[논문]무선랜용 능동안테나 설계

김평국; 정상운; 부종배; 이영수; 김갑기

[국내논문] 무선랜용 능동안테나 설계
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김평국 (목포해양대학교) , 정상운 (목포해양대학교) , 부종배 (목포해양대학교) , 이영수 (목포해양대학교) , 김갑기 (목포해양대학교)

본 논문에서는 5.5GHz 대역 LNA와 1${\times}$2마이크로 스트립 패치 안테나로 구성된 무선랜용 능동안테나를 설계 하였다. LNA는 NEC사의 NE3210S01을 사용하여 잡음 특성을 개선하였으며, 마이크로 스트립 패치안테나는 전방향 특성을 갖도록 설계하였다. 설계된 1${\times}$2마이크로 스트립 패치안테나는 약8.3dBi의 이득을 가지면서 전방향 특성을 나타내었고, LNA는 이득이15dB, 잡음지수는 1dB이하의 특성을 보였다.

In this paper shows the Designed active antenna for wireless LAN that is consisted of 5.5GHz band local LNA and Microstrip Patch Antenna. LNA improved noise special quality using NEC company's NE3210S01 and Microstrip Patch Antenna designed to have omnidirectional characteristic. Designed Microstrip Patch Antenna expressed omnidirectional characteristic special quality having gains of about 8.3dBi. LNA gains 15dB, noise index showed special quality under 1 dB.

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문제 정의

본 논문에서는 무선랜용으로 사용 가능한 능동 안테나를 구현하기 위해 저잡음 증폭기와 1x2 패치 안테나를 설계해 보았다. 설계된 1x2 패치 안테나는 중심주파수 5.

제안 방법

일반적으로 X/4 임피던스 변환기를 회로에 삽입할 경우 중심주파수에서 멀어질수록 VSWR이 급속히 악화되며 대역폭이 작아지게 된다. 따라서 급전점으로부터 X/4 임피던스 변환기를 다단으로 연결하여 임피던스의 변화폭을 작게 함과 동시에 VSWR의 변화폭과 대역폭을 넓게 하도록 하였다.
따라서 본 논문에서는 NEC사의 super low noise HJ FET 를 사용하여 LN A 를 설계 하였고, 안테나는 이득과 VSWR 특성개선 및 입력 임피던스를 50 [Q]에 일치시키기 위해서 기본 패치 두 개를 패치간의 간격을 A/2로 배열하고 다단의 X/4 임피던스 변환기와 전력 분배기가 결합된 형태로 구성하였다. 또한 배열 안테나를 설계 제작하는데 사용되는 X/4 임피던스 변환기와 전력분배기를 HP사의 ADS2002 모멘텀 시뮬레이션을 사용하여 설계하고, 이를 결합하여 최적화된 1x2 패치 안테나를 설계하였다.
따라서 Noise Circle과 Gain Circle상에서 잡음지수와 이득을 적절히 고려하여 trade-off점을 잡아 입력정합회로를 설계 하고 입력정합회로가 결정되면 출력정합회로는 공액정합이 되도록 설계하게 된다. 따라서 본 논문에서는 입력단은 잡음특성에 의해 매칭회로를 설계하고, 출력단은 이득특성을 고려하여 매칭 회로를 설계하여 5GHz 대역에서 상용되는 저잡 음 증폭기의 특성에 준하여 설계 스펙을 결정하였으며, 이를 표 1에서 보여주고 있다.
따라서 본 논문에서는 NEC사의 super low noise HJ FET 를 사용하여 LN A 를 설계 하였고, 안테나는 이득과 VSWR 특성개선 및 입력 임피던스를 50 [Q]에 일치시키기 위해서 기본 패치 두 개를 패치간의 간격을 A/2로 배열하고 다단의 X/4 임피던스 변환기와 전력 분배기가 결합된 형태로 구성하였다. 또한 배열 안테나를 설계 제작하는데 사용되는 X/4 임피던스 변환기와 전력분배기를 HP사의 ADS2002 모멘텀 시뮬레이션을 사용하여 설계하고, 이를 결합하여 최적화된 1x2 패치 안테나를 설계하였다.
마이크로스트립 단일 안테나를 배열 확장하기 위해서 T-junction을 사용하여 소자간의 전력을 분배시켰다. T-junction은 전력이 분배되는 2-port 간의 격리도는 Wilkinson power divider에 비해서 떨어지지만, 제작이 용이하며 비교적 좋은 전 력분배특성을 가지므로 일반적인 급전선 설계에 많이 사용되고 있다.
132mm인 직사각형 기본패치를 설계하였다. 설계된 패치 안테나는 공진주파수 5.5GHz에서 입력임피던스가 145 [Q]이였고, 패치와 급전선로간의 임피던스 정합을 위해 X/4 임피던스 변환기를 이용하였으며, 기본패치와 임피던스 변환기가 결합하여 그림 1 과 같은 직사각형 단일 패치를 완성하였다.
T-junction은 전력이 분배되는 2-port 간의 격리도는 Wilkinson power divider에 비해서 떨어지지만, 제작이 용이하며 비교적 좋은 전 력분배특성을 가지므로 일반적인 급전선 설계에 많이 사용되고 있다. 여기서 두 개의 출력 포트로 동일한 전력을 분배하는 T-Junction 전력분배기를 이용하였고, 서로 다른 임피던스를 매칭시키기 위해 A/4 임피던스 변환기를 이용하였다.
위에서 서술한 수식에 근거하여 패치의 크기를 결정한 다음 모멘트 툴을 이용하여 패치의 크기를 최적화한 결과, 공진주파수 5.5GHz에서 패치의 폭 N은 19.362mm 그리고 길이 Z은 14.132mm인 직사각형 기본패치를 설계하였다. 설계된 패치 안테나는 공진주파수 5.

