O-slot UWB 마이크로스트립 패치안테나 연구

Study on O-slot UWB Microstrip patch antenna

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  • ABSTRACT

    본 논문에서는 O형 슬롯을 가진 계단 구조의 UWB 마이크로스트립 패치안테나를 제안하고 안테나의 특성을 분석하였다. 안테나의 특성 개선을 위하여 방사소자인 패치면의 크기, O형 슬롯의 반지름 변화, 급전선의 폭과, 사각 슬롯의 폭을 CST 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 최적화 하였다. 제안된 안테나는 2.8GHz ~ 11.4GHz 주파수 대역에서 최소 반사손실은 약 -32.39dB 그리고 -10dB 대역폭은 8.6GHz의 대역폭을 특성을 나타냈다.


    In this paper, We proposed a UWB microstrip patch antenna with an O-shaped slot of the step structure and analyzed the characteristics of the antenna. In order to improve of frequency properties, size of the patch radiating element, radius change of the O-shaped slot, width of the feed line and a rectangular slot were optimized by CST simulation program. The proposed antenna showed that the 2.8GHz ~ 11.4GHz frequency, the minimum return loss and -10dB bandwidth were -32.39dB and 8.6GHz, respectively.

  • KEYWORD

    울트라와이드밴드 , 패치 , 마이크로스트립 , 슬롯 , 안테나

  • Ⅰ. 서 론

    무선통신에서 주파수 자원의 효율적인 사용을 위해 기존의 시스템과 상호 간섭 없이 주파수를 공유할 수 있는 무선기술에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히, UWB 기술은 기존의 무선 시스템과 비교하여 매 우 넓은 대역폭에 걸쳐 상대적으로 매우 낮은 스펙트럼 전력 밀도가 분포함으로서 허가 없이 사용이 가능한 무선 기술로 저 비용으로 낮은 소비전력의 근거리 범용 무선기술로 광범위하게 이용되고 있다[1].

    2002년 미 연방통신위원회(FCC)는 UWB 시스템을 중심 주파수의 20% 이상의 부분 대역폭 혹은 500 MHz 이상의 대역폭을 갖는 시스템으로 정의하고 있다[2]. 대역폭의 상한 주파수와 하한 주파수도 -10 dB 지점으로 제한하고 있으며, 보안성이 우수하여 근거리 고속데이터 통신을 할 수 있다. UWB 시스템에 있어서 안테나는 매우 중요한 요소로 소형, 평면구조, 저비용, 신뢰성이 요구되고 있다[3]. UWB에 사용되는 안테나는 사각형, 원형, 타원형, EBG(Eltromagnetic Band-Gap)[4], 멀티레이어[5], 슬롯형[6, 7], 다이아몬드형[8], U-T형[9], 이나 CPW(Coplanner waveguide)[10] 피드 형태 등 다양한 안테나가 연구되고 있다[11].

    이러한 시스템에서 사용될 안테나는 UWB 시스템에서 요구하는 대역폭과 군 지연 특성 등의 성능을 만 족시키기 위해 가볍고 저가의 안테나 제작에 대한 연구가 진행되고 있다. 따라서 본 논문에서는 3.1GHz ~ 10.6GHz 이상의 주파수의 대역폭에서 –10dB 이하의 입력 반사손실을 만족 하도록 O-slot구조의 마이크로 스트립 패치 안테나를 CST(Computer Simulation Technology) 소프트웨어를 이용하여 설계하고 최적화 하였다. 이와 같이 최적화된 안테나는 높은 이득과, 넓은 대역폭, 우수한 방사특성을 갖는 안테나를 설계하였다.

