[논문]2개 분기선로와 수직 선로를 갖는 WLAN/WiMAX 시스템에 적용 가능한 삼중대역 안테나 설계 및 제작

최태일; 윤중한

doi:10.6109/jkiice.2019.23.6.740

2개 분기선로와 수직 선로를 갖는 WLAN/WiMAX 시스템에 적용 가능한 삼중대역 안테나 설계 및 제작
Design and Manufacture of Triple-Band Antennas with Two Branch Line and a Vertical Line for WLAN/WiMAX system applications 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.23 no.6, 2019년, pp.740 - 747

최태일 (Dept. of Welfare Administration, Kwangju Women's University) , 윤중한 (Division of Smart Electrical and Electronic Engineering, Silla University)

초록
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본 논문에서는 WLAN과 WiMAX 대역에서 동작 가능하도록 삼중대역 안테나를 설계 제작 및 측정하였다. 마이크로스트립 선로를 사용하여 급전하였으며 패치면에 두 개의 분기된 선로를, 그리고 접지면에 사각슬릿을 삽입하여 삼중대역 특성을 갖도록 설계하였다. 그리고 임피던스 대역폭의 특성을 개선하기 위해 접지면에 수직 스트립 선로를 추가하였다. 제안된 안테나는 유전율 4.4 그리고 두께 1.0mm인 유전체 기판 위에 $18.0mm(W1){\times}37.3mm$ (L4+L5+L7) 의 크기로 설계되었다. 제작 및 측정 결과로부터 2.4/2.5 GHz에서는 480 MHz (2.32~2.80 GHz), 3.5 GHz 대역에서는 810 MHz (3.22 ~ 4.03 GHz), 그리고 5.0 GHz 대역에서는 1,820 MHz (5.05 ~ 6.87 GHz)의 대역폭을 얻었다. 또한 측정된 3D 방사패턴을 제시하였으며 요구되는 주파수 대역에서 측정된 이득값을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an antenna applicable to WLAN and WiMAX frequency bands is designed, fabricated, and measured. The proposed antenna is designed to have two branch strip line in the patch plane and a rectangular slit in the ground plane based on microstrip feeding for triple band characteristics and added a vertical strip in the ground plane to enhance impedance bandwidth characteristics. The proposed antenna is designed on a substrate with a relative permittivity of 4.4, a thickness of 1.0 mm, and has a size of $18.0mm(W1){\times}37.3mm$ (L4+L5+L7). From the fabricated and measured results, impedance bandwidths of 480 MHz (2.32 to 2.80 GHz) for 2.4/2.5 GHz band, 810 MHz (3.22 to 4.03 GHz) for 3.5 GHz band, and 1,820 MHz (5.05 to 6.87 GHz) for 5.0 GHz band were obtained based on the impedance bandwidth. Measured 3D pattern and gains are displayed.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1 The geometry of the proposed WLAN/WiMAX antenna
그림 Fig. 2 Return loss characteristic of the effect of the W₄.
그림 Fig. 3 Return loss characteristic of the effect of the L₃.
그림 Fig. 4 Return loss characteristic of the effect of the L₅.
표 Table. 1 Results of simulation : W4
표 Table. 2 Results of simulation : L3
그림 Fig. 5 Return loss characteristic according to the withand with out slit in the ground.
표 Table. 3 Results of simulation : L5
표 Table. 4 Results of simulation with/without slit
그림 Fig. 6 The surface current density of proposed antenna (a) 2.59 GHz, (b) 3.33 GHz, and (c) 5.51 GHz.
그림 Fig. 7 Fabricated of propose antenna (a) Front view, (b) Back view.
표 Table. 5 Parameters of designed antenna
표 Table. 6 Results of measured return loss
그림 Fig. 8 The simulated and measured return loss results
그림 Fig. 9 3D radiation pattern of 2.4 GHz
그림 Fig. 10 3D radiation pattern of 3.6 GHz
그림 Fig. 11 3D radiation pattern of 5.20 GHz
그림 Fig. 12 3D radiation pattern of 5.80 GHz
표 Table. 7 Results of measured gain
그림 Fig. 13 Measured peak and average gains of the designed antenna

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 WLAN 및 WiMAX 시스템에 적용 가능한 삼중대역 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 HFSS(High Frequency Structure Simulator)[17]을 사용하여 삼중대역 특성을 갖도록 제안된 모델에 대해 시뮬레이션을 진행하였다.
본 논문에서는 두 개의 분기선로와 접지면의 수직선로로 적용하여 삼중대역 특성을 갖는 안테나를 제안하였다. 두 개의 분기회로를 사용하여 각각 2.

