분할 링 공진기를 이용한 소형 CPW급전 슬롯 안테나 설계

Design of Compact CPW-fed Slot Antenna Using Split-Ring Resonators

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  • ABSTRACT

    본 논문에서는 분할 링 공진기(SRR; split-ring resonator)를 이용한 소형 코플래너 도파관(CPW; coplanar waveguide)급전 슬롯 안테나에 대한 설계 방법을 연구하였다. 제안된 슬롯 안테나는 슬롯의 길이를 줄이기 위해 사각형 모양의 SRR 도체가 슬롯 내에 장하되었다. SRR 도체와 슬롯 사이의 간격, SRR 도체의 폭의 변화에 따른 입력 전압 정재파비(VSWR; voltage standing wave) 특성을 분석하여 최적의 설계 변수를 도출하였다. 2.45 GHz 대역에서 최적화된 소형 슬롯 안테나를 FR4 기판 상에 36mm × 30mm 크기로 제작하였다. 제안된 소형 슬롯 안테나의 길이는 기존의 사각형 슬롯 안테나에 비해 14.3% 줄어들었다. 실험 결과, VSWR < 2인 대역이 2.4-2.49 GHz으로 2.45 GHz 대역에서 동작하는 것을 확인하였고, 2.45 GHz에서 이득은 2.3 dBi로 측정되었다.


    In this paper, a design method for a compact CPW-fed slot antenna using SRRs is studied. The structure of the proposed slot antenna is a rectangular slot antenna loaded with SRR conductors inside the slot to reduce the antenna size. Optimal design parameters are obtained by analyzing the effects of the gap between the SRR conductors and slot, and the width of the SRR conductors on the input VSWR characteristic. The optimized compact slot antenna operating at 2.45 GHz band is fabricated on an FR4 substrate with a dimension of 36 mm by 30 mm. The length of the proposed compact slot antenna is reduced to 14.3% compared to that of a conventional rectangular slot antenna. Experiment results show that the antenna has a desired impedance characteristic with a frequency band of 2.4-2.49 GHz for a VSWR < 2, and measured gain of 2.3 dBi at 2.45 GHz.

  • KEYWORD

    슬롯 안테나 , 소형 안테나 , 분할 링 공진기(SRR) , CPW급전 , 용량성

  • I. 서 론

    최근 무선통신기술의 발달과 스마트폰과 같은 개인 휴대용 기기의 보급로 인하여 PCB기판 상에 인쇄기법으로 제작이 가능한 평면 인쇄형 안테나에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 개인 휴대 단말기의 소형화 및 집적화에 따라 평면형 안테나 역시 소형, 경량, 다기능 등이 요구되고 있다[1].

    평면 인쇄형 안테나 중에서 모노폴과 다이폴 구조를 이용한 안테나가 가장 널리 사용되고 있다. 또한, 다이폴과 쌍대적 구조를 가진 슬롯 안테나도 많이 연구되고 있다. 평면 슬롯 안테나는 유전체 기판의 한쪽 면에 있는 얇은 도체 면에 슬롯을 에칭 등의 방법을 이용하여 삽입하고 이 슬롯이 공진을 일으키도록 한다. 평면 슬롯 안테나를 급전하는 방법은 크게 급전 선로의 종류에 따라 마이크로스트립(MS; microstrip) 선로와 CPW 선로에 의한 급전 방법으로 나눌 수 있다[2].

    MS 선로 급전 방법은 급전 선로가 슬롯이 있는 면의 반대 면에 위치하며 선로 종단의 위치에 의해 임피던스 정합을 시킬 수 있다.

    CPW 선로 급전 방법은 크게 유도성(inductive) 급전과 용량성(capacitive) 급전으로 나눌 수 있다. 용량성 급전의 경우 슬롯의 길이가 공진주파수의 관내파장(λg/2)의 반일 때 공진이 발생하여 유도성 급전에 비해 상대적으로 안테나의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다[3].

    슬롯 안테나의 소형화를 위해서는 일반적으로 폭이 좁은 슬롯 구조를 이용하여 슬롯을 접거나 슬롯의 양쪽끝에 폭이 다른 슬롯을 추가한다[4-6]. 최근에는 MS 선로로 급전되는 슬롯 내에 C-모양의 도체 링을 삽입하는 방법과 SRR 도체를 슬롯이 있는 유전체 기판의 반대면에 추가하는 방법이 제안되었다[7-8].