    Ⅱ. 안테나의 구조 및 설계

    본 논문에서 안테나 설계는 두 개의 파트로 구분하여 설계 하였다. 첫 번째는 그림 1과 같이 UWB 대역을 만족하는 마이크로스트립 안테나로서 대역폭은 3.1GHz ~ 10.6GHz에서 -10dB를 만족하는 스텝구조 형태의 사각형 마이크로 스트립 패치 안테나를 설계하였다. 두번째로는 패치 면에 그림 2와 같이 O형의 슬롯을 만들어 접지면의 크기를 고정하고 특성변화에 영향을 미치는 주요 파라미터인 패치면의 폭, 슬롯의 폭과 반지름, 급전선 홈의 길이를 변화에 따른 안테나의 특성변화를 관찰하여 최적화 하였다. 정재파비는 안테나의 최소 요구치인 VSWR 2이하 특성을 만족하여야 한다. 패치에 전원을 공급하기 위하여 마지막 스텝의 하단부에 마이크로스트립 라인을 연결하는 직접 급전방식으로 설계하였다. 기판은 유전율 4.4인 FR-4 재질의 1.6mm 두께로 설계하였다.

    Ⅲ. 안테나 시뮬레이션

    본 연구에서는 스텝 형 사각구조에 O형의 슬롯이 삽입된 마이크로스트립 패치 안테나로 UWB 주파수 대역의 안테나를 시뮬레이션하고 그 특성을 비교 분석하였다. 패치면의 폭(Wp)과 사각 슬롯의 폭(We)과 원형 슬롯의 반지름(R), 피드라인 홈의 길이(Lb)에 대한 안테나의 특성을 연구하였다.

       3.1. 패치면의 폭(Wp)과 안테나 특성

    Table 1과 같이 패치면의 폭을 제외한 파라미터 값을 고정하고 패치면의 폭 Wp를 18~22mm로 변화시켜서 시뮬레이션 한 결과 입력 반사손실이 –17dB이하 이면서 가장 넓은 UWB 주파수 대역폭을 만족하는 21mm를 선택하였다.

    폭이 가장 작은 18mm에서는 7.33GHz에서 입력 반사손실이 약 –12dB로 나타났으며 폭이 넓은 22mm 경우는 11.15GHz대역에서 반사손실이 –10dB로 나타났다. 그림 3에서 Wp크기 변화에 따른 입력 반사손실과 대역폭을 나타낸다.

       3.2. 사각 슬롯의 폭(We)과 안테나특성

    사각 슬롯의 폭 We를 각각 1mm ~ 5mm까지 1mm단위로 변화 시킬 때 그림과 같이 1mm에서 최대 –32.24dB, 5mm에서는 –29.56dB로 약2.68dB 정도의 차이가 발생하였으며 슬롯의 폭 크기는 안테나의 특성변화에 큰 영향이 없었다. 그러나 최적의 폭을 선택하기 위해 폭의 크기를 1mm로 선택하였다. 그림 4에서는 We 폭 변화에 따른 입력 반사손실과 주파수 특성변화를 나타낸다.

       3.3. O형 슬롯의 반지름 (R)과 안테나 특성

    O형 슬롯의 반지름 R을 3mm ~ 7mm로 변화시켜 특성변화를 살펴보았다. 반지름이 5mm일 경우 입력 반사손실은 4.52GHz에서 –54dB, 6.25GHz에서 –30dB, 8.20GHz에서는 –32.30dB로 우수한 특성을 나타나고 있으나 6.26GHz에서는 –15.11dB로 반지름이 4mm일 때 보다 3.17dB정도의 차이를 나타냈다. 따라서 특정 주파수에서의 입력 반사손실이 좋은 특성보다는 UWB모든 대역에서 특성이 우수한 R=4mm를 선택하였다. 그림 5는 반지름 크기 변화에 따른 특성을 나타낸다.

       3.4. 피드라인 홈의 길이(Lb)와 안테나 특성

    피드라인 홈의 길이 Lb를 0.7mm ~ 4.7mm로 변화시킬 때 입력 반사손실과 주파수 대역폭 변화를 나타냈다. 길이가 0.7mm일 때 입력 반사손실은 4.68GHz에서 약 –33.32dB, 7.73GHz에서 –36.54dB로 매우 양호한 특성을 나타내고 있다. 그러나 Lb의 길이가 점점 길어져 3.7mm가 되었을 경우에는 약 9GHz 대역에서 –9dB 정도로 입력 반사손실 특성이 급격히 나빠지는 것을 알수 있다. 따라서 UWB의 모든 주파수에서 특성이 가장 우수한 홈의 길이를 1.7mm로 선택하였다. 그림6 에서는 Lb의 길이 변화에 따른 입력반사 손실과 주파수 특성 변화를 나타낸다.

