[논문]마이크로스트립 선로를 이용한 삼중대역 WLAN 안테나의 설계 및 제작

윤중한

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.1.33

[국내논문] 마이크로스트립 선로를 이용한 삼중대역 WLAN 안테나의 설계 및 제작
Design and Implementation of Triple-band WLAN Antenna with Microstrip Lines 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.1, 2019년, pp.33 - 40

초록
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본 논문에서는 마이크로스트립 선로를 이용하여 WLAN 시스템에 적용 가능한 삼중대역 안테나를 설계, 제작 및 측정하였다. 제안된 안테나는 두 개의 선로와 접지면에 슬릿을 갖도록 설계하여 삼중대역 특성을 갖도록 하였다. $L_3$, $L_{10}$, 그리고 슬릿 파라미터에 대한 조정을 위해 시뮬레이션을 수행하였으며 요구되는 주파수 대역과 대역폭을 만족하도록 제안된 모델의 각 파라미터 값들을 조정하였다. 제안된 안테나는 $32.0mm{\times}44.0mm{\times}1.0mm$의 크기로 유전율 4.4인 FR-4 기판 위에 설계 및 제작되었다. 제작 및 측정결과로부터, 120 MHz (890 MHz ~1.01 MHz), 440 MHz (2.35~2.79 GHz), 그리고 1,280 MHz (5.07~6.35 GHz)의 대역폭을 얻었다. 또한 요구되는 주파수 대역에서 측정된 이득과 방사패턴 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a microstrip-fed triple-band antenna for WLAN system with microstrip lines was designed, fabricated and measured. The proposed antenna is composed of two strip lines and slit in the ground plane and then designed in order to get triple band characteristics. We carried out simulation on $L_3$, $L_{10}$, and slit parameters, and adjusted the parameters of the proposed antenna to satisfy the required frequency band and bandwidth. The proposed antenna is made of $32.0{\times}44.0{\times}1.0mm$ and is fabricated on the permittivity 4.4 FR-4 substrate. The experiment results shows that the proposed antenna obtained the -10 dB impedance bandwidth 120 MHz (890 MHz~1.01 MHz), 440 MHz (2.35~2.79 GHz), and 1,280 MHz (5.07~6.35 GHz) covering the triple WLAN bands. Also, the measured gain and radiation patterns characteristics of the proposed antenna are presented at required frequency band, respectively.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 1. 제안된 이중 대역 안테나의 구조 Fig. 1 Geometry of the proposed dual-band antenna
그림 그림 2. 선로 1과 접지면 사이의 갭 길이 영향에 의한 시뮬레이션 반사손실 특성 Fig. 2 Characteristics of simulation return loss due to gap between strip 1 and ground plane.
그림 그림 3. L₃ 영향에 의한 시뮬레이션 반사손실 특성 Fig. 3 Characteristics of simulation return loss due to effect of L₃.
그림 그림 4. 선로 2의 영향에 의한 시뮬레이션 반사손실 특성 Fig. 4 Characteristics of simulation return loss due to effect of strip 2.
그림 그림 5. 슬릿 영향에 의한 시뮬레이션 반사손실 특성 Fig. 5 Characteristics of simulation return loss due to effect of slit.
표 표 1. 설계된 안테나의 파라미터들 Table 1. parameters of the designed antenna
그림 그림 6. 제안된 안테나의 프로토 타입 (a)앞면 그리고 (b) 뒷면 Fig. 6 Prototype of the proposed antenna: (a) front view and (b) back view
그림 그림 7. 제안된 안테나의 전류 분포 Fig. 7 The current distribution of the proposed antenna: (a) 938.7 MHz; (b) 2.46 GHz; (c) 5.29 GHz.
그림 그림 8. 제안된 안테나의 측정된 반사손실 결과 Fig. 8 The measured return loss results of the proposed antenna
그림 그림 9. 910 MHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 9 Measured 3-D radiation pattern in 910 MHz
그림 그림 10. 2.44 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 10 Measured 3-D radiation pattern in 2.44 GHz
그림 그림 11. 5.35 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 11 Measured 3-D radiation pattern in 5.35 GHz
그림 그림 12. 5.75 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 12 Measured 3-D radiation pattern in 5.75 GHz
그림 그림 13. 제안된 안테나의 측정된 최대 그리고 평균 이득 Fig. 13 Measured peak and average gains of the proposed antenna

