[논문]Planar Microstrip Patch Antenna for 5G Wireless Applications

Kim, Jang-Wook; Jeon, Joo-Seong

doi:10.9708/jksci.2022.27.01.033

Planar Microstrip Patch Antenna for 5G Wireless Applications 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.27 no.1, 2022년, pp.33 - 41

Kim, Jang-Wook (Dept. of Information Electronic Engineering, Dongyang Mirae University) , Jeon, Joo-Seong (Dept. of Information Electronic Engineering, Dongyang Mirae University)

초록
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본 논문은 유전체 기판 상에 설계한 평면형 마이크로스트립 패치 안테나를 기술하였다. 5세대 이동통신 적용을 위하여 2가지 타입의 평면형 마이크로스트립 패치 안테나를 연구하였으며 한 타입은 일반적인 마이크로스트립 구조이며 다른 한 타입은 동축 프로브 급전의 적층된 마이크로스립 구조이다. 전자기적인 커플링 방식을 사용한 적층된 마이크로스트립 패치는 다층기판 구조에서 설계되었다. 본 논문에서 제안한 적층된 마이크로스트립 패치 안테나는 3.42GHz~3.70GHz 광대역의 5G 서비스 대역에서 양호한 결과를 나타냈다. 임피던스 대역폭(VSWR≤2)은 3.42GHz~3.78GHz에서 360MHz(10.28%)를 나타냈다. 본 논문의 적층된 마이크로스트립 패치 안테나의 설계를 통하여 5G 이동통신 중계 시스템에 적용가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes a planar microstrip patch antenna designed on dielectric substrate. Two types of planar microstrip patch antennas are studied for the 5G wireless applications, one type is conventional microstrip structure, the other type is stacked microstrip structure fed by coaxial probe. Using electromagnetically coupling method, stacked microstrip patch antenna employing a multi-layer substrate structure was designed. The results indicate that the proposed stacked microstrip patch antenna performs well at 5G wireless service bandwith a broadband from 3.42GHz to 3.70GHz. The impedance bandwidth(VSWR≤2) is 360MHz(10.28%) from 3.42GHz to 3.78GHz. In this paper, through the designing of a stacked microstrip patch antenna, we have presented the availability for 5G wireless repeater system.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Microstrip patch antenna. (a) top view, (b) side view, (c) equivalent circuit
그림 Fig. 2. Conventional microstrip patch antenna. (a) top view, (b) side view
그림 Fig. 3. Simulated curve of VSWR for the conventional microstrip patch antenna
표 Table 1. Design parameters of conventional microstrip patch antenna
그림 Fig. 4. Proposed stacked microstrip patch antenna. (a) top view, (b) side view
그림 Fig. 5. Simulated curve of VSWR for the stacked microstrip patch antenna
표 Table 2. Design parameters of stacked microstrip patch antenna
그림 Fig. 6. Manufactured antenna. (a) conventional microstrip patch, (b) proposed stacked microstrip patch
그림 Fig. 7. Impedance bandwidth characteristics as a function of air-gap(t₁)
그림 Fig. 8. Impedance bandwidth characteristics as afunction of air-gap(t₂)
그림 Fig. 9. Comparison between the conventional microstrip patch antenna and the proposed stacked microstrip patch antenna. (a) impedance, (b) VSWR
그림 Fig. 10. Measured gain curves
그림 Fig. 11. Radiation pattern. (a) conventional microstrip patch antenna, (b) proposed stacked microstrip patch antenna
그림 Fig. 12. Measurement system of antenna
표 Table 3. Comparison of different types of antennas

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 평면형 마이크로스트립 패치 안테나를 단층구조의 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하여 그 특성을 고찰하여 새로운 구조의 적층된 마이크로 스트립 패치 안테나를 본 논문에서 제안하였다. 또한 두 가지 구조의 안테나의 제반 특성을 확인하여 비교 우위의 5G 이동통신 안테나로의 활용 가능성을 고찰하였다.
본 논문에서 제안한 적층된 마이크로스트립 패치 안테나는 복사소자를 적층형 구조로 설계하여 고이득 및 광대역 특성을 유도하였으며 마이크로스트립 급전선에서 주로발생되는 기생 리액턴스 성분을 개선하기 위하여 동축 프로브(coaxial probe) 급전구조로 설계하여 5G 이동통신용 안테나로의 활용 가능성을 입증하였다.
본 논문에서는 S-Band 3.5GHz 5G 이동통신 서비스용안테나 설계에 관한 연구를 진행하였다. 안테나의 설계목표는 국내 이동통신 3사에 할당된 3.
본 논문에서는 평면형 마이크로스트립 패치 안테나를 단층구조의 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하여 그 특성을 고찰하여 새로운 구조의 적층된 마이크로 스트립 패치 안테나를 본 논문에서 제안하였다. 또한 두 가지 구조의 안테나의 제반 특성을 확인하여 비교 우위의 5G 이동통신 안테나로의 활용 가능성을 고찰하였다.

