[논문]근접 스터브와 뒤집힌 기생 패치를 이용한 2.5GHz용 광대역 마이크로스트립 안테나의 설계

조기량; 김대익; 김건균

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.3.467

근접 스터브와 뒤집힌 기생 패치를 이용한 2.5GHz용 광대역 마이크로스트립 안테나의 설계
Design of Broadband Microstrip Antenna for 2.5GHz with Inverted Parasite Patch and the Proximity Stub 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.3, 2019년, pp.467 - 474

조기량 (전남대학교 전기전자통신공학) , 김대익 (전남대학교 전기전자통신공학) , 김건균 (전남대학교 전자통신공학)

초록
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본 논문에서는 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 넓히기 위해 많이 사용되는 적층형 구조를 연구하였다. 두 패치간 거리에 따른 특성을 분석하고 주 패치 급전 선로에 병렬 개방 스터브를 연결하여 임피던스 정합을 최적화하였다. 병렬 스터브는 기생 패치와 접지면 사이로 이루어지는 영역 내부에 삽입되므로 정합회로를 위한 별도의 공간이 필요하지 않아서 소형화에 유리한 구조이다. 여러 가지 파라미터들이 안테나 특성에 미치는 영향을 분석하고, 제안된 구조의 안테나를 2.3~2.7GHz 대역에 적합하도록 최적화하였다. 실험 결과, 제안한 안테나의 주파수대역은 2.27~2.75GHz로써 대역폭은 약 480MHz이며, 스터브가 없는 스택 구조 안테나에 비해 약 160MHz의 광대역 특성을 얻었다. 안테나 이득은 대역폭 내에서 2.3GHz에서 최소 5.8dBi, 최대 2.6GHz에서 7.8dBi를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we studied a method for a broadband stacked patch antenna structure which is widely used for bandwidth improvement. The characteristics according to the distance between the two patches were analyzed and the impedance matching was optimized by connecting parallel open stubs to the main patch feed line. The shunt matching stub is inserted underneath the parasitic patch and so it does not require additional space, which enables the proposed antenna structure to be advantageous in miniaturizing antenna. The effects of the various parameters on the antenna performance are examined, and we introduced the design procedure for the proposed antenna to operate in the frequency range of 2.3~2.7GHz. Experimental results show that the bandwidth of the proposed antenna is about 480MHz with 2.27~2.75GHz bandwidth. And the antenna gain was 5.8dBi at 2.3GHz and 7.8dBi at 2.6GHz within the bandwidth.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. 제안된 안테나 구조도 Fig. 1 Structure of the proposed antenna
그림 그림 2. 스터브와 주 패치 사이 간격 변화에 따른 반사손실 Fig. 2 Return loss according to space variations between stub and main patch
그림 그림 3. 스터브 길이 변화에 따른 반사손실 Fig. 3 Return loss according to stub length variations
그림 그림 4. 주파수별 최대 이득 Fig. 4 Max gain according to frequency variations
그림 그림 5. 제안된 안테나 도면 Fig. 5 Drawing of proposed antenna
그림 그림 6. 반사손실 결과(시뮬레이션 & 측정 데이터) Fig. 6 Return loss result(Simulation & Measured Data)
표 표 1. 안테나의 최적화 설계 치수 Table 1. Optimized parameter values of the designed antenna
그림 그림 7. 제작된 안테나 사진 Fig. 7 Photos of fabricated antenna
그림 그림 8. 제안된 안테나의 방사패턴 결과 Fig. 8 Radiation results of proposed antenna
그림 그림 9. 안테나의 이득 측정을 위한 셋업 Fig. 9 Test setup for antenna gain measurement
표 표 2. 측정된 이득 Table 2. Measured gain
그림 그림 10. 두 안테나의 주파수별 최대 이득 비교 Fig. 10 Comparison of measured max gains of two antennas according to frequency

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제안된 안테나의 특성을 연구하기 위해서 주요 파라미터인 스터브의 길이 및 위치 변화에 대한 반사손실을 측정하였다. 그림 2는 기존 제안된 안테나의 구조에서 주 패치에서 스터브까지 위치를 4mm에서 16mm까지 변화시켜 반사손실을 구한 것이다.
본 논문은 뒤집혀진 기생 패치(inverted parasite patch)를 적층하여 배치하는 구조를 사용하여 마이크로스트립 안테나의 소형화 및 광대역화하는 방법에 관한 것이다. 제안한 안테나는 일반 스택 구조의 안테나와 다르게 안테나 정합을 위한 스터브 회로가 주패치에 아주 근접하게 놓여 있어 기생 패치 가장자리 안쪽에 위치하게 한 구조이다.