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 WLAN 시스템에 적용 가능한 삼중 대역 안테나를 설계, 제작 및 측정하였다. 제안된 안테나는 마이크로스트립 급전 구조를 바탕으로 두 개의 스트립 선로 구조와 접지면에 슬릿을 삽입하여 삼중 공진이 가능하도록 설계하였다.
11ah를 포함 한 삼중대역 특성을 갖는 안테나를 제안하기 위해 3D 설계가 가능한 Ansys의 HFSS을 활용하였다. 제안된 안테나의 반사손실 특성에 커다란 영향을 주는 파라미터를 찾고자 하였다. 여러 파라미터에 대한 연구 결과, L₂의 길이 변화가 제안된 안테나의 반사손실 특성에 영향을 미치고 있지만 요구되는 주파수 대역을 고려하면 반사손실 특성의 변화폭이 크지 않아 본 논문에서는 생략하였다.

제안 방법

75 GHz로 설정하였다. 5 GHz 대역의 측정주파수는 상위대역과 하위대역으로 나누어 설정하였으며 각 대역의 중심주파수가 아니더라도 각 대역에서 방사패턴에는 큰 차이가 없기 때문에 측정 주파수를 5.35 GHz/5.75 GHz로 설정하였다. 그림 9은 910 MHz 주파수에서 방사패턴을 나타낸 것이며 최대 이득은 2.
900 MHz 대역의 WLAN 표준인 802.11ah를 포함 한 삼중대역 특성을 갖는 안테나를 제안하기 위해 3D 설계가 가능한 Ansys의 HFSS을 활용하였다. 제안된 안테나의 반사손실 특성에 커다란 영향을 주는 파라미터를 찾고자 하였다.
결국 표준화된 3개 대역을 만족하는 WLAN 시스템의 안테나를 설계하기 위해서는 접지면에 제안된 슬릿을 삽입한 모델을 선택하였다.
) 변화에 따른 시뮬레이션 반사손실 특성 변화를 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 선로 2의 길이인 L₃의 길이를 2 mm에서 4 mm까지 1.0 mm 간격으로 변화시켰을 때 시뮬레이션 반사손실 특성 변화를 비교하였다. L₃의 길이를 2 mm로 설정한 후 시뮬레이션 반사손실 결과는 5 GHz 대역에서 763 MHz (5.
그림 1을 살펴보면 제안된 안테나는 급전선로, 두 개의 분기 선로 그리고 슬릿이 삽입된 접지면으로 구성되어 있다. 급전 구조는 마이크로스트립 선로를 적용하였으며 마이크로스트립 급전 선로로부터 WLAN 900 MHz 대역과 2.4 GHz 대역에서 공진되도록 두 개의 분기선로(선로 1, 선로 2)를 각각 구성되도록 설계하였다. 선로 1은 제일 길 선로이며 900 MHz 대역에서 공진되도록 설계하였으며 선로 2는 2.
4 GHz 대역에서 공진되도록 설계하였다. 또한 5 GHz 대역에서 공진 특성을 얻기 위해서 슬릿 (slit, W₈⨯L₈)을 포함한 접지면 구조를 제안하여 설계하였다. 기판 전체의 크기(W⨯L)는 32.
제안된 안테나의 특성에 큰 영향을 미치는 파라미터를 확인하고 HFSS 툴을 사용하여 최적화된 수치를 얻을 수 있도록 모의실험을 진행하였다. 또한 같은 툴을 사용하여 표면 전류 밀도 분포를 확인하였으며 제안된 안테나의 동작원리를 분석하였다. 반사손실 측정결과, 시뮬레이션 결과와 측정결과가 어느 정도 오차가 발생하였으며 오차 원인에 대한 분석을 진행하였으며 900 MHz 대역에서는 120 MHz (890 MHz∼1.
본 논문에서는 IEEE 802.11ah 표준화 주파수 대역 인 902∼928 MHz와 각각 802.11b 그리고 802.11a 표준화 대역인 2.4 GHz WLAN 대역(2.4〜2.484 GHz) 그리고 5.0 GHz WLAN 대역(5.15〜5.875 GHz)을 만족하는 삼중대역 안테나를 설계하였다.
4 GHz 대역에서 공진되도록 두 개의 분기선로(선로 1, 선로 2)를 각각 구성되도록 설계하였다. 선로 1은 제일 길 선로이며 900 MHz 대역에서 공진되도록 설계하였으며 선로 2는 2.4 GHz 대역에서 공진되도록 설계하였다. 또한 5 GHz 대역에서 공진 특성을 얻기 위해서 슬릿 (slit, W₈⨯L₈)을 포함한 접지면 구조를 제안하여 설계하였다.
제안된 안테나의 반사손실 특성에 커다란 영향을 주는 파라미터를 찾고자 하였다. 여러 파라미터에 대한 연구 결과, L₂의 길이 변화가 제안된 안테나의 반사손실 특성에 영향을 미치고 있지만 요구되는 주파수 대역을 고려하면 반사손실 특성의 변화폭이 크지 않아 본 논문에서는 생략하였다. 그러나 제안된 안테나와 접지면 사이의 길이인 L₁₀, 선로 2의 존재 유무, 그리고 접지면의 슬릿의 존재 유무에 따라 제안된 안테나의 반사 손실 특성이 매우 커다란 영향을 끼치고 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 WLAN 시스템에 적용 가능한 삼중 대역 안테나를 설계, 제작 및 측정하였다. 제안된 안테나는 마이크로스트립 급전 구조를 바탕으로 두 개의 스트립 선로 구조와 접지면에 슬릿을 삽입하여 삼중 공진이 가능하도록 설계하였다. 제안된 안테나의 특성에 큰 영향을 미치는 파라미터를 확인하고 HFSS 툴을 사용하여 최적화된 수치를 얻을 수 있도록 모의실험을 진행하였다.
875 GHz)을 만족하는 삼중대역 안테나를 설계하였다. 제안된 안테나는 모노폴 형태를 바탕으로 급전선으로부터 두 개의 마이크로스트립 선로를 분기하여 적절한 길이를 갖도록 설계하였으며 접지면의 슬릿을 삽입하여 5 GHz 대역에서 매칭이 되도록 설계하였다. 다음 2장에서 구체적인 설계구조 및 시뮬레이션 결과에 따른 제작결과를 설명하고, 3장에서는 제작 결과에 대한 특성 분석에 대해 설명할 것이며 4장에서는 결론에 대해 설명 할 것이다.
제작된 안테나는 회로망 분석기(Network Analyzer, Anritsu MS4623B)를 이용하여 반사손실 을 측정하였으며 방사패턴은 구로에 위치한 에이스테크놀리지의 무반사실에서 측정하였다. 그림 8에는 제 안된 안테나의 실제 제작 후 시뮬레이션 결과와 측정 한 결과를 함께 나타내었다.

