[논문]소형화된 CPW 급전 폴디드 슬롯 안테나

우희성; 신동기; 이영순

doi:10.12673/jant.2020.24.2.142

초록
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본 논문에서는 WCDMA (1.92 ~ 2.17 GHz) 용 개방 종단된 슬롯을 가지는 소형화된 CPW 급전 폴디드 슬롯 안테나를 새롭게 제안하였다. 안테나의 소형화를 위해 개방 종단된 슬롯과 비대칭 접지면이 사용되었으며, 안테나의 크기는 35×70 ㎟, 두께는 1.6 mm, 유전상수가 4.3인 FR-4 기판에 설계 및 제작 되었다. 제안하는 안테나의 측정된 임피던스 대역폭(|S₁₁|≤-10dB)은 400 MHz (1.86 GHz ~ 2.26 GHz)를 얻어 충분히 사용하고자 하는 대역을 만족했다. 또한 안테나의 이득은 2 dBi이고, 방사패턴은 다이폴 안테나와 유사하게 E-Plane에서 8자 형태를 H-plane에서는 무지향 패턴을 보여 방향에 따른 수신 전계강도의 변화가 없어야하는 무선통신기기 및 이동통신단말기에 유용하게 활용이 될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, we proposed newly a CPW-fed miniaturized folded-slot antenna with open ended slot for WCDMA (1.92 ~ 2.17 GHz) band. Open-ended slots and asymmetric ground plane are used for a miniaturization of the antenna, and the proposed antenna was designed and fabricated on a FR-4 substra...

In the present study, we proposed newly a CPW-fed miniaturized folded-slot antenna with open ended slot for WCDMA (1.92 ~ 2.17 GHz) band. Open-ended slots and asymmetric ground plane are used for a miniaturization of the antenna, and the proposed antenna was designed and fabricated on a FR-4 substrate with dielectric constant 4.3, thickness of 1.6 mm, and size of 35×70 ㎟. The measured impedance bandwidths (|S11| ≤ -10 dB) of fabricated antenna is about 400 MHz (1.86 ~ 2.26 GHz), which sufficiently satisfied interested band. Furthermore, the gain of antenna is 2 dBi and this antenna shows a similar radiation patterns of the dipole antenna. Therefore, it is expected to be used usefully in wireless and mobile communication device.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. 일반적인 CPW 급전 폴디드 슬롯 안테나의 구조 Fig. 1. Structure of CPW-fed folded slot antenna
그림 그림 2. 제안된 안테나의 구조 Fig. 2. Structure of the proposed antenna
그림 그림 3. L의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 3. Simulated return losses for different values of parameter L.
그림 그림 4. Foff의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 4. Simulated return losses for different values of parameter Foff.
그림 그림 5. G2의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 5. Simulated return losses for different values of parameter G2.
그림 그림 6. G3의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 6. Simulated return losses for different values of parameter G3.
그림 그림 7. WS의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 7. Simulated return losses for different values of parameter WS.
그림 그림 8. 제안된 안테나의 중심주파수에서 전류분포 Fig. 8. Current distribution of the proposed antenna at center frequency.
표 표 1. 제안된 안테나의 최적화 파라미터 Table 1. Optimization parameter of the proposed antenna.
그림 그림 9. 제작된 안테나 Fig. 9. Fabricated antenna.
그림 그림 10. 모의실험과 제작된 안테나의 반사계수 비교 Fig. 10. Comparison of the return losses of simulated and fabricated antenna.
그림 그림 11. 제안한 안테나의 2D 방사패턴(Y-Z Plane) Fig. 11. 2D radiation patterns of antenna.(Y-Z Plane)
그림 그림 12. 제안한 안테나의 2D 방사패턴(X-Z Plane) Fig. 12. 2D radiation patterns of antenna.(X-Z Plane)

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 공진형 슬롯 안테나의 입력 임피던스를 1/4 정도로 줄일 수 있는 것이 폴디드 슬롯 안테나이다[6]. 그러나 기존의 폴디드 슬롯 안테나의 경우 여전히 소형화 및 임피던스 대역폭 증가의 요구가 있어 본 논문에서는 WCDMA (1.92 ~ 2.17 GHz) 대역용 평면 형태이면서 소형화된 CPW 급전 폴디드 슬롯 안테나를 제안하고자 한다.

