[논문]MZR을 이용한 2.4 GHz WiFi 대역 소형 단말기 안테나 설계

이영훈

doi:10.7471/ikeee.2019.23.1.14

MZR을 이용한 2.4 GHz WiFi 대역 소형 단말기 안테나 설계
Design of Miniaturization Terminal Antenna for 2.4 GHz WiFi Band with MZR 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.23 no.1, 2019년, pp.14 - 21

이영훈 (School of Electronics Engineering, Kumoh National Institute of Technology)

초록
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본 논문에서는 MZR을 사용하여 2.4GHz WiFi대역에서 동작하는 온 보드(on-board) 초소형 안테나를 구현하였다. 설계한 안테나는 소형 단말기 PCB의 크기가 $78{\times}38{\times}0.8mm^3$이며, 시스템의 크기는 $63{\times}38{\times}0.8mm^3$이고, 방사부의 크기는 $15{\times}38{\times}0.8mm^3$인 제한조건에서 동작하는 초소형 안테나를 구현하였다. 급전구조는 시스템 보드의 좌측 상단에 급전 점을 설정하고, 안정적인 급전을 위해 CPW구조를 사용하였고, 급전부와 안테나의 결합은 자계결합구조를 사용하였다. MZR의 공진주파수는 직렬 커패시터와 셀의 인덕턴스에 의해서 결정됨으로 셀 사이의 갭, 셀의 길이, 인터디지털(interdigital) 커패시터의 길이, 방사부와 접지면의 간격에 대하여 분석하였으며, 그 결과를 사용하여 안테나를 설계 제작하였다. 제작한 안테나는 급전구조를 포함한 안테나의 전체크기는 $20.8{\times}9.0{\times}0.8mm^3$이며, 전기적인 길이는 $0.1664{\lambda}_0{\times}0.072{\lambda}_0{\times}0.0064{\lambda}_0$이다. 측정결과 10 dB 대역폭, 이득과 방향성은 각각 440 MHz(18.3%), 0.4405 dB, 2.722 dB이다. 방사패턴은 전 방향 특성을 가지고 있음을 확인하였으며, 초소형 단말기 안테나에 적용할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we implemented an on-board miniaturization antenna operating 2.4 GHz using MZR(Mu Zero Resonator). It is must be operating under the constraint that the size of the small terminal PCB should be $78{\times}38{\times}0.8mm^3$ and the size of the system should be $63{\times}38{\times}0.8mm^3$ and the size of the radiating part should be $15{\times}38{\times}0.8mm^3$. The feeding structure uses a CPW structure for stable feeding and a feeding point at the upper left of the system board. A magnetic field coupling structure is used for coupling the feeding part and the antenna. The resonance frequency of the MZR is determined by the series inductance and capacitance of the cell, so the gap between the cells, the length of the cell, the length of the interdigital capacitor, and the spacing between the radiation part and the ground plane are analyzed. The antenna was designed and fabricated using the results. The total size of the antenna including the feed structure is $20.8{\times}9.0{\times}0.8mm^3$, and the electrical length is $0.1664{\lambda}_0{\times}0.072{\lambda}_0{\times}0.0064{\lambda}_0$. The measurement result for 10 dB bandwidth, gain and directivity are 440 MHz(18.3%), 0.4405 dB, and 2.722 dB respectively. It is confirmed that the radiation pattern has omnidirectional characteristics and it can be applied to ultra small terminal antenna.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Transmission Model of MZR Unit Cell. 그림 1. MZR 단일 셀의 전송선로 모델
그림 Fig. 2. Proposed antenna with 2 MZR cells. 그림 2. 2개의 MZR 셀을 갖는 안테나
그림 Fig. 3. Simulated return loss characteristics for MZR cell structures. 그림 3. 셀의 구조에 따른 반사손실 특성
그림 Fig. 4. Photograph of the proposed antenna. 그림 4. 제작한 안테나 사진
표 Table 1. Design parameters of the proposed antenna. 표 1. 제안한 안테나의 설계값(unit : mm)
그림 Fig. 5. Measurement values of return loss and radiation pattern of the proposed antenna. 그림 5. 제안한 안테나의 반사손실과 방사 패턴의 측정값
표 Table 2. Comparisons for theory and measurement results of the proposed antenna. 표 2. 제안한 안테나의 이론값과 실험값 특성 비교

