[논문]GPS/DCS/WLAN 시스템에 적용 가능한 삼중대역 안테나 설계 및 제작

김민재; 박상욱; 윤중한

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.3.475

GPS/DCS/WLAN 시스템에 적용 가능한 삼중대역 안테나 설계 및 제작
Design and Fabrication of Triple Band Antenna Applicable to GPS/DCS/WLAN System 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.3, 2019년, pp.475 - 482

김민재 (신라대학교 스마트전기전자공학부) , 박상욱 (신라대학교 스마트전기전자공학부) , 윤중한 (신라대학교 스마트전기전자공학부)

초록
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본 논문에서는 GPS/DCS/WLAN에 시스템에 활용 가능하도록 삼중대역 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 두 개의 스트립 선로와 접지면에 세 개의 슬릿을 삽입하여 요구하는 주파수 대역과 반사손실 특성을 얻었다. 제안된 안테나는 $31mm(W1){\times}50mm(L1)$의 크기와 두께(h) 1.6 mm, 그리고 비유전율이 4.4인 FR-4 기판 위에 $22mm(W7+W12+W8){\times}43mm(L4+L3)$의 크기로 설계되었다. 제작 및 측정결과로부터, -10dB 기준으로 340 MHz (1.465~1.805 GHz), 480 MHz (2.155~2.635 GHz), 1950 MHz (4.975~6.925 GHz)의 대역폭을 얻었다. 또한 요구되는 주파수 삼중대역에서 이득과 방사패턴 특성을 측정하여 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a triple band antenna for GPS / DCS / WLAN system. The proposed antenna has the characteristics required by considering the interconnection of two strip lines and various slits on the ground place. The total substrate size is $31mm(W1){\times}50mm(L1)$, thickness (h) 1.6 mm, and the dielectric constant is 4.4, which is made of $22mm(W7+W12+W8){\times}43mm(L4+L3)$ antenna size on the FR-4 substrate. From the fabrication and measurement results, bandwidths of 340 MHz (1.465 to 1.805 GHz), 480 MHz (2.155 to 2.635 GHz) and 1950 MHz (4.975 to 6.925 GHz) were obtained on the basis of -10 dB. Also, gain and radiation pattern characteristics are measured and shown in the frequency triple band as required.

주제어

표/그림 (15)

그림 그림 1. 제안된 GPS/DCS/WLAN 안테나의 구조 Fig. 1 Structure of the proposed GPS/DCS/WLAN antenna
그림 그림 2. 제안된 GPS/DCS/WLAN 안테나의 설계과정 Fig. 2 Design process of proposed GPS/DCS/WLAN antenna
표 표 1. 설계된 안테나의 파라미터 Table 1. Parameter of the designed antenna
그림 그림 3. 그림 2의 안테나 설계과정에 따른 시뮬레이션 반사손실 Fig. 3 Simulation reflection loss according to the antenna design process of Figure 2
그림 그림 4. L3 길이 변화에 의한 시뮬레이션 반사손실 Fig. 4 Simulation return loss due to L3 length change
그림 그림 6. 그림 5의 슬릿 영향에 의한 시뮬레이션 반사손실 Fig. 6 Simulated reflection loss due to slit effect in Fig. 5
그림 그림 7. 제안된 안테나의 전류분포 (a) 1.80 GHz, (b) 2.45 GHz, (c), 5.60 GHz Fig. 7 The current distribution of the proposed antenna (a) 1.80 GHz, (b) 2.45 GHz, (c), 5.60 GHz
그림 그림 5. (a) 슬릿 3을 삽입 했을때 (b) 슬릿 2와 슬릿 3이 대칭일 때 Fig. 5 (a) When slit 3 is inserted (b) When the slit 2 and the slit 3 are symmetrical
그림 그림 8. 제안된 안테나의 프로토 타입 (a) 앞면 (b) 뒷면 Fig. 8 Prototype of the proposed antenna: (a) front view and (b) back view
그림 그림 9. 제안된 안테나의 측정된 반사손실 Fig. 9 The measured return loss results of the proposed antenna
그림 그림 10. 1.50 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 10 Measured 3-D radiation pattern in 1.50 GHz
그림 그림 11. 1.80 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 11 Measured 3-D radiation pattern in 1.80 GHz
그림 그림 12. 2.45 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 12 Measured 3-D radiation pattern in 2.45 GHz
그림 그림 13. 5.60 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 13 Measured 3-D radiation pattern in 5.60 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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제안 방법

