[논문]위치추적용 센서를 위한 초소형 초광대역 모노폴 안테나

박영진; 조성배; 김원호; 김관호; 이재조

[국내논문] 위치추적용 센서를 위한 초소형 초광대역 모노폴 안테나
A Novel Stepped Fat Monopole Antenna for Precision Location Application using an Impulse 원문보기

박영진 (한국전기연구원) , 조성배 (한전 KDN (주)) , 김원호 (한국전기연구원) , 김관호 (한국전기연구원) , 이재조 (한국전기연구원)

본 논문에서는 초광대역 기술을 이용한 고정밀 위치 추적용 센서를 위한 소형, 저가의 안테나를 제안한다. 안테나는 Fat monopole 과 유사하지만, Fat monopole의 상대적인 협대역 특성을 개선하기 위해 탭을 부가하여 고주파에서의 특성을 향상시켰다. 또한 급전은 제작이 용이한 Coplanar 도파관 구조를 사용하였다. 검증을 위해 3.1GHz${\sim}$5.1GHz 대역에서의 고 정밀 위치 추적용 센서를 위한 안테나를 설계하였다. 상용 EM 프로그램을 사용하여 안테나의 치수들에 대한 최적화 작업이 이루어 졌다. 실제 제작 결과와 시뮬레이션 결과가 비교되었고 상당히 일치함을 확인 할 수 있었다. 제작된 안테나는 2.5GHz${\sim}$7GHz대역내에서 10dB이상의 Return loss를 가졌다.

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문제 정의

본 논문에서는 UWB 기술을 이용한 위치추적 시스템구현을 위한 최적의 안테나를 제안한다. 제안된 안테나는 Stepped-fat monopole 형태이다.

가설 설정

설계과정이 설명되었고, 시뮬레이션과 실제 제작과 측정 결과로부터 제안된 안테나는 Omni-directional 특성뿐만이 아니라 반사 손실 면에서 초광대역 특성을 가진다는 것을 알 수 있었다. 또한 제안된 안테나는 단지 한쪽 면만이 프린팅된 평판형 소형 구조여서 가격 면에서 ZL리고 시스템 집적화면에서 상당한 이점을 가질 것이다. 따라서 이안테나는 정밀위치 시스템뿐 아니라 다량의 데이터 무선통신과 같은 여러 UWB 분야에도 넓게 웅용되어질 것으로 기대된다.

제안 방법

Fat monopole 이 가지고 있는 사각형 Fat 암에, Stepped 사각형 Fat 암이 추가되었다. 그리고 급전에 있어서는 마이크로스트립 급 전 등이 가능하나 시스템 집적화와 임피던스 매칭을 고려하여 CPW 구조로 만들었다. 또한 접지면을 중심 주파수의 0.
1GHz 대역폭을 갖는 초광대역 안테나가 설계되었다. 시뮬레이션을 통해 안테나의 최적치수를 결정하였고, FR4 기판을 (εr=4.5) 사용하여 안테나를 구현하였다.
52)를 사용하였고, SMA 피딩을 위해 CPW의 특성임피던스는를 50Q으로 정하였다.식 (1)에 의해 CPW 의 대략적인 치수를 결정하였고, CST-MWS 시뮬레이션를 사용하여 최적화된 치수를 구했다.
언급한 이론적인 방법을 이용하여 정밀 위치 시스템을 위해 3.1 GHz~5.1 GIIz 의 동작주파수를 가지는 Stepped-fat 평판형 모노폴안테나를 설계하였다. 반사손실과 일정이득 측면에서 최적의 안테나를 디자인하기 위해, 유한적분 해석 방법(FIT)에 기초한 CST-MWS 시뮬레이터를 사용하였다.
사용하였다. 원하는 주파수 특성과 일정이득 특성을 고려하여 여러 번의 시뮬레이션이 이루어져, 다음과 같이 안테나의 치수를 결정하였다. w1=3 0 mm, w2=3.
하지만 참고문헌[5]에 언급된 것처럼 이러한 안테나는 평면형 다이폴 안테나에서 보이는 것처럼, 그 자체가 상대적으로 협대역 특성을 갖는다. 이러한 협대역 문제점을 해결하기 위해, Stepped 사각형 암을 사용하여 이 단점을 극복하였다. 물리적인 이유는 Stepped Fat로 인해 안테나는 저주파와 고주파에서 두 개의 공진 점을 갖게 되어 전체 동작대역폭이 개선된다.

