본 논문에서는 MNR(Mu-negative) Metamaterial 단일 셀을 사용하여 700 MHz UHD 방송 대역과 2.45 GHz/5 GHz WiFi 대역에서 동작하는 삼중대역 폴디드 모노폴 안테나 설계에 관하여 연구하였다. MNG metamaterial 단일셀이 MZR(Mu zero resonator)에서 동작하도록 안테나 기판 뒷면에 커패시터를 형성하고, 스트립선로와 비아홀을 통해서 접지면과 연결하여 구현하였다. 이를 통해서 700 MHz대역에서 영차모드에서 공진하도록 공진점을 제어할 수 있고, 대역폭을 개선할 수 있다. 최종적으로 700 MHz UHD방송 대역과 2.45 GHz/5 GHz WiFi 대역에서 동작하는 안테나를 구현하였다. 설계 제작한 안테나의 크기는 $100{\times}100mm^2$이고, 실험 결과 첫 번째 공진점에서 10 dB 대역폭과 이득은 각각 309 MHz(41.2%), 5.298 dB이며, 두 번째 공진점에서 10 dB 대역폭과 이득은 각각 821.9 MHz(33.5%), 2.7840 dB이며, 세번째 공진점에서 10 dB 대역폭과 이득은 각각 1.1314 GHz(20.6%), 2.9484 dB의 결과를 확인하였다. 안테나의 공진주파수는 이론과 실험이 일치함을 확인하였다. 그리고 방사패턴은 대체적으로 전방향 특성을 가지고 있으며, 0.75 GHz와 2.45 GHz에서는 측면보다 전방향과 후방향으로 방사특성이 양호하며, 5.5 GHz에서는 다중로브를 갖는 방사패턴 특성을 확인하였다.
본 논문에서는 MNR(Mu-negative) Metamaterial 단일 셀을 사용하여 700 MHz UHD 방송 대역과 2.45 GHz/5 GHz WiFi 대역에서 동작하는 삼중대역 폴디드 모노폴 안테나 설계에 관하여 연구하였다. MNG metamaterial 단일셀이 MZR(Mu zero resonator)에서 동작하도록 안테나 기판 뒷면에 커패시터를 형성하고, 스트립선로와 비아홀을 통해서 접지면과 연결하여 구현하였다. 이를 통해서 700 MHz대역에서 영차모드에서 공진하도록 공진점을 제어할 수 있고, 대역폭을 개선할 수 있다. 최종적으로 700 MHz UHD방송 대역과 2.45 GHz/5 GHz WiFi 대역에서 동작하는 안테나를 구현하였다. 설계 제작한 안테나의 크기는 $100{\times}100mm^2$이고, 실험 결과 첫 번째 공진점에서 10 dB 대역폭과 이득은 각각 309 MHz(41.2%), 5.298 dB이며, 두 번째 공진점에서 10 dB 대역폭과 이득은 각각 821.9 MHz(33.5%), 2.7840 dB이며, 세번째 공진점에서 10 dB 대역폭과 이득은 각각 1.1314 GHz(20.6%), 2.9484 dB의 결과를 확인하였다. 안테나의 공진주파수는 이론과 실험이 일치함을 확인하였다. 그리고 방사패턴은 대체적으로 전방향 특성을 가지고 있으며, 0.75 GHz와 2.45 GHz에서는 측면보다 전방향과 후방향으로 방사특성이 양호하며, 5.5 GHz에서는 다중로브를 갖는 방사패턴 특성을 확인하였다.
This paper was studied the tri-band folded monopole antenna design with Mu-negative metamaterial unit cell, which operates at 700 MHz UHD broadcast band and 2.45 GHz/5 GHz WiFi band. The MNR metamaterial is fabricated by forming a capacitor on the backside of the antenna substrate and connecting it ...