그림 2는 제안된 안테나의 설계 과정을 나타내었으며 그림 2(a)는 기본적인 안테나의 형상을 나타내며 그림 2(b)는 슬릿 1을 삽입하여 단순한 DGS(: Defected Ground Structure) 패턴을 나타내었다. 그림 2(c)는 추가적인 슬릿2 와 슬릿 3을 삽입하여 다소 복잡한 DGS(: Defected Ground Structure)패턴을 설계하였으며 논문에서 요구되는 GPS(1.575 GHz)대역과 DCS(1.80 GHz), WLAN(2.40 〜 2.484, 5.15〜 5.875 GHz)대역을 만족시켰다.
본 논문에서는 두 개의 스트립 선로와 접지면의 다양한 슬릿을 삽입하여 GPS/DCS/WLAN의 삼중대역을 갖도록 설계하였다. Ansoft사의 HFSS 프로그램을 사용하여 시뮬레이션 결과부터 안테나를 제작하였다. -10dB 기준으로 1.
본 논문에서는 DGS(: Defected Ground Structure)구조를 적용하여 WLAN 802.11b (2.40∼2.484 GHz), 802.11a(5.15∼5.875 GHz) 표준화 주파수 대역, 그리고 GPS L1 대역(1.575 GHz), DCS(1.80 GHz)을 포함하는 삼중대역 안테나를 제안하였다.
본 논문에서는 두 개의 스트립 선로와 접지면의 다양한 슬릿을 삽입하여 GPS/DCS/WLAN의 삼중대역을 갖도록 설계하였다. Ansoft사의 HFSS 프로그램을 사용하여 시뮬레이션 결과부터 안테나를 제작하였다.
설계사양에서 제안된 안테나는 요구되는 GPS(1.575 GHz), 대역과 DCS(1.80 GHz), 그리고 WLAN(2.40 〜 2.484, 5.15 〜 5. 875 GHz) 대역에서 –10dB 이하의 반사손실 특성을 얻어야 하며 방사패턴은 가능한 전방향성 특성을 그리고 최대이득은 0 dBi 이상의 특성을 얻도록 설계하고자 한다.
제안된 안테나는 두 개의 분기 선로과 접지면의 세 개의 슬릿으로 구성되었으며 두 개의 분기회로는 첫 번째 선로(W₈⨯L₁₀+W₁₅⨯L₄+ W₂⨯L₈+W₃⨯L₈)와 두 번째 선로(W₇⨯L₁₀)로 구성되어 있으며 접지면의 슬릿은 슬릿 1(W₇⨯L₁₀), 슬릿 2(W₇⨯L₁₀), 슬릿 3(W₇⨯L₁₀)으로 구성되었다. 안테나 설계를 위해 3D로 설계 가능한 Ansoft사의 HFSS 프로그램을 사용하여 반사손실 특성을 최적화하고 전방향성 방사특성과 최대 이득을 가지도록 설계하였다. 설계된 안테나의 최적화한 수치는 표1에 나타 내었다.
요구되는 안테나 특성(반사손실, 방사패턴, 이득)을 얻기 위해 제안된 모델에 대한 시뮬레이션을 진행하였다. 제안된 모델의 안테나 특성에 큰 영향을 미치는 파라미터를 확인하고 시뮬레이션을 활용하여 원하는 주파수 대역과 임피던스 특성을 갖는 파라미터 수치를 얻었다.
제안된 모델의 안테나 특성에 큰 영향을 미치는 파라미터를 확인하고 시뮬레이션을 활용하여 원하는 주파수 대역과 임피던스 특성을 갖는 파라미터 수치를 얻었다. 이러한 결과를 바탕으로 비유전율 4.4의 FR-4 유전체 기판위에 제안된 안테나를 제작하였다. 제작 후 제안된 안테나의 반사손실, 방사패턴, 이득에 대한 측정 결과를 얻었다.
6 GHz에서 방사패턴을 나타내었다. 제안 된 안테나에서 측정한 방사패턴은 3D로 제시하였고 동작대역에서는 전체적으로 전방향성의 특성을 나타낸다. 그림 14는 측정된 안테나의 이득을 나타내었다.
요구되는 안테나 특성(반사손실, 방사패턴, 이득)을 얻기 위해 제안된 모델에 대한 시뮬레이션을 진행하였다. 제안된 모델의 안테나 특성에 큰 영향을 미치는 파라미터를 확인하고 시뮬레이션을 활용하여 원하는 주파수 대역과 임피던스 특성을 갖는 파라미터 수치를 얻었다. 이러한 결과를 바탕으로 비유전율 4.
제안된 안테나는 두 개의 분기 선로과 접지면의 세 개의 슬릿으로 구성되었으며 두 개의 분기회로는 첫 번째 선로(W8⨯L10+W15⨯L4 + W2⨯L8+W3⨯L8)와 두 번째 선로(W7⨯L10)로 구성되어 있으며 접지면의 슬릿은 슬릿 1(W7⨯L10), 슬릿 2(W7⨯L10), 슬릿 3(W7⨯L10)으로 구성되었다.
그림 1은 제안된 안테나의 구조를 나타내었다. 제안된 안테나의 앞면은 두 개의 마이크로스트립 분기 선로를 가지며 접지면은 슬릿 1, 슬릿 2, 슬릿 3 구조를 삽입하여 GPS/DCS/WLAN 시스템의 주파수 대역과 대역폭을 만족하도록 설계하였다. 설계사양에서 제안된 안테나는 요구되는 GPS(1.