대상 데이터

제안된 안테나는 그림 1과 보는바와 같은 구조로 설계하였다. 그림 1을 살펴보면 제안된 안테나는 급전선로, 두 개의 분기 선로 그리고 슬릿이 삽입된 접지면으로 구성되어 있다. 급전 구조는 마이크로스트립 선로를 적용하였으며 마이크로스트립 급전 선로로부터 WLAN 900 MHz 대역과 2.
그림 9, 10, 11, 그리고 12는 제작된 안테나의 측정된 방사패턴을 나타내고 있다. 방사패턴이 측정된 주파수는 900 MHz 대역의 주파수인 910 MHz, 2.4 GHz WLAN 대역의 중심인 2.44 GHz, 그리고 5 GHz 대역의 5.35 GHz/5.75 GHz로 설정하였다. 5 GHz 대역의 측정주파수는 상위대역과 하위대역으로 나누어 설정하였으며 각 대역의 중심주파수가 아니더라도 각 대역에서 방사패턴에는 큰 차이가 없기 때문에 측정 주파수를 5.
제안된 안테나의 최적화된 구조에 대한 수치를 사용하여 e_r=4.4, h=1.0 mm인 FR-4기판으로 안테나를 제작하였다. 그림 6은 실제 최적화된 수치로 제작된 안테나이다.

데이터처리

제안된 안테나는 마이크로스트립 급전 구조를 바탕으로 두 개의 스트립 선로 구조와 접지면에 슬릿을 삽입하여 삼중 공진이 가능하도록 설계하였다. 제안된 안테나의 특성에 큰 영향을 미치는 파라미터를 확인하고 HFSS 툴을 사용하여 최적화된 수치를 얻을 수 있도록 모의실험을 진행하였다. 또한 같은 툴을 사용하여 표면 전류 밀도 분포를 확인하였으며 제안된 안테나의 동작원리를 분석하였다.