대상 데이터

특히 급전 부분에 있어서 시스템 집적화를 위해, Coplanar Waveguide(CPW) 형태의 급전기법이 사용되었다. 실제 구현을 위해 단일 밴드 3.1GHz~5.1GHz 대역폭을 갖는 초광대역 안테나가 설계되었다. 시뮬레이션을 통해 안테나의 최적치수를 결정하였고, FR4 기판을 (εr=4.
유전체 기판으로는 구하기가 쉬운 FR4 (εr-45, h=1.52)를 사용하였고, SMA 피딩을 위해 CPW의 특성임피던스는를 50Q으로 정하였다.식 (1)에 의해 CPW 의 대략적인 치수를 결정하였고, CST-MWS 시뮬레이션를 사용하여 최적화된 치수를 구했다.
위한 최적의 안테나를 제안한다. 제안된 안테나는 Stepped-fat monopole 형태이다. 이는 기존의 fat monopole의 대역폭 제한을 극복하였다.

이론/모형

또한, 안테나의 시간 영역 웅답을 조사하기 위해, CST-MWS 의 Probe Function 이 사용되었다. 그림 4(a)는 시간 영역 웅답을 시뮬레이션하기 위한 안테나의 구성이다.
1 GIIz 의 동작주파수를 가지는 Stepped-fat 평판형 모노폴안테나를 설계하였다. 반사손실과 일정이득 측면에서 최적의 안테나를 디자인하기 위해, 유한적분 해석 방법(FIT)에 기초한 CST-MWS 시뮬레이터를 사용하였다.
이는 기존의 fat monopole의 대역폭 제한을 극복하였다. 특히 급전 부분에 있어서 시스템 집적화를 위해, Coplanar Waveguide(CPW) 형태의 급전기법이 사용되었다. 실제 구현을 위해 단일 밴드 3.
제작되었다. 피딩을 위해 SMA Connector가 사용되었고 안테나의 반사계수를 측정하기 위해 Agilent E8363B Network Analyzer가 사용되었다. 그림 5는 Stepped-Fat 모노폴 안테나의 측정된 Sn과 시뮬레이션 돤 Sii 결과이다.

성능/효과

안테나가 제안되었다. 설계과정이 설명되었고, 시뮬레이션과 실제 제작과 측정 결과로부터 제안된 안테나는 Omni-directional 특성뿐만이 아니라 반사 손실 면에서 초광대역 특성을 가진다는 것을 알 수 있었다. 또한 제안된 안테나는 단지 한쪽 면만이 프린팅된 평판형 소형 구조여서 가격 면에서 ZL리고 시스템 집적화면에서 상당한 이점을 가질 것이다.

후속연구

또한 제안된 안테나는 단지 한쪽 면만이 프린팅된 평판형 소형 구조여서 가격 면에서 ZL리고 시스템 집적화면에서 상당한 이점을 가질 것이다. 따라서 이안테나는 정밀위치 시스템뿐 아니라 다량의 데이터 무선통신과 같은 여러 UWB 분야에도 넓게 웅용되어질 것으로 기대된다.
h는 기판의 두께를 나타낸다. 하지만 위 계산시으로는 특성 임피던스의 근사 값만이 구해지기 때문에, 좀 더 정확한 결과를 위해 3D EM simulator를 사용하여 원하는 특성 임피던스에 맞게, 안테나의 각 치수들을 튜닝될 수 있다.

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