[논문]반사판을 갖는 슬롯 결합 급전을 이용한 광대역 마이크로스트립 안테나

김온; 김건균; 이승엽

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.6.1045

초록
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본 논문에서는 마이크로스트립 안테나가 광대역특성을 갖기 위해 반사판을 갖는 슬롯 결합 마이크로스트립 안테나 구조를 사용하였다. 본 구조에서 반사판은 슬롯으로부터 나오는 방사를 줄이고 외부 전자파 환경 영향을 최소화 하면서 동시에 전체 안테나 높이를 줄이는 역할을 할 수 있도록 설계하였다. 실험 결과 1.94~2.17GHz에서 VSWR이 1.4이하로 매우 잘 정합된 안테나를 제작하였으며, 안테나의 이득도 최고 9.21dBi를 얻어 높은 이득을 얻을 수 있었다. 향후, 다른 주파수 대역의 무선통신 분야나 사물통신(IoT) 분야에도 사용할 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the slot-coupled microstrip antenna structure with reflector is used for broadband. The reflector of this structure is designed to reduce the radiation emitted from the slot and minimize the influence of external electromagnetic environment while reducing the overall antenna height. E...

In this paper, the slot-coupled microstrip antenna structure with reflector is used for broadband. The reflector of this structure is designed to reduce the radiation emitted from the slot and minimize the influence of external electromagnetic environment while reducing the overall antenna height. Experimental results show that the antenna is very well matched with VSWR below 1.4 at 1.942.17GHz, and the maximum gain of the antenna in this band was measured 9.21dBi. The measured results shows that it can be used in the wireless communication field or IoT field of other frequency band in the future.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. 국내 이동통신 주파수 할당 현황 (밴드 2.1GHz) Fig. 1 Domestic mobile communication frequency allocation status(band 2.1GHz)
그림 그림 2. 슬롯 결합 마이크로스트립 안테나 구조 및 설계 파라미터 Fig. 2 Structure and design parameters of slot coupled microstrip antenna
그림 그림 3. 안테나 높이(d1)변화에 따른 입력임피던스 변화 Fig. 3 Input impedance variations with antenna height (d1)
그림 그림 4. 안테나 높이(d3)변화에 따른 입력임피던스 변화 Fig. 4 Input impedance variations with antenna height (d3)
그림 그림 5. 슬롯 길이(Sl)변화에 따른 입력임피던스 변화 Fig. 5 Input impedance variations with slot length(Sl)
그림 그림 6. 스터브 길이(Ls)변화에 따른 입력임피던스 변화 Fig. 6 Input impedance variations with stub length (Ls)
그림 그림 7. 안테나 길이(pl) 변화에 따른 입력임피던스 궤적 Fig. 7 Input impedance variations with antenna length(pl)
그림 그림 8. 제작된 안테나 모습 Fig. 8 The fabricated antenna
표 표 1. 슬롯 결합 안테나 설계 최종 파라미터 Table 1. The final design parameters of slot coupled antenna.
그림 그림 9. 반사 손실 결과(시뮬레이션 & 측정 데이터 Fig. 9 Reflection loss result(simulation & measured data)
그림 그림 10. 주파수에 따른 수평면 방사패턴과 이득 Fig. 10 Measured patterns in x-z plane (--:1.9GHz, -: 2.0GHz -.-:2.1GHz)
표 표 2. 측정된 이득 및 빔폭 Table 2 Measured Gain and beam width

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 마이크로스트립 선로 대신 스트립 선로를 급전선로로 사용한 슬롯 결합 급전을 이용한 마이크로스트립 안테나를 연구하고자 한다. 안테나의 사용대역은 이동통신대역으로 1.
슬롯 결합 마이크로스트립 안테나의 파라미터가 특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위하여 안테나의 입력 임피던스에 대한 시뮬레이션 결과를 제시하고자 한다. 여기서 제시된 데이터는 광대역 마이크로스트립 안테나의 설계에 유용할 뿐 아니라 제작상의 오차에 대하여 안테나 특성이 얼마나 민감하게 변하는가를 분석 예측하는데 사용될 수 있다.

