[논문]다중 대역 서비스를 위한 지그재그 선로를 이용한 이중 소자 폴디드 다이폴 안테나의 소형화

전후동; 고지환

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.4.270

다중 대역 서비스를 위한 지그재그 선로를 이용한 이중 소자 폴디드 다이폴 안테나의 소형화
Miniaturization of Dual-Element Folded Dipole Antenna Using Zigzag Line for Multi-Band Service 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.4, 2018년, pp.270 - 276

전후동 (금오공과대학교 전자공학부) , 고지환 (금오공과대학교 전자공학부)

초록
AI-Helper

5세대(5-Generation) 통신이 다가옴으로써 기존에 사용되어지고 있는 LTE 주파수 대역(1.7~2.7 GHz)과 새롭게 할당되는 주파수 대역(3.4~3.7 GHz)을 포함하는 광대역 안테나가 필요로 한다. 광대역 특성을 만족하는 안테나는 여러 종류가 있지만 이중 소자 폴디드 다이폴 안테나를 들 수 있다. 이 안테나를 좀 더 소형화하기 위하여 안테나의 폭을 지그재그 선로를 이용하였다. 이는 전기적 길이는 유지하면서 물리적 길이를 줄임으로써 가능하다. 제안한 안테나를 검증하기 위해 PCB 기판(${\epsilon}_r$:4.4, 높이: 1.6 mm)을 사용하여 실제 제작 및 성능을 측정하였으며, 계산 결과와 비교하여 양호한 결과를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fifth-generation communications are approaching, and they will require broadband antennas that include the existing LTE frequency band (1.7 GHz to 2.7 GHz) and the newly allocated frequency band (3.4 GHz to 3.7 GHz). Many kinds of antennas satisfy the required broadband characteristics, including the dual-element folded dipole antenna proposed in this paper. A zigzag line was used to make the antenna more compact. This was accomplished by reducing the physical length while maintaining the electrical length. To validate the proposed antenna, a prototype was fabricated using PCB (${\epsilon}_r$:4.4, Height: 1.6 mm) and its performance was evaluated. Results obtained by simulation and experiment showed good agreement.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 1.7～3.7 GHz의 광대역 특성을 유지하면서 좀 더 소형화되게 변형된 폴디드 다이폴 안테나를 제안하고자 한다. 이를 위해 참고문헌 [2]에서 언급된 급전 중심축의 양쪽에 붙어있는 두 개의 폴디드 루프 선로에서 가로 방향의 선로를 지그재그 형태로 변형하여 소형화를 구현하였다.
본 논문에서는 5세대 통신이 도래하면서 새롭게 할당되는 매크로 셀(Macro cel)용 주파수가 3.5 GHz 대역으로 윤곽이 잡힘으로써 기존에 사용되어지고 있는 주파수 대역(1.7～2.7 GHz)과 새롭게 할당되는 주파수 대역(3.4～3.7 GHz)까지 동작하는 소형화된 광대역 폴디드 다이폴 안테나를 제안하였다. 요구 성능을 만족하면서 안테나를 소형화하기 위하여 다이폴의 가로 폭(S)을 지그재그 선로로 변형하여 안테나의 가로 길이를 20 % 정도 축소하였고, 실제 안테나를 제작하여 설계 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 그림 1의 다이폴 구조에서 소형화를 위해서 다이폴의 길이(l_d) 또는 폴디드 폭(S)를 감축해야 하는데 다이폴의 길이(l_d)의 단축은 동작 주파수 대역이 높아지게 되므로 변경이 불가능하고 폴디드 폭(S)을 작게하여 소형화 하고자 한다. 이를 위해 본 논문에서는 그림 2에서 제시된 바와 같이 전체 선로의 길이는 대략 유지하면서 폴디드의 가로 선로를 지그재그 형태로 변경하여 폴디드 폭(S)를 줄일 수 있게 되어 안테나를 축소 구현할 수 있었다.

가설 설정

5 GHz)를 결정하였다.^[1]여기서 3.5 GHz대는 1 km² 이상의 영역을 커버하는 매크로 셀(macro cell)용의 전용 주파수 대역으로 사용되며, 28 GHz 대는 고 밀집 지역의 대역으로 사용될 것이다.

