[논문]DGS를 적용한 4중대역 안테나의 설계 및 제작

김민재; 최태일; 최영규; 윤중한

doi:10.13067/jkiecs.2020.15.1.31

[국내논문] DGS를 적용한 4중대역 안테나의 설계 및 제작
Design and Fabrication of Quadruple Band Antenna with DGS 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.15 no.1, 2020년, pp.31 - 38

김민재 (신라대학교 스마트전기전자공학부) , 최태일 (광주여자대학교 보건행정학과) , 최영규 (신라대학교 스마트전기전자공학부) , 윤중한 (신라대학교 스마트전기전자공학부)

초록
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본 논문에서는 GPS/WiMAX/WLAN에 적용가능한 사중대역 안테나를 제안하였다. 4개의 마이크로스트립 선로를 가지며 접지면에 DGS 구조를 삽입하여 사중대역의 특성을 얻었다. 기판의 크기는 20 mm (W1)⨯27 mm (L1)이며 1.0 mm(h)의 기판의 두께와 비유전율 4.4인 FR-4 기판위에 안테나를 설계 하였다. 안테나의 크기는 20 mm(W1)⨯27 mm(L1)이며 DGS 구조의 크기는 16.3 mm (W2)⨯23.6 mm(L₈+L₆+L10)이다. 제작된 안테나의 측정결과로부터 -10dB 기준으로 GPS 대역에서 60MHz (1.525~1.585 GHz)의 대역폭을 얻었고 WiMAX 대역에서는 825MHz (3.31~4.135 GHz), WLAN 대역에서는 480MHz (2.395~2.875 GHz), 그리고 385 MHz (5.10~5.485 GHz)의 대역폭을 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a quadruple band antenna for GPS/WLAN/WiMAX application. The proposed antenna has quadruple band characteristics by considering the interconnection of four strip lines and DGS on the ground place. The total substrate size is 20.0 mm (W1) ⨯27.0 mm (L1), thickness (h) 1.0 mm, and the dielectric constant is 4.4, which is made of 20.0 mm (W2)⨯ 27.0 mm (L8 + L6+ L10) antenna size on the FR-4 substrate. From the fabrication and measurement results, bandwidths of 60 MHz (1.525 to 1.585 GHz) bandwidth for GPS band, 825 MHz (3.31 to 4.135 GHz) bandwidth for WiMAX band and 480 MHz (2.395 to 2.975 GHz) and 385 MHz (5.10 to 5.485 GHz) bandwidth for WLAN band were obtained on the basis of -10 dB. Also, gain and radiation pattern characteristics are measured and shown in the frequency of triple band as required.

주제어

표/그림 (16)

그림 그림 1. 제안된 GPS/DCS/WLAN 안테나의 구조 (a) 앞면 (b) 뒷면 Fig. 1 Structure of the proposed GPS/DCS/WLAN antenna
그림 그림 2. L₉ 변화에 의한 시뮬레이션 반사손실 Fig. 2 Simulation reflection loss due to L₉ change
그림 그림 3. L₂ 변화에 의한 시뮬레이션 반사손실 Fig. 3 Simulation reflection loss due to L₂ change
표 표 1. 사중대역 안테나의 파라미터 Table 1. parameter of the designed antenna
그림 그림 4. L₇ 변화에 의한 시뮬레이션 반사손실 Fig. 4 Simulation reflection loss due to L₇ change
그림 그림 5. L₄ 변화에 의한 시뮬레이션 반사손실 Fig. 5 Simulation reflection loss due to L₄ change
그림 그림 6. W₁₅ 변화에 의한 시뮬레이션반사손실 Fig. 6 Simulation reflection loss due to W₁₅ change
그림 그림 7. L₁₂ 변화에 의한 시뮬레이션 반사손실 Fig. 7 Simulation reflection loss due to L₁₂ change
그림 그림 8. 제안된 안테나의 전류분포 (a) 1.575 GHz, (b) 2.40 GHz, (c), 3.40 GHz, (d) 5.25 GHz Fig. 8 The current distribution of the proposed antenna
그림 그림 9. 제안된 안테나의 프로토 타입 (a) 앞면 (b) 뒷면 Fig. 9 Prototype of the proposed antenna
그림 그림 10. 제안된 안테나의 측정된 반사손실 Fig. 10 measured reflection loss results of the proposed antenna
그림 그림 11. 1.575 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 11 Measured 3-D radiation pattern in 1.575 GHz
그림 그림 12. 2.40 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 12 Measured 3-D radiation pattern in 2.40 GHz
그림 그림 13. 3.40 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 13 Measured 3-D radiation pattern in 3.40 GHz
그림 그림 14. 5.25 GHz에서 측정된 3-D 방사패턴 Fig. 14 Measured 3-D radiation pattern in 5.25 GHz
그림 그림 15. 제안된 안테나의 측정된 최대 그리고 평균 이득 Fig. 15 Measured peak and average gains of the proposed antenna