제안 방법

제안된 안테나는 일반적인 마이크로스트립 안테나의 광대역화 특성을 갖도록 뒤집힌 기생 패치를 수직 방향으로 위치하도록 하였다. 그리고 급전선로와 안테나 사이의 임피던스 정합은 급전선로에 병렬 스터브를 장하하여 구현하였으며, 정합회로를 위한 별도의 공간이 필요하지 않도록 정합 스터브를 패치 안테나 내부에 근접하여 삽입되도록 하였다. 이렇게 함으로써 실질적인 정합회로는 기생 패치 내부에 놓이게 되어 정합회로를 포함한 전체 안테나의 크기를 소형화하도록 하였다.
본 논문에서는 마이크로스트립 선로로 급전되는 직사각형 마이크로스트립 패치(주 패치) 안테나 위에 직사각형 기생 패치를 뒤집혀진 상태(inverted parasitic patch)로 적층하여 배치하는 구조의 광대역 안테나를 그림 1과 같이 제안하였다. 제안된 안테나는 일반적인 마이크로스트립 안테나의 광대역화 특성을 갖도록 뒤집힌 기생 패치를 수직 방향으로 위치하도록 하였다.
7GHz)용으로 적합한 주파수에서 공진되도록 패치의 폭(LLP)과 길이(HLP)를 결정하였다. 안테나의 패치 사이즈는 단일급전 안테나와 동일하게 하고, 그에 부합하는 스터브의 길이를 조절하여 주 패치 안테나를 설계하였다. 이득과 대역폭을 개선하기 위해 주 패치로부터 7.
안테나의 패치 사이즈는 단일급전 안테나와 동일하게 하고, 그에 부합하는 스터브의 길이를 조절하여 주 패치 안테나를 설계하였다. 이득과 대역폭을 개선하기 위해 주 패치로부터 7.5mm 위치에 기생 패치를 부가하였다.
제안된 근접 스터브를 이용한 적층형 안테나를 설계하기 위해 먼저 WLAN(2.3～2.7GHz)용으로 적합한 주파수에서 공진되도록 패치의 폭(LLP)과 길이(HLP)를 결정하였다. 안테나의 패치 사이즈는 단일급전 안테나와 동일하게 하고, 그에 부합하는 스터브의 길이를 조절하여 주 패치 안테나를 설계하였다.
제안된 안테나는 WLAN(2.3～2.7GHz)용으로 적합한 주파수에서 공진되도록 설계 파라미터를 결정하였다. 측정 결과, 스터브가 없는 스택 구조 안테나의 주파수대역은 2.
본 논문에서는 마이크로스트립 선로로 급전되는 직사각형 마이크로스트립 패치(주 패치) 안테나 위에 직사각형 기생 패치를 뒤집혀진 상태(inverted parasitic patch)로 적층하여 배치하는 구조의 광대역 안테나를 그림 1과 같이 제안하였다. 제안된 안테나는 일반적인 마이크로스트립 안테나의 광대역화 특성을 갖도록 뒤집힌 기생 패치를 수직 방향으로 위치하도록 하였다. 그리고 급전선로와 안테나 사이의 임피던스 정합은 급전선로에 병렬 스터브를 장하하여 구현하였으며, 정합회로를 위한 별도의 공간이 필요하지 않도록 정합 스터브를 패치 안테나 내부에 근접하여 삽입되도록 하였다.
제안된 안테나를 2.3～2.7GHz 대역의 동작에 적합하도록 설계하는 과정을 여러 가지 파라미터에 의한 안테나의 특성을 연구하였으며, 이 과정에서 최적화된 파라미터를 사용하여 안테나를 제작하고, 그 특성을 측정하였다.
본 논문은 뒤집혀진 기생 패치(inverted parasite patch)를 적층하여 배치하는 구조를 사용하여 마이크로스트립 안테나의 소형화 및 광대역화하는 방법에 관한 것이다. 제안한 안테나는 일반 스택 구조의 안테나와 다르게 안테나 정합을 위한 스터브 회로가 주패치에 아주 근접하게 놓여 있어 기생 패치 가장자리 안쪽에 위치하게 한 구조이다.
이러한 방사패턴 왜곡의 최소화 특성은 배열 안테나를 구현하는 때에 매우 중요한 요소로 작용한다. 주패치 및 기생 패치의 크기와 스터브의 길이 등을 조절하여 중심주파수 2.5GHz의 WLAN(2.3～2.7GHz)용으로 적합한 안테나를 설계하였다.