제안 방법

그리고 설계에서 요구하는 주파수 대역의 임피던스 매칭을 위해 접지면에 수직선로(W7×L3, 1.0 mm×8.3 mm)를 삽입하여 원하는 대역에서 향상된 임피던스 대역폭을 얻었다.
0 mm로 설정하였다. 그림에서 보는바와 같이 제안된 구조는 마이크로스트립 급전 구조를 갖고 급전구조를 갖는 면에 두 개의 분기 회로를 2.4GHz 대역과 3.5GHz 대역에서 각각 공진하도록 설계하였다. 또한 접지면에 직사각형의 슬릿을 삽입하여 5 GHz 대역에서 공진하도록 설계하였다.
본 논문에서는 두 개의 분기선로와 접지면의 수직선로로 적용하여 삼중대역 특성을 갖는 안테나를 제안하였다. 두 개의 분기회로를 사용하여 각각 2.4/2.5 GHz 대역에서 공진하도록 설계하였으며 접지면의 수직선로는 3.5 GHz 대역에 공진에 그리고 접지면의 슬롯은 5.0 GHz 대역에서 공진 하도록 설계하였다. 설계된 안테나의 표면 전류 분포를 확인하고 제안된 안테나 모델에 대한 삼중대역의 동작을 확인하였다.
5GHz 대역에서 각각 공진하도록 설계하였다. 또한 접지면에 직사각형의 슬릿을 삽입하여 5 GHz 대역에서 공진하도록 설계하였다. 그리고 설계에서 요구하는 주파수 대역의 임피던스 매칭을 위해 접지면에 수직선로(W₇×L₃, 1.
0 GHz 대역에서 공진 하도록 설계하였다. 설계된 안테나의 표면 전류 분포를 확인하고 제안된 안테나 모델에 대한 삼중대역의 동작을 확인하였다. 시뮬레이션 반사손실 결과로부터 얻어진 각 파라테마 값으로 제안된 안테나를 제작하고 반사손실 특성을 측정하였다.
설계된 안테나의 표면 전류 분포를 확인하고 제안된 안테나 모델에 대한 삼중대역의 동작을 확인하였다. 시뮬레이션 반사손실 결과로부터 얻어진 각 파라테마 값으로 제안된 안테나를 제작하고 반사손실 특성을 측정하였다. 반사손실 측정결과, 2.
제안된 안테나는 HFSS(High Frequency Structure Simulator)[17]을 사용하여 삼중대역 특성을 갖도록 제안된 모델에 대해 시뮬레이션을 진행하였다. 원하는 주파수 대역에서 우수한 반사손실 특성과, 이득 및 방사패턴을 갖도록 제안된 모델의 파라메타 분석을 진행하고 최종적인 안테나 모델을 얻었다. 시뮬레이션 결과로부터 얻어 안테나 모델을 가공기를 사용하여 제작하였으며 네트워크 분석기를 사용하여 반사손실 측정결과를, 전자파 무반사실에서의 측정결과로부터 방사패턴, 이득에 대한 측정 결과를 얻었다.
일반적으로 대역폭을 정의하는 기준인 –10dB 반사손실 특성을 기준으로 WLAN 대역 (2.4∼2.484, 5.15∼5.35 그리고 5.75∼5.85 GHz)과 WiMAX 대역 (2.5∼2.69, 3.4∼3.69 그리고 5.15∼5.825 GHz)을 만족해야 하면 무반사실에서 얻어진 측정값으로부터 최대 이득은 0 dBi 이상, 최대한 전방향성을 갖는 방사패턴을 얻도록 설계하고자 한다.
본 논문에서는 WLAN 및 WiMAX 시스템에 적용 가능한 삼중대역 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 HFSS(High Frequency Structure Simulator)[17]을 사용하여 삼중대역 특성을 갖도록 제안된 모델에 대해 시뮬레이션을 진행하였다. 원하는 주파수 대역에서 우수한 반사손실 특성과, 이득 및 방사패턴을 갖도록 제안된 모델의 파라메타 분석을 진행하고 최종적인 안테나 모델을 얻었다.
그림 7은 제안된 각 파라메타 값으로 제작된 안테나를 나타내었다. 제작된 안테나는 네트워크 분석기를 사용하여 반사손실을 측정하였으며 방사패턴은 에이스테크놀리지 무반사실에서 측정하였다. 그림 8은 반사소실에 대한 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교하여 나타낸 그림이며 두 결과로부터 오차가 발생한 것으로 판단된다.