제안 방법

광대역 마이크로스트립 안테나 형태 중에 슬롯 결합 마이크로스트립 안테나는 안테나 설계에 있어 상반되지만 중요한 두 가지를 최적화하려고 제안된 구 조이다. 즉, 슬롯 결합 마이크로스트립 안테나는 안테나의 대역폭을 증가시키기 위해서는 방사소자는 유전율이 낮고 두꺼운 기판에 놓여야 하고, 안테나 효율을 높이기 위해서는 급전망(feed network)은 유전율이 높고 얇은 기판에 설계되어 방사 손실이 적어야 한다는 조건을 동시에 만족하도록 방사체와 급전선를 접지면을 사이에 두도록 격리되도록 한 구조이다[5-6].
본 구조에서 반사판은 슬롯으로부터 나오는 방사를 줄이고 외부 전자파 환경 영향을 최소화 하면서 동시에 전체 안테나 높이를 줄이는 역할을 할 수 있도록 설계하였다. 또한 마이크로스트립 안테나에 사용되는 일반 유전체를 사용하지 않고 유전율이 1.0인 공기층을 이용하여 광대역화를 극대화 시키는 연구를 수행하였다. 실험 결과 실제 통신 대역인 1.
그림 9은 제작된 안테나에 관한 반사계수에 대한 실험과 이론 결과를 나타낸 것이다. 반사 특성 측정은 HP사의 Vector Network인 HP8510C로 측정하였다. 측정 결과로부터 VSWR=2를 기준으로 임피던스 대역폭은 1.
본 논문에서는 IoT 서비스용 마이크로스트립 안테나가 광대역특성을 갖기 위해 반사판을 갖는 슬롯 결합 마이크로스트립 안테나 구조를 사용하였다. 본 구조에서 반사판은 슬롯으로부터 나오는 방사를 줄이고 외부 전자파 환경 영향을 최소화 하면서 동시에 전체 안테나 높이를 줄이는 역할을 할 수 있도록 설계하였다. 또한 마이크로스트립 안테나에 사용되는 일반 유전체를 사용하지 않고 유전율이 1.
본 논문에서는 IoT 서비스용 마이크로스트립 안테나가 광대역특성을 갖기 위해 반사판을 갖는 슬롯 결합 마이크로스트립 안테나 구조를 사용하였다. 본 구조에서 반사판은 슬롯으로부터 나오는 방사를 줄이고 외부 전자파 환경 영향을 최소화 하면서 동시에 전체 안테나 높이를 줄이는 역할을 할 수 있도록 설계하였다.
이동통신망을 활용한 사물간의 통신 서비스를 M2M 이라고 한다. 본 서비스는 원격 감시, 제어, 데이터 수집 등의 여러 기능을 제공하며, 무선기기와 설치된 현장의 정보를 수집하는 센서부와 이를 전달하는 통신부, 수집정보를 가공, 처리하는 서버 시스템부로 구성된다. 스마트 공장 및 IoT 서비스 관련하여 통신 서비스 중 한 부분을 차지하여 현재 일부분야에서 상용서비스를 제공하는 등 점점 분야를 확대해 나가고 있다[1].
표 1은 측정을 위해 설계된 안테나의 설계치를 나 타낸 것이다. 안테나 급전선은 스트립 선로를 사용하여 안테나 전체의 부피를 작게 하였다. 그림 8은 실제 제작된 안테나의 사진이다.

대상 데이터

5mm인 FR-4기판이다. 그리고 유전율이 1.0인 것은 공기층으로서 기구적으로는 좀 더 안정된 안테나 제작은 물론 공기층의 높이를 정밀하게 조정하게 할 수 있고 안테나 자체 특성에 영향을 주지 않기 위해 본 논문에서는 플라스틱 나사를 사용하였고, 반사판은 두께가 1.0mm인 알루미늄 판을 이용하였다. 급전선과 측정 장비를 연결하기 위해 급전선에 SMA커넥터를 붙였다.
본 논문에서 선로에 사용된 기판은 유전율이 4.5이고 기판두께가 1.5mm인 FR-4기판이다. 그리고 유전율이 1.
본 논문에서는 설계 목표치 (대역폭 1.9GHz∼2.2GHz) 슬롯 결합 안테나를 제작하여 실험하였다.
여기서 제시된 데이터는 광대역 마이크로스트립 안테나의 설계에 유용할 뿐 아니라 제작상의 오차에 대하여 안테나 특성이 얼마나 민감하게 변하는가를 분석 예측하는데 사용될 수 있다. 안테나 기판은 제작 및 시뮬레이션 과정에서 모두 유전율이 1.0인 공기층 기판으로 하였다. 파라미터를 변화시킬 때 다른 변수들은 변화시키지 않았다.
안테나의 사용대역은 이동통신대역으로 1.8∼2.2GHz에서 VSWR=2이하인 광대역 특성을 갖도록 하였다.

성능/효과

0GHz를 기준으로 약 21%의 대역 특성을 의미한다. 그리고 실제 통신 대역인 1.94～2.17GHz 대역에서 정재파 비는 1.4이하로 매우 양호한 정합 특성을 보였다.
0인 공기층을 이용하여 광대역화를 극대화 시키는 연구를 수행하였다. 실험 결과 실제 통신 대역인 1.94～2.17GHz 대역 내에서 VSWR이 1.4이하로 매우 잘 정합된 안테나를 제작하였으며, 안테나의 이득도 최대 9.21dBi를 얻었다. 향후, 다른 주파수 대역의 슬롯 결합 마이크로스트립 안테나뿐만 아니라 낮은 높이(low profile) 안테나의 설계 및 제작 분야에도 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
이상의 결과를 종합해 보면 슬롯 결합 안테나는 공진 특성을 갖는 패치와 슬롯이 서로 밀접하게 결합되어 상호작용을 일으킴을 알 수 있다. 광대역 특성을 얻기 위해서는 안테나의 변수 각각에 의한 임피던스 특성과 대역폭 특성에 얼마만큼 영향을 주는지 충분히 고려해야 한다.
반사 특성 측정은 HP사의 Vector Network인 HP8510C로 측정하였다. 측정 결과로부터 VSWR=2를 기준으로 임피던스 대역폭은 1.83～2.24GHz로 420MHz의 광대역 특성을 얻었다. 이것은 중심 주파수 2.
표 2에서 알 수 있듯이 안테나 이득은 주파수에 따라 최소 7.85dBi, 최대 9.21dBi를 얻었으며, 3dB 빔폭은 평균 67°를 얻었다.

