WLAN 및 UWB 응용을 위한 이중 대역 모노폴 안테나 설계

Design of Dual-band Monopole Antenna for WLAN and UWB Applications

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  • ABSTRACT

    본 논문에서는 2.45 GHz 무선 랜 (WLAN) 대역 과 UWB 대역에서 동작하는 이중 대역 모노폴 안테나에 대한 설계 방법을 연구하였다. UWB 대역에서 동작하는 모노폴 안테나를 먼저 설계한 후 모노폴에 슬롯을 삽입하여 2.45 GHz 무선 랜 대역에서도 동작하도록 설계하였다. 최적화된 이중 대역 모노폴 안테나를 FR4 기판 상에 제작하고 특성을 실험한 결과 전압 정재파비 (VSWR) < 2인 대역이 2.35−2.50 GHz와 2.99−11.82 GHz로 무선 랜과 UWB 대역에서 이중 대역 특성을 갖는 것을 확인하였다. 이득은 2.45 GH에서 1 dBi이고 3.1−10.6 GHz 대역에서 1.5−4.6 dBi로 측정되었다.


    In this paper, a design method for a dual-band monopole antenna operating in the bands of 2.45 GHz WLAN and UWB is studied. A monopole antenna operating in UWB band is first designed, and a slot is inserted on the monopole to operate in 2.45 GHz WLAN band. The optimized dual-band monopole antenna is fabricated on an FR4 substrate, and the experimental results show that the antenna has a dual-band characterisitc in WLAN and UWB bands with the frequency bands of 2.35−2.50 GHz and 2.99−11.82 GHz for a VSWR $#x3C; 2. Measured gain is 1 dBi at 2.45 GHz, and ranges 1.5−4.6 dBi in the frequency band of 3.1−10.6 GHz.

  • KEYWORD

    이중 대역 , 무선 랜 , 초광대역 , 모노폴 안테나

  • I. 서 론

    무선 통신 기술과 서비스가 발전함에 따라, 다양한 무선 통신 서비스를 하나의 휴대용 무선 통신 단말기로 통합하여 사용하고자 하는 요구가 증가하고 있다. 이를 위해서는 여러 주파수 대역의 신호를 하나의 안테나로 송수신할 수 있는 다중 대역 안테나 기술이나 음성 및 멀티미디어 응용의 대용량 고속 데이터 처리를 위하여 광대역 안테나 기술이 요구되고 있다[1].

    UWB 통신 기술은 3.1−10.6 GHz 대역에서 100Mbps 이상의 전송 속도를 가지는 저전력 근거리 무선 통신 기술이다. 2002년 2월 미국 FCC (Federal Communications Commission)에 의해 민간 사용 규제가 완화되어 상업적 목적으로 사용이 가능해지고 무선 통신, 위치 추적 및 레이더 시스템 등의 분야에서 활발하게 연구되고 있다. 이러한 UWB 통신을 위해서는 UWB 주파수 대역의 신호를 송·수신할 수 있는 광대역 안테나가 반드시 필요하며, UWB 통신 기술에 적합한 광대역 안테나에 대한 많은 연구 개발이 이루어지고 있다[2].

    현재까지 다양한 종류의 UWB 안테나가 연구되어왔으며 최근에는 평면상에 프린트 기법으로 제작하여 저가격, 경량화, 집적화가 가능한 인쇄형 모노폴 안테나가 개발되고 있다. 인쇄형 모노폴 안테나의 경우 광대역 특성을 얻기 위하여 복사소자의 모양을 변형시켜 입력 임피던스를 개선시키거나 급전방식을 변형시키는 방법 등이 연구되었다[3]. 복사소자의 모양으로는 사각형, 원, 타원, 삼각형, 육각형 등의 간단한 모양이나 이들을 변형한 복잡한 모양에 대해 연구되고 있다[4-8].

