5GHz 대역에서 멀티플 U-슬롯 모양의 마이크로스트립 안테나 구현에
================================================================= 工學碩士學位論文 5GHz 대역에서 멀티플 U-슬롯 모양의 마이크로스트립 안테나 구현에 관한 연구 Fabrication and Analysis of Multiple U-shaped slot Microstrip Antenna in 5GHz band 2005 년 2 월 仁荷大學校 大學院 情報通信工學科 (情報通信工學專攻) 朱 珵 民 ====================================================================== 1 ================================================================= 工學碩士學位論文 5GHz 대역에서 멀티플 U-슬롯 모양의 마이크로스트립 안테나 구현에 관한 연구 Fabrication and Analysis of Multiple U-shaped slot Microstrip Antenna in 5GHz band 2005 년 2 월 指導敎授 郭 慶 燮 이 論文을 工學碩士學位 論文으로 提出함 仁荷大學校 大學院 情報通信工學科 (情報通信工學專攻) 朱 珵 民 ====================================================================== 2 ================================================================= 이 論文을 朱珵民 의 碩士學位 論文으로 認定함 2005 년 2 월 主審: ________________________ 副審: ________________________ 委員: ________________________ ====================================================================== 3 ================================================================= 요 약 마이크로스트립 안테나는 그 구조가 소형, 경량, 두께가 얇고 제작이 용이하여 여러 분야에 널리 사용되고 있다. 또한 곡면에 부착이 가능하고 배열 안테나로 구성하여 원하는 빔폭과 지향성을 얻을 수 있다. 그러나, 대역폭이 본질적으로 좁아 1~5%이고 이득이 낮은 단점이 있다. 본 논문에서는 기존의 연구에서 이루어진 HiperLAN 대역의 무선 LAN 용 U-슬롯 모양의 마이크로스트립 안테나에 IEEE 802.11a, HiperLAN 1/2 및 5GHz 대역의 ISM 밴드의 대역폭 범위까지 다룰 수 있는 안테나를 설계하고, 제작하였다. 기본 U-슬롯 모양의 구조에 세 개의 U-슬롯 모양을 추가하고 동축 급선의 위치를 달리하여 새로운 모델을 제안하였다. 접지면과 기판 사이에 공기층을 삽입하여 VSWR<2.0(5.02-5.955GHz)에서 충분한 대역을 얻을 수 있도록 하였고, 안테나의 이득은 3.88~9.28dBi 를 얻었다. 방사 패턴은 주파수 대역에서 안정된 패턴을 얻었다. ====================================================================== 4 ================================================================= Abstract Microstrip patch antenna provide attractive features due to low-cost, low profile, conformability, reduced weight, and ease of fabrication. On the other hand, microstrip patch antennas suffer mainly from disadvantages due to narrow bandwidth as a 1~5% and low gain. In this paper, antenna results consisting of previous research design, fabricate, and measure to handle from wireless using-LAN U-shaped slot antenna of IEEE 8021.11a and HiperLAN bandwidth to ISM band of HiperLAN 1/2 & 5 GHz bandwidth. We present a new model that structures of basic U-shaped slot add the same thing third and alternation of feed point. After the foam layer is inserted between ground plane and substrate, we get enough bandwidth for VSWR<2.0(5.02-5.955GHz). The antenna gain is 6.27~9.82dBi. The radiation patterns get a stable pattern in frequency bandwidth. ====================================================================== 5 ================================================================= 목 차 요 약. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ⅰ Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ⅱ 목 차 ...................................... ⅲ 그림 및 표 목차. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . ⅳ 제 1 장 서론 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 제 2 장 WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 2.1 ITU 5GHz 대역 주파수 분배. . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2 IEEE 802.11a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.3 HIPERLAN 1/2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 제 3 장 마이크로스트립 패치 안테나. . . . . . . . . . . . . . . 8 3.1 마이크로스트립 패치 안테나의 구조와 특성.. . . . 8 3.2 사각 마이크로스트립 패치 안테나. . . . . . . . . . .13 3.3 슬롯-전송선 모델링 해석. . . . . . . . . . . . . . .16 제 4 장 다중 U-슬롯 마이크로스트림 안테나 . . . . . . .20 4.1 전류분포에 의한 수식 모델. . . . . . . . . . . . . . . . .20 4.2 U-슬롯 안테나 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 제 5 장 시뮬레이션을 통한 최적화. . . . . . . . . . . . . . . . . 27 제 6 장 안테나 실험 결과 및 고찰. . . . . . . . . . . . . . . . . 42 제 7 장 결론 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49 참고문헌 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 ====================================================================== 6 ================================================================= 그림 및 표 목차 그림 목차 그림 3.1 마이크로스트립 패치 안테나의 구조와 동작원리.. . . . . . . . . . .10 그림 3.2 마이크로스트립 선로에 의해 급전되는 사각 마이크로스트립 패치 안테나. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 그림 3.3 구형 마이크로 스트립 안테나의 슬롯-전송선 모델링. . . . . . .18 그림 3.4 마이크로스트립 안테나의 등가회로. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 그림 4.1 U-슬롯 안테나. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 그림 4.2 첫 번째 공진을 일으키는 전류통로길이. . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 그림 4.3 두 번째 공진을 일으키는 전류통로길이. . . . . . . . . . . . . . . . .23 그림 4.4 U-슬롯에 의해 교란된 전류분포. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 그림 5.1 제안된 안테나의 구조. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28 그림 5.2 큰 U-슬롯 모양 너비 X 2 의 변화에 따른 반사 계수. . . . . . . 30 그림 5.3 중간 U-슬롯 모양 너비 X 4 의 변화에 따른 반사 계수. . . . . 32 그림 5.4 중간 U-슬롯 모양 세로 길이 Y3 의 변화에 따른 반사 계수. 34 그림 5.5 가로축 사이 간격 D1 의 변화에 따른 반사 계수. . . . . . . . . . . 36 그림 5.6 동축 급전의 위치 F2 의 변화에 따른 반사 계수. . . . . . . . . . . 38 그림 5.7 공기층의 두께 T1 의 변화에 따른 반사 계수. . . . . . . . . . . . . . 40 ====================================================================== 7 ================================================================= 그림 6.1 실제 제작된 트리플 U-슬롯 모양 마이크로스트립 안테나. . .43 그림 6.2 측정된 반사계수. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44 그림 6.3 측정된 VSWR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45 그림 6.4 측정된 방사 패턴. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 그림 6.5 측정된 이득. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 표 목차 표 2.1 ITU 5 GHz 대역 주파수. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 표 2.2 영국의 5GHz 대역 사용 권고안. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 표 3.1 마이크로스트립 패치 안테나 특성과 파라미터와의 관계. . . . . . .12 표 5.1 최적화된 안테나 파라미터. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 ====================================================================== 8 ================================================================= 제 1 장 서 론 최근에 이동통신과 무선통신의 역할이 위성통신의 더욱 중요하게 급속한 되고 발달로 있다. 정보화 사회에서 음성위주의 협대역 통신으로부터 출발한 무선통신 기술은 이제는 인터넷, 멀티미디어와 같은 광대역 통신으로 빠르게 변화하고 있다. 현재 IMT-2000 과 초고속 이동통신을 이용한 4 세대 이동통신 등 새로운 무선 서비스의 상용화가 현실화되고 있다. 이러한 무선통신의 기반을 형성하는 기술 중에 하나가 바로 안테나 기술이고, 그 성능이 통신의 성능을 좌우할 수 있으므로 그 중요도가 계속 증가하고 있는 추세이다. 한편, 차세대 무선 LAN 기술과 관련하여서는 이미 미국의 표준화기구인 IEEE 에서는 5GHz 대에서 6~54Mbps 의 전송속도를 갖는 OFDM 방식의 IEEE 802.11a 무선 LAN 표준안으로 확정하였고, 유럽의 표준화기구 (ETSI)에서도 이와 유사한 물리계층을 갖는 HIPERLAN/2 를 고속 무선 LAN 의 표준안으로 확정하였으며, 국제 표준화 기구인 ITU-R 에서 광대역 무선 LAN 에 대한 권고안을 작성하였다. HIPERLAN/2 는 기존의 이더넷 기반의 지역망뿐만 아니라 UMTS 망, ATM 망, IP 망 등의 이동 단말과 유선 광대역망과 같은 공중망의 연동 지원이 가능하기 때문에 3 세대 이후의 무선 통신 ====================================================================== 9 ================================================================= 시스템에서 요구되는 2Mbps 이상의 고속 인터넷과 광대역 멀티미디어 서비스에 적합하다고 판단 되어진다[1]. 무선 LAN 용 안테나로서는 기존의 마이크로스트립 안테나가 주로 사용되고 있다[2]-[4]. 마이크로스트립 패치 안테나는 제작이 쉽고, 인쇄 회로 기술로 대량 생산이 가능하며 소형, 경량의 장점이 있는 반면에 주파수 대역폭이 좁고, 안테나 이득이 작으며, 유전체 손실로 효율이 낮다. 마이크로 스트립 안테나의 대역폭을 증가시키기 위해 여러 연구가 진행되었고, 기생 소자를 추가하는 방법인 U-슬롯 안테나는 마이크로스트립 패치 안에 U 자 모양의 슬롯을 삽입함으로 부피를 증가시키지 않으면서 대역폭을 늘릴 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다[5]-[13]. 따라서, 본 논문에서는 기존의 연구에서 이루어진 HiperLAN 대역의 무선 LAN 용 U-슬롯 모양의 안테나에서 HiperLAN 1/2 와 5GHz 대역의 IEEE802.11a 와 ISM 밴드의 대역폭 범위까지를 다룰 수 있도록 U-슬롯 모양에 네 개의 U-슬롯 구조를 추가함으로써 새로운 모양의 안테나를 설계하고, 제작함으로 앞으로 5GHz 대역의 무선 통신 안테나로 이용하고자 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 2 장에서는 본 논문의 초점인 최근의 무선랜 동향을 설명하였고, 3,4 장에서는 기본적인 마이크로스트립 안테나와 U-슬롯 모양의 안테나의 기본 이론과 제안된 안테나의 최적화 과정을 설명하였으며 5 장에서는 제안된 방법이 최적화 된 U-슬롯 모양의 마이크로스트립 안테나의 제작 및 측정 결과에 대해 설명하였다. 마지막으로 6 장에서는 이 논문의 결론을 맺는다. ====================================================================== 10 ================================================================= 제 2 장 WLAN 2.1 ITU 5GHz 대역 주파수 분배 2.2 IEEE 802.11a 2.3 HIPERLAN 1/2 5GHz 대역은 이미 군용, 기상용 레이더 및 무선항행, 표정, 위성 피더링크 전송등을 위해 이미 분배된 대역으로, 이 대역에서 무선 LAN 과 같은 통신 기술이 사용되기 위해서는 각국 현실에 맞는 장비간 공유 가능성 여부 및 기술 기준에 대한 연구가 필요하다. 여기서는 국내외 5GHz 대역의 주파수 이용 현황을 설명하기 위해 현재 ITU 에 분배된 5GHz 대역 주파수 현황과 유럽 및 미국의 5GHz 대역 초고속 무선 접속 기술동향과 분배 현황에 대해 설명한다. 2.1 ITU 5GHz 대역 주파수 분배 표 2.1 에서와 같이 5GHz 대역 5000~5150MHz 대역은 항공무선 항행으로 5150~5250MHz 대역은 항공무선항행 및 고정위성업무로, 5250~5255MHz 대역은 무선표정, 지구탐사위성, 우주연구로 분배되었으며, 나머지 대역도 무선항행, 무선표정 등으로 이미 분배되어 ====================================================================== 11 ================================================================= 있는 상태이다. 