[논문]변형된 사각 링과 사각 패치를 갖는 WLAN/WiMAX 시스템에 적용 가능한 삼중대역 안테나 설계 및 제작

김우수; 윤중한

doi:10.6109/jkiice.2019.23.3.341

변형된 사각 링과 사각 패치를 갖는 WLAN/WiMAX 시스템에 적용 가능한 삼중대역 안테나 설계 및 제작
Design and Manufacture of Triple-Band Antennas with Modified Rectangular Ring and Rectangular Patch for WLAN/WiMAX system applications 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.23 no.3, 2019년, pp.341 - 348

김우수 (Korea Evaluation Institute of Industrial Technology) , 윤중한 (Division of Smart Electrical and Electronic Engineering, Silla University)

초록
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본 논문에서는 WLAN(Wireeless Local Area Network)과 WiMAX(World Interoperability for Microwave Access) 표준화 주파수 대역에 적합하도록 모노폴 형태의 삼중대역 안테나를 설계 제작하였다. 마이크로스트립 급전방법을 채택하고 사각 링과 사각 패치의 결합 구조로 설계하였으며 임피던스 특성을 향상시키기 위해 사각 링 패치 상단에 두 개의 스터브 추가하여 향상된 삼중대역 특성을 얻었다. 제안된 안테나는 $29.0mm(W){\times}44.0mm(L){\times}1.0mm(t)$의 유전체 기판 위에 $18.0mm(2W_1+W_2){\times}33.0mm(L_7+L_8+L_9)$의 크기로 설계되었다. 제작 및 측정 결과로부터 2.4/2.5 GHz에서는 660MHz (2.08~2.74GHz), 3.5GHz 대역에서는 488.0MHz (3.40 ~ 3.88GHz), 그리고 5.0GHz 대역에서는 2,180MHz (4.61 ~ 6.79GHz)의 대역폭을 얻었다. 또한 무반사실의 측정결과로부터 제작된 안테나의 이득과 방사패턴 특성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a monopole type antenna applicable to WLAN and WiMAX standard frequency bands is designed and fabricated. The proposed antenna is designed to have rectangular ring and rectangular patch based on microstrip feeding for triple band characteristics and inserted two stub in the top of the rectangular ring patch to enhance impedance bandwidth characteristics. The proposed antenna has $18.0mm(2W_1+W_2){\times}33.0mm(L_7+L_8+L_9)$ on a dielectric substrate of $27.0mm(W_1){\times}44mm(L_1){\times}1.0mm$ size. From the fabrication and measurement results, impedance bandwidths of 660MHz (2,08 to 2.74GHz) for 2.4/2.5MHz band, 488MHz (3.40 to 3.88GHz) for 3.5MHz band, and 2,180MHz (4.61 to 6.79GHz) for 5,000MHz band were obtained based on the impedance bandwidth. The proposed antenna also obtained the measured gain and radiation pattern in the anechoic chamber.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1 The structure of the proposed WLAN/WiMAX antenna
그림 Fig. 2 Return loss characteristic of the effect of the L8.
그림 Fig. 3 Return loss characteristic according to the with and without stub of the rectangular ring structure
표 Table. 1 Results of simulation : L8
표 Table. 2 Results of simulation with/without stub
그림 Fig. 4 Return loss characteristic according to the with and without slit in the ground.
그림 Fig. 5 Return loss characteristic according to the with and without rectangular patch
표 Table. 3 Results of simulation with/without slit
표 Table. 4 Results of simulation with/without rectangular patch
표 Table. 5 Parameters of proposed antenna
그림 Fig. 6 The surface current density of proposed antenna (a) 2.515 GHz, (b) 3.46 GHz, and (c) 5.155 GHz.
그림 Fig. 8 The simulated and measured return loss results
표 Fig. 7 Fabricated of propose antenna (a) Front view, (b) Back view.
그림 Fig. 9 3D radiation pattern of 2.4 GHz
그림 Fig. 11 3D radiation pattern of 5.35 GHz
그림 Fig. 12 3D radiation pattern of 5.75 GHz
그림 Fig. 13 Measured peak gains of the designed antenna
그림 Fig. 10 3D radiation pattern of 3.6 GHz
표 Table. 7 Results of measured gain