AI 본문요약
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제안 방법

그림 2(a)에서 시스템 영역 크기는 W=38 mm, L_m은 63 mm, 방사부 크기인 L_a는 15 mm이며, PCB 기판은 상대 유전율이 4.4, 두께가 0.8 mm인 제한조건에서 2.45 GHz WiFi 대역에서 공진하는 소형 안테나를 구현하였다. 그림 2(b)에서 안테나 구조는 2개의 MZR 셀을 사용하였으며, 급전은 일반적으로 정합(matching)을 위해 급전선은 0.
(b)에서 안테나 구조는 2개의 MZR 셀을 사용하였으며, 급전은 일반적으로 정합(matching)을 위해 급전선은 0.25λg를 사용하고 있으나 본 단말기의 제한조건으로 인하여 CPW의 크기는 11 mm, FL=2.5 mm로 설정하고 분석하였다.
4 GHz WiFi 대역에서 동작하는 온 보드(On-board) 초소형 안테나를 구현하였다. 급전구조는 시스템 보드의 좌측상단에 급전점을 설정하고, 시스템에 안정적인 급전을 위해 CPW구조를 사용하였고, 급전부와 안테나의 결합은 자계 결합구조를 사용하였다. MZR 구조에서 경계면 단락은 회로의 간단한 구현을 위해 스트립선로를 사용하였다[13].
급전부의 임피던스는 50Ω으로 설정하였으며, CPW의 임피던스가 시스템의 입력임피던스와 같도록 설계하였다.
논문 구성은 본론에서 MZR 단일셀 구성과 단위 셀의 분석, 제한조건을 적용하여 소형 단말기에서 구현이 가능한 MZR 안테나 특성을 분석하여 2.45 GHz WiFi 대역에서 동작하는 초소형 온 보드(Onboard) 안테나를 설계 및 제작하고, 실험을 통하여 본 논문의 객관성을 증명할 수 있도록 구성하였고, 마지막에서는 본 논문의 결론을 제시하였다.
즉 직렬 커패시턴스는 셀의 폭과 인터 디지털의 구조에 의해서 형성되며, 인덕턴스는 선로의 폭과 길이에 의해서 결정됨으로 안테나 소형화 설계를 위해 위의 두 개의 조건에 의해 공진주파수를 결정된다. 따라서 본 논문에서는 직렬 커패시터와 직렬 인덕턴스의 변화를 가져올 수 있는 셀 사이의 갭, 셀의 길이, 인터 디지털(interdigital) 커패시터의 길이, 방사부와 접지면의 간격에 대하여 분석하였으며, 분석의 결과는 그림 3과 같다. 그림 3(a)는 C_W는 5 mm, L_G는 8 mm, C_L은 2 mm, G_L 은 2 mm일 때 셀 사이 간격의 변화에 따른 반사손실을 나타내고 있다.
즉 직렬 커패시턴스는 셀의 폭과 인터디지털의 구조에 의해서 형성되며, 인덕턴스는 선로의 폭과 길이에 의해서 결정됨으로 이 조건을 사용하여 공진주파수를 결정하는 것이 타당함을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서는 직렬 커패시터와 직렬 인덕턴스의 변화를 가져올 수 있는 셀 사이의 갭, 셀의 길이, 인터디지털(interdigital) 커패시터의 길이, 방사부와 접지면의 간격에 대하여 분석하였으며, 그 결과를 사용하여 안테나를 설계하였다.
본 논문에서는 소형 단말기 PCB의 크기는 78×38×0.8 ㎣, 시스템의 크기는 63×38×0.8 ㎣, 방사부의 크기는 15×38×0.8 ㎣, 기판은 FR4를 사용하여 크기의 제한조건을 가진 2.4 GHz WiFi 대역에서 동작하는 온 보드(On-board) 초소형 안테나를 구현하였다.
앞에서 본 논문에서 제안한 2개의 MZR 셀로 형성한 안테나 셀 구조에서 갭과 셀의 길이, 인터디 지털(interdigital) 길이, 방사부와 접지면 사이의 길이에 따른 안테나의 중요한 특성인 공진주파수, 반사손실 특성 및 정합(matching)의 개선 정도에 대하여 분석하였다.
이들에 대한 분석 자료를 활용하여 단말기의 크기는 78×38×0.8 ㎣, 시스템의 크기는 63×38×0.8 ㎣, 방사부의 크기는 15×38×0.8 ㎣, 기판은 두께가 0.8㎜인 FR4를 사용하는 조건에서 2.4GHz WiFi대역에서 동작하는 MZR을 사용하여 온 보드(On-board) 초소형 안테나를 구현하였다.
MZR 구조에서 경계면 단락은 회로를 간단한 구현을 위해 스트립선로를 사용하였다[13]. 이러한 제한조건을 고려하여 안테나를 설계하였으며, 이론의 객관성을 입증을 위해 안테나를 제작하여 실험하였다. MZR의 공진주파수는 직렬 커패시터 C₀와 셀의 인덕턴스 L_R에 의해서 결정됨을 알 수 있다.
MZR 구조에서 경계면 단락은 회로의 간단한 구현을 위해 스트립선로를 사용하였다[13]. 이러한 제한조건을 고려하여 안테나를 설계하였으며, 이론의 타당성을 증명하기 위해 안테나를 제작하고 실험하였다.
제작한 안테나 특성은 구미에 있는 구미전자정보기술원에서 측정하였으며, Rohde & Schwarz 회로망 분석기(모델명：ZVA40)와 방사패턴 측정기(모델명：OTA)를 사용하여 제작한 안테나의 반사손실과 방사특성을 각각 측정하였으며, 측정결과는 그림 5와 같으며, 표 2에서 안테나 측정항목에 대한 이론값과 실험값을 제시하였다.