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 GPS 시스템과 2.4 GHz와 5 GHz 대역의 WLAN IEEE 802.11a, 802.11b 그리고 3.5 GHz WiMAX 대역을 동시에 만족시키는 사중대역 안테나를 제안함으로서 DGS 구조를 적용한 다중안테나에 대한 연구를 진행하고자 한다.
본 논문에서는 GPS/WiMAX/WLAN 시스템에 적용가능한 4중대역 안테나를 설계하여 제작 및 측정하였다. 제안된 안테나는 마이크로스트립 급전 구조를 바탕으로 4개의 스트립 선로 구조와 접지면에 DGS 형태를 삽입하여 사중대역을 얻도록 설계하였다.

제안 방법

5 mm (L₁₀)의 크기로 구성되었다. 본 논문에서 Ansoft사의 HFSS 프로그램으로 사중대역 안테나를 3D로 설계하고자 한다. 제안된 사중대역 안테나의 최적화한 수치는 표 1에 나타내었다.
사중대역 안테나는 그림 1과 같이 설계하였다. 사중대역 안테나는 마이크로스트립의 급전 구조를 가지며 2개의 E 자 모양을 마주보게 한 구조를 가지면 결과적으로 네 개의 스트립 라인과 접지면에는 그림1(b)와 같은 형태의 DGS 구조를 갖도록 설계하여 1.5 GHz GPS 대역, 2.4 GHz WLAN 대역, 3.5 GHz WiMAX 대역 그리고 5 GHz WLAN 대역에서 공진되도록 하였다. 사중대역 안테나 모델에서의 시뮬레이션 결과 –10dB 기준으로 GPS 대역에서는 (1.
본 논문에서는 GPS/WiMAX/WLAN 시스템에 적용가능한 4중대역 안테나를 설계하여 제작 및 측정하였다. 제안된 안테나는 마이크로스트립 급전 구조를 바탕으로 4개의 스트립 선로 구조와 접지면에 DGS 형태를 삽입하여 사중대역을 얻도록 설계하였다. 상용 툴인 HFSS 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였으며 전류밀도의 분포를 통해 안테나의 동작원리를 확인하였다.

대상 데이터

접지면의 크기는 6.7 mm (W₁₃) + 2.4 mm (W₁₂) ⨯ 3.8mm (L₁₃)와 2.4 mm (W₁₂) ⨯ 4.5mm (L₁₁), 7.2 mm (W₁₄) ⨯ 3.8mm (L₁₂) 그리고 3.7 mm (W₁₁) ⨯ 11.5 mm (L₁₀)의 크기로 구성되었다. 본 논문에서 Ansoft사의 HFSS 프로그램으로 사중대역 안테나를 3D로 설계하고자 한다.
제안된 안테나는 네 개의 분기선로와 접지면의 간단한 모양으로 구성되어있으며 네 개의 분기 선로 중 첫 번째 선로는 9 mm (W₁₀) ⨯ 2 mm (L₈) + 1.5mm(W₈) ⨯ 22mm (L₉), 두 번째 선로 9 mm (W₉) ⨯ 2 mm (L₃) + 2 mm (W₇) ⨯ 10mm (L₂), 세 번째 선로 4.4 mm (W₃) ⨯ 2mm (L₅) + 2.4 mm (W₅) ⨯ 13.5mm (L₄) 그리고 네 번째 선로 5 mm (W₄) ⨯ 2 mm (L₆) + 2.5 mm (W₆) ⨯ 8.6 mm (L₇)로 구성되어 있으며 이러한 네 개의 분개회로는 두께(h) 1.0 mm, 유전율(e_r ) = 4.4이고 20 mm (W₁)⨯27 mm(L₁)의 크기를 갖는 FR-4 기판 위에 설계되었다.

데이터처리

사중대역 안테나의 전류밀도 분포를 알아보기 위해 HFSS 프로그램을 사용해서 그림 8에 나타내었다. 그림 8(a)은 1.
제안된 안테나는 마이크로스트립 급전 구조를 바탕으로 4개의 스트립 선로 구조와 접지면에 DGS 형태를 삽입하여 사중대역을 얻도록 설계하였다. 상용 툴인 HFSS 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였으며 전류밀도의 분포를 통해 안테나의 동작원리를 확인하였다. 제안된 안테나의 제작 후 측정결과 –10dB 기준으로 GPS 대역에서는 60 MHz (1.