특히 국내의 경우는 5650~5725MHz 대역에 국제표준과는 상이하게 방송중계 업무가 할당되어 있기도 하다. 표 2.1 ITU 5GHz 대역 주파수 Table 2.1 ITU 5GHz Band Frequency 주파수(MHz) 5000~5150 할 당 AERONAUTICAL RADIONAVIGATION AERONAUTICAL 5150~5250 EXPLORATION EXPLORATION SATELLITE(active) RADIOLOCATION PACE RESEARCH(active) AERONAUTICAL 5350~5460 SATELLITE(active) RADIOLOCATION SPACE RESEARCH S5.447D EARTH 5255~5350 FIXED SATELLITE(Earth-to-Space) S5.447A EARTH 5250~5255 RADIONAVIGATION RADIONAVIGATION EARTH EXPLORATION SATELLITE(active), Radiolocation 5460~5470 RADIONAVIGATION, Radiolocation 5470~5650 MARITIME RADIONAVIGATION, Radiolocation RADIOLOCATION, Amateur Space research(deep 5650~5725 5725~5830 space) RADIOLOCATION Amateur ====================================================================== 12 ================================================================= 2.2 IEEE 802.11a 미국의 IEEE 802.11 WG 은 1997 년 무선 LAN 에 대한 최초의 표준인 IEEE 802.11 을 완성함으로써 무선 LAN 이용확산을 위한 전기를 마련하였으며, 이후 무선 LAN 의 고속화에 대한 시장의 요구를 반영하여 새로운 물리계층 표준인 IEEE 802.11b 와 IEEE 802.11a 를 추가로 작성하였다. IEEE 802.11 은 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)방식을 기반으로 한 MAC 프로토콜 규격과 2.4GHz 대역에서 1/2Mbps 의 전송속도를 지원하는 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)방식과 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)방식 및 적외선 통신 방식 등 3 가지 종류의 물리계층 규격을 정의하고 있다. CCK(Complementary Code Keying)방식을 기반으로 한 IEEE 802.11b 는 2.4GHz 대역에서 최대 11Mbps 의 전송속도를 지원한다. IEEE 802.11a 는 기존의 2.4GHz 대신 5GHz 대역을 이용하여 최대 54Mbps 의 전송속도를 지원하며, 변조방식으로 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)이 사용된다. IEEE 802.11 MAC 프로토콜은 사용되는 물리계층에 관계없이 적용된다. 현재 IEEE 802.11 (Regulatory WG Domain 에는 TGb-cor1(Corrigendum Update), TGe(MAC MIB), TGd Enhancement), TGf (Inter-Access Point Protocol), TGg(802.11b Data Rate >20Mbits), TGh(Spectrum Managed 802.11a) 및 5GSG(5GHz Globalization Study Group) 등이 구성되어 추가적인 표준화를 진행중이다. 현재 TGa 와 TGb 는 관련 표준화가 완료되었기 때문에 특별한 활동이 없다. ====================================================================== 13 ================================================================= 2.3 HIPERLAN 1/2 HIPERLAN/2 는 HIPERLAN/1 을 보완한 LAN 구역내에서 미래의 멀티미디어 애플리케이션을 지원하며 광대역 코어 네트워크와 포터블 단말(PDA, Handy PC 등)사이를 연결할 수 있는 초고속 무선 LAN 이다. 다음은 HIPERLAN/2 의 주요 특징이다. - 최대 54Mbps 의 Throughput 을 가짐 - Broadband ATM 및 IP 네트워크를 수용 - 50m 에서 150m 커버리지의 실내나 캠퍼스 환경(영국을 중심으로 유럽 여러 국가에서 1~2Km 까지의 옥외 사용에 대해 적극 검토중) - 5GHz 대역의 이용 - LAN 지역내에서 사용자 이동성 지원 특히, 유럽의 영국의 경우는 5GHz 대역의 효율적 활용을 위해 다음과 같이 활용할 것을 권고하고 있다. 영국은 HIPERLAN/2 와 IEEE 802.11a, 대역은 두가지 비허가 표준을 대역으로 모두 채택하고 있으며 5.470~5.725GHz 5.150~5.350GHz 대역은 허가대역으로 권고하고 있다. 또한, 5.725~5.825GHz 대역은 미국 U-NⅡ 대역과 조화를 위해 U-NⅡ 대역의 기술기준을 따르려 하고 있다. ====================================================================== 14 ================================================================= 표 2.2 영국의 5GHz 대역 사용 권고안 Table 2.2 5GHz Band Utilization recommendation of England 대역(MHz) 사용 권고안 - RLAN - Indoor system 5150~5350 - MAX EIRP 200mW - FWA 대역으로는 고려하지 않음 - RLAN - Outdoor & Indoor system 5470~5725 - MAX EIRP 1W - FWA 사용에 대해 고려중 - Short Rang Device - 현재 MAX EIRP 25mW 5725~5875 - 추후 2W~4W 정도의 outdoor system - 사용을 고려중(FWA) ====================================================================== 15 ================================================================= 제 3 장 마이크로스트립 패치 안테나 3.1 마이크로스트립 패치 안테나의 구조와 특성 3.2 사각 마이크로스트립 패치 안테나 3.3 슬롯-전송선 모델링 해석 3.1 마이크로스트립 패치 안테나의 구조와 특성 마이크로스트립 패치(microstrip patch) 안테나는 다른 안테나에 비해 무게가 가볍고 부피가 작으며 평면형 구조에 적합하므로 미사일 및 위성 등에 쉽게 원편파를 부착될 쉽게 수 구현할 있다. 수 또한 있고, 구조를 조금만 변형시킴으로써 안테나를 설계할 때 급전선로와 정합회로를 동시에 구현할 수 있으며, 초고주파회로와 쉽게 연결할 수도 있다. 그러나 대역폭이 좁고 표면파가 발생하며 손실이 크기 때문에 이득이 작고 사용될 수 있는 전력량도 제한적이므로 이러한 단점들을 극복하려는 방법이 다각적으로 연구되고 있다[14]-[16]. ====================================================================== 16 ================================================================= 마이크로스트립 패치 안테나는 방사소자(patch)와 급전선로를 유전체 기판 위에 사진식각(photo etching)기술 등을 이용하여 제작한다. 