[국내논문]통합 공공망과 5G 주파수 이중대역 커버용 단일 급전 안테나 개발 Development of Single Feed Antenna for Integrated Public Network and 5G Network Frequency Dual-band Cover원문보기
본 논문에서는 최근 5G 통신기술의 발전으로 인해 LTE와 5G 대역을 모두 커버할 수 있는 안테나가 필요로 하고 있으며, 각 대역에서 공진 주파수 대비 10%이상의 대역폭을 만족하기 위해 통합공공망(LTE)과 5G 주파수 이중대역 커버용 단일 급전 안테나를 설계, 제작하였다. 기본형 다이폴 안테나의 방사소자를 평면형 구조를 채택하였으며, 설계된 안테나는 700 MHz 안테나의 경우 동축케이블 급전 및 balun을 형성시켜 설계되었으며, 3.5GHz의 경우는 700 MHz 방사소자 급전부로부터 각각 수직 연장 후 'ㄷ'자 모양으로 접은 형태로 balun이 필요 없고 700 MHz 대역의 방사소자가 3.5 GHz 대역 방사소자의 반사판 역할을 하도록 설계하였다. 이로써, 700MHz 대역 -10 dB 대역폭 104 MHz(14.8%)과 3.5GHz 대역 -10 dB 대역폭 660 MHz(18.8%)을 나타내었고, 방사패턴 특성으로 700 MHz대역에서는 이득 8.46 dBi, 빔폭 E-plane 55°, H-plane 81°와 3.5 GHz 대역에서는 이득 6.14 dBi, 빔폭 E-plane 79°, H-plane 49°를 각각 얻었다.
본 논문에서는 최근 5G 통신기술의 발전으로 인해 LTE와 5G 대역을 모두 커버할 수 있는 안테나가 필요로 하고 있으며, 각 대역에서 공진 주파수 대비 10%이상의 대역폭을 만족하기 위해 통합공공망(LTE)과 5G 주파수 이중대역 커버용 단일 급전 안테나를 설계, 제작하였다. 기본형 다이폴 안테나의 방사소자를 평면형 구조를 채택하였으며, 설계된 안테나는 700 MHz 안테나의 경우 동축케이블 급전 및 balun을 형성시켜 설계되었으며, 3.5GHz의 경우는 700 MHz 방사소자 급전부로부터 각각 수직 연장 후 'ㄷ'자 모양으로 접은 형태로 balun이 필요 없고 700 MHz 대역의 방사소자가 3.5 GHz 대역 방사소자의 반사판 역할을 하도록 설계하였다. 이로써, 700MHz 대역 -10 dB 대역폭 104 MHz(14.8%)과 3.5GHz 대역 -10 dB 대역폭 660 MHz(18.8%)을 나타내었고, 방사패턴 특성으로 700 MHz대역에서는 이득 8.46 dBi, 빔폭 E-plane 55°, H-plane 81°와 3.5 GHz 대역에서는 이득 6.14 dBi, 빔폭 E-plane 79°, H-plane 49°를 각각 얻었다.
In this paper, due to the development of 5G communication technology, an antenna capable of covering both LTE and 5G bands is currently needed. In addition, we designed and manufactured a single feed antenna for the integrated public network (LTE) and 5G frequency dual band cover to satisfy the freq...
In this paper, due to the development of 5G communication technology, an antenna capable of covering both LTE and 5G bands is currently needed. In addition, we designed and manufactured a single feed antenna for the integrated public network (LTE) and 5G frequency dual band cover to satisfy the frequency bandwidth of more than 10% in each band. The antenna designed by adopting the dipole of the basic dipole antenna in a planar structure is a form in which the radiating element is vertically extended at all of the 700 MHz antennas and folded into a 'ㄷ' shape. In addition, the radiating element of the 700MHz band serves as a reflector of the 3.5GHz band radiating element. As a result, the 700 MHz band -10 dB bandwidth 104 MHz(14.8%) and 3.5 GHz band -10 dB bandwidth 660 MHz(18.8%) were obtained and the radiation pattern characteristic resulted in gains of 8.46 dBi, beam width E-plane 55°, H-plane 81° and 3.5 GHz bands 6.14 dBi, beamwidth E-plane 79°, H-Plane 49°.