    한편 인터넷과 이동 통신 서비스의 급속한 발전으로 근거리 무선 통신 기술인 2.45 GHz 대역 무선 랜이 스마트폰, 노트북 등과 같은 휴대용 기기에 내장되어 사용되고 있다[9-10]. 따라서, 근거리 무선 통신 기술인 UWB와 2.45 GHz 무선 랜 서비스를 동시에 제공하기 위해서는 두 주파수 대역에서 동작하는 이중 대역 안테나의 개발이 필요하다.

    본 논문에서는 2.45 GHz 무선 랜과 UWB 대역에서 동작하는 이중 대역 모노폴 안테나에 대한 설계 방법을 연구하였다. 먼저, UWB 대역에서 동작하는 모노폴 안테나를 설계하였다. 안테나의 크기를 줄이기 위해 모노폴 상단에 스터브 패치를 추가하였고 4.4−5.5 GHz 대역에서 임피던스 정합을 개선하기 위해 접지면에 슬롯을 삽입하였다. 다음으로, 2.45 GHz 무선 랜 대역에 동작할 수 있도록 모노폴에 슬롯을 삽입하였다. 상용 툴인 CST사의 Microwave Studio (MWS)를 이용하여 안테나의 특성을 시뮬레이션하고 설계 변수를 최적화하였다. 최적화된 인쇄형 반원모양 다이폴안테나를 FR4기판(비유전율 4.4, 두께 1.6mm) 상에 제작하여 특성을 확인하였다.

    II. 이중 대역 모노폴 안테나의 구조 및 설계

    제안된 이중 대역 모노폴 안테나의 구조가 그림 1에 나타나 있다. 기판의 한 면에 모노폴과 마이크로스트립 선로가 인쇄되어 있고 다른 면에는 접지면이 인쇄되어 있다. 모노폴에는 2.45 GHz 무선 랜 대역에서 동작하기위해 수평방향 슬롯을 삽입하였다. 접지면에는 4.4−5.5 GHz 대역에서 임피던스 정합을 개선하기 위해 슬롯을 삽입하였다. 표 1에는 최적화된 이중 대역 모노폴 안테나의 설계 변수가 나타나 있고, 설계 변수 도출 과정은 그림 3부터 그림 5에 나타나 있다 .

    UWB 대역 모노폴 안테나에 슬롯을 삽입하여 이중 대역 안테나를 설계하는 절차가 그림 2에 나타나 있다. 그림 3에는 설계 절차별 안테나의 입력 반사계수 특성이 나타나 있다. 먼저, 그림 2(a)에 나타나 있는 모노폴 안테나를 설계하였다. 안테나의 크기를 줄이기 위해 모노폴 상단에 스터브 패치를 추가하였다. VSWR < 2 (입력 반사계수 < -9.54 dB)를 기준으로 UWB 대역을 대부분 만족하나 4.4−5.5 GHz 대역에서 만족하지 못한다. 4.4−5.5 GHz 대역을 제외한 VSWR < 2인 주파수 대역은 2.75−11.76 GHz이다. 이득은 VSWR < 2인 주파수 대역에서 1.55−4.78 dBi이다.

    다음으로, 그림 2(b)에서 보는 바와 같이 4.4−5.5 GHz 대역에서 임피던스 정합을 개선시키기 위해 슬롯을 접지면에 삽입하였다. 접지면 슬롯의 길이와 폭은 lgs = 2.5 mm, wgs = 2 mm이다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 슬롯을 접지면에 추가할 경우 4.4−5.5 GHz 대역에서 임피던스 정합이 향상되어 VSWR < 2인 주파수 대역이 2.75−11.31 GHz가 되고 UWB 대역을 포함함을 알 수 있다. 이득은 VSWR < 2인 주파수 대역에서 1.55−4.74 dBi이다.