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 WLAN 및 WiMAX 시스템에 적용 가능하도록 새로운 구조의 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 상용 툴을 사용하여 요구되는 안테나 특성(반사손실, 방사패턴, 이득)을 얻기 위해 시뮬레이션을 진행하였다.
본 논문에서는 사각 링과 사각 패치의 결합 구조로 설계하고 향상된 삼중대역 특성을 얻기 위해 사각 링 패치 상단에 두 개의 스터브 추가한 형태의 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나의 특성에 절대적인 영향을 끼치는 요인들을 확인하고 이에 대한 시뮬레이션 반사손실 결과를 바탕으로 최적화된 수치를 얻었다.

제안 방법

Ansoft 사의 HFSS [20]를 이용하여 제안된 안테나의 임피던스와 방사 패턴 특성 변화를 확인하였으며 최적화 설계를 진행하였다.
또한 5GHz 대역에서 공진하도록 접지면 슬릿 (W8(4.0mm)×L6(2.0mm)을 삽입하여 설계하였다.
제안된 안테나의 특성에 절대적인 영향을 끼치는 요인들을 확인하고 이에 대한 시뮬레이션 반사손실 결과를 바탕으로 최적화된 수치를 얻었다. 또한 설계된 안테나의 표면 전류 밀도를 확인하고 삼중대역의 동작을 확인하였다. 시뮬레이션 반사손실 결과로부터 얻어진 최적화된 값으로 설계된 안테나를 제작하고 네트워크 분석기를 활용하여 반사손실 특성을 측정하였다.
설계된 안테나는 그림에서 보는바와 같이 마이크로스트립 급전 구조와 사각 링, 그리고 사각 패치를 갖는 구조로 설계하였다. 또한 임피던스 매칭을 위해서 사각 링 상단에 두 개의 스터브를 삽입하여 원하는 대역에서의 대역폭을 얻었다. 전체적인 면적이 가장 큰 사각 링(W₂ (14.
설계된 최적화 값을 사용하여 안테나를 제작 및 측정하였다. 그림 7은 실제 제작된 안테나의 실물사진이다.
설계사양은 요구되는 삼중 대역 안테나로 동작하기 위해 WLAN 대역 (2.4∼2.484, 5.15∼5.35 그리고 5.75∼5.85GHz) 그리고 WiMAX 대역(2.5∼2.69, 3.4∼3.69 그리고 5.15∼5.825 GHz)에서 반사손실이 –10dB 이하의 특성을 얻어야 하며 최대 이득은 0dBi 이상, 방사패턴은 전방향성을 얻도록 설계하고자 한다.
또한 설계된 안테나의 표면 전류 밀도를 확인하고 삼중대역의 동작을 확인하였다. 시뮬레이션 반사손실 결과로부터 얻어진 최적화된 값으로 설계된 안테나를 제작하고 네트워크 분석기를 활용하여 반사손실 특성을 측정하였다. 반사 손실 측정결과, 2.
전체적인 면적이 가장 큰 사각 링(W2 (14.0mm)×L7(15.0mm))을 설계하고 스터브 (W1(2.0mm)×L4(2.0mm))를 삽입하여 2.4GHz에서 공진하도록 크기를 조정하였으며 사각 패치 (W3(5.0mm)×L5(5.1mm) 를 사각 링 안에 배치하였으며 3.5GHz에서 공진할 수있도록 넓이와 두께를 조정하였다.
본 논문에서는 WLAN 및 WiMAX 시스템에 적용 가능하도록 새로운 구조의 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 상용 툴을 사용하여 요구되는 안테나 특성(반사손실, 방사패턴, 이득)을 얻기 위해 시뮬레이션을 진행하였다. 최적화된 모델로부터 관련된 수치를 얻었으며 중요한 파라메타에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내었다.
본 논문에서는 사각 링과 사각 패치의 결합 구조로 설계하고 향상된 삼중대역 특성을 얻기 위해 사각 링 패치 상단에 두 개의 스터브 추가한 형태의 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나의 특성에 절대적인 영향을 끼치는 요인들을 확인하고 이에 대한 시뮬레이션 반사손실 결과를 바탕으로 최적화된 수치를 얻었다. 또한 설계된 안테나의 표면 전류 밀도를 확인하고 삼중대역의 동작을 확인하였다.
그림 7은 실제 제작된 안테나의 실물사진이다. 제작된 안테나는 회로망 분석기를 이용하여 반사손실을 측정하였으며 방사패턴은 에이스테크놀리지 무반사실에서 측정하였다. 그림 8은 시뮬레이션 결과와 측정된 결과를 비교하여 나타낸 반사손실 특성 결과이다.