대상 데이터

8 ㎣, 방사부의 크기는 15×38×0. 8㎣, 기판은 FR4를 사용하였으며, 이러한 제한조건에서 2.4GHz WiFi 대역에서 동작하는 MZR을 사용하여 온 보드(On-board) 초소형 안테나를 구현하였다. 급전구조는 시스템 보드의 좌측상단에 급전점을 설정하고, 시스템에 안정적인 급전을 위해 CPW구조를 사용하였고, 급전부와 안테나의 결합은 자계 결합구조를 사용하였다.
5 mm로 설정하고 분석하였다. MZR 셀 구현을 위한 방사부의 양면 단락은 스트립선로를 사용하였으며, 선로 폭 L_w은 0.1 mm로 설정하였다.

성능/효과

그림 3(b)는 그림 3(a)의 조건에서 G를 0.4 mm로 설정하고, 셀의 길이 C_L을 4 mm, 5 mm, 6 mm로 변화시켰을 때 각각 최대 반사손실이 발생하는 공진주파수가 2.6171 GHz, 2.6072 GHz, 1.6559 GHz로 감소하였고, 또한 반사손실과 대역폭이 변화됨을 확인할 수 있으며, 이것은 셀의 길이가 증가함으로 L_R이 증가로 인한 결과이다. 그림 3(c)는 그림 3(a)의 조건에서 G를 0.
6559 GHz로 감소하였고, 또한 반사손실과 대역폭이 변화됨을 확인할 수 있으며, 이것은 셀의 길이가 증가함으로 L_R이 증가로 인한 결과이다. 그림 3(c)는 그림 3(a)의 조건에서 G를 0.4 mm로 설정하고, 인터디지털(interdigital)의 길이 G_L을 0.2 mm, 0.6 mm, 1 mm로 변화시켰을 때 각각 최대 반사손실이 발생하는 공진주파수가 2.6072 GHz, 2.7221 GHz, 2.7162 GHz로 증가하였다. 이것은 인터디지털(interdigital)의 길이가 증가함으로써 생성되는 인덕턴스와 커패시터의 상쇄로 인하여 공진주파수의 변화가 크게 변화하지 않았다.
이것은 인터디지털(interdigital)의 길이가 증가함으로써 생성되는 인덕턴스와 커패시터의 상쇄로 인하여 공진주파수의 변화가 크게 변화하지 않았다. 그림 3(d)는 그림 3(a)의 조건에서 G를 0.4mm로 설정하고, 접지면과 방사부의 간격 길이 L_G를 6 mm, 7 mm, 8 mm로 변화시켰을 때 각각 최대 반사손실이 발생하는 공진주파수가 2.8252 GHz, 2.6865 GHz, 2.6072 GHz로 감소하였으며, 반사손실과 대역폭 변화를 가져왔다. 이것은 접지면과 방사부의 길이가 증가함으로써 급전선의 길이가 증가함으로 입력 임피던스가 변화됨으로써 공진주파수가 변화하였다.
즉 측정을 위해 동축케이블이 약 80 mm가 소요됨으로 케이블 및 실험측정에 의한 것이며, 방사패턴은 대체적으로 전방향 특성을 나타내었으며, 전방향 특성이 후방향 특성보다 약 5dB 정도 특성이 우수한 것으로 측정되었다. 따라서 본 논문에서 구현한 MZR 2개 셀을 사용한 초소형 단말기 안테나 구현이 용이함을 확인할 수 있었다.
방사패턴은 전 방향 특성을 나타내고 있으며, 전방향 특성이 후방향 특성보다 약 5dB 정도 특성이 우수한 것으로 측정되었다. 따라서 본 논문에서 제시한 MZR 2개 셀을 사용한 초소형 단말기 안테나에 적용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
방사패턴은 전 방향 특성을 나타내고 있으며, 전방향 특성이 후방향 특성보다 약 5dB 정도 특성이 우수한 것으로 측정되었다. 따라서 본 논문에서 제시한 MZR 2개 셀을 사용한 초소형 단말기 안테나에 적용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
그림 5(b)는 방위각이 0°와 90°에서 이론값과 실험값이며, 그림 5(c )는 방위각이 0°에서 120°까지 변화를 주었을 때 방사패턴이다. 분석결과 제작한 안테나의 이론값과 실험값의 오차는 2.4GHz에서 대역폭, 이득과 방향성은 30 MHz, 5.6 dB, 1.1dB로 나타났다. 특히 대역폭과 방향성은 오차가 적었지만 반면에 이득에서는 많은 오차가 발생하였다.
