[논문]슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나의 활용분야에 따른 설계와 동향분석

강상원; 변미경; 이신희; 최광제

doi:10.7236/jiibc.2020.20.5.135

초록
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본 논문은 다양하게 적용 가능한 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나 자료를 정리한 것이다. 슬리브 모노폴 안테나는 광대역 특성을 갖고 다주파수용으로 사용된다. 슬리브 모노폴 안테나는 복사기(radiator)인 수직 도체부분과 동축 케이블과 같은 구조를 갖는 슬리브(sleeve)로 구성되어져 있다. 슬리브는 복사기와 개방 스터브 동작을 한다. 슬리브 길이는 안테나 전체 길이의 1/3~2/3로 되어야 한다. 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나는 차량용 와이퍼 안테나에 적용 가능하다. 더불어, 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나, ISM 밴드용 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테나, 갭 슬리브와 이중 슬리브, 하프 커팅을 이용한 UWB 평면형 모노폴 안테나에 적용한 사례를 구조와 광대역 측면에서 정리 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper summarizes the data of a monopole antenna with a sleeve structure that can be applied in various ways. Sleeve monopole antennas have broadband characteristics and are used for multi-frequency applications. The sleeve monopole antenna is composed of a vertical conductor, which is a radiato...

This paper summarizes the data of a monopole antenna with a sleeve structure that can be applied in various ways. Sleeve monopole antennas have broadband characteristics and are used for multi-frequency applications. The sleeve monopole antenna is composed of a vertical conductor, which is a radiator, and a sleeve having the same structure as a coaxial cable. The sleeve acts as a radiator and an open stub. The length of the sleeve should be 1/3~2/3 of the total length of the antenna. A monopole antenna having a sleeve structure is applicable to a vehicle wiper antenna. In addition, the case of applying this antenna to a broadband sleeve antenna using a loading coil, a broadband printed sleeve monopole antenna for an ISM band, a gap sleeve and a double sleeve, and a UWB planar monopole antenna using half cutting was summarized and analyzed in terms of structure and broadband.

Keyword

표/그림 (11)

그림 그림 1. 슬리브 모노폴 구조 Fig. 1. Sleeve monopole structure
그림 그림 2. 슬리브 모노폴 안테나의 등가회로 Fig. 2. The Equivalent circuit for the sleeve monopole antenna.
그림 그림 3. 윈드쉴드 와이퍼 암의 구조 Fig. 3. Structure of the windshield wiper arm
표 표 1. 슬리브 모노폴과 윈드쉴드 와이퍼 암의 관계 Table 1. Relations of sleeve monopole and windshield wiper arm
그림 그림 4. 로딩 슬리브 모노폴의 구조 Fig. 4. Configuration of a loading sleeve monopole.
그림 그림 5. 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 구조 Fig. 5. The broadband printed sleeve monopole structure
그림 그림 6. 두 개의 갭 슬리브를 갖는 벨벳 평면형 모노폴 구조 Fig. 6. Structure of planar monopole in velvet shape having two gap sleeves
표 표 2. 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테나 치수 Table 2. The dimensions of broadband printed sleeve monopole antenna
그림 그림 7. 이중 슬리브를 갖는 직사각형 평면 모노폴 구조 Fig. 7. Structure of rectangular planar monopole with a double sleeve
그림 그림 8. 하프커팅 안테나 구조 Fig. 8. Half cutting antenna structure (a) RMA (b) FMHCA1 (c) FMHCA2
표 표 3. 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나의 결과 정리 Table 3. Summary of the results of a monopole antenna with a sleeve structure

AI 본문요약
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문제 정의

Dong은 UWB 대역 안테나에 이중 슬리브 모노폴 구조를 활용한 연구를 진행하였다.^[4],[6] 본 논문에서는 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나 논문 5편을 선택하여 슬리브를 적용한 안테나의 기본 구조와 광대역 특성에 대한 자료를 정리 분석했다. 첫 번째로 일반적인 슬리브 모노폴 안테나 구조와 설계 방법에 대하여 정리하였고, 두 번째로 슬리브 모노폴 구조를 이용한 안테나의 활용방안에 대해 케이스 별로 정리하였다.
첫 번째로 일반적인 슬리브 모노폴 안테나 구조와 설계 방법에 대하여 정리하였고, 두 번째로 슬리브 모노폴 구조를 이용한 안테나의 활용방안에 대해 케이스 별로 정리하였다. 슬리브 모노폴 구조를 적용한 논문에는 차량용 와이퍼 안테나와 슬리브 내부에 로딩 코일을 적용한 광대역 안테나가 있어 이에 대해 정리하였다. 직사각형 평면 모노폴 안테나의 특성을 개선하기 위해서 적절한 대안 중에 하나는 슬리브의 추가이다.
직사각형 평면 모노폴 안테나의 특성을 개선하기 위해서 적절한 대안 중에 하나는 슬리브의 추가이다. 슬리브 구조를 갖는 평면형 모노폴 안테나를 연구한 결과, ISM 밴드용 광대역 프린티드 슬리브 구조, 두 개의 갭 슬리브를 갖는 벨벳 형태의 평면형 모노폴 구조, 이중 슬리브를 갖는 직사각형 평면 모노폴 안테나에 하프 커팅을 적용한 구조를 얻었으며 이에 대해 정리하였다. 평면형 모노폴 안테나를 구현하기 위해 PCB 기술을 이용하였다.

