[논문]GPS 대역을 포함한 소형화된 이중대역 평면형 안테나

조규필; 신동기; 이영순

doi:10.12673/jant.2020.24.3.232

GPS 대역을 포함한 소형화된 이중대역 평면형 안테나
Compact Dual-Band Planar Antenna with GPS Band 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.24 no.3, 2020년, pp.232 - 237

조규필 (금오공과대학교 전자공학과) , 신동기 (금오공과대학교 전자공학과) , 이영순 (금오공과대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 GPS 대역과 휴대용 기기에 적용을 위한 마이크로스트립 급전 이중대역 평면형 안테나를 제안하였다. 이중 대역 특성을 얻기 위하여 개방 L-형 슬롯과 구부러진 사각형 슬롯이 사용된다. 제안된 안테나는 유전상수(𝜖_r)가 4.3, 두께가 1.6 mm, 크기가 57 × 57 ㎟ 인 FR4 기판에 설계 및 제작 되었다. 제안된 안테나의 제작 및 측정 결과 임피던스 대역폭(|S₁₁|≤ -10dB)이 GPS 대역에서 60 MHz (1550 ~ 1610 MHz), DCS / IMT-2000 대역에서 670 MHz (1690 ~ 2360 MHz)로 GPS와 DCS / IMT-2000 대역을 충분하게 만족한다. 또한, 사용하고자 하는 대역에서 안정되고 우수한 무지향성 방사패턴을 얻을 수 있었으며, 2.36 dBi 이상의 높은 이득과 90% 이상의 효율을 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a compact microstrip-fed dual-band planar antenna for global positioning system (GPS) and mobile handset applications is presented. Dual operating frequency bands are achieved by an open end L-shaped slot and a bent rectangular slot. The proposed antenna is designed and fabricated on the FR4 substrate with dielectric constant of 4.3, thickness of 1.6 mm and size of 57 × 57 ㎟. The measured impedance bandwidth (|S11|≤ -10dB) of the fabricated antenna is 60 MHz(1550 ~ 1610 MHz) in the GPS band and 670 MHz (1690 ~ 2360 MHz) in the DCS / IMT-2000 band, covering the required bandwidths for GPS(1570 ~ 1580 MHz) and DCS / IMT-2000 (1710 ~ 2200 MHz) bands. In particular, it has been observed that antenna has a good omnidirectional radiation patterns as well as high gain of 2.36 dBi and its efficiency is more than 90 % over the entire frequency band of interest.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 제안된 안테나 Fig. 1. The proposed antenna
그림 그림 2. NL2의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 2. Simulated return losses for different values of parameter NL2.
그림 그림 3. NG의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 3. Simulated return losses for different values of parameter NG.
그림 그림 4. W1의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 4. Simulated return losses for different values of parameter W1.
그림 그림 5. LF의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 5. Simulated return losses for different values of parameter LF.
그림 그림 6. TW의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 6. Simulated return losses for different values of parameter TW.
표 표 1. 제안된 안테나의 최적화 파라미터 Table 1. Optimization parameter of the proposed antenna
그림 그림 7. 제작된 안테나 Fig. 7. Fabricated antenna.
그림 그림 10. 제작된 안테나의 2D 방사패턴(X-Z Plane) Fig. 10. 2D radiation patterns of antenna.(X-Z Plane)
그림 그림 8. 제작된 안테나의 반사계수 Fig. 8. Measured return losses of fabricated antenna.
그림 그림 9. 제작된 안테나의 2D 방사패턴(Y-Z Plane) Fig. 9. 2D radiation patterns of antenna.(Y-Z Plane)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 GPS 대역(L1 : 1.575 GHz)을 포함한 DCS / IMT-2000 대역(1.71 ~ 2.2 GHz)을 만족하는 소형화된 모노폴 슬롯 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 57 × 57mm² 의 PCB 기판에 설계하였으며 접지면에 개방된 L형 슬롯과 구부러진 사각 슬롯으로 에칭 되어있다.
본 논문에서는 모노폴 슬롯을 이용하여 GPS 대역을 포함한 소형화된 이중대역 안테나를 제안하였다. 이중대역 동작을 위해 두 개의 서로 다른 공진을 발생시키는 개방된 L형 슬롯과 구부러진 사각 슬롯이 접지면에 에칭 되어 있으며 마이크로스트립 급전 구조로 구성되어 있다.
본 논문에서는 인접 대역간 전자기적 결합 영향이 비교적 적은 슬롯 형태로 GPS와 DCS의 이중 대역 안테나를 설계하고자 한다. 작은 사이즈(전형적인 휴대 기기용 크기)로 슬롯 형태의 안테나를 구현하기는 힘들다.

