[논문]세 개의 분기선로를 갖는 WLAN에 적용가능한 삼중대역 안테나 설계 및 제작

하성재; 윤중한

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.1.119

초록
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본 논문에서는 WLAN 표준화에 적합하도록 삼중대역 안테나를 설계, 제작 및 측정하였다. 마이크로스트립 급전방법을 적용하여 세 개의 마이크로스트립 선로를 갖도록 설계하였으며 임피던스 특성을 향상시키기 위해 하나의 스터브 추가하여 삼중대역 특성을 얻었다. 요구되는 주파수 대역과 임피던스 대역폭을 얻기 위해 세개 분기 선로의 길이와 폭을 설정하고 스터브 길이를 조정하고 최적화하였다. 제안된 안테나는 $24.0mm(W){\times}60.0mm(L){\times}1.0mm(t)$의 유전체 기판 위에 $23.0mm(W_2+W_4){\times}53.1mm(L_1)$의 크기로 제작되었다. 제작 및 측정 결과로부터 900 MHz에서는 159 MHz (841~1000 MHz), 2400 MHz 대역에서는 630 MHz (2.32~2.95 GHz) 그리고 5000 MHz 대역에서는 1,040 MHz (4.95~5.99 GHz)의 대역폭을 얻었다. 또한 무반사실의 측정결과로부터 제작된 안테나의 이득과 방사패턴 특성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a monopole antenna applicable to WLAN standardization is designed, fabricated, and tested. The proposed antenna is designed to have three microstrip lines based on microstrip feeding method and inserted one stub to enhance impedance characteristics. Then, it obtained triple band chara...

In this paper, a monopole antenna applicable to WLAN standardization is designed, fabricated, and tested. The proposed antenna is designed to have three microstrip lines based on microstrip feeding method and inserted one stub to enhance impedance characteristics. Then, it obtained triple band characteristics of the proposed antenna. We adjusted and optimized the lengths and width of the three microstrip lines and one inserted stub to obtain the required impedance bandwidth for this paper. The proposed antenna has $23.0mm(W){\times}53.1mm(L1)$ on a dielectric substrate of $24.0mm(W1){\times}60.0mm(L){\times}1.0mm$ size. From the fabrication and measurement results, bandwidths of 158 MHz (841 to 1000 MHz) for 900 MHz band, 630 MHz (2.32 to 2.95 GHz) for 2400 MHz band, and 1,040 MHz (4.95 to 5.99 GHz) for 5000 MHz band were obtained based on the impedance bandwidth. The fabricated antenna also obtained the measured gain and radiation pattern characteristics in the required triple band of the proposed antenna.

주제어

표/그림 (15)

그림 그림 1. 제안된 안테나의 구조 Fig. 1 Configuration of the proposed WLAN antenna
그림 그림 2. L₂ 길이 변화에 따른 반사손실 특성 Fig. 2 Return loss characteristic of the effect of the L₂.
그림 그림 3. L₃ 길이 변화에 따른 반사손실 특성 Fig. 3 Return loss characteristic of the effect of the L₃.
그림 그림 4. L₉ 길이 변화에 따른 반사손실 특성 Fig. 4 Return loss characteristic according to the length of L₉.
그림 그림 5. 스터브 유무에 따른 반사손실 특성 Fig. 5 Return loss characteristic according to the with and without stub
그림 그림 6. 제안된 안테나의 설계 과정에 따른 반사손실 특성 Fig. 6 Return loss characteristics of the proposed antenna design process
그림 그림 7. 제안된 안테나의 전류 분포(a) 922.5 MHz, (b) 2.42 GHz, and (c) 5.44 GHz. Fig. 7 The current density of proposed antenna (a) 922.5 MHz, (b) 2.42 GHz, and (c) 5.44 GHz.
그림 그림 8. 제안된 안테나의 시제품 (a) 앞면 그리고 (b) 뒷면 Fig. 8 Prototype of the proposed antenna: (a) front view and (b) back view
표 표 1. 설계된 안테나의 파라미터들 Table 1. parameters of the designed antenna
그림 그림 9. 제안된 안테나의 측정된 반사손실 결과 Fig. 9 The measured return loss results of the proposed antenna
그림 그림 10. 910 MHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 10 Measured 3-D radiation pattern in 910 MHz
그림 그림 11. 2.44 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 11 Measured 3-D radiation pattern in 2.44 GHz
그림 그림 12. 5.35 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 12 Measured 3-D radiation pattern in 5.35 GHz
그림 그림 13. 5.75 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 13 Measured 3-D radiation pattern in 5.75 GHz
그림 그림 14. 제안된 안테나의 측정된 최대 그리고 평균 이득 Fig. 14 Measured peak and average gains of the proposed antenna