대상 데이터

전체 기판의 크기는 W×L (20.0 mm × 42.0 mm)이며, 안테나 크기는 W1×(L4+L5+L6)(18.0 mm × 37.5 mm) 이며 유전율 4.4, 두께 1.0 mm을 갖는 FR-4 기판 위에 설계되었다.
이러한 두 결과의 차이는 기판의 유전율 오차, PCB 가공기를 사용한 안테나 제작 과정에서 발생하는 오차, 커넥터의 존재유무 등으로 인한 결과로 판단된다. 제작 시 사용한 PCB 가공 SME코리아의 Eleven Lab이며 제공 공차는 0.3mm이다. SMA 커넥터는 6 GHz까지 신뢰성을 확보한 부품이며 반사손실 측정 결과, 2.

데이터처리

설계된 안테나의 동작 원리를 확인하기 위해 상용 툴(HFSS)을 사용하여 선로 1, 선로 2, 그리고 수직 선로에 대한 전류밀도 분포를 그림 6에서 나타내었다. 그림 6(a)는 2.
원하는 주파수 대역에서 우수한 반사손실 특성과, 이득 및 방사패턴을 갖도록 제안된 모델의 파라메타 분석을 진행하고 최종적인 안테나 모델을 얻었다. 시뮬레이션 결과로부터 얻어 안테나 모델을 가공기를 사용하여 제작하였으며 네트워크 분석기를 사용하여 반사손실 측정결과를, 전자파 무반사실에서의 측정결과로부터 방사패턴, 이득에 대한 측정 결과를 얻었다.