마이크로스트립 패치 안테나의 기본구조는 그림 3.1 에서 보는 바와 같이 t≪λ의 매우 얇은 동판 사이에 비유전율이 εr 인 기판을 위치시킨 형태로 구성되며, 위 부분의 동판은 패치 및 급전선로가 존재하고 아래 부분의 동판은 접지면이 만들어진다. 패치는 일반적으로 구리와 같은 금속이며 분석을 간단히 하고 성능을 예측하기 위해 적당한 형태의 구조를 사용해야 한다. 이상적으로 기판의 유전율 εr 은 보통 2.2< εr <12 정도로서, 최대의 방사조건을 만족하기위하여 εr <2.5 정도의 낮은 값을 가지는 유전체를 사용하며, 도파로 파(waveguide wave) 등을 발생시키기 위한 조건으로서 4 이상의 높은 유전율을 가지는 기판이 요구된다. 일반적으로 안테나에 사용되는 기판의 비유전율이 작을 수록 효율이 증가하고 대역폭이 증가하며 방사가 잘되는 특성이 있으나 크기가 커지는 단점이 있다. 반면 비유전율이 커지면 크기가 작아지는 장점이 있으나 표면전류가 흐르게 되어 효율이 떨어지고 대역폭이 좁아지게 된다. 그리고 유전체 기판의 두께를 증가시켜 선택도 Q 를 감소시킴으로서 대역폭과 효율을 높일 수 있지만 기판의 두께가 증가할 수록 공급되는 전력의 상당 부분이 표면파(surface wave)가 되고, 이 표면파가 결국 유전체의 구부러진 부분이나 불연속지점에서 산란되므로 전력손실의 원인이 된다. 마이크로스트립 패치 안테나는 일반적인 마이크로웨이브 안테나와 비교하여 많은 장점들을 가지고 있다. 따라서 100 ㎒～100 ㎓의 넓은 주파수 범위에서 여러 가지 응용장치에 이용되고 있다. ====================================================================== 17 ================================================================= (a) (b) 그림 3.1). 마이크로스트립 패치 안테나의 구조와 동작원리 (a) 측면도 (b) 구조와 동작원리 Fig. 3.1). The configuration and operating principle of microstrip patch antenna (a) Side view (b) Architecture and operating principle ====================================================================== 18 ================================================================= 그리고 이중공진형 안테나 등의 방법을 이용하여 대역폭을 60%이상 증가시킬 수 있으며, 낮은 이득과 전력조절제한 및 이득과 방사패턴 등은 배열구조를 적용함으로서 쉽게 해결할 수 있다. 또한 표면파 발생으로 인한 효율저하, 상호결합의 증가는 유전체의 비유전율 조정 및 패치 사이의 간격 등을 조절함으로서 극복될 수 있다[14],[16],[17]. 그림 3.1 은 패치 윗면에 흐르는 전류분포 및 이 전류에 의하여 발생된 전계평면(E-plane) 및 자계평면(H-plane)을 나타내고 있다. 유전체 기판 위에 일정한 크기의 도체를 위치시키고 마이크로스트립 선로나 동축선 등을 이용하여 전력을 공급하면, 도체 윗면에 흐르는 표면전류의 크기는 신호 주파수가 공진점에 근접할 때 최소 저항손실과 최소 전력손실 및 최대 방사를 행하게 된다. 공진 상태에서 전류 형태는 구조물의 공진모드라 불리는 고유함수와 관계 있으며, 공진은 도체의 크기가 공급 신호에 대한 반 파장의 정수 배일 경우 발생한다. 마이크로스트립 공진기는 도체의 길이와 폭의 비에 의하여 분류되며, 폭이 길이에 비해 좁은 공진기일 때 다이폴이라 하고 폭과 길이의 비가 작을 경우 마이크로스트립 패치라 한다. 다이폴과 패치에서 기본모드에 대한 수직축의 전류분포는 비슷하므로 방사패턴과 이득이 유사하지만 입력임피던스와 부엽 및 편파와 같은 다른 특징들은 매우 큰 차이가 있다. 전송선로에서 전자계는 도체의 근처에 집중되어 있으므로 도파로 파만이 공급되며, 도파로 파는 높은 유전율의 얇은 기판에 인쇄함으로서 주로 발생시킬 수 있다. 패치에서는 대부분 방사파가 존재해야 하며 패치 아래의 도파로 파에 의해 에너지가 집중되는 것을 방지해야 한다. 방사파는 기판의 두께가 ====================================================================== 19 ================================================================= 두껍고 낮은 유전율을 가질 때 주로 발생한다. 따라서 패치와 급전선로가 동일 기판 위에 존재할 경우, 전송과 방사 사이에 적절한 타협(trade off)이 결정되어야 한다. 마이크로스트립 패치 안테나 특성과 파라미터와의 관계를 정리하여 표 3.1 에 나타냈다. 표 3.1 마이크로스트립 패치 안테나 특성과 파라미터와의 관계 Table 2.1 Characteristics of microstrip patch antenna versus parameters of the antenna 항 목 기판두께기판의 비유전율패치넓이 높은 방사효율 두꺼움 낮 음 넓 음 낮은 유전체 손실 얇 음 낮 음 - 낮은 도체 손실 두꺼움 - - 광대역 특성(임피던스) 두꺼움 낮 음 넓 음 낮은 표면파 발생 얇 음 낮 음 - 낮은 교차편파 - 낮 음 - 경 량 얇 음 낮 음 - 견고성 두꺼움 낮 음 - 오차에 대한 낮은 특성변화 두꺼움 낮 음 넓 음 ====================================================================== 20 ================================================================= 3.2 사각 마이크로스트립 패치 안테나 마이크로스트립 패치는 정사각형, 직사각형, 원형, 링형, 삼각형, 타원형 등 여러 가지가 있으며, 간단한 기본 형태의 배열이나 결합을 통하여 특별한 용도에 적용할 수도 있다. 이러한 특정 모양의 선택은 대역폭과 부엽과 교차편파 및 안테나 크기를 고려하여 사용 목적과 환경에 가장 적합한 형태를 선택한다[16]. 그림 3.2 는 본 논문에서 기본 패치 모델로 사용한 사각 마이크로스트립 패치 안테나로서, 마이크로스트립 선로에 의해 급전되는 방식을 나타내고 있다. 사각 패치는 보통 실수값의 입력임피던스를 얻기 위하여 공진점 근처에서 동작한다. 공진 주파수를 결정하기 위하여 전송선로모델 그림 3.2. 마이크로스트립 선로에 의해 급전되는 사각 마이크로스트립 패치 안테나 Fig. 3.2. Rectangular microstrip patch antenna fed by a microstrip line ====================================================================== 21 ================================================================= (transmission line model)을 비롯한 여러 가지 모델을 사용할 수 있다. 전송선로모델은 마이크로스트립 선로로 급전되는 사각 패치의 해석에 적합한 모델로서 방사패턴에 대한 합리적인 해석이 가능하지만 안테나 특성을 단순하게 모델링한 근사해석법이기 때문에 오차가 큰 경우도 있다[16]. 따라서 최근 개발된 Full-Wave 해석법은 배열 안테나의 해석에 기존의 해석법보다 정밀한 해석법으로서, 본 논문에서 이용한 Ensemble 은 Green 함수를 사용하여 Full-Wave 해석법을 적용한 시뮬레이터로서, 상호결합효과, 표면파의 불연속효과, 여기와 전자파 기생효과들을 모두 및 산란체들 고려하므로 사이의 정확하고 엄밀한 해를 얻을 수 있다. 마이크로스트립 패치 안테나를 설계할 때 가장 일반적인 형태는 사각 모양이다. 사각형 패치는 길이 L, 폭 W, 두께 t, 도전율 σ인 양단이 개방된 전송선로로 가정하고, 양단은 가장자리효과(fringe effect)를 고려하여 등가길이△l 을 첨가하여 해석한다. 여기서 패치 안테나의 길이 L,은 주로 안테나의 공진 주파수를 결정하며 대략 λ/3< L <λ/2 정도이다. 안테나의 폭 W 는 주로 안테나의 입력임피던스를 결정하며, 안테나의 입력임피던스와 급전선의 특성임피던스가 정합 되도록 설계한다. 