제안 방법

그림 1의 아랫면에서 보이는 것과 같이 개방된 L형 슬롯과 구부러진 사각 슬롯이 이중대역 동작을 위해 두 개의 다른 공진 주파수를 생성한다. 또한 슬롯 안테나의 상보적인(complementary) 구조에 해당하는 스트립 안테나와 비교 했을 때 슬롯 안테나가 넓은 대역폭을 갖는 것으로 잘 알려져 있으므로[9] 제안된 안테나 설계에 앞서 언급한 슬롯을 도입했다. W1과 W2는 L형 슬롯의 가로 폭과 세로 폭이며 L1과 L2는 각각 L형 슬롯의 세로 길이와 가로 길이에 해당된다.
6 mm, 기판 크기는 57 mm × 57 mm 의 FR4 기판을 사용하였다. 이와 같이 제안된 안테나 구조의 최적화된 설계를 위하여 몇 가지 중요한 설계 파라미터 변화에 따른 공진주파수 및 반사계수의 변화들을 분석하여 아래에 제시하였다.
제안된 안테나는 57 × 57mm² 의 PCB 기판에 설계하였으며 접지면에 개방된 L형 슬롯과 구부러진 사각 슬롯으로 에칭 되어있다. 주요 파라미터에 대한 경향분석과 그 결과를 바탕으로 최종적인 형태의 안테나를 제작하고 측정하였다. 최종 제작된 안테나의 임피던스 대역폭 측정 결과 주목할 점은 기존의 스트립이나 패치형태의 안테나보다 대역폭이 증가한 것을 확인할 수 있었다.
앞서 제시한 주요 안테나 설계 파라미터 변화에 따른 공진주파수 및 반사계수의 변화를 분석해보면 양 끝이 개방된 L형 슬롯이 DCS / IMT-2000 대역을 만족시키고, 동시에 구부러진 사각 슬롯이 GPS 대역을 만족시키는 것을 알 수 있다. 최적의 임피던스 특성을 얻기 위해 각각의 파라미터들을 적절하게 조절하여 대역을 만족시켰으며, 제시된 모의 실험결과를 통한 최적의 안테나 구조 설계 파라미터의 값을 표1에 제시하였다.

대상 데이터

모의실험에서 사용된 유전체 기판은 유전상수(εr )가 4.3, 두께가 1.6 mm, 기판 크기는 57 mm × 57 mm 의 FR4 기판을 사용하였다.
제안된 안테나는 57 × 57mm2 의 PCB 기판에 설계하였으며 접지면에 개방된 L형 슬롯과 구부러진 사각 슬롯으로 에칭 되어있다.
앞서 분석된 결과를 토대로 얻어진 표 1의 최적화 된 구조를 적용하여 제작한 안테나를 그림 7에 제시하였다. 제작에는 모의 실험에서와 동일하게 두께 1.6 mm, 유전상수가 4.3인 FR4기판이 사용되었다. 그림 8에서는 모의실험 결과와 실제로 제작된 안테나의 반사 손실 측정 결과를 비교하여 나타내었다.

데이터처리

그림 9에서는 GPS 및 DCS / IMT-2000 두 주파수 대역에서 각각의 중심 주파수를 기준으로 Y-Z 평면(E-plane) 2D 방사패턴의 모의실험 결과와 측정 결과를 비교하여 제시하였다. 그림 9에서 볼 수 있는 것처럼 모의실험 결과와 실제 측정 결과의 방사패턴이 비교적 8자 형태로 잘 일치하고 있음을 볼 수 있다.