제안 방법

^[4],[6] 본 논문에서는 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나 논문 5편을 선택하여 슬리브를 적용한 안테나의 기본 구조와 광대역 특성에 대한 자료를 정리 분석했다. 첫 번째로 일반적인 슬리브 모노폴 안테나 구조와 설계 방법에 대하여 정리하였고, 두 번째로 슬리브 모노폴 구조를 이용한 안테나의 활용방안에 대해 케이스 별로 정리하였다. 슬리브 모노폴 구조를 적용한 논문에는 차량용 와이퍼 안테나와 슬리브 내부에 로딩 코일을 적용한 광대역 안테나가 있어 이에 대해 정리하였다.
평면형 모노폴 안테나를 구현하기 위해 PCB 기술을 이용하였다. 마지막으로 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나의 주파수 대역과 대역폭, 튜닝 포인트 특징을 정리하였다. 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나는 직선 도체로만 구성된 안테나에 비해 광대역 특성을 갖고 있다.
슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나는 직선 도체로만 구성된 안테나에 비해 광대역 특성을 갖고 있다. 더불어 슬리브 길이 조정, 복사기와 슬리브 직경 비 조정, 슬리브 간격 조정을 통한 임피던스 매칭에 대해 정리하였다.
급전부분과 슬리브 구조를 연결하기 위하여 Φ 0.3비아홀(Via hole)을 이용하여 연결하였다.
직사각형 형태의 평면형 모노폴 구조를 기본으로 하고 두 번의 슬리브를 추가시켜 임피던스 매칭을 하였다. 그림 7은 이중 슬리브를 갖는 직사각형 모노폴 구조를 나타내었다.
4mm²이다. 양쪽 접지면 사이에 급전을 위해 CPW 라인을 설계하였다. 기본 CPW 설계 값 CW, CG는 각각 2mm, 0.
02)을 이용하여 설계하였다. 직사각형 평면 모노폴 구조를 기본으로 하고 광대역을 이루기 위해 두 개의 갭 슬리브와 외각 슬리브를 추가시켜 임피던스 매칭을 이루었다. 두 개의 갭 슬리브 간격(SG1) 조정과 외각 슬리브(OSH, OSW) 추가로 인한 기생요소 변화로 광대역 특성이 나타나고, 고주파 대역에서 임피던스 정합에 영향을 준다.
그림 8(b)는 Feed Modified Half Cutting Antenna(FMHCA1)이다. 이 안테나는 Magnetic Symmetry line을 기준으로 해서 RMA를 정확하게 반으로 줄인 후 급전부에 계단 형태로 마이크로스트립 라인을 구현하였다. 이를 통해 안테나의 크기가 RMA에 비해 52.
튜닝 포인트는 와이퍼 암 길이로 결정되어져 있기 때문에 스프링 감은 수로 가능하다. 두 번째 안테나는 슬리브 내부에 로딩 코일을 삽입시키고, 복사기 길이와 슬리브 길이 비를 조절하여 광대역화 하였다. 주파수 범위는 예전 PCS 대역과 IMT-2000 대역을 커버한다.

대상 데이터

안테나 기판은 FR4 기판(εr = 4.7, tan δ = 0.02)을 이용하였고, 안테나 기판의 윗면에 급전(Feed) 소자가 위치하고, 아랫면에 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 구조가 위치하고 있다.
안테나 기판 전체 크기는 40×40mm2이다.
안테나 기판은 FR4 기판(εr = 4.7, tan δ = 0.02)을 이용하여 설계하였다.
또한 슬리브와 모노폴 간의 갭인 SG2는 1mm로 하였다. 모노폴, 아래쪽 슬리브와 그라운드와의 갭을 g로 하였고 0.5mm이다. 기본적인 튜닝 포인트는 경사각, 급전 갭인 g, 슬리브의 길이 SH1, 슬리브 사이의 갭인 SG1이다.
5mm이다. 기본적인 튜닝 포인트는 경사각, 급전 갭인 g, 슬리브의 길이 SH1, 슬리브 사이의 갭인 SG1이다.
본 논문에서는 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나의 활용에 따른 설계와 분석을 5편의 논문을 이용하여 정리하였다. 일반적인 모노폴 안테나를 광대역화하기 위한 방법 중 하나가 슬리브 추가이다.

이론/모형

슬리브 구조를 갖는 평면형 모노폴 안테나를 연구한 결과, ISM 밴드용 광대역 프린티드 슬리브 구조, 두 개의 갭 슬리브를 갖는 벨벳 형태의 평면형 모노폴 구조, 이중 슬리브를 갖는 직사각형 평면 모노폴 안테나에 하프 커팅을 적용한 구조를 얻었으며 이에 대해 정리하였다. 평면형 모노폴 안테나를 구현하기 위해 PCB 기술을 이용하였다. 마지막으로 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나의 주파수 대역과 대역폭, 튜닝 포인트 특징을 정리하였다.