그림 3(a)는 C_W는 5 mm, L_G는 8 mm, C_L은 2 mm, G_L 은 2 mm일 때 셀 사이 간격의 변화에 따른 반사손실을 나타내고 있다. 셀 간격 G가 0.2 mm, 0.3 mm, 0.4 mm일 때 각각 최대 반사손실이 발생하는 공진 주파수가 2.6865 GHz, 2.7261 GHz, 2.6072 GHz로 감소하였으며, 또한 반사손실이 개선 되였으며, 이것은 커패시턴스를 형성하는 간격이 증가함으로써 C₀가 감소함을 의미한다.
그림 5(a)의 반사손실 결과로부터 공진점은 이론값과 실험값은 동일함을 확인하였다. 실험결과 10 dB 대역폭과 이득은 각각 440.05 MHz(18.3 %), 0.4405 dB이다. 그림 5(b)는 방위각이 0°와 90°에서 이론값과 실험값이며, 그림 5(c )는 방위각이 0°에서 120°까지 변화를 주었을 때 방사패턴이다.
4405 dB이다. 이론값과 실험값 사이의 오차는 2.4 GHz에서 대역폭, 이득과 방향성은 각각 30 MHz, 5.6 dB, 1.1 dB로 나타났다. 특히 대역폭과 방향성은 오차가 적었지만 반면에 이득에서는 많은 오차가 발생하였다.
제작한 안테나 실험은 반사손실과 방사패턴을 측정하였으며, 10 dB 대역폭과 이득은 각각 440.05 MHz(18.3 %), 0.4405 dB이다. 이론값과 실험값 사이의 오차는 2.
이것의 오차는 시뮬레이션과 측정과의 오차에 의한 것으로 추측된다. 즉 측정을 위해 동축케이블이 약 80 mm가 소요됨으로 케이블 및 실험측정에 의한 것이며, 방사패턴은 대체적으로 전방향 특성을 나타내었으며, 전방향 특성이 후방향 특성보다 약 5dB 정도 특성이 우수한 것으로 측정되었다. 따라서 본 논문에서 구현한 MZR 2개 셀을 사용한 초소형 단말기 안테나 구현이 용이함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	안테나 소형화에 관한 연구는 어느 분야에 중요한 연구 분야인가?	다양한 휴대용 무선기기를 사용함으로써 RF 특성의 개선을 위해 효율이 우수하면서 소형인 안테나가 필요하게 되었고, 그로 인하여 안테나 소형화 기술은 매력적이면서 현재도 꾸준한 연구가 진행되고 있다. 안테나 소형화에 관한 연구는 초고속 통신의 도입[1], 마이크로파 신호의 의료 응용[2], 원격 진료용 착용식 안테나(wearable antenna)[3], 인터넷 접속을 위한 단거리 통신[4] 등에서 중요한 연구 분야이다. 특히 시스템 설계자 측면에서 보면 소형 안테나 구조를 이용한 시스템 설계는 아주 좋은 생각이지만, 한편으로 안테나 설계자 입장에서 보면 안테나의 소형화, 넓은 동작 대역폭(BW) 및 단일 방사 특성 등을 포함한 모든 필수 기준을 충족시키는 것은 매우 어려운 상황이다.
	안테나 크기를 줄이면 어떤 특징이 생기는가?	이러한 제한요소의 원인은 주로 안테나의 품질 계수(Quality factor)에 의한 것이며, 선형 편파 안테나의 경우 대역폭은 안테나 크기에 반비례하는 특성에 의한 것이다. 따라서 안테나 크기를 줄임으로써 품질 계수가 증가하고 반면에 안테나의 대역폭이 감소하게 된다[5].
	안테나 소형화에 관해서 시스템 설계자와 안테나 설계자 각각의 입장은 어떠한가?	안테나 소형화에 관한 연구는 초고속 통신의 도입[1], 마이크로파 신호의 의료 응용[2], 원격 진료용 착용식 안테나(wearable antenna)[3], 인터넷 접속을 위한 단거리 통신[4] 등에서 중요한 연구 분야이다. 특히 시스템 설계자 측면에서 보면 소형 안테나 구조를 이용한 시스템 설계는 아주 좋은 생각이지만, 한편으로 안테나 설계자 입장에서 보면 안테나의 소형화, 넓은 동작 대역폭(BW) 및 단일 방사 특성 등을 포함한 모든 필수 기준을 충족시키는 것은 매우 어려운 상황이다. 이것은 안테나 크기와 방사 특성은 상호 보완적인 특성에 의한 이론적인 한계 때문이다.

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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