    마지막으로, 2.45 GHz 무선 랜 대역을 추가하기 위하여 그림 2(b)의 모노폴에 슬롯을 삽입하였다. 슬롯을 삽입한 결과 UWB 대역 외에 무선 랜 대역이 추가됨을 알 수 있다. VSWR < 2인 대역은 2.38−2.50 GHz와 2.97−11.34 GHz이다. 모노폴에 슬롯을 삽입하여 2.45 GHz 무선 랜 대역이 추가됨에 따라 두 번째 대역의 시작 주파수가 높은 주파수로 조금 이동함을 알 수 있고, 설계 시에 이러한 영향을 고려하여야 한다. 이득은 2.40−2.48 GHz 대역에서 0.11−1.46 dBi이고 2.97−11.34 GHz 대역에서 1.51−4.80 dBi이다.

    그림 4그림 2(c)의 구조에서 모노폴에 삽입된 슬롯의 길이 lps의 변화에 따른 입력 반사계수의 영향을 보여준다. 그림 4(a)에서 보는 바와 같이 슬롯의 길이는 고주파 대역에 미치는 영향은 적다. 저주파 대역에서는 슬롯의 길이 lps가 16.2mm에서 20.22mm로 증가할수록 첫 번째 주파수 대역과 두 번째 주파수 대역의 시작 주파수가 낮은 주파수로 이동하고 첫 번째 주파수 대역의 대역폭이 줄어듦을 알 수 있다. 이득은 첫 번째 주파수 대역에서는 슬롯의 길이 lps가 증가할수록 최대값이 1.77 dBi에서 1.06 dBi로 감소한다. 두 번째 주파수 대역에서는 이득은 대역폭만 다를 뿐 큰 변화가 없다.

    그림 5그림 2(c)의 구조에서 모노폴에 삽입된 슬롯의 폭 wps의 변화에 따른 입력 반사계수의 영향을 보여준다. 그림 5(a)에서 보는 바와 같이 슬롯의 폭도 마찬가지로 고주파 대역에 미치는 영향은 적다. 저주파 대역에서는 슬롯의 폭 wps가 증가할수록 첫 번째 주파수 대역의 시작 주파수는 약간 낮은 주파수로 이동하고 두 번째 주파수 대역의 시작 주파수는 높은 주파수로 이동함을 알 수 있다. 이득은 두 주파수 대역에서 대역폭만 다를 뿐 큰 변화가 없다.

    그림 6에는 표 1에 나타나 있는 설계 변수로 최적화된 안테나의 2.45 GHz, 4 GHz 및 8 GHz에서의 복사패턴이 나타나 있다. 2.45 GHz에서는 전방향성 (omnidirectional) 복사패턴과 유사하며, 최대 복사방향은 모노폴에 삽입된 슬롯의 반대방향(-x축 방향)이 되고 최대값은 1.44 dBi이다. 4 GHz에서는 ±z축 방향으로 지향성을 가지게 되고 최대값은 2.31 dBi이다. 8 GHz에서는 모노폴의 길이가 파장보다 길어져서 복사패턴이 바뀌게 되고 최대값은 2.61 dBi이다.

    III. 안테나 제작 및 실험 결과

    제안된 설계 방법을 검증하기 위하여 FR4 기판 (r = 4.4, 두께 = 1.6 mm, loss tangent = 0.025)을 이용하여 이중 대역 모노폴 안테나를 제작하였다. 그림 7의 제작된 안테나의 크기는 30 mm × 30.5 mm이다.

    그림 8은 제작된 안테나의 입력 반사계수를 시뮬레이션 결과와 비교하고 있다. 제작된 안테나의 입력 반사 계수는 회로망분석기 (Agilent사 N5230A)를 이용하여 측정하였다. VSWR < 2인 임피던스 대역폭은 시뮬레이션 결과 두 주파수 대역에 대해서 각각 2.38−2.50 GHz와 2.97−11.34 GHz이고, 측정결과는 각각 2.35−2.50GHz와 2.99−11.82 GHz이다. 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 잘 일치함을 알 수 있다.

    그림 9는 제작된 안테나의 이득이 나타나 있다. 이득은 전파무반향실에서 측정되었으며, 측정 이득은 2.45 GHz에서 1 dBi이고 3.1−10.6 GHz 대역에서 1.5−4.6dBi로 시뮬레이션 결과와 유사함을 알 수 있다.