    본 논문에서는 SRR 도체를 이용한 소형 CPW급전 슬롯 안테나에 대한 설계 방법을 연구하였다. 슬롯의 길이를 줄이기 위해 사각형 모양의 SRR 도체를 슬롯내에 삽입하였다. 최적의 설계 변수를 도출하기 위하여, SRR 도체와 슬롯 사이의 간격, SRR 도체의 폭의 변화에 따른 입력 VSWR 특성을 분석하였다. 상용 툴인 CST사의 Microwave Studio(MWS)를 이용하여 안테나의 특성을 시뮬레이션하고 설계 변수를 2.45 GHz 대역(2.4 - 2.485 GHz)에서 동작하도록 최적화하였다. 최적화된 소형 슬롯 안테나를 FR4 기판(비유전율 4.4, 두께 0.8mm) 상에 제작하여 특성을 확인하였다.

    II. 소형 슬롯 안테나의 구조 및 설계

    기존의 CPW 급전 사각형 슬롯 안테나와 제안된 소형 슬롯 안테나의 구조가 그림 1에 나타나 있다. 사각형 슬롯 안테나는 사각형 슬롯, CPW 급전 선로, T형 스터브(stub)로 구성되며, 제안된 안테나는 소형화를 위해 SRR 도체가 추가되었다.

    사각형 슬롯은 CPW 선로로 급전되며, 임피던스 정합을 위해 T형 스터브가 추가되었다. 기판의 한 면에 CPW 선로, T형 스터브, 사각형 슬롯, SRR 도체가 인쇄되어 있다. SRR 도체는 CPW 선로를 중심으로 대칭되게 양쪽에 삽입되어 있다.

    안테나의 길이와 폭은 LW이고, 유전율이 4.4이고 두께 (h)가 0.8 mm인 FR4 기판을 사용하였다. 사각형 슬롯의 길이는 ls이고 폭은 ws이다. CPW 급전선의 신호선의 폭은 wf이고 신호선과 접지면 사이의 간격은 gf이며, 입력 임피던스 50 Ω과 정합되도록 설계하였다. CPW 급전선의 길이는 lf이다. T형 스터브는 안테나 중심에서 사각형 슬롯의 위쪽 면으로부터 gt만큼 떨어져 있고 폭은 wt이고 길이는 lt이다. SRR 도체와 사각형 슬롯 사이의 간격은 gd1이고, SRR 도체의 폭은 wsrr이다. SRR 도체와 T형 스터브 사이의 간격은 gd2이다. SRR 도체의 분할 간격은 gs이다. 표 12에는 사각형 슬롯 안테나와 제안된 소형 슬롯 안테나의 최적화된 설계 변수들이 각각 제시되어 있다. 2.45 GHz 대역(2.4−2.485 GHz)에서 VSWR < 2로 동작하도록 설계변수를 조정하여 최적화하였다.

    CPW 급전 선로의 신호선의 폭과 신호선과 접지면 사이의 간격은 FR4 기판의 비유전율과 두께를 고려하여 설계하였다. 계산된 값은 각각 wf = 3 mm, gf = 0.3 mm이다[2].

    그림 1에서 제안된 소형 슬롯 안테나의 특성에 영향을 미치는 구조는 SRR 도체와 T형 스터브이다. SRR 도체의 크기는 SRR 도체와 사각형 슬롯 사이의 간격 gd1, SRR 도체의 폭 wsrr, SRR 도체와 T형 스터브 사이의 간격 gd2, SRR 도체의 분할 간격 gs에 의해 결정된다. T형 스터브는 사각형 슬롯의 위쪽 면과의 간격 gt, 폭 wt, 길이 lt에 의해 결정된다. 이들 설계 변수가 입력 VSWR과 이득과 같은 안테나 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 이들 설계 변수에 따른 특성 변화를 분석하였다.

    그림 2는 SRR 도체와 사각형 슬롯 사이의 간격 gd1에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화를 나타내고 있다. 다른 설계변수는 표 1의 값과 동일하다.

    간격 gd1이 0.2 mm에서 0.4 mm로 증가함에 따라 VSWR < 2인 주파수 대역이 높은 주파수로 이동한다. 이 때 VSWR < 2인 주파수 대역폭은 0.2 mm일 때 3.1%(2.22−2.29 GHz)에서 0.4 mm일 때 4.7%(2.51−2.63 GHz)로 증가한다. 또한 대역 내에서 최대 이득도 0.2 mm일 때 1.5 dBi에서 0.4 mm일 때 2.7 dBi로 증가함을 알 수 있다. 이것은 gd1이 증가함에 따라 SRR 도체의 크기가 줄어들고 슬롯과의 상호결합이 줄어들기 때문이다. SRR 도체와 T형 스터브 사이의 간격 gd2에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화가 그림 3에 나타나 있다. 간격 gd2가 0.3 mm에서 2.3 mm로 증가함에 따라 VSWR < 2인 주파수 대역이 높은 주파수로 이동한다. 이 때 VSWR < 2인 주파수 대역폭은 0.3 mm일 때 4.1%(2.40−2.50 GHz)에서 2.3 mm일 때 5.0%(2.52−2.65 GHz)로 증가한다. 또한 대역 내에서 최대 이득도 0.3 mm일 때 2.4 dBi에서 2.3 mm일 때 2.6 dBi로 조금 증가함을 알 수 있다.