이러한 경우 공진 주파수는 다음 식으로 구할 수 있다[14]-[16]. fm = mc 2( L + ∆l ) ε e (3.1) ====================================================================== 22 ================================================================= 여기서, 정수 m 은 모드 번호로서 m=1,2,3,⋅⋅⋅(≠0)으로 주어지고, c 는 빛의 속도이며, ε e 는 유효 유전율로서 다음과 같이 주어진다. εe = εr +1 εr −1 2 + 2 (1 + 12h −1 / 2 ) W (3.2) 패치 W 는 (3.3)식과 같이 주어지며, W 가 좁게 설계될 경우 방사효율이 저하되는 반면, 넓게 설계되면 방사효율은 커지지만 고차모드가 발생되어 전자계의 왜곡이 발생할 수 있다. W= c ε r + 1 −1 / 2 ( ) 2 fm 2 (3.3) 양단이 개방된 가장자리 전자계는 패치의 유효길이를 늘려주기 때문에 반 파장 패치의 길이가 유전체 기판에서의 반 파장보다 약간 짧게 설계한다. 반 파장 패치의 공진길이에 대한 근사값은 다음과 같이 주어진다. L ≅ 0.49λ d = 0.49 λ εr (3,4) 여기서 λ 는 자유공간에서의 파장이고, λ d 는 유전체에서의 파장이다. 그리고 가장자리효과에 의한 미소길이 증가분 △ l 은 다음과 같이 나타낼 수 있다[18]. ====================================================================== 23 ================================================================= W + 0.264 )( h ) ∆l = 0.412h( ε e − 0.258 W + 0.8 h ε e + 0.3 (3.5) 기판 특성에 따른 이득과 주파수의 관계를 고려할 때 이득은 주어진 유전율 ε r 에서 유전체의 두께 h 가 증가함에 따라 증가하고, ε r 이 증가함에 따라 감소하는 특성을 가진다. 3.3 슬롯-전송선 모델링 해석 Munson[19]의 전송선 모델링은 그림 3.3 과 같이 해석할 수 있다. 마이크로스트립 패치 길이 L 을 인가하는 주파수의 반파장이 되도록 만들고 패치에 전원을 인가하면 패치면과 접지면 사이에는 그림 3.3 의 (a)와 같이 전계가 분포하게 된다. 이때 패치 양쪽에서 누설되는 전계가 마이크로스트립 전송선로의 복사손실이며 이 값이 클수록 안테나의 성능은 향상된다. 누설전계의 성분을 그림 3.3 의 (a)와 같이 접지면에 수직인 성분과 수평인 성분으로 나누면 수직성분은 상쇄되어 없어지고 수평성분만 남게 되어 원거리 전자계에서 합해지게 된다. 그러면 마이크로스트립 패치는 그림 3.3 의 (b)와 같이 거리 L 을 두고 떨어져 있는 슬롯 A, B 의 형태로 생각할 수 있으며, 그림 2 와 같이 등가회로로 나타낼 수 있다[20]. 그림 3.4 에서 jB 는 누설전계에 의한 양으로써 ====================================================================== 24 ================================================================= 실제적으로 패치의 길이를 만큼 보상하여 주어야만 한다. 즉, 다시 말해서 패치의 길이는 L + 일 때 비로소 정확한 공진이 일어나게 되는 것이다. 이 그림 3.4 에서 G 는 슬롯 A, B 를 통하여 손실이 일어나는 복사 컨덕턴스(Conductance)이며, 어드미턴스(Admittance)의 합이 전체 두 슬롯에 어드미턴스가 되는 의한 것이다. 다음으로 구형 마이크로 스트립 패치 안테나의 공진 주파수를 구하여 보자. 이미 알고 있듯이 마이크로스트립 패치 안테나의 공진 주파수에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 패치의 길이 L 이다. 패치길이 L 이 원래는 이어야하나 실제로는 보다 약간 적은 길이를 사용한다[23]. 예를 들어 보통 마이크로스트립 패치의 길이 L 은 0.48~0.49 사이가 된다. 여기서 는 관내 파장 (Guided Wavelength)으로서 이다. 그리고, 실제로 패치 길이가 로 되지 못하는 이유는 앞에서도 말한바와 같이 누설전계에 의한 길이 때문이며 Harrington 은 이 부분을 프린징 필드(Fringing Field)로서 공진 주파수를 구하였다. ====================================================================== 25 ================================================================= 그림 3.3 구형 마이크로 스트립 안테나의 슬롯-전송선 모델링 Fig 3.3 The slot-transmission modeling of rectangular microstrip antenna ====================================================================== 26 ================================================================= 그림 3.4 마이크로스트립 안테나의 등가회로 Fig 3.4 The equivalent circuit fof microstrip antenna ====================================================================== 27 ================================================================= 제 4 장 다중 U-슬롯 마이크로스트립 안테나 4.1 전류분포에 의한 수식 모델 4.2 U-슬롯 안테나[22][23] 4.1 전류분포에 의한 수식 모델 U-슬롯 안테나는 기본 패치에 U자 모양의 슬롯을 넣은 구조를 갖는데 사각형 패치의 공진 특성과 결합하여 이중 공진 특성을 가지게 된다. 첫 번째 공진은 마이크로스트립 패치에 의해 발생되는 것이고 두 번째 공진은 U-슬롯에 의하여 발생되는 것이다. 이 두 공진 주파수를 전류분포 해석에 의한 수식으로 구하는 방법은 다음과 같다[21]. ====================================================================== 28 ================================================================= 그림 4.1 U-슬롯 안테나 Fig. 4.1 U-shaped slot antenna 그림 4.2 첫 번째 공진을 일으키는 전류통로길이 Fig. 4.2 Current path length of fisrt resonance ====================================================================== 29 ================================================================= 첫 번째 패치에 의한 공진주파수에 대한 방정식은 그림 4.1와 그림 4.2의 해석에 의해서 구할 수 있다. 그림 4.2은 TM01에서 동작하고 U-슬롯 주위에 전류분포가 밀집되어 있는 전류분포를 가지며, 공진은 전류통로길이(current path length)가 반파장일 때 발생한다. 여기서 평균전류통로길이(average current path length)는 가장자리 전계(fringing fields)의 영향을 고려하여 A와 B의 합이라고 할 수 있다. 