In this paper, due to the development of 5G communication technology, an antenna capable of covering both LTE and 5G bands is currently needed. In addition, we designed and manufactured a single feed antenna for the integrated public network (LTE) and 5G frequency dual band cover to satisfy the frequency bandwidth of more than 10% in each band. The antenna designed by adopting the dipole of the basic dipole antenna in a planar structure is a form in which the radiating element is vertically extended at all of the 700 MHz antennas and folded into a 'ㄷ' shape. In addition, the radiating element of the 700MHz band serves as a reflector of the 3.5GHz band radiating element. As a result, the 700 MHz band -10 dB bandwidth 104 MHz(14.8%) and 3.5 GHz band -10 dB bandwidth 660 MHz(18.8%) were obtained and the radiation pattern characteristic resulted in gains of 8.46 dBi, beam width E-plane 55°, H-plane 81° and 3.5 GHz bands 6.14 dBi, beamwidth E-plane 79°, H-Plane 49°.
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문제 정의
이에 본 논문에서는 5G 무선통신망 주파수 대역을 최적화함과 동시에 최적화된 통합 공공망(LTE)과의 무선 통신 기술을 융합하기 위한 단일 모듈 시스템에서 요구되는 대역폭을 커버할 수 있는 단일 급전 이중 대역 커버용 단일 급전 구조의 안테나를 설계함을 목적으로 하였다.
본 논문에서는 통합공공망과 5G 주파수 이중대역 커버용 단일급전 안테나를 설계, 제작하였다. 기본형 다이폴 안테나의 방사소자를 평면형 구조를 채택하여 700MHz 대역 –10 dB 대역폭 104 MHz(14.
제안 방법
설계된 안테나는 [Fig. 3]에 나타낸 바와 같이 방사소자를 700 MHz 안테나의 급전부에서 수직 연장 후 ‘ㄷ’자 모양으로 접은 형태로 설계하였다.
5%)를 확보하였다. 이와 같이 방사소자의 폭을 크게 한 다이폴 안테나의 대역폭이 넓어짐을 확인할 수 있으며(Balanis, 2005; Seo and Woo, 2002), 이를 통해 10% 이상의 대역폭을 갖는 단일급전 안테나의 기본형으로서 유효성을 확인하였다.
앞 절의 각각 단일한 평면형 다이폴 안테나의 구조를 변형하여 700 MHz대역의 안테나가 3.5 GHz 대역의 안테나의 반사판 역할을 하도록 설계한 이중대역 커버용 단일 급전 안테나를 설계하였다. 설계된 안테나는 [Fig.
5 GHz에서의 별도 급전과 balun이 없이 700 MHz 급전과 동일하게 하였다. 또한, 평행 두 전송선로의 간격 및 폭으로 임피 던스를 매칭시켰으며 700 MHz 방사체로부터의 높이 조절로 전방지향성 방사패턴을 조절하였다.
또한, balun없이 3.5 GHz 대역의 설계된 안테나는 방사소자를 700 MHz 안테나의 급전부에서 수직 연장 후 ‘ㄷ’자 모양으로 접은 형태로 설계하였다.
5 GHz 대역의 설계된 안테나는 방사소자를 700 MHz 안테나의 급전부에서 수직 연장 후 ‘ㄷ’자 모양으로 접은 형태로 설계하였다. 또한, 방사소자를 이중으로 쌓아 제안된 안테나가 이중대역에서 공진하며, E-plane과 H-plane 방사패턴이 전 방지향성 방사패턴을 형성한다.
대상 데이터
7]에는 제안된 통합공공망과 5G 주파수 이중대역 커버용 단일 급전 안테나를 제작하여 나타내었다. 제안된 안테나는 700 MHz 대역과 3.5 GHz 대역의 방사소자들의 변수를 통한 데이터를 토대로 설계 제작되었으며, 250 mm ⨯ 250 mm ⨯ 1mm의 반사판 크기와 170 mm(G) ⨯ 22 mm(W) ⨯ 92.5 mm의 안테나 전체 크기로 제작되었다.
성능/효과
만일, 이와 같은 시스템에는 다이폴 안테나를 채택할 경우 방사소자 직경에 따라 안테나 공진 주파수 및 대역폭을 변화시킬 수 있다(Balanis, 2005; Seo and Woo, 2002). 따라서 통합공공망과 5G 무선통신망의 이중대역을 동시에 커버하는 단일 급전의 다이폴 안테나를 사용하는 것이 바람직하다.
5 mm로 설정하였다. 변수 G1의 길이가 길어짐에 따라 700 MHz 대역의 공진주파수가 하강하며, 3.5GHz 대역은 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 또한, 변수 W1의 폭이 넓어짐에 따라 700 MHz 대역에서의 대역폭이 넓어지는 경향이 있으며 3.