This paper was studied the tri-band folded monopole antenna design with Mu-negative metamaterial unit cell, which operates at 700 MHz UHD broadcast band and 2.45 GHz/5 GHz WiFi band. The MNR metamaterial is fabricated by forming a capacitor on the backside of the antenna substrate and connecting it to the ground plane through a strip line and a via hole so that a single cell can operate in the MZR (Mu zero resonator). Through this, the resonance point can be controlled to resonate in the zero mode in 700 MHz band, and the bandwidth is improved. Experimental results show that the 10dB bandwidth and gain are 309 MHz (41.2%) and 5.298 dB at the first resonance point, and the 10dB bandwidth and gain at the second resonance point are 821.9 MHz (33.5%) and 2.7840 dB respectively. At the third resonance point, the gain and bandwidth were 1.1314 GHz (20.6%) and 2.9484 dB respectively. We confirmed that the resonance point with theoretical value is in agreement with experimental value. And the radiation pattern is generally omnidirectional, and it has been confirmed that the radiation pattern is good in both forward and backward directions at 0.75 GHz and 2.45 GHz, and has a radiation pattern with multiple lobes at 5.5 GHz.
This paper was studied the tri-band folded monopole antenna design with Mu-negative metamaterial unit cell, which operates at 700 MHz UHD broadcast band and 2.45 GHz/5 GHz WiFi band. The MNR metamaterial is fabricated by forming a capacitor on the backside of the antenna substrate and connecting it to the ground plane through a strip line and a via hole so that a single cell can operate in the MZR (Mu zero resonator). Through this, the resonance point can be controlled to resonate in the zero mode in 700 MHz band, and the bandwidth is improved. Experimental results show that the 10dB bandwidth and gain are 309 MHz (41.2%) and 5.298 dB at the first resonance point, and the 10dB bandwidth and gain at the second resonance point are 821.9 MHz (33.5%) and 2.7840 dB respectively. At the third resonance point, the gain and bandwidth were 1.1314 GHz (20.6%) and 2.9484 dB respectively. We confirmed that the resonance point with theoretical value is in agreement with experimental value. And the radiation pattern is generally omnidirectional, and it has been confirmed that the radiation pattern is good in both forward and backward directions at 0.75 GHz and 2.45 GHz, and has a radiation pattern with multiple lobes at 5.5 GHz.
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문제 정의
본 논문에서는 MNG Metamaterial 단일 셀을 사용하여 700 MHz DTV대역과 2.4 GHz/5 GHz WiFi대역에서 동작하는 삼중대역 모노폴 안테나 설계방법에 대하여 제안하였다. MNG metamaterial 단일셀은 구조를 사용하였고, 안테나 방사부에 삽입함으로써 삼중대역 안테나를 구현하였다.
4 GHz/5 GHz WiFi대역에서 동작하는 삼중대역 모노폴 안테나 설계방법에 대하여 제안하였다. MNG metamaterial 단일셀은 구조를 사용하였고, 안테나 방사부에 삽입함으로써 삼중대역 안테나를 구현하였다. 또한 기생도체를 안테나 방사부 뒷면에 있도록 구현하여 안테나의 공진점을 제어할 수 있고, 대역폭을 개선하였다.
논문 구성은 본론에서 MNG TL MTM 단일셀 구성과 단위셀의 분석, MNG 안테나 분석하여 700 MHz UHD 방송대역과 2.45 GHz/5 GHz WiFi 대역에서 공진하는 3중대역 안테나를 설계 및 제작하고 실험하여 본 논문의 타당성에 대한 내용으로 구성하였고, 마지막으로 결론을 제시하였다.
MNG metamaterial 단일셀은 구조를 사용하였고, 안테나 방사부에 삽입함으로써 삼중대역 안테나를 구현하였다. 또한 기생도체를 안테나 방사부 뒷면에 있도록 구현하여 안테나의 공진점을 제어할 수 있고, 대역폭을 개선하였다. 이러한 구조를 사용하여 최종적으로 750 MHz UHD대역과 2.