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 세 개의 마이크로스트립 선로들을 설계하여 WLAN 세 개의 주파수 대역을 대응되는 안테나를 제안하였다. 요구되는 세 개의 주파수 대역에 대응하여 세 개의 선로를 설계 하였으며 임피던스 매칭을 위해서 선로에 스터브를 삽입하여 반사손실 특성을 향상시켰다.

제안 방법

제안된 안테나는 그림 1과 같은 구조로 설계하였다. 제안된 안테나는 마이크로스트립 급전 구조를 갖고 세 개의 스트립 라인을 갖도록 설계하였으며 선로 1은 900 MHz 대역, 선로 2는 2.4 GHz 대역, 그리고 선로 3은 5 GHz 대역에서 공진하도록 설정하였다. 임피던스 매칭을 통해 스터브를 삽입하여 제안된 안테나의 반사손실 특성을 개선하였다.

데이터처리

그림 8은 실제 최적화된 수치로 제작된 안테나이다. 제작된 안테나는 회로망 분석기를 이용하여 반사손실을 측정하였으며 방사패턴은 에이스테크놀러지 모바일 무반사실에서 측정하였다. 그림 9은 제안된 안테나의 반사손실 특성에 대한 시뮬레이션 결과와 실제 제작 후 측정한 결과를 비교하여 나타내었다.

성능/효과

최적화된 수치로 제안된 안테나를 제작하고 네트워크분석기를 이용하여 반사손실 특성을 측정하였다. 반사손실측정 결과, –10dB를 기준으로 900 MHz에서는 159 MHz (841∼1000 MHz), 2400 MHz 대역에서는 630 MHz (2.32∼2.95 GHz) 그리고 5000 MHz 대역에서는 1,040 MHz (4.95∼5.99 GHz)대역폭을 얻어 요구되는 900 MHz, 2.4 GHz, 그리고 5 GHz WLAN 대역을 만족하고 있음을 확인하였다. 측정된 방사패턴은 3D 방사패턴으로 제시하였으며 전체적으로 전방향성 특성을 나타내고 있고 900 MHz 대역에서 최대 2.
4 GHz, 그리고 5 GHz WLAN 대역을 만족하고 있음을 확인하였다. 측정된 방사패턴은 3D 방사패턴으로 제시하였으며 전체적으로 전방향성 특성을 나타내고 있고 900 MHz 대역에서 최대 2.65 dBi, 2.4 GHz 대역에서 최대 4.27 dBi, 5.0 GHz 대역에서 최대 3.37 dBi를 얻었다.

