[논문]후면 주파수 선택 표면을 이용한 광대역 고이득 평면 사다리꼴 모노폴 안테나 설계

홍승모

doi:10.17661/jkiiect.2021.14.6.473

후면 주파수 선택 표면을 이용한 광대역 고이득 평면 사다리꼴 모노폴 안테나 설계
Design of Wideband High Gain Trapezoidal Monopole Antenna using Backside Frequency Selective Surface 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.14 no.6, 2021년, pp.473 - 478

홍승모 (Department of Telecommunication Engineering, Soongsil University)

초록
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본 논문은 급증하는 무선통신, 자율주행자동차, 5G 무선통신 및 광대역 어플리케이션 등과 같이 다양한 방면에서 필요로 하는 광대역, 고이득 안테나 필요성에 따라 후면 주파수 선택 표면(FSS, Frequency Selective Surface)을 이용한 광대역 고이득 평면 사다리꼴 모노폴 안테나를 설계하였다. 제안된 안테나는 이중 금속층을 사용하여 기존의 주파수 선택 표면과 구조적인 차이점을 갖는다. 또한 기존의 안테나 설계에서 갖는 설계의 복잡함을 해결하기 위해 GA(Genetic Algorithms)과 HFSS(High Frequency Structure Simulator) 시뮬레이션을 사용하여 효율성을 증가시켰다. 이를 통해 3.52 GHz ~ 5.92 GHz의 넓은 대역폭과 전체 대역폭에서 10.5 dBi 이상의 이득을 유지하며, 5.1 GHz에서 11.8 dBi의 최고 이득을 갖는다. 기존 안테나와 비교하였을 경우 1.8 GHz의 36% 임피던스 대역폭이 2.4 GHz의 50% 임피던스 대역폭으로 향상되었으며, 이득의 경우 8.6 dBi 증가하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper designed a wideband, high gain planar trapezoidal monopole antenna using backside frequency selective surface (FSS) according to the need for wideband and high gain antenna required in various fields such as rapidly increasing wireless communication, autonomous vehicles, 5G wireless communication and wideband applications. The proposed antenna uses a dual metallic to have a structural difference from the existing FSS. By solving the complexity of the design antenna using genetic algorithms (GA) and high frequency structural simulators (HFSS) simulations, the proposed antenna is not only produce a high efficiency but also presents a wide bandwidth of 3.52 to 5.92 GHz and a gain of 10.5 dBi over the entire bandwidth, with the highest gain of 11.8 dBi at 5.1 GHz. It has been confirmed that the gain increased 8.6 dBi as the 36% impedance bandwidth of 1.8 GHz compared to the existing antenna improved to the 50% impedance bandwidth of 2.4 GHz.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 제안된 사다리꼴 모노폴 안테나 구조 및 시뮬레 이션 결과 (a) 위, (b) 아래, (c) 반사 손실과 이득 Fig. 1. Proposed trapezoidal monopole antenna structure and simulation results (a) Top, (b) Bottom, (c) Return loss and realized gain
그림 그림 2. 제작된 사다리꼴 모노폴 안테나 (a) 위, (b) 아래 Fig. 2. Fabricated trapezoidal monopole antenna structure (a) Top, (b) Bottom
그림 그림 3. 제안된 주파수 선택 표면 구조 및 시뮬레이션 결과 (a) FSS 아래, (b) FSS 위, (c) S11, S21 및 주파 수 선택 표면 유닛 셀 위상 Fig. 3. Proposed FSS structure and simulation results (a) Bottom of FSS , (b) Top of FSS, (c) S11, S21 and phase of FSS unit cell
그림 그림 4. 제작된 주파수 선택 표면 구조 (a) 위, (b) 아래 Fig. 4. Fabricated FSS structure (a) Top, (b) Bottom
그림 그림 5. (a) 제안된 안테나와 FSS 결합 구조, (b) 제작 된 안테나와 FSS 결합 구조 Fig. 5. (a) Proposed antenna and FSS combination structure, (b) Fabricated antenna and FSS combination structure
그림 그림 6. (a) D에 따른 반사 손실, (b) D에 따른 이득, (c) FSS 유닛 셀 개수에 따른 반사 손실, (d) FSS 유닛 셀 개수에 따른 이득 Fig. 6. (a) Return loss according to the D, (b) Realized gain according to the D, (c) Return loss according to the unit cell of FSS, (d) Realized gain according to the unit cell of FSS
그림 그림 7. 측정 환경 Fig. 7. Measurements environment
그림 그림 8. 주파수 선택 표면을 후면에 사용하였을 때와 사용하지 않 았을 때의 시뮬레이션 결과와 측정 결과 (a) 반사 손실, (b) 이득 Fig. 8. Simulation and measurement results with and without FSS on the backside (a) Return loss, (b) Realized gain
그림 그림 9. 주파수 선택 표면을 후면에 사용하였을 때와 사 용하지 않았을 때의 방사 패턴 시뮬레이션 결과와 측정 결과 (a) 4 GHz에서 E-평면, (b) 4 GHz에서 H-평면, (c) 5 GHz에서 E-평면, (d) 5 GHz에서 H-평면, (e) 5.8 GHz에서 E-평면, (f) 5.8 GHz에서 H-평면 Fig. 9. Simulation and measurement radiation pattern results of antenna with and without FSS on the backside (a) E-plane at 4 GHz, (b) H-plane at 4 GHz, (c) E-plane at 5 GHz, (d) H-plane at 5 GHz, (e) E-plane at 5.8 GHz, (f) H-plane at 5.8 GHz