성능/효과

0 GHz 대역에 많은 영향을 주는 것으로 나타난다. W₂의 길이를 15.3 mm설정 할 경우 5.0 GHz 대역에서 345 MHz (5.575∼5.92 GHz)의 대역폭을 얻어 4중대역 특성을 만족하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 W₂의 길이를 17.
55 GHz) 시뮬레이션 반사손실 대역폭을 얻어 요구되는 대역폭을 얻지 못했다. 그러나 L₉의 길이를 22.0 mm로 설정할 경우, 70 MHz (1.51∼1.58 GHz) 시뮬레이션 반사손실 대역폭을 얻었으며 본 논문에서 요구되는 주파수 대역을 만족하고 있음을 확인 할 수 있다.
그러한 이유로 DGS 구조를 사용하면 패치 소자의 크기를 감소시킬 수 있다. 그리고 DGS 구조는 주파수 대역을 저지 시키는 특성과 임피던스 대역폭, 공진 주파수를 향상시키고 안테나 어레이 소자들 간의 상호결합을 최소화 할 수 있다. 이러한 특성으로 일정한 주파수 대역을 감쇄시켜 고조파 성분을 제거 할 수 있다.
92 GHz)의 대역폭을 얻어 4중대역 특성을 만족하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 W₂의 길이를 17.3 mm 설정 할 경우 삼중대역 특성을 얻어 본 논문에 요구되는 4중 대역을 만족하지 못하는 것을 환이 하였으며 W₂의 길이를 16.3 mm로 설정하였을 경우 본 논문에서 요구되는 대역을 만족 하는 것을 볼 수 있다.
13 dBi의 최대이득을 얻었다. 따라서 본 논문에서 제안된 안테나 GPS/WiMAX/WLAN대역에서 만족하는 것으로 판단된다.
5 GHz WiMAX 대역 그리고 5 GHz WLAN 대역에서 공진되도록 하였다. 사중대역 안테나 모델에서의 시뮬레이션 결과 –10dB 기준으로 GPS 대역에서는 (1.51〜1.58 GHz), WiMAX 대역에서는 (3.34〜3.97 GHz), WLAN 대역에서는 (2.34〜2.49 MHz, 4.96〜5.51 GHz에서 대역폭을 얻었다.
25 GHz 에서의 전류밀도분포도를 나타내며 세 번째 선로와 네 번째 선로 그리고 접지면 오른쪽 상단부분에 많은 영향이 끼치는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과로 DGS 모양을 적용할 경우 커플링 현상으로 각각의 선로의 영향을 끼치는 것을 알 수 있다.
상용 툴인 HFSS 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였으며 전류밀도의 분포를 통해 안테나의 동작원리를 확인하였다. 제안된 안테나의 제작 후 측정결과 –10dB 기준으로 GPS 대역에서는 60 MHz (1.525〜1.585 GHz)에서 공진 하였고 WiMAX 대역에서는 825 MHz (3.31〜4.135 GHz) WLAN 대역에서는 480 MHz(2.395〜2.875 GHz), 그리고 385 MHz (5.10〜5.485GHz)의 대역폭을 얻었다. 1.
485 GHz)의 대역폭을 얻었다. 측정결과 본 논문에서 제안한 GPS/WiMAX/WLAN 대역 및 대역폭을 만족하는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DGS 구조는 무엇인가?	이러한 마이크로스트립 안테나의 단점을 해결하기 위한 한 가지 방법으로 DGS(: Defected Ground Structure) 구조를 사용하여 기존 안테나의 특성을 향상시키는 결과들이 제시되었다. DGS 구조는 안테나의 접지면에 하나 또는 여러개의 식각된 패턴을 가지는 것을 말하며 몇 가지의 특성을 갖는다. 첫 번째로는 전자기파의 지연전달 하는 특성을 가진다.
	마이크로스트립 안테나의 단점은 무엇인가?	마이크로스트립 안테나는 모든 형태에 부착하기 쉬울 뿐만 아니라 구조가 간단하며 대량생산이 가능한 이점을 갖고 있으므로 이동통신 및 모바일 기기 등을 비롯하여 많은 시스템에 사용되고 있다. 하지만 단점인 좁은 대역폭을 극복하기 위해 광대역 혹은 다중대역 특성을 갖도록 연구들이 많이 진행되어 왔다[1-2].
	마이크로스트립 안테나의 장점은 무엇인가?	마이크로스트립 안테나는 모든 형태에 부착하기 쉬울 뿐만 아니라 구조가 간단하며 대량생산이 가능한 이점을 갖고 있으므로 이동통신 및 모바일 기기 등을 비롯하여 많은 시스템에 사용되고 있다. 하지만 단점인 좁은 대역폭을 극복하기 위해 광대역 혹은 다중대역 특성을 갖도록 연구들이 많이 진행되어 왔다[1-2].

참고문헌 (14)

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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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