성능/효과

5 GHz 대역에도 영향을 끼치는 것으로 확인되었다. L₅의 길이 변화에 따른 대역폭은 3.5 GHz 대역과 5GHz 대역에서 모두 만족하는 결과를 얻었지만 L₅의 길이를 1.5 mm일 때만 2.4/2.5 GHz 대역에서 요구되는 대역폭을 만족하는 것을 확인하였다. 따라서 L₅의 길이를 1.
3 mm로 설정할 경우, 시뮬레이션 반사손실 특성은 삼중 대역 특성이 사라지며 광대역 특성을 얻을 수 있었다. 결과적으로 L₃의길이를 8.3 mm로 설정했을 경우, 요구되는 삼중대역 특성과 대역폭을 확보할 수 있었다. 얻어진 시뮬레이션 반사손실 결과를 표 2에 정리하여 나타내었다.
58 GHz). 결과적으로 W4의 길이를 6.0 mm로 설정했을 경우, 요구되는 대역폭을 확보할 수 있었다. 이러한 결과로부터 W4의 길이변화가 2.
0 GHz 대역에서 요구되는 대역폭을 만족시키지 못하였다. 그러나 슬릿이 존재하는 경우, 시뮬레이션 반사손실 특성은 제안된 안테나 설계에서 필요로 하는 주파수 대역 및 대역폭을 만족하고 있음을 확인하였다. 얻어진 시뮬레이션 결과를 표 4에 정리하여 나타내었다.
0 GHz 대역의 반사손실 특성에 커다란 영향이 있음을 확인하였다. 또한 2.4/2.5 GHz 대역과 3.5 GHz 대역에도 영향을 끼치는 것으로 확인되었다. L₅의 길이 변화에 따른 대역폭은 3.
방사패턴은 3D 방사패턴을 제시하였으며 전체적으로 전방향성 특성을 나타내고 있다. 또한 2.4/2.5 GHz 대역에서 최대 4.21 dBi, 3.5 GHz 대역에서 최대 6.51 dBi, 5.0 GHz에서 최대 1.72 dBi를 얻었다.
5 GHz 대역에서는 가장 긴 선로 1과 접지면의 수직 선로에서 강한 전류 분포가 존재하는 것으로 확인하였다. 또한 3.46 GHz 주파수에서는 선로 2와 접지면의 수직 선로에서 강한 전류밀도가 분포하고 있으며 5.51 GHz에서는 다른 주파수 대역과 달리 접지면이 슬롯과 수직 선로에서 강한 전류밀도가 발생하고 있음을 확인하였다. 이러한 결과로부터 접지면의 수직 선로는 제안된 안테나의 시뮬레이션 반사손실 특성에 커다란 영향을 미치고 있으며 임피던스 매칭의 역할을 하는 것으로 확인할 수 있다.
5 mm 간격으로 변화시키면서 시뮬레이션 반사손실 결과를 비교하여 나타내었다. 시뮬레이션 결과, 2.4/2.5 GHz 대역의 반사손실특성과 대역폭에 많은 변화가 있음을 확인하였다. W4의 길이를 5.
0 mm 간격으로 변화시키면서 시뮬레이션 반사손실 결과를 비교하여 나타내었다. 시뮬레이션 결과로부터, L₃의 길이 변화에 따라 2.4/2.5 GHz 대역과 5.0 GHz 대역의 시뮬레이션 반사손실의 특성은 거의 변화가 없었으며 3.5 GHz 대역에서의 반사손실 특성과 대역폭에 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. L₃가 존재하지 않는 경우와 L₃의 길이를 7.
5 mm 간격으로 변화시키면서 시뮬레이션 반사손실 결과를 비교하여 나타내었다. 시뮬레이션 결과로부터, L₅의 길이 변화에 따라 5.0 GHz 대역의 반사손실 특성에 커다란 영향이 있음을 확인하였다. 또한 2.
0 mm로 설정했을 경우, 요구되는 대역폭을 확보할 수 있었다. 이러한 결과로부터 W4의 길이변화가 2.4/2.5 GHz 대역에 민감하게 영향을 미치고 있음을 확인하였다. 얻어진 시뮬레이션 반사손실 결과를 표 1에 정리하여 나타내었다.
51 GHz에서는 다른 주파수 대역과 달리 접지면이 슬롯과 수직 선로에서 강한 전류밀도가 발생하고 있음을 확인하였다. 이러한 결과로부터 접지면의 수직 선로는 제안된 안테나의 시뮬레이션 반사손실 특성에 커다란 영향을 미치고 있으며 임피던스 매칭의 역할을 하는 것으로 확인할 수 있다.
제안된 안테나 모델에 대한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 2.4/2.5 GHz 대역에서는 340 MHz (2.38∼2.72 GHz), 3.5 GHz 대역에서는 580 MHz (3.12∼3.70 GHz), 그리고 5 GHz 대역에서는 1,920 MHz (4.61∼6.53GHz)의 대역폭을 얻었으며 요구되는 삼중대역 반사손실 특성을 만족하고 있음을 확인하였다.
80 GHz 주파수에서 3D 방사패턴을 표시하였다. 제안된 안테나의 방사패턴은 요구되는 대역에서 전반적으로 전방향성 특성을 나타내고 있음을 확인하였다. 그림 13는 제안된 안테나의 측정된 평균 이득과 최대이득 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WiMAX이란?	한편 WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)는 고정형 시스템으로서 WiFi 보다 넓은 범위의 공간에 대한 데이터 서비스를 위해 정의되었으며 휴대 인터넷의 기술 표준을 목표로 개발된 무선 통신 기술이다. WiMAX는 도심부나 교외 등 보다 넓은 범위를 커버 하며 일반 가정과 사무실에 인터넷 연결을 제공하고 있다[3].
	WiMAX어떤 범위에 주로 사용되며 어떤 역할을 하는가?	한편 WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)는 고정형 시스템으로서 WiFi 보다 넓은 범위의 공간에 대한 데이터 서비스를 위해 정의되었으며 휴대 인터넷의 기술 표준을 목표로 개발된 무선 통신 기술이다. WiMAX는 도심부나 교외 등 보다 넓은 범위를 커버 하며 일반 가정과 사무실에 인터넷 연결을 제공하고 있다[3].
	W4의 길이변화가 2.4/2.5 GHz 대역에 민감 하게 영향을 미치고 있음을 알 수 있는 내용은?	5 mm 그리고 6.5 mm로 설정했을 경우, 2.4/2.5 GHz 대역에서 요구되는 대역폭을 만족시 키지 못한 결과를 각각 얻었다(2.41∼2.76 GHz, 2.32∼ 2.58 GHz). 결과적으로 W4의 길이를 6.

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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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