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 후면 주파수 선택 표면을 이용한 광대역, 고이득 평면 사다리꼴 모노폴 안테나를 설계하였다. 이중 금속 층을 이용한 주파수 선택 표면을 설계하여 기존 주파수 선택 표면과 구조적으로 다른 특성을 갖고 GA 프로그램을 이용하여 설계 시간 단축 및 효율성을 증가시켰으며, 이를 통해 이득, 광대역 및 낮은 프로파일을 갖는 안테나를 설계 및 제작하였다.

제안 방법

하지만 설계하는데 많은 시간이 소요되고 협대역 또는 단일 주파수에서 동작하는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 GA와 HFSS를 사용하여 주파수 선택 표면 단위 셀을 설계하고 설계 효율성을 증가시켰다. 처음 모든 가정 매개 변수와 규격 설계, 목표를 GA 프로그램에 적용시켰다.
부도체의 경우 0, 전도체의 경우 1이다. 또한 하나의 주파수 선택 표면 유닛 셀 안에 많은 셀들을 추가하고 Floquet Port와 경계조건을 이용하여 주파수 선택 표면을 설계 및 분석한다. 설계 프로세스는 다음과 같이 구성하여 설계를 진행하였다.
본 논문에서는 후면 주파수 선택 표면을 이용한 광대역, 고이득 평면 사다리꼴 모노폴 안테나를 설계하였다. 이중 금속 층을 이용한 주파수 선택 표면을 설계하여 기존 주파수 선택 표면과 구조적으로 다른 특성을 갖고 GA 프로그램을 이용하여 설계 시간 단축 및 효율성을 증가시켰으며, 이를 통해 이득, 광대역 및 낮은 프로파일을 갖는 안테나를 설계 및 제작하였다.

성능/효과

그림 8은 주파수 선택 표면을 후면에 사용하였을 때와 사용하지 않았을 때의 반사 손실과 이득의 시뮬레이션 결과와 측정결과를 나타낸다. 주파수 선택 표면을 평면 사다리꼴 모노폴 안테나 후면에 적용하였을 경우 이득과 대역폭이 향상되며, 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 매우 유사한 것을 확인할 수 있다. 주파수 선택 표면을 후면에 사용하였을 경우와 사용하지 않았을 경우를 자세하게 비교하면, 동작 주파수 5 GHz에서 4 GHz ~ 5.
주파수 선택 표면을 평면 사다리꼴 모노폴 안테나 후면에 적용하였을 경우 이득과 대역폭이 향상되며, 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 매우 유사한 것을 확인할 수 있다. 주파수 선택 표면을 후면에 사용하였을 경우와 사용하지 않았을 경우를 자세하게 비교하면, 동작 주파수 5 GHz에서 4 GHz ~ 5.8 GHz의 1.8 GHz의 대역폭을 갖는 임피던스 대역폭 36 %에서 3.52 GHz ~ 5.92 GHz의 2.4 GHz 대역폭을 갖는 임피던스 대역폭 50 %로 증가한다. 또한 최대 이득의 경우 5.

후속연구

64mm × 64mm × 13.5mm 로 제안된 안테나는 넓은 대역폭과 높은 이득을 바탕으로 무선통신 급증에 따른 다양한 어플리케이션에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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상세보기
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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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