대상 데이터

제안된 안테나는 크기가 31 mm(W₁)⨯50 mm(L₁)이고 두께(h) 1.6 mm, 유전율(∊_r) = 4.4 인 FR-4 기판 위에 22 mm(W₇+W₁₂+W₈)⨯43 mm(L₄+L₃)의 크기로 설계되었다. 제안된 안테나는 두 개의 분기 선로과 접지면의 세 개의 슬릿으로 구성되었으며 두 개의 분기회로는 첫 번째 선로(W₈⨯L₁₀+W₁₅⨯L₄+ W₂⨯L₈+W₃⨯L₈)와 두 번째 선로(W₇⨯L₁₀)로 구성되어 있으며 접지면의 슬릿은 슬릿 1(W₇⨯L₁₀), 슬릿 2(W₇⨯L₁₀), 슬릿 3(W₇⨯L₁₀)으로 구성되었다.

성능/효과

(b)의 DGS(: Defected Ground Structure) 구조에서 슬릿 2와 슬릿 3을 추가로 삽입한 구조로써 시뮬레이션 결과 –10dB 기준으로 400 MHz (1.45〜1.85 GHz), 320 MHz (2.32〜2.64 GHz), 1,360MHz (4.96 〜 6.32 GHz)의 특성으로 GPS/DCS/WLA N 대역에 만족하는 결과를 얻었다.
(b)의 시뮬레이션 반사손실 결과는–10dB 기준으로 710 MHz (1.49〜2.20 GHz)와 680 MHz (5.26〜5.94 GHz)의 대역폭을 확인 할 수 있었으며 두 결과 본 논문에서 요구되는 대역폭을 얻을 수 없었다.
그림 9은 제안된 안테나의 실제 제작한 결과와 시뮬레이션 결과를 나타내었다. -10dB 기준으로 1.5/1.8 GHz 대역에서는 340 MHz(1.465 〜 1.805 GHz), 2.4 GHz 대역에서는 480 MHz(2.155 〜 2.635 GHz), 그리고 5.0 GHz 대역에서는 1,950 MHz(4.975 〜 6.925 GHz)으로 논문에서 요구되는 GPS/DCS/WLAN의 대역이 만족한 것을 확인하였다.
그림 9은 제안된 안테나의 실제 제작한 결과와 시뮬레이션 결과를 나타내었다. -10dB 기준으로 1.5/1.8 GHz 대역에서는 340 MHz(1.465 〜 1.805 GHz), 2.4 GHz 대역에서는 480 MHz(2.155 〜 2.635 GHz), 그리고 5.0 GHz 대역에서는 1,950 MHz(4.975 〜 6.925 GHz)으로 논문에서 요구되는 GPS/DCS/WLAN의 대역이 만족한 것을 확인하였다.
이러한 결과 L₈, W₇의 선로 길이의 변화보다는 접지면의 슬릿 구조에 따른 제안된 안테나 반사손실 특성 변화가 더 크다는 것으로 의미한다. 마이크로스트립 구조는 제안된 안테나의 특성에 많은 영향을 끼치지 못하면 접지면의 DGS(: Defected Ground Structure) 가 제안된 안테나의 반사손실 특성에 커다란 영향을 끼치는 것을 알 수 있다.
5 mm 간격으로 길이변화를 주었다. 시뮬레이션 반사손실 결과 L3의 길이가 증가할수록 GPS/DCS의 주파수 대역의 변화가 거의 없으며 2.4 GHz 대역에서는 높은 주파수 대역으로 이동하고 있음을 확인할 수 있으며 5.0 GHz 대역에서는 그림 4에서 보듯이 주파수 대역의 변화가 큰 것을 알 수 있으며 결론적으로 L₃의 길이가 29.0 mm 일 때 최적화된 반사손실 대역폭을 얻을 수 있었다.
또한 W₇는 두 번째 분기선로의 길이며 마찬가지로 길이변화에 따른 시뮬레이션 반사손실 특성 결과 대역폭의 차이가 거의 없었다. 이러한 결과 L₈, W₇의 선로 길이의 변화보다는 접지면의 슬릿 구조에 따른 제안된 안테나 반사손실 특성 변화가 더 크다는 것으로 의미한다. 마이크로스트립 구조는 제안된 안테나의 특성에 많은 영향을 끼치지 못하면 접지면의 DGS(: Defected Ground Structure) 가 제안된 안테나의 반사손실 특성에 커다란 영향을 끼치는 것을 알 수 있다.
제안된 안테나 특성에 커다란 영향을 미치는 파라미터를 찾기 위해서 시뮬레이션을 진행하였으며 그 중 L₈, W₇, L₃의 파라미터는 제안된 안테나 특성에 커다란 영향을 주지 않는 것으로 확인하였다. L₈의 길이는 첫 번째 분기 선로 길이이며 L₈의 길이변화에 따른 시뮬레이션 반사손실 특성 결과 대역폭의 변화가 거의 없었다.