성능/효과

5 mm 간격으로 변화시켰을 때 시뮬레이션 반사손실 특성 변화를 나타 내었다. L₁₀의 길이 변화에 따른 시뮬레이션 반사손실 결과, 900 MHz 대역에서는 변화가 없었으며 2.4 GHz 대역과 5.0 GHz 대역에서는 반사손실 특성에 커다란 변화가 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 접지면이 파장이 짧은 주파수 대역에 영향을 크게 미치고 있음을 알 수 있었다.
L3의 길이를 2 mm로 설정한 후 시뮬레이션 반사손실 결과는 5 GHz 대역에서 763 MHz (5.083〜5.846 GHz)의 대역폭을 얻었으며 요구되는 5 GHz 대역과 대역폭을 만족하고 있지 않음을 확인하였다.
846 GHz)의 대역폭을 얻었으며 요구되는 5 GHz 대역과 대역폭을 만족하고 있지 않음을 확인하였다. L₃의 길이를 4 mm로 설정 한 후 시뮬레이션 반사손실 결과는 5 GHz 대역에서 763 MHz (4.855〜6.40 GHz)의 대역폭을 얻었으며 요구되는 5 GHz 대역과 대역폭을 만족하고 있음을 확인하였다. 그러나 L₃의 길이를 3 mm로 설정한 후 시뮬레이션 반사손실 결과는 L3의 길이를 4 mm 일 때 보다 제안된 안테나의 반사손실 특성이 개선되었다.
40 GHz)의 대역폭을 얻었으며 요구되는 5 GHz 대역과 대역폭을 만족하고 있음을 확인하였다. 그러나 L₃의 길이를 3 mm로 설정한 후 시뮬레이션 반사손실 결과는 L3의 길이를 4 mm 일 때 보다 제안된 안테나의 반사손실 특성이 개선되었다. 따라서 반사손실 특성이 개선된 경우인 3 mm로 L₃의 길이를 설정하였다.
875 GHz)을 만족시키지 못한 결과를 얻었다. 그러나 선로 2가 존재하는 경우시뮬레이션 반사손실 결과, 요구되는 대역을 만족하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 선로 2의 길이보다는 선로 2의 존재 유무가 제안된 안테나의 반사손실 특성에 더 커다란 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다.
여러 파라미터에 대한 연구 결과, L₂의 길이 변화가 제안된 안테나의 반사손실 특성에 영향을 미치고 있지만 요구되는 주파수 대역을 고려하면 반사손실 특성의 변화폭이 크지 않아 본 논문에서는 생략하였다. 그러나 제안된 안테나와 접지면 사이의 길이인 L₁₀, 선로 2의 존재 유무, 그리고 접지면의 슬릿의 존재 유무에 따라 제안된 안테나의 반사 손실 특성이 매우 커다란 영향을 끼치고 있음을 확인하였다.
4 GHz의 공진이 발생하고 있음을 확인하였다. 더불어 반사 손실 특성은 접지면의 존재로 인해 상당히 개선됨을 확인하였다.
35 GHz)의 대역폭을 얻어 WLAN 시스템에 요구하는 대역과 대역폭을 만족하고 있음을 확인하였다. 또한 방사패턴 측정결과, 전방향성의 방사패턴과 900 MHz 대역에서 최대 2.65 dBi, 2.4 GHz 대역에서 최대 4.27 dBi, 5.0 GHz 대역에서 최대 3.39 dBi를 얻었다. 따라서 제안된 안테나는 삼중대역을 커버할 수 있는 WLAN 시스템에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
따라서 반사손실 특성이 개선된 경우인 3 mm로 L₃의 길이를 설정하였다. 또한 예상과는 달리 L₃ 길이 변화가 2.4 GHz 대역뿐만 아니라 5 GHz 대역의 반사손실 특성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
제안된 안테나의 동작원리를 확인하기 위해 전류밀도 분포는 그림 7에서 나타내었다. 명확한 전류밀도 분포를 표시하기 위해 시뮬레이션 시각 주파수 대역에서 반사손실 특성이 제일 좋은 주파수를 선택하였다. 그림 7(a)는 938.