후속연구

슬롯 결합 마이크로스트립 안테나의 파라미터가 특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위하여 안테나의 입력 임피던스에 대한 시뮬레이션 결과를 제시하고자 한다. 여기서 제시된 데이터는 광대역 마이크로스트립 안테나의 설계에 유용할 뿐 아니라 제작상의 오차에 대하여 안테나 특성이 얼마나 민감하게 변하는가를 분석 예측하는데 사용될 수 있다. 안테나 기판은 제작 및 시뮬레이션 과정에서 모두 유전율이 1.
21dBi를 얻었다. 향후, 다른 주파수 대역의 슬롯 결합 마이크로스트립 안테나뿐만 아니라 낮은 높이(low profile) 안테나의 설계 및 제작 분야에도 사용할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반사판을 갖는 슬롯 결합 마이크로스트립 안테나 구조를 사용 시 예상되는 방향은?	21dBi를 얻어 높은 이득을 얻을 수 있었다. 향후, 다른 주파수 대역의 무선통신 분야나 사물통신(IoT) 분야에도 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
	M2M이란 무엇인가?	이동통신망을 활용한 사물간의 통신 서비스를 M2M 이라고 한다. 본 서비스는 원격 감시, 제어, 데이터 수집 등의 여러 기능을 제공하며, 무선기기와 설치된 현장의 정보를 수집하는 센서부와 이를 전달하는 통신부, 수집정보를 가공, 처리하는 서버 시스템부로 구성된다.
	슬롯 결합 마이크로스트립 안테나는 안테나의 설계에 어떻게 최적화를 시키는 구조인가?	광대역 마이크로스트립 안테나 형태 중에 슬롯 결합 마이크로스트립 안테나는 안테나 설계에 있어 상 반되지만 중요한 두 가지를 최적화하려고 제안된 구 조이다. 즉, 슬롯 결합 마이크로스트립 안테나는 안테나의 대역폭을 증가시키기 위해서는 방사소자는 유전율이 낮고 두꺼운 기판에 놓여야 하고, 안테나 효율을 높이기 위해서는 급전망(feed network)은 유전율이 높고 얇은 기판에 설계되어 방사 손실이 적어야 한다는 조건을 동시에 만족하도록 방사체와 급전선를 접지면을 사이에 두도록 격리되도록 한 구조이다[5-6].

참고문헌 (10)

D. Lee and J. Lee. "Under-Thread Sewing Yarn Sensing Monitoring System of Sewing Machine for Smart Manufacturing." J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 1, 2018, pp. 53-60.

원문보기 상세보기
U. Revankar and A. Kumar, "Broadband Stacked Three-Layer Circuit Microstrip Antenna Arrays," Electronics Letters, vol. 28, 1992, pp. 1995-1997.

상세보기
J. Hong, B. Kim, and H. Son, "Fabrication of CSLR-loaded Inset Fed Patch Antenna with a Conducting Reflector," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 11, no. 6, 2016. pp. 1047-1052.

원문보기 상세보기
C. Huang, J. Wu, and K. Wong, "Cross-slot-coupled Microstrip Antenna and Dielectric Resonator Antenna for Circular Polarization," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 47, no. 4, 1999, pp. 605-609.

상세보기
N. Liu, L. Zhu, W. Choi, and X. Zhang, "A Low-Profile Aperture-Coupled Microstrip Antenna With Enhanced Bandwidth Under Dual Resonance," IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. 65, 2017, pp. 1055-1061.

상세보기
G. Kim, O. Kim, and S. Rhee, "Design of L-shaped dual inset feeding Microstrip Stacked Patch Antenna for 2.5GHz band," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14, no. 3, 2019. pp. 461-466.

원문보기 상세보기
R. Garg, I. Bahl, and M. Bozzi, Microstrip Lines and Slotline 3rd Edition. Norwood: Artech House, 2013.
J. Lee and S. Lim, "Bandwidth-enhanced and polarization-insensitive metamaterial absorber using double resonance," Electronics Letters, vol. 47, no. 1, 2011. pp. 8-9.

상세보기
5G Forum, Republic of Korea, "5G Spectrum Issues in Korea," Technical report, Mar. 2015.
SK Telecom, "SK Telecom 5G White Paper," Technical report, Oct. 2014.

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