[논문]3G/4G/5G/Wi-Fi(이중대역)용 광대역 모노폴 슬롯 안테나 설계

신동기; 이영민; 이영순

doi:10.7236/jiibc.2022.22.1.127

초록
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본 논문에서는 3G WCDMA (1.91 ~ 2.17 GHz), 4G LTE (2.17 ~ 2.67 GHz), 3.5 GHz 5G (3.42 ~ 3.7 GHz) 및 Wi-Fi 이중대역 (2.4 ~ 2.484 GHz / 5.15 ~ 5.825 GHz)에서 사용이 가능한 수정된 폴디드 모노폴 슬롯 안테나를 처음으로 제시하였다. 제안된 안테나의 크기는 35×60 mm², 두께는 1.6 mm, 유전상수가 4.3인 FR-4 기판에 설계 및 제작 되었다. 측정결과 임피던스 대역폭은 2910 MHz(1.84 ~ 4.75 GHz) 및 930 MHz (5.11 ~ 6.04 GHz) 이고, 각각의 주파수 대역에서 안테나 이득은 1.811 ~ 3.450 dBi 이다. 특히 관심 있는 모든 주파수 대역에서 상업용으로 적합한 무지향성 방사패턴을 얻을 수 있었다.

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A modified folded monopole slot antenna for 3G WCDMA (1.91 ~ 2.17 GHz), 4G LTE (2.17 ~ 2.67 GHz), 3.5 GHz 5G (3.42 ~ 3.7 GHz) and Wi-Fi dual band (2.4 ~ 2.484 GHz / 5.15 ~ 5.825 GHz) was proposed for the first time. The proposed antenna is designed and fabricated on a FR-4 substrate with dielectric ...

A modified folded monopole slot antenna for 3G WCDMA (1.91 ~ 2.17 GHz), 4G LTE (2.17 ~ 2.67 GHz), 3.5 GHz 5G (3.42 ~ 3.7 GHz) and Wi-Fi dual band (2.4 ~ 2.484 GHz / 5.15 ~ 5.825 GHz) was proposed for the first time. The proposed antenna is designed and fabricated on a FR-4 substrate with dielectric constant 4.3, thickness of 1.6 mm, and size of 35 × 60 mm2. The measured impedance bandwidth of the proposed antenna is 2910 MHz(1.84 ~ 4.75 GHz) and 930 MHz(5.11 ~ 6.04 GHz), antenna gain in each frequency band is from 1.811 to 3.450 dBi. In particular, it was possible to obtain a commercially suitable omni-directional radiation pattern in all frequency bands of interest.

주제어

표/그림 (12)