후속연구

11ah WLAN 주파수 규격이 포함되어 연구 개발된 안테나는 아직 발표되지 않았다. 향후 WiFi 표준화는 PAN(Personal Area Network)와 WAN(Wide Area Network)을 아우르는 다변화된 공간영역으로 확장하기 위해서 다양한 서비스 지원이 가능한 주파수 확보하는 방향으로 발전될 것으로 판단되는 바 본 논문에서 제안된 안테나의 개발이 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WiFi 기술은 어디에 사용되고 있는가?	무선 랜(Wireless LAN)으로도 불리는 WiFi 기술은 1997년 IEEE 802.11 전송규격이 출간된 이후 지속적인 보완과 개정 작업을 통해 그 규격이 지속적으로 발전해 가고 있으며 데이터 네트워크의 필수적인 장치로서 현재 스마트폰, 테블릿, 노트북 등 개인 휴대 단말기기에 내장되어 되어 다양한 응용에 사용되고 있다.
	WiFi 기술은 현재 얼마큼의 데이터 전송률을 지원하고 있는가?	WiFi 기술은 초기 802.11의 2 Mbps 전송율로부터 진화를 거듭하여 현재는 최대 7 Mbps에 이르는 데이터 전송율을 지원하고 있다. 또한 IoT 및 다양한 데이터 서비스지원을 위해 기존 2.
	본 논문에서 제안한 세 개의 마이크로스트립 선로들을 설계하여 WLAN 세 개의 주파수 대역을 대응되는 안테나는 어떻게 설계하였으며, 성능 분석 결과는?	본 논문에서는 세 개의 마이크로스트립 선로들을 설계하여 WLAN 세 개의 주파수 대역을 대응되는 안테나를 제안하였다. 요구되는 세 개의 주파수 대역에 대응하여 세 개의 선로를 설계 하였으며 임피던스 매칭을 위해서 선로에 스터브를 삽입하여 반사손실 특성을 향상시켰다. 제안된 안테나의 특성에 중요한 영향을 미치는 파라미터를 확인하고 시뮬레이션을 활용하여 제안된 안테나의 반사손실 특성이 제일 우수한 수치를 얻었다. 또한 제안된 안테나의 표면 전류 밀도를 분석하여 동작원리를 확인하였다. 최적화된 수치로 제안된 안테나를 제작하고 네트워크분석기를 이용하여 반사손실 특성을 측정하였다. 반사손실측정 결과, –10dB를 기준으로 900 MHz에서는 159 MHz (841∼1000 MHz), 2400 MHz 대역에서는 630 MHz (2.32∼2.95 GHz) 그리고 5000 MHz 대역에서는 1,040 MHz (4.95∼5.99 GHz)대역폭을 얻어 요구되는 900 MHz, 2.4 GHz, 그리고 5 GHz WLAN 대역을 만족하고 있음을 확인하였다. 측정된 방사패턴은 3D 방사패턴으로 제시하였으며 전체적으로 전방향성 특성을 나타내고 있고 900 MHz 대역에서 최대 2.65 dBi, 2.4 GHz 대역에서 최대 4.27 dBi, 5.0 GHz 대역에서 최대 3.37 dBi를 얻었다.

참고문헌 (13)

B. Jeong, S. Jang, S. Yoon, and D. Kim, "Development direction of WLAN technology treads to IEEE 802.11ax standardization," Electronics and Telecommunications Trends, vol. 27, no. 2, 2012, pp. 1-10.
J. Son, U. An, J. Ko, and K. Kwak, "Recent tread to IEEE 802.11ax next-generation WLAN standardization," Electronics and Telecommunications Trends, vol. 31, no. 10, 2016, pp. 3-9.
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Y. Seo, J. Jung, H. Lee, and Y. Lim, "Design of circular monopole antenna with symmetrically folded stub for WLAN operation," Microwave and Optical Technology Letters, vol. 54, no. 7, 2012, pp. 1549-1552.

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원문보기 상세보기
W. Yeo, K. Lai, K. Yeap, P. Teh, and H. Nisar, "A compact dual band hook shaped antenna for wireless application," Microwave and Optical Technology Letters, vol. 59, no. 5, 2017, pp. 1882-1887.

상세보기
J. Yoon, "A design and implementation of dual band monopole antenna with two arc-shaped line for WLAN application," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 6, 2017, pp. 1049-1056.
B. Kang, S. Rhee, M. Jeong, D. M. Choi, and N. Kim, "Design and fabrication of dual band planar monopole antenna with defected ground structure for WLAN application," J. of the Korea Institute of Electromagnetic and Sciences, vol. 29, no. 1, 2018, pp. 42-49.
S. Park and J. Jung, "Modified Yagi dipole antenna for WLAN dual band operation," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 3, 2018, pp. 533-538.

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