    2.45 GHz와 4 GHz, 8 GHz에서 제안된 안테나의 E-면과 H-면 복사 패턴에 대한 복사패턴을 전파무반사실에 측정하였고 그림 10에 나타내었다. 측정된 복사패턴이 시뮬레이션 결과와 유사함을 알 수 있다.

    IV. 결 론

    본 논문에서는 2.45 GHz 무선 랜과 UWB 대역에서 동작하는 이중 대역 모노폴 안테나에 대한 설계 방법을 연구하였다. UWB 대역에서 동작하는 모노폴 안테나는 안테나의 크기를 줄이기 위해 모노폴 상단에 스터브 패치를 추가하였고 4.4−5.5 GHz 대역에서 임피던스 정합을 개선하기 위해 접지면에 슬롯을 삽입하였다. 2.45 GHz 무선 랜 대역에 동작할 수 있도록 모노폴 상단에 슬롯을 삽입하였다.

    최적화된 이중 대역 모노폴 안테나를 FR4 기판 상에 제작하고 특성을 실험한 결과 VSWR < 2인 대역이 2.35−2.50 GHz와 2.99−11.82 GHz로 무선 랜과 UWB대역에서 이중 대역 특성을 갖는 것을 확인하였다. 이득은 2.45 GH에서 1 dBi이고 3.1−10.6 GHz 대역에서 1.5−4.6 dBi로 측정되었다.

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  • [그림 1.] 제안된 안테나 구조: (a) 전면, (b) 후면
    제안된 안테나 구조: (a) 전면, (b) 후면
  • [표 1.] 최적화된 이중 대역 모노폴 안테나의 설계 변수
    최적화된 이중 대역 모노폴 안테나의 설계 변수
  • [그림 2.] 제안된 이중 대역 안테나의 설계 절차: (a) 기준 모노 폴 안테나, (b) 접지면에 슬롯이 추가된 안테나, (c) 접지면과 모노롤에 슬롯이 추가된 안테나
    제안된 이중 대역 안테나의 설계 절차: (a) 기준 모노 폴 안테나, (b) 접지면에 슬롯이 추가된 안테나, (c) 접지면과 모노롤에 슬롯이 추가된 안테나
  • [그림 3.] 그림 2의 안테나들의 입력 반사계수와 이득: (a) 입력 반사계수, (b) 이득
    그림 2의 안테나들의 입력 반사계수와 이득: (a) 입력 반사계수, (b) 이득
  • [그림 4.] 모노폴에 삽입된 슬롯의 길이 lps에 따른 입력 반사계 수 변화: (a) 2?4 GHz, (b) 4?12 GHz
    모노폴에 삽입된 슬롯의 길이 lps에 따른 입력 반사계 수 변화: (a) 2?4 GHz, (b) 4?12 GHz
  • [그림 5.] 모노폴에 삽입된 슬롯의 폭 wps에 따른 입력 반사계 수 변화: (a) 2?4 GHz, (b) 4?12 GHz
    모노폴에 삽입된 슬롯의 폭 wps에 따른 입력 반사계 수 변화: (a) 2?4 GHz, (b) 4?12 GHz
  • [그림 6.] 최적화된 안테나의 복사패턴: (a) 2.45 GHz, (b) 4 GHz, (c) 8 GHz
    최적화된 안테나의 복사패턴: (a) 2.45 GHz, (b) 4 GHz, (c) 8 GHz
  • [그림 7.] 제작된 안테나 사진
    제작된 안테나 사진
  • [그림 8.] 제작된 안테나의 입력 반수계수
    제작된 안테나의 입력 반수계수
  • [그림 9.] 제작된 안테나의 이득
    제작된 안테나의 이득
  • [그림 10.] 제작된 안테나의 복사패턴: (a) 2.45 GHz, (b) 4 GHz, (c) 8 GHz
    제작된 안테나의 복사패턴: (a) 2.45 GHz, (b) 4 GHz, (c) 8 GHz