    그림 4는 SRR 도체의 분할 간격 gs에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화를 나타내고 있다. 간격 gs가 0.1 mm에서 0.5 mm로 증가함에 따라 VSWR < 2인 주파수 대역이 높은 주파수로 조금 이동한다. 이 때 VSWR < 2인 주파수 대역폭은 0.1 mm일 때 3.7%(2.38−2.47 GHz)에서 0.5 mm일 때 4.1%(2.41−2.51 GHz)로 증가한다. 그러나 0.3 mm일 때와 0.5 mm일 때의 대역폭은 4.1%로 동일하다. 대역 내에서 최대 이득은 0.1 mm일 때 2.3 dBi에서 0.5 mm일 때 2.4 dBi로 약간 증가함을 알 수 있다.

    SRR 도체의 폭 wsrr에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화가 그림 5에 나타나 있다. 폭 wsrr이 0.2 mm에서 0.4 mm로 증가함에 따라 VSWR < 2인 주파수 대역이 높은 주파수로 이동한다. 이 때 VSWR < 2인 주파수 대역폭은 0.2 mm일 때 4.1%(2.37−2.47 GHz)에서 0.4 mm일 때 4.4%(2.43−2.54 GHz)로 약간 증가한다. 또한 대역내에서 최대 이득도 0.2 mm일 때 2.3 dBi에서 0.4 mm 일 때 2.5 dBi로 조금 증가함을 알 수 있다.

    그림 6은 T형 스터브와 사각형 슬롯의 위쪽 면과의 간격 gt에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화를 나타내고 있다. 간격 gt가 0.3 mm에서 0.7 mm로 증가함에 따라 VSWR < 2인 주파수 대역이 높은 주파수로 이동한다. 이 때 VSWR < 2인 주파수 대역폭은 0.3 mm일 때 3.7%(2.37−2.46 GHz)에서 0.5 mm일 때 4.1%(2.40−2.50 GHz)로 증가하다가 0.7 mm일 때 3.2%(2.43−2.51 GHz)로 감소한다. 대역 내에서 최대 이득도 0.3 mm일 때 2.1 dBi에서 0.5 mm일 때 2.4 dBi로 증가하다가 0.7 mm일 때 2.3 dBi로 감소함을 알 수 있다.

    그림 2부터 6까지의 시뮬레이션 결과로부터 2.45 GHz 대역에서 동작하는 최적화된 소형 슬롯 안테나의 설계 변수들을 도출하고 그 값들을 표 2에 제시하였다. VSWR < 2인 주파수 대역은 2.40−2.50 GHz(대역폭 100 MHz; 약 4.1%)이고, 대역 내에서 최대 이득은 2.4 dBi이다.

    그림 7에는 최적화된 안테나의 2.45 GHz에서의 복사패턴이 나타나 있다.

    슬롯면(x-y면)에 수직한 방향(±z 방향)으로 최대 복사하는 전형적인 슬롯 안테나의 방사패턴을 가진다.

    그림 8에는 2.45 GHz에서의 표면 전류 분포가 나타나 있다. SRR 도체를 슬롯 안에 삽입함에 따라 SRR 도체에 슬롯 바깥으로 흐르는 전류와 동위상을 가지는 전류가 흐르게 된다. 이 동위상의 전류는 슬롯 내의 자속을 증가시키고 슬롯 안테나의 공진 주파수가 낮은 주파수로 이동하게 되어 안테나를 소형화시킬 수 있다.

    III. 안테나 제작 및 실험 결과

    시뮬레이션 결과를 검증하기 위하여 FR4 기판(비유전율 = 4.4, 두께 = 0.8 mm, loss tangent = 0.025)을 이용하여 그림 9와 같이 기존의 사각형 슬롯 안테나와 제안된 소형 안테나를 제작하였다. 제작된 사각형 슬롯 안테나의 크기는 42 mm (L) × 30 mm (W)이고, 제안된 안테나의 크기는 36 mm (L) × 30 mm (W)이며, SMA 컨넥터로 급전되었다.