이는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다. A= Ws 2 B = W + 2∆W − (4.1) b + ∆W 2 (4.2) W λ1 b + ∆W = A + B = s + ∆W + 2W − 2 2 2 f1 = c W b 3 2( s + W + ∆W − ) ε e 2 2 2 ∆W = 0.412h εe = (4.4) (ε e + 0.3) ⋅ (( L h) + 0.264) (ε e − 0.258) ⋅ (( L h) + 0.8) εr +1 εr −1 2 + 2 10h 1 + W (4.3) − 1 2 (4.5) (4.6) 여기서, c=빛의 속도이다. ====================================================================== 30 ================================================================= 그림 4.3 두 번째 공진을 일으키는 전류통로길이 Fig. 4.3 Current path length of second resonance 두 번째 U-슬롯에 의해서 나타나는 공진주파수에 대한 방정식은 그림 4.1와 그림 4.3를 해석함으로써 구할 수 있다. 그림 4.3 또한 그림 4.2와 마찬가지로 TM01에서 동작하고 U-슬롯 주위에 전류분포가 밀집되어 있다. 하지만 그림 4.3의 U-슬롯에 의한 공진은 전류통로길이가 한파장일 때 발생한다. 여기서 평균전류통로길이는 M, N, O, Q의 합으로 나타낼 수 있고, 이는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다. M = N = (W + 2∆W ) − L 4 (a + ∆W ) b + ∆W − 2 2 (4.7) (4.8) ====================================================================== 31 ================================================================= O= L Ws + 2t − 4 4 Q = ( F + ∆W ) − (4.9) a + ∆W 2 (4.10) λ2 = M + N + O + Q = f2 = W L 3W b t + ∆W − s + F − a − + 2 2 4 2 2 c W b t L 3W ∆W − s + F − a − + ε e + 2 4 2 2 2 (4.11) (4.12) 이 식은 직접 시뮬레이션하여 구한 공진과 오차 범위 5% 이내이다. 4.2 U-슬롯 안테나[22][23] 기본적인 U-슬롯 안테나는 그림 4.4 에서 보는 바와 같이 기본 패치에 U-자 모양의 슬롯을 넣은 구조를 갖는데 방사하는 면의 모서리의 밑 부분에 위치한 슬롯은 기본 공진 모드를 발생시키는 전류분포를 교란하여, 그 근접 주파수에서 또 다른 공진을 일으키게 한다. 이는 사각형 패치의 공진 특성과 결합하여 이중 공진 특성을 얻는 장점을 가지고 있다. 앞에서 언급한 것처럼 첫 번째 공진은 마이크로스트립 패치에 의해 발생되는 것이고, 두 번째 공진은 U-슬롯에 의하여 발생 되는 것이다. 이러한 두 개의 공진 주파수가 서로 이격되어 있으면 이중 공진 안테나가 되는 것이고, 두 개의 공진 주파수를 거의 일치 하도록 ====================================================================== 32 ================================================================= 가까이 위치시키면 광대역 안테나가 되는 것이다. 일반적으로 이중 공진 특성의 안테나는 스미스차트상의 임피던스 궤적에서 대, 소 두 개의 루프가 생성된다. 특히 큰 루프내의 작은 루프의 위치와 크기가 안테나의 임피던스 대역폭을 결정한다. 스미스 차트상의 작은 루프를 가변시키는 파라미터는 사각형의 패치의 폭과 같이, U-슬롯 길이와 모양, 기판의 두께와 비유전율 등이 있다. 또한 방사하지 않는 면에 있는 두 개의 슬롯은 E-평면 방향과 직교하는 전류를 줄여 패치의 정방향으로 발생하는 교차편파를 감소시키는 역할을 한다. 이러한 U-슬롯의 방사패턴 특성은 패치의 정방향으로터 약 20 ˚ 정 도 의 범위 내에서는 교차 편파가 거의 없다. 그래서 선형 편파를 사용하는 경우에 동일 편파와 교차 편파간에 분리가 좋아 개구 결합 급전 방식을 사용한 배열화를 통해 보다 높은 이득을 얻을 경우에 유용하게 사용될 수 있다. 그러나, 여전히 좌우로 향하고 있는 전류분포에 의해 H-평면 방사패턴에서는 교차편파의 증가를 예상할 수 있다. 따라서, 큰 편파 이격도를 요구하는 시스템에 적용할 때 이러한 점을 고려하여야 한다. 또한 U-슬롯 안테나는 동축 급전 방식과 개구결합 급전방식을 사용하는 데, 일반적으로 동축 급전 방식을 사용하고 있다. 이 방식은 임피던스 정합이 쉽고 스퓨리어스 복사가 적으나, 패치의 도체면에 물리적으로 접합을 시켜야 하며 대역폭이 좁아지는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점들은 두꺼운 기판을 사용하거나, 방사소자 급전소자 사이에 공기층을 삽입시키는 방법에 의하여 극복될 수 있다. 공기층은 보통 유전율이 1 인 스티로폼을 사용하는 데 이는 안테나를 표면에 부착할 때 용이하도록 하기 위해서다. 하지만 너무 두꺼운 기판을 사용하면 안테나 ====================================================================== 33 ================================================================= 효율이 떨어지고, 임피던스 정합에 어려움이 있게 된다. 그러므로 공기층의 삽입은 시뮬레이션을 할 때, 최적화 하는 과정이 어렵고, 안테나 제작시 정밀성이 요구되는 부분이 되기도 한다. 그림 4.4 U-슬롯에 의해 교란된 전류분포 Fig. 4.4 The current distribution of U-shaped slot ====================================================================== 34 ================================================================= 제 5 장 시뮬레이션을 통한 최적화 본 논문에서는 실내∙외 무선 LAN 용 5GHz 대역에서 실용 가능한 다중 U-슬롯 모양의 마이크로스트립 안테나를 제안하고, 제작하였다. 추가된 U-슬롯 모양은 동작 대역의 특성을 개선하는 역할을 한다. 접지면과 기판 사이에는 대역폭을 개선하기 위해 공기층을 삽입하였으며, 실제 제작시 공기층으로는 유전율이 1 인 스티로폼을 사용하였다. 설계된 안테나의 구조는 그림 5.1 에 나타나 있다. 모든 시뮬레이션은 무선 LAN 규격에 준하여 제작하였고, 동작 대역에서 VSWR<2.0 가 되도록 하였다. L ≈ 0.49 λ0 εr (5.1) 먼저, 식(5.1)을 이용하여 패치 크기를 결정하였고, U-슬롯 모양이 삽입되면 이 식을 적용할 때 오차가 있으므로 많은 시뮬레이션을 통해 최적의 패치 크기를 얻었다. 시뮬레이션을 통해 U-슬롯 모양들의 두께, 길이 및 위치의 변화, 동축 급전의 위치 변화, 공기층의 두께에 따른 반사계수를 측정해 보며 최적의 조건으로 안테나를 설계하였다. ====================================================================== 35 ================================================================= Y W0 Y3 W1 W3 X3 L1 W4 X2 L2 Y2 L0 F2 W2 Y1 F1 X4 X1 X (a) 평면도 (a) top view metal Substrate 2 (? 2=2.17) t2 t1 Ground Substrate 2 (? 1=1) (b) 측면도 및 급전 방법 (b) side view 그림 5.1 제안된 안테나의 구조 Fig. 5.1 Configuration of the proposed antenna (a) top view (b) side view ====================================================================== 36 ================================================================= 첫번째, 큰 U-슬롯 모양의 너비 W3 의 길이에 따른 반사 계수의 변화를 살펴보았다. W3 을 1.5mm 에서 2.5mm 까지 0.5mm 간격으로 변화시킨 시뮬레이션 결과를 그림 5.2 에 나타냈다. 공진점의 변화를 보면 길이가 증가함에 따라 모든 공진 주파수는 조금씩 오른쪽(높은 주파수)으로 움직인다. 이때, 길이가 증가하면 반사 계수 특성이 나빠지고, 대역폭이 줄어듬을 확인할 수 있었다. 