본 논문에서는 폴디드 모노폴 구조를 사용하였으며,전송선로에 MNG TL-MTM 단일 셀을 폴디드 모노폴안테나에 부가하여 삼중대역에서 공진하는 안테나를 설계하였다. 폴디드 구조를 구현하기 위해서 모노폴과 안테나 후면에 커패시터 구조를 사용하여 직렬 커패시터 조절이 용이하도록 구현하였고, 스트립선로와 비아홀을 사용하여 접지면과 연결하였다.
앞에서는 본 논문에서 제안한 MNG metamaterial 모노폴 안테나에서 갭과 결합면적의 변화, 전송선로 길이, 단위셀의 길이에 따른 공진점, 반사손실 및 매칭의 개선정도에 대하여 분석하였다.
또한 기생도체를 안테나 방사부 뒷면에 있도록 구현하여 안테나의 공진점을 제어할 수 있고, 대역폭을 개선하였다. 이러한 구조를 사용하여 최종적으로 750 MHz UHD대역과 2.4 GHz/5 GHz WiFi 대역에서 동작하는 안테나를 구현하였으며, 최적화를 통해 설계한 안테나를 제작하였다. 설계 제작한 안테나의 크기는 100×100 ㎟이고, 반사손실 결과로부터 첫 번째, 두 번째와 세 번째의 공진점은 이론값과 실험값은 동일함을 확인하였다.
폴디드 구조를 구현하기 위해서 모노폴과 안테나 후면에 커패시터 구조를 사용하여 직렬 커패시터 조절이 용이하도록 구현하였고, 스트립선로와 비아홀을 사용하여 접지면과 연결하였다. 이러한 설계기법을 사용하여 700 MHz UHD 방송대역과 2.45 GHz/5 GHz WiFi 대역에서 동작하는 소형 폴디드 모노폴 소형 안테나를 설계하였다. 이론의 객관성을 입증하기 위해 안테나를 제작하여 실험하였다.
45 GHz/5 GHz WiFi 대역에서 동작하는 소형 폴디드 모노폴 소형 안테나를 설계하였다. 이론의 객관성을 입증하기 위해 안테나를 제작하여 실험하였다.
제안한 안테나의 특성 변화는 그림 1(d)에서 모노폴단일 셀의 C1에 영향을 주는 G, S2폭의 넓이와 길이 dfinger와 , MNG 단일 셀 전송선로 길이 d0와 스터브의 길이에 대한 모노폴 안테나의 반사손실에 대하여 분석하였다. 안테나의 접지면은 100×37 ㎟이고, 방사부는 100×75 ㎟이다.
제작한 안테나 특성 실험은 구미전자정보기술원이 보유하고 있는 ZVA40(Rohde & Schwarz) 회로망 분석기와 OTA 방사패턴 측정기를 사용하여 제작한 안테나의 반사손실과 방사특성을 각각 실험하였으며, 실험결과는 그림 9와 같으며, 안테나 측정항목에 대한 이론값과 실험값의 비교를 표 3에 제시하였다.
본 논문에서는 폴디드 모노폴 구조를 사용하였으며,전송선로에 MNG TL-MTM 단일 셀을 폴디드 모노폴안테나에 부가하여 삼중대역에서 공진하는 안테나를 설계하였다. 폴디드 구조를 구현하기 위해서 모노폴과 안테나 후면에 커패시터 구조를 사용하여 직렬 커패시터 조절이 용이하도록 구현하였고, 스트립선로와 비아홀을 사용하여 접지면과 연결하였다. 이러한 설계기법을 사용하여 700 MHz UHD 방송대역과 2.
대상 데이터
본 연구에서 제안한 안테나는 상대유전율 εr = 4.4, 손실 타젠트 tan δ = 0.016, 두께가 0.8 mm인 FR4 기판을 사용하였다.
8 mm인 FR4 기판을 사용하였다. 안테나 급전은 CPW를 사용하였으며, 그 길이는 37 mm이다. 그림 4는 모노폴 안테나와 MZR 단위셀을 갖는 폴디드 모노폴 안테나와의 반사손실 비교한 것이다.