반사손실 측정결과, 시뮬레이션 결과와 측정결과가 어느 정도 오차가 발생하였으며 오차 원인에 대한 분석을 진행하였으며 900 MHz 대역에서는 120 MHz (890 MHz∼1.01 MHz)의 대역폭을 얻어 2.4 GHz 대역에서는 440 MHz (2.35∼2.79 GHz)의 대역폭을 5.0 GHz 대역에서는 1,280 MHz (5.07∼6.35 GHz)의 대역폭을 얻어 WLAN 시스템에 요구하는 대역과 대역폭을 만족하고 있음을 확인하였다.
슬릿이 존재하지 않았을 경우, 5.0 GHz 대역에서 공진 특성이 나타나지 않았으나 슬릿이 존재하는 경우, 5 GHz 대역에서 공진이 발생하였으며 975 MHz (4.985∼5.96 GHz)으로 대역폭을 얻어 요구되는 주파수 대역과 대역폭을 만족하고 있음을 확인하였다.
이러한 결과는 접지면이 파장이 짧은 주파수 대역에 영향을 크게 미치고 있음을 알 수 있었다. 시뮬레이션 결과로부터 제안된 안테나와 접지면 사이의 길이는 반사손실과 공진특성이 L₁₀ = 1.5 mm 일 때 제일 우수한 반사손실 특성이 나타남을 확인하였다.
위에서 언급한 시뮬레이션 결과로부터 최적화된 시뮬레이션 반사손실은 900 MHz 대역에서 -10dB을 기준으로 97.5 MHz (890∼987.5 MHz)의 대역폭을 얻어 2.4 GHz 대역에서 -10dB을 기준으로 680 MHz (2.14 ∼2.82 GHz)의 대역폭을 얻어 2.4 GHz WLAN 대역 을 만족시켰으며 5.0 GHz 대역에서는 -10dB을 기준으로 975 MHz (4.985∼5.96 GHz)의 대역폭을 얻어 WLAN 3개 대역에서 요구하는 대역과 대역폭을 만족하고 있음을 확인하였다.
또한 그림 7(b)에서는 선로 1과 접지면 사이에 상대적으로 강한 전류밀도가 분포하고 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 2.4 GHz 대역의 공진은 선로 2의 길이보다는 선로 1과 접지면의 간격이 더 큰 영향을 미치고 있음을 확인하였으며 또한 L₁₀의 길이변화에 따른 반사손실 시뮬레이션 결과인 그림 2로부터 2.4 GHz 대역에 큰 영향을 미치고 있는 것을 확인된다. 따라서 그림 3의 결과에서 보듯이 선로 2의 길이 변화는 안테나의 반사손실 특성에 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.
그러나 선로 2가 존재하는 경우시뮬레이션 반사손실 결과, 요구되는 대역을 만족하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 선로 2의 길이보다는 선로 2의 존재 유무가 제안된 안테나의 반사손실 특성에 더 커다란 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다.
그림 7(c)에서는 급전선로와 접지면의 슬릿에 상대적으로 강한 전류밀도가 분포하고 있음을 확인하였다. 제안된 안테나는 두 개의 전류길이를 갖고 있지만 3중 대역을 얻을 수 있는 것은 동일한 면에 존재하지 않지만 접지면 상단과 스트립 1의 하단과의 근접 영향으로 인해 2.4 GHz의 공진이 발생하고 있음을 확인하였다. 더불어 반사 손실 특성은 접지면의 존재로 인해 상당히 개선됨을 확인하였다.
선택된 주파수는 각 주파수대역에서 임의적으로 선택하였다. 제안된 안테나의 3-D 방사패턴은 전체적으로 전방향성 특성을 보여주고 있다.
측정결 과, 900 MHz 대역에서는 -10dB을 기준으로 120 MHz (890 MHz∼1.01 MHz)의 대역폭을 얻어 900 MHz WLAN (902∼928 MHz)대역을 만족시켰으며 2.4 GHz 대역에서는 440 MHz (2.35∼2.79 GHz)의 대역폭을 얻어 2.4 GHz WLAN 대역 (2.4 GHz∼2.484 GHz)을 만족시켰으며 5.0 GHz 대역에서는 1,280 MHz (5.07∼6.35 GHz)의 대역폭을 얻어 5 GHz 대역 (5.15〜5.875 GHz)에서 요구하는 대역폭을 만족하고 있음을 확인하였다.