대상 데이터

설계된 안테나 기판의 크기는 27.0mm(W)×44.0mm(L)이고 유전율(εr) = 4.4, 두께 1.0mm인 FR-4 기판 위에 설계되었으며, 안테나의 크기는 18.0mm(2W1+W2) × 33.0mm (L7+L8+L9) 전체 스트립라인의 두께는 동일하게 2mm로 설정하였다.

데이터처리

제안된 안테나의 동작 원리를 확인하기 위해 상용 툴(HFSS)을 사용하여 사각 링, 사각 링의 스터브, 사각 링 안에 사각 패치 그리고 슬릿에 대한 전류밀도 분포를 그림 6에서 나타내었다. 그림 6(a)는 2.

성능/효과

얻어진 시뮬레이션 결과를 표 1에 정리하여 나타내었다. 결과적으로 L₈의 길이를 2.0mm로 설정했을 경우, 삼중대역 특성 및 요구되는 대역폭을 확보할 수 있었다. 이러한 결과는 제안된 안테나의 L₈ 간격 변화에 따라 접지면과의 근접 여부가 판정되므로 제안된 안테나의 반사손실 특성에 큰 영향을 끼칠 것으로 판단된다.
얻어진 시뮬레이션 결과를 표 2에 정리하여 나타내었다. 결과적으로 사각 링 패치 구조 상단에 사각 모양의 스터브를 삽입함으로서 요구되는 주파수 대역에 만족하는 결과를 얻었다.
그러나 슬릿이 존재할 경우의 시뮬레이션 반사손실 특성은 –10dB를 기준으로 요구되는 주파수 대역 및 대역폭을 만족하고 있음을 확인하였다.
그림에서 보는 바와 같이 점선의 경우는 급전선로부터 사각 패치로 연결되는 스트립 선로를 포함한 사각 패치가 존재하지 않을 경우의 시뮬레이션 반사손실이며 사각 패치가 존재할 경우의 시뮬레이션 반사손실 특성은 –10 dB를 기준으로 요구되는 주파수 대역 및 대역폭을 만족하고 있음을 확인하였다.
그림에서 볼 수 있듯이 접지면에 슬릿이 존재하지 않을 경우, 시뮬레이션 반사손실 특성은 –10dB를 기준으로 2.4/2.5GHz 대역에서 250MHz (2.46∼2.71GHz)대역폭을 얻었으며 3.5GHz 대역에서도 1,870MHz (3.45∼5.32GHz) 대역폭을 얻었지만 요구되는 2.4/2.5GHz, 3.5 그리고 5.0GHz 대역의 주파수 대역을 만족시키지 못하고 있는 것을 확인하였다.
이들 주파수는 시뮬레이션 반사손실 특성으로부터 각 대역에서 가장 반사손실이 좋은 주파수를 선정하여 전류분포를 얻었다. 그림에서도 확인할 있듯이 2.4/2.5GHz 대역에서는 전제 사각 링 패치와 스터브에 강한 전류밀도가 분포하고 있음을 확인하였다. 이 결과는 시뮬레이션 결과로부터도 확인할 수 있다.
이 결과는 시뮬레이션 결과로부터도 확인할 수 있다. 또한 3.46GHz 주파수에서는 내부 사각 패치에 강한 전류밀도가 존재하고 있으며 5.44GHz에서는 접지면의 슬릿에 강한 전류밀도가 발생하고 있음을 확인하였다.
79 GHz)의 대역폭을 얻었다. 방사패턴은 3D 방사패턴을 제시하였으며 전체적으로 전방향성 특성을 나타내고 있고 2.4/2.5 GHz 대역에서 최대 2.54 dBi, 3.5 GHz 대역에서 최대 2.52 dBi, 5.0 GHz에서 최대 6.91 dBi를 얻었다.
0mm 씩 변화시키면서 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타내었다. 시뮬레이션 결과, 요구되는 전 대역에 걸쳐 반사손실 특성의 변화가 발생되었다. L₈의 길이를 1.
최적화된 모델로부터 관련된 수치를 얻었으며 중요한 파라메타에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 시뮬레이션 결과로부터 제작 후 제안된 안테나의 네트워크 분석기를 통한 반사손실, 전자파 무반사실에 서의 방사패턴, 이득에 대한 측정 결과를 얻었다.
그림에서 보는 바와 같이 점선의 경우는 급전선로부터 사각 패치로 연결되는 스트립 선로를 포함한 사각 패치가 존재하지 않을 경우의 시뮬레이션 반사손실이며 사각 패치가 존재할 경우의 시뮬레이션 반사손실 특성은 –10 dB를 기준으로 요구되는 주파수 대역 및 대역폭을 만족하고 있음을 확인하였다. 이러한 결과로부터 사각 링 구조 안의 사각 패치가 3.5 GHz 대역의 공진에 절대적인 영향을 미치고 있다는 것으로 확인하였다. 얻어진 시뮬레이션 결과를 표 4에 정리하여 나타내었다.
이러한 결과로부터 제안된 안테나의 최적화된 시뮬레이션 반사손실 특성을 얻었으며 2.4/2.5 GHz 대역에서는 270 MHz (2.39∼2.66 GHz), 3.5 GHz 대역에서는 320 MHz (3.38∼3.70 GHz), 그리고 5 GHz 대역에서는 1,960 MHz (4.36∼6.32 GHz)의 대역폭을 얻었으며 요구되는 삼중대역 특성을 만족하고 있음을 확인하였다.
55GHz 주파수 방사패턴을 표시하였다. 제안된 안테나의 방사패턴은 3D 형태로 나타내었으며 요구되는 대역에서 전반적으로 전방향성 특성을 나타내고 있다. 그림 13는 측정한 안테나의 이득을 나타내었다.