대상 데이터

본 논문에서는 NEC사의 NE3210S01 HJ-FET를 사용하였고, 설계한 LNA의 동작점을, VDS = 2V, Ips = 10mA로 만족시키기 위해 Vgs=~0.48V 를 인가 시켰다.

성능/효과

NE3210S01 의 칩 분석 결과 잡음지수는 0.5 dB, 이득은 15 dB, 그리고 u-factor는 1.02로 5.5 GHz에서 소자가 안정하다는 것을 알 수 있다. 일반적인 저잡음 증폭기는 입력 측 정합회로를 rs와 를 같게 놓고 설계를 하게 된다.
3 dBi 의 전방향 특성을 나타내었고, 반사 계수가 약 -33 dB를 나타내었으며, 대역폭이 매우 좁음을 알 수 있었다. 또한 저잡음 증폭기는 중심주파수 5.5 GHz에서 입출력 반사손실이 -20 dB이하를 나타내었고, 이득은 15 dB, 그리고 잡음지수는 -0.7 dB를 나타내었으며, 입출력 VSWR은 L2 이하의 특성을 얻을 수 있었다. 이와 같은 시뮬레이션 결과를 토대로 제작하여 그 특성을 분석할 것이 다.
본 논문에서는 무선랜용으로 사용 가능한 능동 안테나를 구현하기 위해 저잡음 증폭기와 1x2 패치 안테나를 설계해 보았다. 설계된 1x2 패치 안테나는 중심주파수 5.5 GHz에서 이득이 8.3 dBi 의 전방향 특성을 나타내었고, 반사 계수가 약 -33 dB를 나타내었으며, 대역폭이 매우 좁음을 알 수 있었다. 또한 저잡음 증폭기는 중심주파수 5.
설계된 단일패치 안테나를 ADS 모멘트 시뮬레이션을 통하여 특성을 측정한 결과 반사계수는 약 -28dB, 이득은 약 5.7dBi, 방사패턴은 전방향 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
시뮬레이션 결과 입출력 반사계수는 -20 dB이 하, 잡음지수는 0.735 dB, 이득은 15 dB 입출력 정재파비는 1.2를 넘지 않는 특성을 보였다.

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