이론/모형

이와 같은 설계에 대한 논의와 설계 파라미터에 따른 변화를 Ⅱ장에서 제시하였으며, Ⅲ장 및 Ⅳ장에서는 측정 결과 및 결론에 대해 각각 제시하였다. 본 논문에서의 안테나 모의실험 설계는 CST사의 MWS를 사용하였다.

성능/효과

그림 3에서는 L형 슬롯과 구부러진 사각 슬롯 사이의 갭을 나타내는 NG 파라미터의 변화에 따른 경향을 제시하였다. NG를 1 mm에서 5 mm까지 2 mm 간격으로 증가시키며 주파수 변화 및 반사계수 크기를 비교하였을 때, 그림 2에 제시된 NL2 파라미터와 같이 각각의 대역에서 공진주파수 및 반사계수의 크기가 다소 불규칙하게 변화하지만 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 NG가 1 mm 일 때 사용하고자하는 GPS 대역에서 최소의 반사계수 크기를 가지는 최적의 조건을 만족하는 것을 확인 할 수 있다.
W1으로 인해 DCS / IMT-2000대역의 변화를 예상해볼 수 있다. W1을 2 mm에서 4 mm까지 1 mm 간격으로 증가시키며 주파수 변화 및 반사계수의 크기를 비교하였을 때, W1의 증가할수록 GPS 대역에서는 공진주파수의 변화 없이 반사계수의 변화만 보이고, 예상했던 바와 같이 DCS / IMT-2000 대역에서 공진주파수의 변화가 확연하게 보이며 동시에 대역폭 또한 넓어지는 것을 확인 할 수 있다. W1이 4 mm 일 때 원하는 대역폭을 만족하는 것을 알 수 있다.
5 mm의 간격으로 공진주파수 변화 및 반사계수의 크기를 비교하였을 때, GPS 대역과 DCS/IMT-2000 대역의 반사계수 특성이 서로 반대되는 것을 알 수 있다. 결론적으로 전체 주파수 대역에서 반사계수의 변화에 영향을 미치는 것을 알 수 있으며, 앞서 언급한 바와 같이 최적의 안테나의 정합을 유도하는 DGS 슬롯으로 사료된다.
특히 본 논문의 안테나가 사용하고자하는 주파수 전 대역에서 안정된 방사패턴을 보이므로 휴대용 기기에 사용이 적합하다고 판단된다. 다만 모의실험 결과와 측정 결과 값이 다소 오차가 있는 것으로 보이는데, 이것은 방사패턴을 측정 할 때 흔하게 나타나는 현상으로 OTA챔버 내에서 측정을 위해 SMA 커넥터와 연결된 케이블에 의한 감쇄 및 거치의 문제로 인해 방사패턴에 영향을 주었을 것으로 사료된다.
NG를 1 mm에서 5 mm까지 2 mm 간격으로 증가시키며 주파수 변화 및 반사계수 크기를 비교하였을 때, 그림 2에 제시된 NL2 파라미터와 같이 각각의 대역에서 공진주파수 및 반사계수의 크기가 다소 불규칙하게 변화하지만 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 NG가 1 mm 일 때 사용하고자하는 GPS 대역에서 최소의 반사계수 크기를 가지는 최적의 조건을 만족하는 것을 확인 할 수 있다. 그러므로 NL2와 NG 파라미터는 GPS 대역 특성을 만족할 수 있는 주요한 파라미터라 사료된다.
이러한 모의실험 결과는 사용하고자 하는 대역을 충분히 만족하는 결과이다. 또한 실제 제작된 안테나의 측정 결과 GPS 대역에서 60 MHz (1550 ~ 1610 MHz), DCS / IMT-2000 대역에서 670 MHz (1690 ~ 2360 MHz)로 모의 실험 결과와 비교해 다소 증가한 대역폭을 얻었으며 실제로 규정된 GPS와 DCS / IMT-2000 대역을 충분히 만족하는 것을 확인 할 수 있다.
