분이 가능해진다. 일반적인UWB 무선 기술의 상용 주파수 대역폭은 3.1 ~ 10.6 GHz의 매우 넓은 대역폭을 차지하고, 기존의 통신 방식에 비해 넓은 대역에서 낮은 전력으로 초고속 근거리 통신을 가능 하게 하는 무선 통신 기술 이다[1].
	슬롯 안테나의 이점은?	그러나 대부분 협대역 동작과 슬롯의 1차 공진에만 초점을 맞추었다[4]. 추가적으로 간단한 디자인, 저 적층(low profile) 평면형 구조, 넓은 대역폭 등의 이점을 가지며 [5] 그에 따른 설계 방법은 여러 가지가 있다[6]-[9]. 참고문헌 [6] 에서는 좁은 슬롯과 슬롯 루프의 결합으로 이중대역을 만족한다.
	미국의 연방통신원회가 규정한 UWB 통신 시스템이란 무엇인가?	미국의 연방통신원회(FCC; federal communication commission)는 UWB 통신 시스템을 중심 주파수의 20 % 이상의 점유 대역폭 및 500 MHz 이상의 점유 대역폭을 갖는 무선통신 기술로 규정하였고, 기존의 무선 통신 기술 중에서도 500MHz 이상의 대역폭을 가지면 UWB 무선 기술로 구분이 가능해진다. 일반적인UWB 무선 기술의 상용 주파수 대역폭은 3.

참고문헌 (10)

FCC Report and Order for Part 15 Acceptance of Ultra-wideband(UWB) Systems from 3.1-10.6 GHz, Washington, DC, 2002.
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.
R. Khokle, R. Kumar, and R. V. R. Krishna, "On the design of ultra wide band rectangular slot antenna excited by a flared microstrip feed line," Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 40, pp.53-68, 2013.

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L. Zhu, R. Fu, and K. L. Wu, "A novel broadband microstrip-fed wide slot antenna with double rejuction zeros," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 2, pp. 194-196, 2003.

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C. Chulvanich, J. Nakasuwan, N. Songthanapitak, N. Anantrasirichai, and T. Wakabayashi, "Design narrow slot antenna for dual frequency," PIERS Online, Vol. 3, No. 7, pp. 1024-1028, 2007.
G. Khunead, J. Nakasuwan, N. Songthanapitak, and N. Anantrasirichai, "Investigate rectangular slot antenna with L-shaped strip," PIERS Online, Vol. 3, No. 7, pp.1076-1079, 2007.
L. Zhu, R. Fu, and K. L. Whu, "A novel broadband microstrip-fed wide slot antenna with double rejection zeros," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol.2, No. 1, pp.194-196, 2003.

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R. Kumar, R. K. Khokle, and R. V. S. R. Krishna "A horizontally polarized rectangular stepped slot antenna for ultra wide bandwidth with boresight radiation patterns," IEEE Transaction On Antennas And Propagation, Vol. 62, No. 7, pp. 3501-3510, 2014.

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S.I. Latif, L. Shafai, and S. K. Sharma, "Bandwidth enhancement and size reduction of microstrip slot antennas," IEEE Transaction On Antennas And Propagation Vol.53, No.3, pp.994-1003, 2005.

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