대상 데이터

주 패치와 기생 패치에 사용된 기판은 FR4(εr=4.3)로 1.6mm와 0.8mm의 두께를 가지며, 크기는 100×100(mm)로 제작하여 지그에 장착이 가능하도록 하였다.

성능/효과

그림 6은 표 1에서 얻은 최적화된 치수로 제작한 안테나의 반사손실에 대한 비교 그래프이다. 그림 6에서와 같이 스터브 없이 기생 패치의 높이로 정합을 시킨 구조와 비교해 보면, 본 논문에서 제안한 정합회로가 내장된 스택 안테나는 반사손실 데이터에서 보다 광대역 특성을 확인할 수 있다.
그림 10은 스터브가 없는 안테나와의 이득 비교를 나타낸 것이다. 두 안테나의 이득은 2.5GHz 이상부터 제안된 안테나의 이득이 높아지기 시작해서 주파수가 올라갈수록 이득이 더 높아짐을 알 수 있다. 그리고 이득 측정 시작점인 2.
75GHz로 대역폭이 약 480MHz이며, 스터브가 없는 스택 구조 안테나에 비해 약 160MHz의 광대역 특성을 나타내었다. 또한, 안테나 이득은 2.3GHz에서 최소 5.8dBi, 최대 2.6GHz에서 7.8dBi를 얻었다.
그림 8은 WLAN 적용 가능 주파수 대역에서 제안한 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 방사패턴 결과이다. 여기에서는 실험 결과와 시뮬레이션 결과가 거의 일치함을 보이고 있으며, 3dB 빔 폭은 약 57도를 나타내고 있다. 표 2는 그림 9와 같은 무반사실에서 측정한 안테나 이득이다.
7GHz)용으로 적합한 주파수에서 공진되도록 설계 파라미터를 결정하였다. 측정 결과, 스터브가 없는 스택 구조 안테나의 주파수대역은 2.3～2.62GHz로 대역폭이 320MHz에 불과하지만, 제안한 안테나의 주파수대역은 2.27～2.75GHz로 대역폭이 약 480MHz이며, 스터브가 없는 스택 구조 안테나에 비해 약 160MHz의 광대역 특성을 나타내었다. 또한, 안테나 이득은 2.
측정 결과, 스터브가 없는 스택 구조 안테나의 주파수대역은 2.3～2.62GHz로 대역폭이 320MHz에 불과하지만, 제안한 안테나의 주파수대역은 2.27～2.75GHz로 대역폭이 약 480MHz이며, 스터브가 없는 스택 구조 안테나에 비해 약 160MHz의 대역폭 향상을 얻었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	평면 안테나는 어떤 기법인가?	최근, 이동 통신에 적합하도록 무선통신용 단말기 시스템은 점차 소형화, 경량화되고 있으며, 이러한 요구조건을 만족하는 대표적인 안테나로는 평면 안테나인 마이크로스트립 안테나를 들 수 있다. 평면 안테나는 PCB 기술을 이용하여 용이하게 대량생산이 가능하며, 제작단가가 저렴하고 다양한 변형이 가능한 안테나 제작 기법이다[1-3].
	적층형 패치 안테나란 무엇인가?	단일 마이크로스트립 패치 안테나는 대역폭이 좁고 효율이 낮은 단점을 갖고 있어서 광대역 통신에는 적합하지 않은 구조이다. 주파수 대역폭을 늘리거나 다중대역화로 하기 위한 대표적인 방법은 동일한 유전체 기판 위에 공진주파수가 다른 패치를 여러 개를 수평 혹은 수직으로 배열하여 다중공진 구조를 구성하는 것이다[1-3]. 수평 방향으로 배열하면 주파수 대역폭과 이득이 동시에 개선되는 장점이 있으나, 차지하는 공간이 넓어지는 단점이 있다[4].
	단일 마이크로스트립 패치 안테나의 단점은?	단일 마이크로스트립 패치 안테나는 대역폭이 좁고 효율이 낮은 단점을 갖고 있어서 광대역 통신에는 적합하지 않은 구조이다. 주파수 대역폭을 늘리거나 다중대역화로 하기 위한 대표적인 방법은 동일한 유전체 기판 위에 공진주파수가 다른 패치를 여러 개를 수평 혹은 수직으로 배열하여 다중공진 구조를 구성하는 것이다[1-3].

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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