제안 방법

다음은 앞서 지그재그 개수가 2개인 경우에 대해 급전 포트의 설계 치수를 조정하여 입력 임피던스 정합의 향상을 찾아보았다. 여러 설계 파라미터 중에서 입력 급전 스트립 선로와 연결되는 폭 W_g1을 변화시켰을 때 약간 개선되었으며, 반사 손실을 그림 4에 나타내었다.
앞 절에서 설계한 지그재그 선로를 갖는 이중 소자 폴디드 다이폴 안테나의 설계 성능을 검증하기 위하여 안테나를 제작 및 측정하였다. 제작에 사용된 PCB 기판은 비유전율이 4.
7 GHz)까지 동작하는 소형화된 광대역 폴디드 다이폴 안테나를 제안하였다. 요구 성능을 만족하면서 안테나를 소형화하기 위하여 다이폴의 가로 폭(S)을 지그재그 선로로 변형하여 안테나의 가로 길이를 20 % 정도 축소하였고, 실제 안테나를 제작하여 설계 성능을 검증하였다.
이상으로 앞서 언급한 지그재그로 소형화된 폴디드 다이폴에 방사패턴을 계산하여 그림 5에 제시하였다. 이 방사패턴은 반사판이 없는 경우로 이동 통신 사용 주파수 범위에서 2개의 3G 및 LTE 대역과 새롭게 할당될 주파수대의 중간 주파수인 1.95 GHz, 2.6 GHz 3.5 GHz에 대해 방사패턴을 비교하였다. 예상되는 바와 같이 yz-plane 방사패턴는 8자 형태이고, xz-plane 방사패턴는 전방향성 형태임을 볼 수 있다.
그리고 반공간 영역인 전방으로만 전파를 방사하기 위해 폴디드 다이폴의 후방쪽에 일정한 거리를 두고 반사판이 설치되어 있는데, 폴디드 다이폴의 소형화의 효과로 반사판도 축소 구현할 수 있었다. 이렇게 설계된 안테나를 검증하기 위해 안테나를 제작하였고, 성능을 측정하여 측정 결과를 고찰하였다.
안테나 전체를 소형화하려면 반사판도 축소해야 하며, 반사판이 축소되어도 입력 임피던스 정합은 유지되어야 한다. 이를 위해 반사판의 설계치수 L_w, L₁을 최적화하였고, 결과로 L_w=10 mm, L₁=35 mm를 도출하였다. 전기적 성능을 비교로 반사판이 부착된 폴디드 다이폴 안테나의 반사손실을 계산하여 참고문헌 [2]와 비교하여 그림 6에 보였다.
)의 단축은 동작 주파수 대역이 높아지게 되므로 변경이 불가능하고 폴디드 폭(S)을 작게하여 소형화 하고자 한다. 이를 위해 본 논문에서는 그림 2에서 제시된 바와 같이 전체 선로의 길이는 대략 유지하면서 폴디드의 가로 선로를 지그재그 형태로 변경하여 폴디드 폭(S)를 줄일 수 있게 되어 안테나를 축소 구현할 수 있었다. 안테나 시뮬레이션을 위한 사용된 전자파 해석 SW는 상용 시뮬레이터인 HFS^[8]를 사용하였다.
7 GHz의 광대역 특성을 유지하면서 좀 더 소형화되게 변형된 폴디드 다이폴 안테나를 제안하고자 한다. 이를 위해 참고문헌 [2]에서 언급된 급전 중심축의 양쪽에 붙어있는 두 개의 폴디드 루프 선로에서 가로 방향의 선로를 지그재그 형태로 변형하여 소형화를 구현하였다. 그리고 반공간 영역인 전방으로만 전파를 방사하기 위해 폴디드 다이폴의 후방쪽에 일정한 거리를 두고 반사판이 설치되어 있는데, 폴디드 다이폴의 소형화의 효과로 반사판도 축소 구현할 수 있었다.