그림 10에서 보는 바와 같이 특별한 null점도 보이지 않는 무지향성인 경향을 보이고 있다. 사용하고자 하는 대역에서 동일하게 Y-Z 평면과 X-Z 평면에서 전형적인 다이폴 및 모노폴 안테나의 방사패턴임을 알 수 있다. 특히 본 논문의 안테나가 사용하고자하는 주파수 전 대역에서 안정된 방사패턴을 보이므로 휴대용 기기에 사용이 적합하다고 판단된다.
GPS 대역에서 60MHz (1550 ~ 1610 MHz), DCS / IMT-2000 대역에서 670 MHz(1690 ~ 2360 MHz)로 충분히 사용하고자 하는 대역을 만족한다. 안테나 효율 및 이득 측정 결과 각각의 주파수 대역에서 약 90 % 이상의 효율과 2.36 dBi의 이득을 가지는 것도 확인 하였다.
앞서 제시한 주요 안테나 설계 파라미터 변화에 따른 공진주파수 및 반사계수의 변화를 분석해보면 양 끝이 개방된 L형 슬롯이 DCS / IMT-2000 대역을 만족시키고, 동시에 구부러진 사각 슬롯이 GPS 대역을 만족시키는 것을 알 수 있다. 최적의 임피던스 특성을 얻기 위해 각각의 파라미터들을 적절하게 조절하여 대역을 만족시켰으며, 제시된 모의 실험결과를 통한 최적의 안테나 구조 설계 파라미터의 값을 표1에 제시하였다.
제안한 안테나의 이득은 각각의 주파수 대역에서 2.36 dBi 이 상의 이득을 얻을 수 있었다.
주요 파라미터에 대한 경향분석과 그 결과를 바탕으로 최종적인 형태의 안테나를 제작하고 측정하였다. 최종 제작된 안테나의 임피던스 대역폭 측정 결과 주목할 점은 기존의 스트립이나 패치형태의 안테나보다 대역폭이 증가한 것을 확인할 수 있었다. GPS 대역에서 60MHz (1550 ~ 1610 MHz), DCS / IMT-2000 대역에서 670 MHz(1690 ~ 2360 MHz)로 충분히 사용하고자 하는 대역을 만족한다.
사용하고자 하는 대역에서 동일하게 Y-Z 평면과 X-Z 평면에서 전형적인 다이폴 및 모노폴 안테나의 방사패턴임을 알 수 있다. 특히 본 논문의 안테나가 사용하고자하는 주파수 전 대역에서 안정된 방사패턴을 보이므로 휴대용 기기에 사용이 적합하다고 판단된다. 다만 모의실험 결과와 측정 결과 값이 다소 오차가 있는 것으로 보이는데, 이것은 방사패턴을 측정 할 때 흔하게 나타나는 현상으로 OTA챔버 내에서 측정을 위해 SMA 커넥터와 연결된 케이블에 의한 감쇄 및 거치의 문제로 인해 방사패턴에 영향을 주었을 것으로 사료된다.
LF를 13 mm에서 17 mm 까지 2mm 간격으로 증가시키며 주파수 변화 및 반사계수의 크기를 비교하였을 때 GPS 대역에서는 공진주파수의 변화는 없으며 반사계수의 변화만 관찰된다. 하지만 DCS / IMT-2000 대역에 서는 두 변화가 모두 관찰되며, LF가 17 mm일 때 최적의 결과 값을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

끝으로 금속(메탈) 소재의 하우징에도 안테나 동작 특성에 대한 영향을 적게 받을 것으로 사료되고, 제안된 안테나가 인쇄형 평면 안테나이고 윗면에서 급전선이 차지하는 점유공간이 작아 다른 회로들과의 집적화가 가능하므로 휴대용 기기의 내장형 안테나로 사용하기에 적합할 것으로 사료된다.

참고문헌 (10)

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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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