안테나 제작에 사용한 기판은 상대 유전율이 4.4이고, 손실 탄젠트가 0.002이고, 두께가 0.8 mm인 FR-4이며, 제작된 안테나는 그림 9와 같다.
안테나의 전체크기는 100×100 ㎟ 접지영역 크기는 100×38 ㎟이고, 방사부는 100×62 ㎟로 제한 하였으며, MNG 단위 셀의 폭은 14 mm, 급전선은 37 mm로 제한 하였다.
성능/효과
의 길이를 증가함에 따른 안테나의 반사손실이다. dfinger가 5mm 증가하면 첫 번째 공진주파수는 120MHz, 두번째 공진주파수는 475MHz, 세번째 공진주파수는 650MHz변화됨을 확인하였다. 이것은 안테나 전체 길이가 증가함으로써 공진주파수가 변함을 나타내고 있다.
반면에 첫 번째 공진점과 세 번째 공진점의 변화는 매우 적다. 따라서 MNG 단위셀의 C1에 의해서 안테나의 공진주파수가 매우 민감하게 변화됨을 확인할 수 있었다.
5 GHz에서는 다중로브를 갖는 방사패턴을 갖음을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제시한 MNR metamaterisal 단일 셀을 폴디드 모노폴 안테나에 적용함으로써 삼중대역의 안테나 설계가 용이함을 확인할 수 있었다.
5GHz에서는 다중로브를 갖는 방사패턴을 갖음을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제시한 MZR metamaterisal 단일 셀을 폴디드 모노폴 안테나에 적용함으로써 삼중대역의 안테나 설계가 용이함을 확인할 수 있었다.
5 GHz에서 방사패턴을 이론값과 실험값을 비교하였다. 반사손실 결과로부터 첫 번째, 두 번째와 세 번째의 공진점은 이론값과 실험값은 동일함을확인하였다. 실험결과 첫 번째 공진점에서 10 dB 대역폭과 이득은 각각 309 MHz(41.
방사패턴은 대체적으로 전방향 특성을 가지고 있으며, 0.75GHz와 2.45GHz에서는 측면보다 전방향과 후방향으로 방사특성이 양호하며, 5.5GHz에서는 다중로브를 갖는 방사패턴을 갖음을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제시한 MZR metamaterisal 단일 셀을 폴디드 모노폴 안테나에 적용함으로써 삼중대역의 안테나 설계가 용이함을 확인할 수 있었다.
방사패턴은 대체적으로 전방향 특성을 가지고 있으며, 0.75GHz와 2.45GHz에서는 측면보다 전방향과 후방향으로 방사특성이 양호하며, 5.5GHz에서는 다중로브를 갖는 방사패턴을 갖음을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제시한 MZR metamaterisal 단일 셀을 폴디드 모노폴 안테나에 적용함으로써 삼중대역의 안테나 설계가 용이함을 확인할 수 있었다.
설계 제작한 안테나의 크기는 100×100 ㎟이고, 반사손실 결과로부터 첫 번째, 두 번째와 세 번째의 공진점은 이론값과 실험값은 동일함을 확인하였다.
설계 제작한 안테나의 크기는 100×100 ㎟이고, 반사손실 결과로부터 첫 번째, 두 번째와 세 번째의 공진점은 이론값과 실험값은 동일함을 확인하였다. 실험결과 첫 번째 공진점에서 10 dB 대역폭과 이득은 각각 309 MHz(41.2 %), 5.298 dB이며, 두 번째 공진점에서 10 dB 대역폭과 이득은 각각 821.9 MHz(33.5 %), 2.7840 dB이며, 세 번째 공진점에서 10dB 대역폭과 이득은 각각 1.1314 GHz(20.6 %), 2.9484 dB의 결과를 확인하였다. 방사패턴은 대체적으로 전방향 특성을 가지고 있으며, 0.