후속연구

22 dBi의 최대이득을 얻었다. 따라서 본 논문에서 제안된 안테나에서 요구되는 GPS/DCS/WLAN 대역에서 잘 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 향후에는 차량 내를 비롯한 다양한 공간에서 GPS/DCS를 포함한 신뢰성 있는 이동통신 환경이 절대적으로 필요하며 따라서 GPS/DCS를 포함한 다중대역 시스템 및 관련 부품들의 개발이 필요할 것으로 판단된다. 그러나 이러한 부품들에 대한 연구개발 내용 중에 GPS를 포함한 이중대역에서 동작하는 안테나에 대한 연구는 많이 진행되어 왔지만 삼중대역에서 동작 가능한 안테나에 대한 연구는 많지 않다[11-18].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DCS는 무엇인가?	그리고 DCS(Digital Cellular System)는 GSM의 주파수 대역 중 하나인 1.8GHz를 사용하는 기술이다. 상향 주파수는 1710.
	마이크로스트립 선로 기술의 장점은 무엇인가?	마이크로스트립 선로 기술은 크기, 무게, 가격, 성능, 및 간단한 부착 가능, 그리고 낮은 프로파일 특성 을 갖는 등 많은 장점들로 인해 필터, 커플러, 안테나 등과 같은 마이크로웨이브 부품들을 설계하는데 적용되어 왔으며 한쪽 면은 금속으로 구성된 마이크로스 트립 전송 선로로 다른 한쪽 면은 접지특성을 갖도록 설계되었다[1].
	GPS/DCS/WLAN 안테나의 구조는 어떻게 설계되었는가?	그림 1은 제안된 안테나의 구조를 나타내었다. 제 안된 안테나의 앞면은 두 개의 마이크로스트립 분기 선로를 가지며 접지면은 슬릿 1, 슬릿 2, 슬릿 3 구조 를 삽입하여 GPS/DCS/WLAN 시스템의 주파수 대역과 대역폭을 만족하도록 설계하였다. 설계사양에서 제 안된 안테나는 요구되는 GPS (1.575 GHz), 대역과 D CS (1.80 GHz), 그리고 WLAN (2.40 〜 2.484, 5.15 〜 5. 875 GHz) 대역에서 –10dB 이하의 반사손실 특성을 얻어야 하며 방사패턴은 가능한 전방향성 특성을 그 리고 최대이득은 0 dBi 이상의 특성을 얻도록 설계하 고자 한다.

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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