대상 데이터

그림 1에서 보여준 바와 같이 급전 중심에 두고 양쪽에 병렬로 폴디드 다이폴이 놓여 있다. 이 안테나는 유전율이 4.4, 두께가 1.6 mm인 FR-4기판이 사용되었고, 안테나의 구성은 PCB 기판 윗면에 폴디드 다이폴이 인쇄되고, 뒷면에는 급전 스트립 선로가 인쇄되어 있으며, 급전 스트립 선로 끝부분은 윗면의 폴디드 다이폴과 Via로 연결되어 있다. 안테나의 주파수의 대역폭은 반사손실 10 dB 기준으로 약 1.
앞 절에서 설계한 지그재그 선로를 갖는 이중 소자 폴디드 다이폴 안테나의 설계 성능을 검증하기 위하여 안테나를 제작 및 측정하였다. 제작에 사용된 PCB 기판은 비유전율이 4.4, 높이가 1.6 mm인 FR-4를 사용하였다. 제작이 완성된 안테나의 사진은 그림 9에 보였다.

이론/모형

이를 위해 본 논문에서는 그림 2에서 제시된 바와 같이 전체 선로의 길이는 대략 유지하면서 폴디드의 가로 선로를 지그재그 형태로 변경하여 폴디드 폭(S)를 줄일 수 있게 되어 안테나를 축소 구현할 수 있었다. 안테나 시뮬레이션을 위한 사용된 전자파 해석 SW는 상용 시뮬레이터인 HFS^[8]를 사용하였다.

성능/효과

이를 위해 참고문헌 [2]에서 언급된 급전 중심축의 양쪽에 붙어있는 두 개의 폴디드 루프 선로에서 가로 방향의 선로를 지그재그 형태로 변형하여 소형화를 구현하였다. 그리고 반공간 영역인 전방으로만 전파를 방사하기 위해 폴디드 다이폴의 후방쪽에 일정한 거리를 두고 반사판이 설치되어 있는데, 폴디드 다이폴의 소형화의 효과로 반사판도 축소 구현할 수 있었다. 이렇게 설계된 안테나를 검증하기 위해 안테나를 제작하였고, 성능을 측정하여 측정 결과를 고찰하였다.
제작한 안테나에 대해 반사 손실의 측정 결과와 계산 결과를 그림 10에 비교 제시하였다. 그림을 보면 시뮬레이션 결과와 비교하여 제작상의 도금의 영향으로 인하여 전체적으로 약 140 MHz 정도 높은 주파수 쪽으로 이동이 되었지만 시뮬레이션 결과와 비슷한 모습을 볼 수 있으며, -10 dB 기준으로 1.32～4.06 GHz로 요구 주파수 범위를 만족하였다.
제안한 다이폴 안테나의 설계 치수를 요약하여 표 1에 보였다. 따라서 본 논문에서 제안한 안테나는 참고문헌 [2]와 비교하여 보면 전기적 성능이 유사하지만, 소형화로 인해 설치 장소의 용이 및 미관에 다소 이점이 있는 것으로 사료된다.
따라서 제안한 소형화된 폴디드 다이폴의 크기는 89×74×1.6 mm로서 참고문헌 [2]에서 제시한 폴디드 다이폴보다 가로 길이에서 20 %정도 소형화될 수 있었다.