반사손실 결과로부터 첫 번째, 두 번째와 세 번째의 공진점은 이론값과 실험값은 동일함을확인하였다. 실험결과 첫 번째 공진점에서 10 dB 대역폭과 이득은 각각 309 MHz(41.2 %), 5.298 dB이며, 두 번째 공진점에서 10 dB 대역폭과 이득은 각각 821.9 MHz(33.5%), 2.7840 dB이며, 세 번째 공진점에서 10 dB 대역폭과 이득은 각각 1.1314 GHz(20.6 %), 2.9484 dB이다.
제작한 안테나의 이론값과 실험값의 오차는 대역폭의 경우 750 MHz에서 대역폭과 안테나 이득은 185.1 MHz, 0.9 dB이며, 2.45 GHz에서 이득과 대역폭은 82.8 MHz와 1.28 dB이며, 5.5 GHz에서 이득과 대역폭은 167.1 MHz와 1.362 dB으로 나타났다. 이러한 오차가 발생한 것은 케이블 및 실험측정상의 오차로 인한 결과로 사료된다.
간격이 증가함에 따라서 길이가 증가함에 따라서 모든 공진점의 주파수가 높아짐을 나타내고 있다. 첫 번째의 경우에는 간격이 넓어지면서커패시턴스가 작아지면서 MNG 단위 셀의 공진주파수가 높아지게 되고, 두 번째와 세 번째의 공진점은 안테나의 리액턴스가 변함에 따라서 공진주파수가 높아지게 되며, 반사손실이 향상됨을 확인하였다.
길이 d0를 증가함으로써 모든 공진점은 낮은 주파수로 이동하였으며, 이것은 안테나의 크기가 증가에 의한 것이다. 특히 d0의 길이를 5 mm 증가시키면 첫 번째와 두 번째 공진주파수가 낮은 주파수로 약 100 MHz이동하였으며, 세 번째 공진주파수는 약 300 MHz 이동함을 확인할 수 있다.
후속연구
825 GHz)을 할당하여 사용하고 있다. 향후 무선서비스에 대비하고, 상기 대역에서 동작하는 MNG Metamaterial 단위셀을 사용한 삼중대역 안테나를 설계 제작하여 실험을 하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비 사용 대역에서는 잡음 제거 능력이 우수하고, 스위치를 사용해서 재구성이 가능한 안테나를 구현하는 방법의 단점은?
다른 방법으로는 비 사용 대역에서는 잡음 제거 능력이 우수하고, 스위치를 사용해서 재구성이 가능한 안테나를 구현하는 것이다[2],[3]. 그러나 스위치와 바이어스 회로를 사용함으로써 디자인에서 복잡성과 제조 단가가 비싼 단점을 가지고 있다.
넓은 대역 특성과 다중대역 특성을 갖는 안테나의 단점은?
단일 기판에 안테나를 쉽게 제작 및 성형을 할 수 있는 장점을 가진 평면 모노폴 구조는 넓은 대역 특성과 다중대역 특성을 갖고 있음으로 안테나 구현이 용이하여 널리 사용되고 있다. 이러한 특성을 갖는 안테나는 여러 개의 스트립 선을 사용해서 다중밴드에서 동작하도록 구현하였으며, 반면에 크기가 크고, 아주 큰 접지면적이 필요한 단점을 가지고 있다[1]. 다른 방법으로는 비 사용 대역에서는 잡음 제거 능력이 우수하고, 스위치를 사용해서 재구성이 가능한 안테나를 구현하는 것이다[2],[3].
평면 모노폴 구조의 장점은?
단일 기판에 안테나를 쉽게 제작 및 성형을 할 수 있는 장점을 가진 평면 모노폴 구조는 넓은 대역 특성과 다중대역 특성을 갖고 있음으로 안테나 구현이 용이하여 널리 사용되고 있다. 이러한 특성을 갖는 안테나는 여러 개의 스트립 선을 사용해서 다중밴드에서 동작하도록 구현하였으며, 반면에 크기가 크고, 아주 큰 접지면적이 필요한 단점을 가지고 있다[1].
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