가설 설정

본 논문에서는 평면형 마이크로스트립 패치 안테나 설계를 위해서 3-port 전송선로 모델링 해석방법을 사용하여 초기 설계 파라미터를 산출하였다. 그림 1에서 나타낸 바와 같이 사각형 마이크로스트립의 폭(W)이 다른 전송선로가 연결되어 있는 선형 공진기로 가정한다.

제안 방법

본 논문에서 연구한 평면형 마이크로스트립 패치 안테나는 인쇄회로기판(PCB) 구조로 포토에칭 방식을 사용하므로 제작공정이 단순화되어 대량 생산에도 균일한 특성을 재현할 수 있을 뿐만 아니라 어레이로 구성할 경우, 대출력 이동통신 기지국용 안테나로 적용이 가능한 장점을 갖는다. 소형, 경량으로 설치공간의 제한을 받지 않아 그 활용성은 무한하게 확장될 수 있을 것으로 예상된다.
본 논문에서는 비교적 쉽게 접근할 수 있는 일반적인 마이크로 스트립 패치 안테나를 유전체 기판의 파라미터를 활용하는 방법으로 안테나 설계를 우선적으로 추진하였다. 즉 마이크로스트립 패치 안테나의 유전체 기판을 저유전율과 두꺼운 소재의 테프론 기판을 선택하여 마이크로 스트립 패치 안테나를 설계하였다.
본 논문에서는 이러한 주파수 대역폭 특성개선을 위하여 평면형 마이크로스트립 패치 안테나의 직 상단에 복사 소자를 적층시키는 전자기 결합방식을 사용하여 다중공진효과를 유도하여 주파수 대역폭을 확장시키는 시키는 방법을 시도하였다. 즉 마이크로스트립 패치 안테나가 갖는 공진주파수와 직 상단에 위치하고 있는 적층된 복사 소자의 공진주파수가 결합되어 전체적인 공진주파수 대역이 넓혀지는 효과를 얻는 방식이다.
본 논문에서는 평면형 마이크로스트립 패치 안테나를 단층구조의 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나와 적층된 마이크로스트립 패치 안테나로 설계하여 두 모델의 특성 비교를 통하여 5G 이동통신 서비스 안테나의 적용성 관점에서 비교 우위를 고찰하였다. 본 논문에서 제안한 적층된 마이크로스트립 패치 안테나는 일반적인 구조의 마이크로 스트립 패치 안테나에 비해서 주파수 대역폭과 이득 특성을 동시에 개선시킬 수 있어 전파전파 특성이 좋지 않은 3.

대상 데이터

본 논문의 안테나 복사특성 측정은 이스라엘 Orbit사안테나 계측장비를 사용하였다. 그림 12에서 본 논문에서 제작된 안테나의 측정실험 환경을 나타내었다.
본 논문에서는 비교적 쉽게 접근할 수 있는 일반적인 마이크로 스트립 패치 안테나를 유전체 기판의 파라미터를 활용하는 방법으로 안테나 설계를 우선적으로 추진하였다. 즉 마이크로스트립 패치 안테나의 유전체 기판을 저유전율과 두꺼운 소재의 테프론 기판을 선택하여 마이크로 스트립 패치 안테나를 설계하였다.

데이터처리

먼저 3-port 전송선로 모델링 방법을 통하여 기초적인 단층기판의 마이크로스트립 패치 안테나의 설계 파라미터를 계산하였다. 그리고 마이크로스트립 패치 안테나의 직상단에 적층 복사소자를 구성하여 마이크로스트립 패치와 적층 복사소자에 의한 이중공진 효과에 의한 주파수 대역폭을 확장시키는 설계기술은 MOM(Methods of Moment) 방법에 기초한 상용 시뮬레이터 IE3D를 사용 하였다[8].
본 논문에서 제안한 적층된 마이크로스트립 패치 안테나와 일반적인 구조의 단층기판 마이크로스트립 패치 안테나의 주파수 대역폭 및 임피던스 특성을 그림 9에서 비교 하였다.
표 3에서 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나와 본 논문에서 제안한 적층된 마이크로스트립 패치 안테나의 특성을 비교하였다. 표 3의 비고에서 두 타입 안테나의 특성 차이는 괄목할만한 결과로 판단된다.

이론/모형

먼저 3-port 전송선로 모델링 방법을 통하여 기초적인 단층기판의 마이크로스트립 패치 안테나의 설계 파라미터를 계산하였다. 그리고 마이크로스트립 패치 안테나의 직상단에 적층 복사소자를 구성하여 마이크로스트립 패치와 적층 복사소자에 의한 이중공진 효과에 의한 주파수 대역폭을 확장시키는 설계기술은 MOM(Methods of Moment) 방법에 기초한 상용 시뮬레이터 IE3D를 사용 하였다[8].
본 논문에서는 평면형 마이크로스트립 패치 안테나 설계를 위해서 3-port 전송선로 모델링 해석방법을 사용하여 초기 설계 파라미터를 산출하였다. 그림 1에서 나타낸 바와 같이 사각형 마이크로스트립의 폭(W)이 다른 전송선로가 연결되어 있는 선형 공진기로 가정한다.