5 GHz 대역에서의 대역폭이 변화하나 700 MHz 대역은 변화가 없음을 알 수 있다. 이를 통해 3.5 GHz 대역의 방사소자는 아래의 700 MHz 대역의 방사소자의 길이와 폭의 영향을 받아 700 MHz 대역의 방사소자가 3.5 GHz 대역 방사소자의 반사판 역할을 하고 있음을 확인할 수 있다. 이것은 3.
기본형 다이폴 안테나의 방사소자를 평면형 구조를 채택하여 700MHz 대역 –10 dB 대역폭 104 MHz(14.8%)와 3.5GHz 대역 –10 dB 대역폭 660 MHz(18.8%)를 얻어 대역폭을 만족시켰다.
14 dBi, 빔폭 E-plane 79˚, H-plane 49˚를 각각 얻었다. 또한, 각 대역의 E-plane과 H-plane 패턴 모두 전방지향성 방사패턴을 형성하며 설계목표인 통합공공망 통신 시스템에 적합한 특성을 확인할 수 있다. 이들 결과를 아래 표로 정리하였다.
따라서 제안된 안테나는 하나의 급전 구조로 채택하여 각 대역의 요구 대역폭을 만족시킨 이중 대역 커버용 단일 급전 안테나로써, 5G 주파수 대역을 최적화함과 동시에 최적화된 통합 공공망(LTE)과의 무선 통신 기술을 융한하기 위해 단일 모듈용 통신 시스템에 적합한 송한ㆍ수신이 유효함을 확인하였다.
후속연구
따라서 제안된 안테나는 각각 대역을 만족하는 안테나들이 상호 작용을 하므로 각 방사소자의 변수(700 MHz 대역 방사소자의 길이와 폭, 3.5 GHz 대역 방사소자의 길이와 폭)에 따른 안테나의 특성변화와 반사판 크기에 따른 안테나의 특성 변화를 확인할 필요가 있다.
향후, 좁은 설치공간에 적용 가능하게 하기 위한 안테나의 소형화에 대한 연구를 계속하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초고속 무선 통신을 사용하는 데 필요한 선결 과제는?
5G 초고속 무선통신 기술은 기존의 LTE 무선통신 기술보다 수십 배 빠른 데이터 전송속도와 지연시간, 고속 이동성을 갖는 장점을 가진다(Ko and Bang, 2014). 그러나 5G는 현재 각종 통신환경에 검증되지 않았고, 초고속 무선 통신을 장애없이 사용하기 위해서는 최적화 작업이 필요하다. 그에 반해 기존의 LTE는 현재까지 각종 통신환경에 최적화되었으며, 이를 기반으로 하여 통합공공망주파수 700MHz를 공동 사용하는 공공망(재난안전통신망, 초고속 해상무선통신망 및 철도통합무선망 등)에 활용되고 있다.
5G 초고속 무선통신 기술이 기존 LTE와 비교해 가지는 장점은?
국내 통신 3사에서는 2018년 말 세계 최초로 5G 무선통신 기술 서비스를 개시하였다. 5G 초고속 무선통신 기술은 기존의 LTE 무선통신 기술보다 수십 배 빠른 데이터 전송속도와 지연시간, 고속 이동성을 갖는 장점을 가진다(Ko and Bang, 2014). 그러나 5G는 현재 각종 통신환경에 검증되지 않았고, 초고속 무선 통신을 장애없이 사용하기 위해서는 최적화 작업이 필요하다.
공공통합망과 5G 대역의 통신 시스템 모듈을 각각 사용할 경우 생기는 문제를 해결하는 방안은?
여기서 통합공공망 주파수 통신 시스템 모듈과 5G 대역 통신 시스템 모듈 각각을 사용하는 경우는 통신 시스템 모듈과 안테나가 각각 필요하기 때문에 경제적, 공간적 손실이 크다. 이러한 단점을 해결하기 위해 LTE와 5G 무선통신 기술을 융합하여 각종 통신환경에 적합한 기술과 이들을 단일 시스템으로 동작시킬 수 있는 방식의 모듈과 안테나가 필요하다.
참고문헌 (6)
Balanis C. A.(2005), Antenna theory: Analysis and Design, Wiley-Interscience(USA), pp.151-162.
Ko Y.-J. and Bang S.-C.(2014), "5G wireless communication," TTA Journal, vol. 152, p.40.
Mehdi V., Manouchehr K. and Amir J.(2011), "Single-Feed Dual-Band Dual- Linearly-Polarized Proximity-Coupled Patch Antenna," IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 53, no. 1, pp.90-95.
Pyo S.-H.(2019), "A Study on Establishment of Redundancy for Stable Operation of Integrated Railway Network(LTE-R)," Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 20, no. 2 pp.51-58.
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