후속연구

이러한 여러 부품들 중 안테나에 대한 많은 연구개발이 진행되어 왔으며 특히 WLAN 및 WiMAX 시스템에 적용할 수 있는 안테나의 개발이 지속적으로 이루어져왔다[4-19]. 또한 향후 무선 랜의 주파수 확장에 맞춰 WiMAX 주파수 대역을 포함한 다중 대역 안테나의 개발이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WiFi 기술의 기술발전은 현재 어떠한가?	WiFi 기술은 초기 802.11의 2 Mbps 전송율로부터 진화를 거듭하여 현재는 최대 7 Mbps에 이르는 데이터 전송율을 지원하고 있다. 또한 IoT(Internet of Thing) 및멀티 데이터 서비스지원을 위해 기존 2.
	WLAN 및 WiMAX 시스템에 적용 가능하도록 새로운 구조의 안테나를 제안하는 이유는?	이러한 표준화 동향에 따라 관련 시스템에 대한 연구 개발이 진행되어 왔으며 더불어 관련 모듈 및 부품들도 개발되고 있다. 이러한 여러 부품들 중 안테나에 대한 많은 연구개발이 진행되어 왔으며 특히 WLAN 및 WiMAX 시스템에 적용할 수 있는 안테나의 개발이 지속적으로 이루어져왔다[4-19]. 또한 향후 무선 랜의 주파수 확장에 맞춰 WiMAX 주파수 대역을 포함한 다중 대역 안테나의 개발이 필요할 것으로 판단된다.
	무선 랜이라 불리는 WiFi 기술은 현재 어떻게 발전되어 가는가?	무선 랜 (Wireless LAN)으로도 불리는 WiFi 기술은 1997년 IEEE 802.11 전송규격이 출간된 이후 지속적인 개정 작업을 통해 전송 규격이 진화되어 가고 있으며 현재 Smart-Phone, Tablet, Note-PC 등 개인 휴대용 단말 기를 위한 데이터 네트워크의 필수적인 구성요소가 되었다.

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상세보기
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Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS) Version 10.0, Ansoft Corporation, 2005.

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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