성능/효과

9 dB의 이득 상승효과가 있음을 확인하였다. 3.43GHz~3.72GHz (대역폭 290MHz) 주파수 대역에서 5.6dBi 이상의 평탄한 이득 특성을 얻었다.
단층기판 구조의 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나의 대역폭은 3.47GHz~3.60GHz(3.77%, 대역폭 130MHz) 이며 본 논문에서 제안한 적층된 마이크로스트립 패치 안테나는 3.42GHz~3.78GHz(10.28%, 대역폭 360MHz)로 나타났다. 주파수 대역폭 특성으로 비교하면 3.
그림 10에서 본 논문의 적층된 마이크로스트립 패치 안테나와 단층구조의 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나의 이득 특성을 비교하였다. 두 안테나의 최대 이득은 각각 5dBi(fo=3.49GHz)와 5.9dBi(fo=3.51GHz)로 나타내고 있어 적층된 마이크로스트립 패치 안테나는 일반적인 마이크로 스트립 패치 안테나와 비교했을 때 최대 0.9 dB의 이득 상승효과가 있음을 확인하였다. 3.
9dBi 이득특성을 개선시키는 효과를 입증하였다. 또한 실내공간에서 설치될 경우 안테나의주요성능 지표로 관리되는 전후방비 특성이 양호한 것을 확인하였다.
본 논문에서는 평면형 마이크로스트립 패치 안테나를 단층구조의 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나와 적층된 마이크로스트립 패치 안테나로 설계하여 두 모델의 특성 비교를 통하여 5G 이동통신 서비스 안테나의 적용성 관점에서 비교 우위를 고찰하였다. 본 논문에서 제안한 적층된 마이크로스트립 패치 안테나는 일반적인 구조의 마이크로 스트립 패치 안테나에 비해서 주파수 대역폭과 이득 특성을 동시에 개선시킬 수 있어 전파전파 특성이 좋지 않은 3.5GHz 5G 이동통신 서비스용 안테나로 적용시 좋은 효과가 예상된다.
본 논문에서 제안한 적층된 마이크로스트립 패치 안테나의 특성은 임피던스 대역폭 확장 뿐만 아니라 안테나의 이득이 향상되는 효과를 갖는다.
본 논문에서 제한한 안테나의 경우, H-plane에서 83°, E-plane에서는 73°의 전력반치폭을 가지고 있으며 전후 방비(F/B ratio)는 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나에 비해 4dB 이상 좋은 특성을 확인하였다. 일반적인 마이크로 스트립 패치 안테나의 E-plane에서 측면방향(50°~90°) 의 복사특성이 균일하지 못한 점은 5G 서비스 안테나로는 다소 부정적인 결과이다.
14%, 대역폭 320MHz)으로 나타났다. 시뮬레이션 결과를 살펴보면 본 논문에서 제안한 적층된 마이크로 스트립 패치 안테나는 주파수 대역폭이 320MHz(9.14%) 이므로 5G 이동통신 서비스용 안테나로의 활용성을 위한 필요조건인 280MHz 이상의 주파수 대역폭을 확보하고 있으므로 5G 이동통신 안테나로의 활용이 가능하다는 판단을 가질 수 있다.
평면형 마이크로스트립 안테나가 갖는 좋은 장점에도 불구하고 좁은 대역폭과 낮은 이득특성이 단점으로 작용하였으나 본 논문에서 제안한 적층된 마이크로스트립 패치 안테나는 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나에 비해 3.5GHz 5G 이동통신 주파수 대역에서 230MHz(2.8배) 광대역 특성과 최대 0.9dBi 이득특성을 개선시키는 효과를 입증하였다. 또한 실내공간에서 설치될 경우 안테나의주요성능 지표로 관리되는 전후방비 특성이 양호한 것을 확인하였다.

후속연구

본 논문에서 기술된 안테나는 5G 이동통신 중계 시스템에 적용이 가능할 것으로 예상된다. 향후 추가적으로 단일소자에서 어레이 안테나로 확장 설계하는 연구가 필요하다.
70GHz(대역폭 280MHz) 5G 이동통신 서비스 주파수 대역에서 사용되는 평면형 광대역 소형 안테나이다. 본 연구를 통하여 5G 이동통신 서비스 주파수 대역에서 사용될 수 있는 안테나는 단층구조의 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나로는 광대역 및 고이득 특성을 충족할 수 없어 새로운 구조의 안테나 개발이 필요하다는 것을 확인하였다.
본 논문에서 기술된 안테나는 5G 이동통신 중계 시스템에 적용이 가능할 것으로 예상된다. 향후 추가적으로 단일소자에서 어레이 안테나로 확장 설계하는 연구가 필요하다.

참고문헌 (15)

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원문보기 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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