    제작된 안테나의 입력 VSWR은 네트워크분석기(Agilent사 N5230A)를 이용하여 측정하였고, 결과는 그림 10에 나타나 있다. 사각형 슬롯 안테나의 경우, 시뮬레이션 결과 VSWR < 2 이하인 대역이 2.36−2.54 GHz(7.4%)이며, 측정 결과는 2.36−2.53 GHz(7.0%)이다. 제안된 소형 안테나의 경우, 시뮬레이션 결과 VSWR < 2 이하인 대역이 2.40−2.50 GHz(4.1%)이며, 측정 결과는 2.40−2.49 GHz(3.7%)이다. 제작된 안테나의 이득은 전파무반향실에서 측정되었으며, 사각형 슬롯 안테나의 경우 측정 이득은 2.45 GHz에서 2.8 dBi이다. 제안된 소형 안테나의 경우 측정 이득은 2.3 dBi이다. 제안된 소형 안테나는 주파수 대역폭과 이득이 기존의 사각형 슬롯 안테나에 비해 줄어들었으나 안테나의 길이를 14.3%로 줄여 소형화할 수 있다. 실제 슬롯의 길이는 37.65 mm에서 31.4 mm로 16.6% 줄었다.

    그림 11은 2.45 GHz에서 제작된 소형 안테나의 E-면(y-z면)과 H-면(z-x면) 복사 패턴에 대한 측정 결과이며, 시뮬레이션 결과와 유사함을 알 수 있다.

    IV. 결 론

    본 논문에서는 SRR 도체를 이용한 소형 CPW급전 슬롯 안테나에 대한 설계 방법을 연구하였다. 슬롯의 길이를 줄이기 위해 사각형 모양의 SRR 도체를 슬롯내에 삽입하였다. 2.45 GHz 대역에서 최적의 설계 변수를 도출하기 위하여, SRR 도체와 슬롯 사이의 간격, SRR 도체의 폭 등의 변화에 따른 입력 VSWR 특성을 분석하였다.

    최적화된 소형 슬롯 안테나를 FR4 기판 상에 제작하고 특성을 실험한 결과 VSWR < 2인 대역이 2.40−2.49 GHz(3.7%)로 2.45 GHz 대역에서 동작하는 것을 확인하였고 방사패턴도 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 확인하였다. 제안된 소형 슬롯 안테나의 길이는 기존의 사각형 슬롯 안테나에 비해 14.3% 줄어들었다. 이득은 2.45 GHz에서 2.3 dBi로 측정되었다.

    제안된 안테나는 무선 랜, RFID, 렉테나 등의 응용 분야의 휴대단말기에 적용할 수 있는 소형 안테나로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

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  • [그림 1.] 슬롯 안테나 구조 (a) 기존의 사각형 슬롯 안테나 (b) 제안된 소형 슬롯 안테나
    슬롯 안테나 구조 (a) 기존의 사각형 슬롯 안테나 (b) 제안된 소형 슬롯 안테나
  • [표 1.] 최적화된 사각형 슬롯 안테나의 설계 변수
    최적화된 사각형 슬롯 안테나의 설계 변수
  • [표 2.] 최적화된 소형 슬롯 안테나의 설계 변수
    최적화된 소형 슬롯 안테나의 설계 변수
  • [그림 2.] SRR 도체와 사각형 슬롯 사이의 간격 gd1에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화 (a) VSWR (b) 이득
    SRR 도체와 사각형 슬롯 사이의 간격 gd1에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화 (a) VSWR (b) 이득
  • [그림 3.] SRR 도체와 T형 스터브 사이의 간격 gd2에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화 (a) VSWR (b) 이득
    SRR 도체와 T형 스터브 사이의 간격 gd2에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화 (a) VSWR (b) 이득
  • [그림 4.] SRR 도체의 분할 간격 gs에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화 (a) VSWR (b) 이득
    SRR 도체의 분할 간격 gs에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화 (a) VSWR (b) 이득
  • [그림 5.] SRR 도체의 폭 wsrr에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화 (a) VSWR (b) 이득
    SRR 도체의 폭 wsrr에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화 (a) VSWR (b) 이득
  • [그림 6.] T형 스터브와 사각형 슬롯의 위쪽 면과의 간격 gt에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화 (a) VSWR (b) 이득
    T형 스터브와 사각형 슬롯의 위쪽 면과의 간격 gt에 따른 입력 VSWR 및 이득의 변화 (a) VSWR (b) 이득
  • [그림 7.] 최적화된 안테나의 복사패턴 (2.45 GHz)
    최적화된 안테나의 복사패턴 (2.45 GHz)
  • [그림 8.] 최적화된 안테나의 표면 전류 분포 (2.45 GHz)
    최적화된 안테나의 표면 전류 분포 (2.45 GHz)
  • [그림 9.] 제작된 안테나 사진 (a) 사각형 슬롯 안테나 (b) 제안된 소형 안테나
    제작된 안테나 사진 (a) 사각형 슬롯 안테나 (b) 제안된 소형 안테나
  • [그림 10.] 제작된 안테나의 입력 VSWR
    제작된 안테나의 입력 VSWR
  • [그림 11.] 제작된 안테나의 복사패턴 (2.45 GHz)
    제작된 안테나의 복사패턴 (2.45 GHz)