후속연구

39 dBi를 얻었다. 따라서 제안된 안테나는 삼중대역을 커버할 수 있는 WLAN 시스템에 적용이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WLAN 시스템의 확정된 주파수 규격은 어떠한가?	11n의 경우 다중 안테나 기술을 채택하여 최대 600 Mbps을 지원하고 있다. 한편 주파수 확정의 경우, IoT 및 다양한 서비스 지 원을 위해 기존 2.4 GHz와 5 GHz 대역을 지원하는 규격뿐만 아니라 900MHz (802.11ah), TV White Space (802.11af)와 같은 추가적인 대역을 지원하는 규격도 제정되었다[2]
	WLAN이란?	WLAN(: Wireless Local Area Network)은 일부 한정된 지역을 무선으로 연결해주는 네트워크로서 1997년 IEEE 802.11 전송규격이 공개된 이후 지속적 으로 보완과 개정작업이 이루어졌으며 특히 차세대 WLAN 시스템은 전송속도 향상 측면, 전송범위를 증 가시키려는 측면 그리고 주파수 확정 측면에서 끊임없이 진화되고 있으며 IEEE 802.
	WLAN 시스템은 어떤 밴드를 사용하고 있는가?	WLAN 시스템은 IEEE 802.11b (사용주파수 : 2.4-2.484 GHz)을 바탕으로 IEEE 802.11a (사용주파 수 : 5.15∼5.875 GHz)와 IEEE 802.11g (사용주파수 : 2.4-2.484 GHz)가 결합되면서 2.4/5 GHz 듀얼밴드를 사용하고 있다. 현재 대부분의 상용화된 WLAN 시스 템은 대용량 전송율을 처리하기 위해 IEEE 802.

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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