성능/효과

슬리브 모노폴 구조를 살펴보면 복사기(Radiator)인 수직도체와 동축케이블과 같은 구조를 갖는 슬리브 부분으로 구성되어있다.^[2]슬리브 모노폴 안테나의 특성은 슬리브 길이 l, 복사기 길이 L, 복사기 직경 d, 슬리브 직경 D와 관계되어 있다. 안테나의 공진은 l+L이 약 λ/4의 길이일 때 발생되고, 슬리브의 길이는 안테나 전체 길이의 약 1/3에서 2/3이다.
직사각형 평면 모노폴 구조를 기본으로 하고 광대역을 이루기 위해 두 개의 갭 슬리브와 외각 슬리브를 추가시켜 임피던스 매칭을 이루었다. 두 개의 갭 슬리브 간격(SG1) 조정과 외각 슬리브(OSH, OSW) 추가로 인한 기생요소 변화로 광대역 특성이 나타나고, 고주파 대역에서 임피던스 정합에 영향을 준다. 직사각형 평면 모노폴 구조에서 급전간격(G)과 슬리브 간격, 외곽 슬리브 길이가 중요한 튜닝 포인트이다.
광대역화 측면에서 살펴보면 모노폴 안테나에 단일 슬리브, 갭 슬리브, 로딩 슬리브, 이중 슬리브 구조를 적용하면 보다 쉽게 대역을 늘릴 수 있다는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슬리브 모노폴 안테나는 무엇으로 구성되어져 있는가?	슬리브 모노폴 안테나는 광대역 특성을 갖고 다주파수용으로 사용된다. 슬리브 모노폴 안테나는 복사기(radiator)인 수직 도체부분과 동축 케이블과 같은 구조를 갖는 슬리브(sleeve)로 구성되어져 있다. 슬리브는 복사기와 개방 스터브 동작을 한다.
	슬리브 모노폴 안테나는 무슨 특성을 갖고 어떻게 사용되는가?	본 논문은 다양하게 적용 가능한 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나 자료를 정리한 것이다. 슬리브 모노폴 안테나는 광대역 특성을 갖고 다주파수용으로 사용된다. 슬리브 모노폴 안테나는 복사기(radiator)인 수직 도체부분과 동축 케이블과 같은 구조를 갖는 슬리브(sleeve)로 구성되어져 있다.
	모노폴 안테나를 광대역화하기 위한 방법 중 슬리브를 추가하는 방법은 단일슬리브, 이중슬리브 등이 있다. 이때 추가적인 튜닝 방법에서 중요한 것은?	슬리브를 추가하는 방법에는 단일슬리브, 이중슬리브, 로딩슬리브, 갭 슬리브 등이 있다. 추가적인 튜닝 방법 있어서 복사기와 슬리브 길이와 직경 비가 중요하지만 특정 조건에는 적용되지 않을 수 있다. 평면형 슬리브 구조에서는 모노폴과 슬리브 간격, 접지와 모노폴, 접지와 슬리브 간격 변화, 슬리브 길이, 슬리브와 슬리브 간격이 중요한 요소이다.

참고문헌 (7)

Hong-Ju Choi, Gwang-Je Choe, Jung-Hur, Young-Kwon Kim, "The Analysis of Sleeve Monopole Antenna by Lumped-Element Equivalent Circuit", Journal of KIEES, Vol. 9, No 1, pp. 34-42, Feb. 1998.
Gwang-Je Choe, Eun-Hak Lee, "The Design of a Low-Profile Loading Sleeve Monopole for PCS and IMT-2000 Frequency Bands", Journal of KIEES, Vol. 14, No 2, pp. 178-182, Feb. 2003.
Gwang-Je Choe, "Development of Wiper Antenna for Automobile using Single Sleeve Monopole", Transactions of KSAE, Vol. 9, No 2, pp. 210-215, 2001.
Gwang-Je Choe, Sang-Won Kang, "Implementation of Broadband Printed Sleeve Monopole Antenna", Journal of IIBC, Vol. 14 , No 6, pp.245-250, Dec. 2014. DOI: https://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2014.14.6.245
Sang-Won Kang, Tae-Soon Chang, "Design of Planar Monopole Antenna in Velvet Shape Having Two Gap Sleeves", Microw. Opt. Technol. Lett., Vol. 58, pp. 21-24, Jan. 2016. DOI: https://dx.doi.org/10.1002/mop.29490

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Sang-Won Kang, Tae-Soon Chang, "Design of Rectangular Planar Monopole Antenna with a Double Sleeve", Journal of IIBC, Vol. 16 , No 1, pp. 215-220, Feb. 2016. DOI: https://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2016.16.215
Sang-Won Kang, Tae-Soon Chang, Gwang-Je Choe, "A Study on Rectangular Planar Monopole Antenna with a Double Sleeve using Half Cutting", Journal of IIBC, Vol. 17 , No 2, pp. 257-262, Apr. 2017. DOI: https://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2017.17.257

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