후속연구

따라서 제안한 안테나는 향후 이동통신용 인빌딩 중계기 안테나로 사용이 가능할 것으로 사료된다.
07GHz로 약 107 % 의 매우 넓은 대역폭을 갖는다. 이는 현재 이동 통신에서 사용되고 있는 주파수대와 더불어 향후 3.5 GHz대까지 포함하고 있어 5세대 통신 안테나로도 사용이 가능할 것이다.
표에서 보듯이 전반적으로 시뮬레이션 결과와 비교하였을 때 유사한 특성을 가짐을 볼 수 있고, 향후 기존에 사용되어지고 있는 3G/LTE 주파수 2개의 대역과 새롭게 할당되는 주파수 대역(3.4～3.7 GHz)까지 서비스가 가능할 것으로 사료된다.
향후 5세대 통신 시대가 완전히 적용되기 전까지 당분간은 기존 LTE 서비스 주파수대와 새롭게 할당된 주파수대 모두 함께 사용해야 하므로 기존에 서비스하고 있는 1.7～2.2 GHz(3G/LTE-A/LTE)대역과 2.5～2.7 GHz(LTE)대역, 그리고 새롭게 할당될 주파수 3.4～3.7 GHz대역까지 포함된 1.7～3.7 GHz까지의 광대역 안테나가 필요로 할 것이다. 이러한 광대역 특성을 만족하는 안테나는 여러 종류가 있지만 이동 통신 중계기용에 적합한 안테나는 참고문헌 [2]에 제시한 이중 소자를 갖는 폴디드 다이폴 안테나를 들 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	향후 5세대 통신 시대가 완전히 적용되기 전까지는 어떤 주파수대를 사용해야하는가?	향후 5세대 통신 시대가 완전히 적용되기 전까지 당분간은 기존 LTE 서비스 주파수대와 새롭게 할당된 주파수대 모두 함께 사용해야 하므로 기존에 서비스하고 있는 1.7～2.2 GHz(3G/LTE-A/LTE)대역과 2.5～2.7 GHz(LTE) 대역, 그리고 새롭게 할당될 주파수 3.4～3.7 GHz대역까지 포함된 1.7～3.7 GHz까지의 광대역 안테나가 필요로 할 것이다. 이러한 광대역 특성을 만족하는 안테나는 여러 종류가 있지만 이동 통신 중계기용에 적합한 안테나는 참고문헌 [2]에 제시한 이중 소자를 갖는 폴디드 다이폴 안테나를 들 수 있다.
	다양한 무선 통신 서비스들이 제공되려면 어떤것들이 요구되는가?	최근 몇 년 동안 무선 기술의 급속한 기술개발로 2G, 3G, LTE, Wif, WLAN 등과 같은 다양한 무선 통신 서비스가 제공되고 있다. 이러한 통신 서비스를 제공하기 위해서는 다수의 주파수 대역이 요구되며, 이런 다수 대역을 전부 수용하려면 광대역 특성을 갖는 안테나가 필수불가결하다. 앞으로 더 빠른 전송 속도 및 통신 용량 증가로 인하여 5세대용으로 새롭게 할당된 주파수는 3.
	이동통신의 현재와 향후 연구 개발은 어떻게 되고있는가?	현재 이동통신은 4세대인 LTE(Long Term Evolution)가 널리 사용되고 있지만, 향후 5세대(5-Generation) 통신을 대비하여 연구 개발이 활발하게 추진되고 있다. 최근 몇 년 동안 무선 기술의 급속한 기술개발로 2G, 3G, LTE, Wif, WLAN 등과 같은 다양한 무선 통신 서비스가 제공되고 있다.

참고문헌 (8)

전자신문, "3.5 GHz？28 GHz, 3GPP 네트워크 아이템 선정 ... 글로벌표준주파수가능성 $\uparrow$ ," 2017년 3월 9일.
Z. Wang, J. Wu, Y. Yin, and X. Liu, "A broad-band dual- element folded dipole antenna with a reflector," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 13, no. 4, pp. 750-753, 2014.

상세보기
C. A. Balanis, Atenna Theory: Analysis and Design, New York, John Wiley & Sons, 2005.
M. Li, K. M. Luk, "A low-profile wideband planar antenna," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no. 9, pp. 4411-4418, Sep. 2013.

상세보기
P. Fei, Y. Qi, and Y. C. Jiao, "Design of a wideband dual-element slot loop antenna array with adjustable backreflector," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 11, no. 9, pp. 1014-1017, Aug. 2013.
전후동, 허수영, 고지환, "양방향 지향성을 갖는 이중대역 전기적 빔 틸팅 배열 안테나 설계," 한국전자파학회논문지, 27(7), pp. 612-619, 2016년 7월.

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이광재, 우덕제, 김상진, 이재욱, 이택경, "이동통신용 소형 방향성 다이폴 안테나," 한국전자파학회논문지, 19(12), pp. 1416-1426, 2008년 12월.

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ANSYS, HFSS 17.0.

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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