제안 방법

2장에서는 본 논문의 안테나 구조 및 설계에 관해 서술하였고 3장에서는 모의실험의 타당성을 입증하기 위해 안테나를 제작하고 그 특성을 측정한 후 모의실험 결과와 비교 제시하였고 마지막 결론 순으로 구성되어 있으며 본 논문의 안테나 모의실험 설계 전반에 3D simulation을 지원하는 CST MWS (microwave studio)를 사용하였다.
그림 2에서는 본 논문 에서 제안하고자 하는 소형화된 CPW 급전 폴디드 슬롯 안테나를 나타내고 있다. 기존의 CPW 급전은 구조적으로는 전송 선로를 사이에 두고 대칭인 접지면을 가지는 반면에 제안하는 안테나는 소형화 목적을 위해 비대칭 접지면으로 설계되 었다. 또한, 소형화를 위하여 그림 2의 안테나 전면을 보면 구조는 직사각형으로 왼쪽 끝이 개방된 λ_g/4 길이의 폴디드 슬롯과 CPW 급전을 위한 급전선로로 구성되어 있다.

대상 데이터

기존의 전형적인 CPW 급전 폴디드 슬롯 안테나는 그림 1과 같으며 안테나를 구성하고 있는 전체 둘레는 한파장의 길이를 가지므로 이것은 제한된 크기를 가지는 기판 내에서 안테나로 적용하기에는 무리가 따른다. 그림 2에서는 본 논문 에서 제안하고자 하는 소형화된 CPW 급전 폴디드 슬롯 안테나를 나타내고 있다. 기존의 CPW 급전은 구조적으로는 전송 선로를 사이에 두고 대칭인 접지면을 가지는 반면에 제안하는 안테나는 소형화 목적을 위해 비대칭 접지면으로 설계되 었다.
모의실험에는 유전율 4.3인 FR-4기판을 사용하였으며, 최적화된 구조의 PCB 크기는 35×70 mm²이다. 안테나를 구성하는 주요 파라미터들의 설명과 함께 공진주파수 및 반사계수 경향 그래프를 분석하고 제시하였다.

성능/효과

26 GHz)를 얻어 모의실험보다 50 MHz 정도 넓은 대역폭을 얻었다. 모의실험 결과와 측정결과가 WCDMA (1.92 ~ 2.17 GHz)의 대역폭을 충분히 만족하는 것을 알 수 있다.
75λ_g로 설계 되었다. 안테나의 임피던스 대역폭은 참고문헌 [7]에서 12.43%인 반면에 본 논문의 임피던스 대역폭은 19.41%로 개선된 것을 확인 할 수 있다. 제안된 구조는 비대칭적인 접지면을 가지는데 이는 CPW 급전 구조와 동작 원리는 매우 유사하며 대역폭 개선에 효과가 있었다[8].
주요 파라미터에 대한 경향 분석과 그 결과를 바탕으로 최적화된 안테나를 설계 후 제작한 결과 약 400 MHz (1.86 GHz ~ 2.26 GHz)로 WCDMA 대역을 충분히 만족하는 것을 확인할수 있었다. 방사패턴은 전형적인 다이폴 안테나의 방사패턴과 동일하게 얻을 수 있었다.

후속연구

끝으로 본 논문이 제안하는 안테나는 슬롯 형태로 설계되어 안테나를 제외한 접지면을 활용할 수 있는 이점을 가진다. 또한 2절에 제시한 파라미터들의 경향 분석을 바탕으로 WCDMA 대역뿐만 아니라 다른 대역의 무선통신기기 및 이동 통신 단말기에 활용이 될 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (8)

W. L. Stutzman and G. A. Thiele, Antenna Theory and Design, 2nd ed., New York, NY: Wiley, 1998.
J. Liang, C. C. Chiau, X. Chen, and C. G. Parini, “Study of a printed circular disc monopole antenna for UWB systems,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 53, No. 11, pp. 3500-3504, Nov, 2005.

상세보기
B. Satyanarayana and S. Mulgi, “Design of planer band-notched monopole antenna for 2.4 GHz WLAN and UWB applications,” Microwave and optical technology letters, Vol. 57, No. 11, pp. 2496-2501, Nov, 2015.

상세보기
C. A. Balanis, Antenna Theory - Analysis and Design, 3rd ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2005.
N. Kim, G. B. Son and S. M. Park, "Sectorial form UWB antenna with a CPW-fed uni-planar," The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, Vol. 18-3, pp. 305-314, 2007.

원문보기 상세보기
H. S. Tsai and R. A. York "FDTD analysis of CPW-fed folded-slot and multiple-slot antennas on thin substrates," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 44, No.2, pp. 217-226, Feb., 1996.

상세보기
O. Pandey, K. K. Katare and A. Biswas, "AMC loaded CPW-fed folded slot antenna," in Proceedings of the Asia-Pacific Microwave Conference 2016, New Delhi: India, pp. 1-4, Dec. 2016.
A. Kumar, P. V. Naidu, V. Kumar, and A. K. Ramasamy "Design & development of compact uniplanar semi hexagonal acs fed multi-band antenna for portable system application," Progress in Electromagnetics Research, Vol. 60, pp. 157-167, 2017.

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