반대로 길이가 감소하면 넓은 대역폭을 얻을 수 있고, 반사 계수 특성이 좋아지게 된다. 따라서, 원하는 대역에서 가장 좋은 특성을 갖게 되는 W3 =2.0mm 을 선택하였다. ====================================================================== 37 ================================================================= 그림 5.2 큰 U-슬롯 모양 너비 W3 의 변화에 따른 반사 계수 Fig. 5.2 Influence of the width of W3 on the return loss of the proposed antenna ====================================================================== 38 ================================================================= 두번째, 작은 U-슬롯 모양의 너비 W1 의 변화에 따른 반사 계수의 변화를 살펴보았다. 이에 따른 변화를 그림 5.3 에 나타냈다. 공진점의 변화를 보면 길이가 증가함에 따라 공진 주파수의 수가 3 개에서 2 개로 세번째 공진 주파수가 사라지게 되고, 길이가 줄어들면 대역폭이 좁아지는 것을 알수 있다. 이때, 길이가 작아지면 원하는 대역에서 반사 계수 특성은 좋으나, 대역폭이 줄어듬을 확인할 수 있었다. 따라서, 큰 U-슬롯 모양의 너비와 같은 길이인 W1 =2.0mm 을 선택할 때 좋은 특성을 가짐을 알 수 있다. ====================================================================== 39 ================================================================= 그림 5.3 작은 U-슬롯 모양 너비 W1 의 변화에 따른 반사 계수 Fig. 5.3 Influence of the width of W1 on the return loss of the proposed antenna ====================================================================== 40 ================================================================= 세번째, 큰 U-슬롯 모양들의 위치 변화인 Y1 의 변화에 대하여 살펴 보았다. 그림 5.4 에서 보여지는 것처럼 공진점의 변화를 보면 길이가 증가함에 따라 모든 공진 주파수는 조금씩 오른쪽(높은 주파수)으로 움직인다. 길이가 작아지면 대역폭의 변화는 거의 없으나, 두번째 공진 주파수의 반사 계수 특성이 특별히 좋아짐을 알 수 있었다. 반대로 길이가 증가하면 대역폭은 약간 넓어 지나, 반사 계수 특성은 나빠지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 최적의 조건으로 Y1 =5.0mm 을 결정할 수 있다. ====================================================================== 41 ================================================================= 그림 5.4 큰 U-슬롯 모양들의 위치변화인 Y1 의 변화에 따른 반사 계수 Fig. 5.4 Influence of the width of Y1 on the return loss of the proposed antenna ====================================================================== 42 ================================================================= 네번째, 작은 U-슬롯 모양들의 위치 변화인 Y3 의 변화에 대하여 살펴 보았다.. 그림 5.5 에서 보여지는 것처럼 공진점의 변화를 보면 길이가 증가함에 따라 모든 공진 주파수는 조금씩 왼쪽(낮은 주파수)으로 움직인다. 길이가 증가하면 반사 계수 특성이 좋아지나, 대역폭은 줄어들게된다. 반면에 길이가 줄어들면 대역폭은 늘어나지만, 반사 계수 특성이 나빠지는 것을 확인할 수 있다. 따라서최적의 조건으로 Y3 =6.5mm 이 가장 적당한 값이라고 판단할 수 있다. ====================================================================== 43 ================================================================= 그림 5.5 작은 U-슬롯 모양들의 위치 변화인 Y3 의 변화에 따른 반사 계수 Fig. 5.5 Influence of the width of Y3 on the return loss of the proposed antenna ====================================================================== 44 ================================================================= 다섯번째, 동축 급전의 위치에 따른 변화를 관찰하였다. 패치의 왼쪽면에서 급전의 위치까지 7.9mm 로 고정시키고, F1 의 길이를 변화시키면서 시뮬레이션한 결과를 그림 5.6 에 나타냈다. 공진점의 변화를 보면 길이가 증가하면 공진주파수의 수는 3 개를 유지한채 대역폭이 줄어들게 되고, 길이가 줄어들면 공지주파수의 수가 2 개로 줄어들게 된다. 이때, 길이가 줄어들면 대역폭이 줄어들고 반사 계수 특성 또한 좋지 않다. 반대로 길이가 증가하면 반사 계수 특성이 나빠지고, 원하는 대역폭에 미치지 못하게 된다. 따라서, F1=10.5mm 에서 가장 좋은 특성이 나타난다고 할 수 있다. ====================================================================== 45 ================================================================= 그림 5.6 동축 급전의 위치 F1 의 변화에 따른 반사 계수 Fig. 5.6 Influence of the width of F1 on the return loss of the proposed antenna ====================================================================== 46 ================================================================= 마지막으로, 공기층의 두께 변화에 따른 반사 계수 특성을 알아보았다. 이를 그림 5.7 에 나타냈다. 공기층은 스티로폼으로써 유전율이 1 인 것을 사용하였다. 공기층의 두께 변화는 작은 변화에도 반사 계수에 많은 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 공기층의 두께는 두께가 두꺼워지면 원하는 대역폭에 미치지 못하고, 반사 계수 특성도 안 좋아짐을 알 수 있다. 반대로, 얇아지면 원하는 대역폭은 만족하게 되나, 반사 계수 특성이 좋지 않음을 확인할 수 있다. 따라서, 공기층의 두께가 t1=5.0mm 일 때 가장 좋은 특성을 나타냈다. 시뮬레이션한 결과 Y1 와 Y3 의 변화는 다른 파라미터에 비해 반사 계수 특성에 많은 변화를 보이는 것을 알 수 있었다. 이외에도 동축 급전의 위치와 공기층의 두께는 안테나 제작시에 주의해야 할 부분이었다. 이러한 과정을 거쳐 얻어낸 최적의 안테나 파라미터를 표 5.1 에 나타냈다. 패치의 전체 크기는 W0 = 27 mm , L0 = 39.8mm 이다. 