    Ⅳ. 결 과

    시뮬레이션 결과를 바탕으로 최종적인 안테나의 특성중 반사계수(S11) 결과는 그림 7(a)와 같다. -10dB 기준 동작 주파수는 2.80GHz ~11.76 GHz 이며, 대역폭은 8.95GHz이다. 입력반사손실의 경우 중심주파수 4.65GHz, 7.73GHz, 9.64GHz 에서 각각 -33.32dB, -36.25dB, -26.11dB로 나타났다. 그림 7 (b)에서는 VSWR=1을 중심으로 주파수에 따른 임피던스 궤적을 나타내고 있다.

    그림 8에서는 VSWR(Votage Wave standing Ratio) 시뮬레이션 결과로 2.80GHz ~11.76 GHz에서 VSWR < 2를 만족하며, 특히 3.1 GHz ~ 10.6GHz대역에서는 VSWR < 1.5로 매우 우수한 특성을 나타냈다.

    그림 9는 안테나의 E-면과 H-면에 대한 복사패턴의 시뮬레이션 결과로 3,4,5,6,7,8,9GHz에서 결과이다. E-면의 3dB 빔폭은 각각 96.4도, 100.9도, 98.5도, 63.9도, 80.9도, 81.2도, 82.2도를 나타냈다. 또한 H-면의 3dB 빔폭은 3,4,5,6,7,8,9GHz에서 각각 190도, 337도, 329도121도, 56.2도, 49.8도, 47.2도를 나타냈다. 또한 주엽의 크기와 지향성 등을 나타내고 있으며 안테나의 이득은 3GHz ~ 8GHz에서 각각 1.34dBi ~ 4.53dBi를 나타냈다. 그림 10에서는 3, 5, 7, 9GHZ에서 3D 복사 패턴으로 이득은 각각 3.03, 2.65, 3.11, 5.1dBi를 나타내고 있다.

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  • [그림 1.] 스텝 형 마이크로스트립 패치 안테나
    스텝 형 마이크로스트립 패치 안테나
  • [그림 2.] 제안된 마이크로스트립 패치 안테나
    제안된 마이크로스트립 패치 안테나
  • [표 1.] 안테나의 파라미터
    안테나의 파라미터
  • [그림 3.] 패치면 폭 Wp 변화에 따른 특성변화
    패치면 폭 Wp 변화에 따른 특성변화
  • [그림 4.] 사각 슬롯 폭 We 변화와 입력반사손실
    사각 슬롯 폭 We 변화와 입력반사손실
  • [그림 5.] O형 슬롯의 반지름 R의 크기와 특성변화
    O형 슬롯의 반지름 R의 크기와 특성변화
  • [그림 6.] 피드라인 홈의 길이 Lb 변화와 특성변화
    피드라인 홈의 길이 Lb 변화와 특성변화
  • [그림 7.] 제안된 안테나의 시뮬레이션 결과 (a) S11 파라미터(b) 스미스챠드
    제안된 안테나의 시뮬레이션 결과 (a) S11 파라미터(b) 스미스챠드
  • [그림 8.] 제안된 안테나의 VSWR
    제안된 안테나의 VSWR
  • [그림 9.] 안테나의 방사패턴 (a) 3GHz (b) 4GHz (c) 5GHz (d) 6GHz (e) 7GHz (f) 8GHz (g) 9GHz
    안테나의 방사패턴 (a) 3GHz (b) 4GHz (c) 5GHz (d) 6GHz (e) 7GHz (f) 8GHz (g) 9GHz
  • [그림 10.] 3D 제안된 안테나의 3D복사패턴 (a) 3GHz (b) 5GHz (c) 7GHz (d) 9GHz
    3D 제안된 안테나의 3D복사패턴 (a) 3GHz (b) 5GHz (c) 7GHz (d) 9GHz