$그림 1.(a) 전형적인 반 파장<TEX>$(\frac{𝜆}{2})$</TEX> 공진 슬롯 안테나 그림 1.(b) 전형적인 한 파장(𝜆) 폴디드 슬롯 안테나 Fig. 1(a). Conventional half-wavelength resonant slot antenna Fig. 1(b). Conventional one wavelength folded slot antenna$ 그림 그림 1.(a) 전형적인 반 파장$(\frac{𝜆}{2})$ 공진 슬롯 안테나 그림 1.(b) 전형적인 한 파장(𝜆) 폴디드 슬롯 안테나 Fig. 1(a). Conventional half-wavelength resonant slot antenna Fig. 1(b). Conventional one wavelength folded slot antenna
$그림 2.(a) <TEX>$\frac{1}{4}$</TEX>파장<TEX>$(\frac{𝜆}{4})$</TEX> 모노폴 슬롯 안테나 그림 2.(b) 반 파장<TEX>$(\frac{𝜆}{2})$</TEX> 폴디드 모노폴 슬롯 안테나 Fig. 2(a). Quarter wavelength monopole slot antenna Fig. 2(b). Half-wavelength folded monopole slot antenna$ 그림 그림 2.(a) $\frac{1}{4}$파장$(\frac{𝜆}{4})$ 모노폴 슬롯 안테나 그림 2.(b) 반 파장$(\frac{𝜆}{2})$ 폴디드 모노폴 슬롯 안테나 Fig. 2(a). Quarter wavelength monopole slot antenna Fig. 2(b). Half-wavelength folded monopole slot antenna
그림 그림 3. 폴디드 모노폴 안테나를 기반으로 한 제안된 안테나의 (a) 윗면 (b) 아랫면 (b) 확대된 구조 Fig. 3. Geometry of the proposed antenna based upon the folded monopole slot antenna (a) Top surface (b) Bottom surface (c) Enlarged view of the slot structure
그림 그림 4. WH의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 4. Simulated return losses for different values of parameter WH.
그림 그림 5. LH의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 5. Simulated return losses for different values of parameter LH.
그림 그림 6. W2의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 6. Simulated return losses for different values of parameter W2.
그림 그림 7. WNS의 변화에 따른 모의실험 결과 반사계수 Fig. 7. Simulated return losses for different values ofparameter WNS.
그림 그림 8. Feed offset의 변화에 따른 모의실험 결과 반사 계수 Fig. 8. Simulated return losses for different values ofFeed offset.
그림 그림 9. 제작된 안테나 Fig. 9. Fabricated antenna.
표 표 1. 제안된 안테나의 최적화 설계 파라미터 Table 1. Optimization parameter of the proposed antenna.
그림 그림 10. 모의실험과 제작된 안테나의 반사계수 비교 Fig. 10. Comparison of the return losses of simulated and fabricated antenna.
그림 그림 11. 제안된 안테나의 2D 방사패턴. Fig. 11. 2D radiation patterns of antenna.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 3G WCDMA (1.91 ∼ 2.17 GHz), 4G LTE (2.17 ∼ 2.67 GHz), 3.5 GHz 5G (3.42 ∼ 3.7 GHz) 및 Wi-Fi 이중대역 (2.4 ∼ 2.484 GHz / 5.15 ∼ 5.825 GHz)에서 사용이 가능한 수정된 폴디드모노폴 슬롯 안테나를 처음으로 제시하였다.

대상 데이터

앞서 Ⅲ장에서 모의 실험을 통해 설계된 결과를 바탕으로 실제 제작한 안테나를 그림 9에 제시하였다. 제작에는 모의실험과 동일하게 유전상수 4.3을 가지는 FR-4 기판(유전체 두께 1.6mm, 동박면 두께 1 oz)을 사용하였다.

성능/효과

04 GHz) 만큼의 대역폭을 가진다. 또한, 사용하고자 하는 대역의 공진주파수에서 안테나 이득은 각각 1.912 dBi, 1.811 dBi, 1.848 dBi, 2.641 dBi, 3.450 dBi 및 효율은 90 % 이상이고, E-plane 에과 H-plane 모두 무지향성 경향의 방사패턴을 확인할 수 있었다.
그림 8은 제안하는 안테나의 최적의 급전점을 찾기 위하여 가로스트립 가장 끝을 기준으로 x축 방향으로 이동시켜가며 경향을 나타낸 그림이다. 모두 유사하게 사용하고자 하는 대역에서의 경향은 보이지만 12 mm 일 때가장 좋은 결과로 본 논문에서 사용하고자하는 대역을 충분히 만족하는 것을 알 수 있다.
사용하고자 하는 대역에서 –10dB 이하의 반사 계수를 만족하여 2910 MHz(1.84 ∼ 4.75 GHz) 및 930 MHz(5.11 ∼ 6.04 GHz) 만큼의 대역폭을 가진다

후속연구

끝으로 본 논문에서 제안하는 안테나는 국내에서 이동통신 사업자가 제공하는 서비스 주파수 대역을 모두 만족하며, 향후 휴대용 기기의 다중 대역 안테나로의 적용이 될 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (9)

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S. I. Latif, L. Shafai and S. K. Sharma, "Bandwidth Enhancement and Size Reduction of Microstrip Slot Antennas", IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 53, No. 3, pp. 994-1003, March 2005. DOI : https://doi.org/10.1109/APMC.2007.4554736
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J. H. Yoo, Y. S. Lee, "Bandwidth Enhancement and Size Reduction of Microstrip-Fed Folded-Slot Antenna", Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 55, No. 10, pp. 2248-2251, July 2013. DOI : https://doi.org/10.1002/mop.27829

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