여기서 공기층은 유전율이 1 인 스티로폼을 사용하였고, 그 때 가장 좋은 특성을 나타내는 조건은 t1 = 5.0mm 이다. ====================================================================== 47 ================================================================= 그림 5.7 공기층의 두께 t1 의 변화에 따른 반사 계수 Fig. 5.7 Influence of the width of t1 on the return loss of the proposed antenna ====================================================================== 48 ================================================================= 표 5.1 최적화된 안테나 파라미터 (단위: mm ) Table 5.1 Optimized antenna parameter (unit : mm ) W1 1.5 U-슬롯 모양의 W2 3.6 가로축 길이 W3 2.0 W4 6.0 U-슬롯 모양의 L1 11.0 세로축 길이 L2 15.0 X1 1.8 가로축 사이 X2 3.5 간격 X3 7.0 X4 3.3 Y1 5.0 Y2 2.5 Y3 6.3 F1 10.5 F2 7.9 세로축 사이 간격 급전 위치 ====================================================================== 49 ================================================================= 제 6 장 안테나 실험 결과 및 고찰 표 5.1 의 조건을 가지고 안테나를 제작한 결과 5~6GHz 대역에서 VSWR<1.5 로 좋은 특성을 나타냈다. 반사 계수 특성은 단일 U-슬롯 모양 안테나에 세 개의 U-슬롯 구조의 추가와 동축 급접의 위치를 달리한 경우, VSWR<2.0 대역폭이 넓게 나타나고, 5GHz 대역의 무선랜 환경에서 사용되어질수 있음을 관찰할 수 있었다. 안테나는 유전율이 2.17 mm 이고, 두께가 1.57 mm 인 Taconic TLY-5A-0620-C1/C1 기판을 사용하여 제작하였다. 접지면과 기판 사이에는 유전율이 1 인 스티로폼을 삽입하였으며, 동축 급전 방식으로 제작하였다. 제작된 안테나는 광운대학교 무반사실에서 HP 8510C Network Analyzer 를 이용하여 측정하였다. 실제 제작한 안테나의 정면도와 측면도는 다음 그림 6.1(a), (b)와 같다. ====================================================================== 50 ================================================================= (a) 정면도 (a) top view (b) 측면도 (b) side view 그림 6.1 실제 제작된 트리플 U-슬롯 모양 마이크로스트립 안테나 Fig. 6.1 Fabrication and Measurement of Triple U-shaped slot Microstrip Antenna (a) top view (b) side view ====================================================================== 51 ================================================================= 그림 6.2 측정된 반사계수 Fig. 5.2 Measured return loss vs. frequency for the proposed antenna 실제 측정한 반사계수는 그림 6.2 와 같다. 초기값은 4.5GHz 이고, 최종값은 6.5GHz 이며 한 칸의 간격은 200MHz 이다. 그림에서 보는 것처럼 -20dB 이하를 만족하는 대역은 5.02GHz~5.9375GHz 이다. ====================================================================== 52 ================================================================= 그림 6.3 측정된 VSWR Fig. 6.3 Measured VSWR vs. frequency for the proposed antenna 그림 6.3 은 실제 측정된 VSWR 에 대한 측정된 결과를 나타낸다. 측정된 결과를 통해, VSWR<2.0 에서 935MHz(17.04%)의 대역폭을 얻었다. 방사 패턴은 azimuth 와 elevation 으로 각각 5.1GHz 에서 5.9GHz 까지 0.2GHz 간격으로 측정하였다. 실제 측정된 방사 패턴의 azimuth 와 elevation 은 그림 6.4 의 (a),(b)와 같다. 방사 패턴은 주파수 대역에서 안정된 패턴을 얻었다. ====================================================================== 53 ================================================================= 5.9GHz 5.1GHz 5.5GHz (a) azimuth ====================================================================== 54 ================================================================= 5.9GHz 5.1GHz 5.5GHz (b) elevation 그림 6.4 측정된 방사 패턴 Fig. 6.4 Radiation patterns of the proposed antenna at varying frequencies in the operating band ====================================================================== 55 ================================================================= 그림 6.5 측정된 이득 Fig. 6.5 Measured antenna gain for operating frequencies across the 5GHz band 그림 6.5 는 이득에 대한 측정된 결과를 나타낸다. 실제 제작된 안테나의 이득은 3.88~9.28dBi 를 얻었다. 따라서, 제안된 안테나가 실제 적용 가능하다고 판단 되어진다. ====================================================================== 56 ================================================================= 제 7 장 결 론 무선 LAN 시장은 국제적인 표준화의 진전과 관련 제품의 저가격화, 이용분야의 확대 등에 힘입어 급속한 성장이 예상되며, 특히 무선 LAN 이 무선 댁네망의 솔루션으로 자리잡게 되고, IMT-2000과 성공적으로 연동되는 경우, 무선 LAN 시장은 폭발적으로 성장할 것으로 전망된다. 본 논문은 이러한 무선 통신의 증가에 따라 IEEE 802.11a 와 HiperLAN 1/2 에서 논의된 무선 LAN 사용 주파수의 대역을 동작 주파수로 하여 기존의 연구되어진 U-슬롯 모양에 세 개의 U-슬롯 구조를 추가하고 동축 급전의 위치를 달리해서 새로운 모양을 설계, 제작하였다. 모든 설계는 Ensemble 5.0 을 사용하여 시뮬레이션하였다. 주요 파라미터 값을 변화시켜 최적화 된 값을 얻었으며, 특히 U-슬롯 모양, Y3 와 D1 의 변화는 다른 파라미터에 비해 반사 계수 특성에 많은 변화를 보이는 것을 알 수 있었다. 제작된 안테나는 VSWR<2.0 에서 935MHz(17.04%)의 충분한 대역을 얻을 수 있도록 하였고, 이득은 3.88~9.28dBi 를 얻었다. 방사 패턴은 주파수 대역에서 안정된 패턴을 얻었다. 측정된 결과를 바탕으로 제안된 방법이 실제 안테나 시스템에 적용 가능할 것으로 보인다. ====================================================================== 57 ================================================================= [ 참 고 문 헌 ] [1] 오승곤, “국내외 5GHz 대역 주파수 이용 동향,” 한국통신학회 논문지, vol. 19, no. 5, pp. 727-736, 2002. 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