UWB Circular Loop Antenna with Circular Sectors

원형 섹터를 가진 UWB 원형 루프 안테나

Abstract

In this paper, a wideband loop antenna for UWB applications is studied. The structure of the proposed wideband loop antenna is a circular loop antenna with appended circular sectors to obtain an ultra-wideband characteristic. The circular sectors are used instead of conventional triangular sectors to match with the 50 ohm feed line. Optimal design parameters are obtained by analyzing the effects of the gap between the circular sectors and the radius of the circular loop on the input reflection coefficient and gain characteristics. The optimized wideband loop antenna is fabricated on an FR4 substrate with a dimension of 41 mm by 41 mm. Experiment results show that the proposed antenna has a frequency band of 3.1-11.0 GHz for a VSWR < 2.25, which assures the operation in the UWB band. Measured gain ranges 1.3-5.3 dBi in the UWB band.

본 논문에서는 UWB 대역에서 동작하는 광대역 루프 안테나에 대한 설계 방법을 연구하였다. 제안된 광대역 루프안테나의 구조는 초광대역 특성을 얻기 위하여 원형 루프 안테나에 원형 섹터가 추가되었다. 원형섹터는 50 오옴 급전선과 정합시키기 위하여 기존의 삼각형 섹터 대신에 사용하였다. 원형 섹터 사이의 간격과 원형 루프의 반지름 변화에 따른 입력 반사계수와 이득 특성을 분석하여 최적의 설계 변수를 도출하였다. 최적화된 인쇄형 광대역 루프 안테나를 FR4 기판 상에 $41mm{\times}41mm$ 크기로 제작하였다. 실험 결과, 제안된 안테나는 전압 정재파비(VSWR; voltage standing wave) < 2.25인 대역이 3.1-11.0 GHz으로 UWB 대역에서 동작하는 것을 확인하였다. 측정된 이득은 UWB 대역에서 1.3-5.3 dBi이다.

Ⅰ. 서 론

저전력 근거리 무선 통신인 UWB 통신 기술은 3.1∼10.6 GHz 대역에서 100 Mbps 이상의 전송 속도를 가지며, 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 대역(3.1—10.6 GHz)의 신호를 송·수신할 수 있는 광대역 안테나가 반드시 필요하며, UWB 통신 기술에 적합한 광대역 안테나에 대한 많은 연구 개발이 이루어지고 있다[1].

UWB 통신시스템의 대역폭을 만족하는 광대역 특성을 갖는 안테나로는 모노폴(monopole), 다이폴(dipole), 루프(loop), 바이코니컬(biconical), 혼(horn), 스파이럴(spiral) 안테나 등이 있다. 이 중에서 소형 UWB 안테나를 위해서는 모노폴, 다이폴 및 루프 안테나가 사용되며, 고이득 지향성 UWB 안테나를 위해서는 혼 안테나와 스파이럴 안테나가 사용된다[2].

최근에는 평면상에 프린트 기법으로 제작하여 저가격, 경량화, 집적화가 가능한 인쇄형 안테나가 다양한 분야에서 응용되고 있다. 인쇄형 모노폴과 다이폴 안테나의 경우, 광대역 특성을 얻기 위하여 복사소자의 모양을 변형시켜 입력 임피던스를 개선시키거나 급전방식을 변형시키는 방법 등이 연구되었다[3-9]. 인쇄형 루프 안테나의 경우도 복사소자의 모양을 변형시키거나 광대역 임피던스 정합을 위한 섹터를 루프에 추가하는 방법 등이 연구되었다[10, 11]. 그러나 입력임피던스가 50 오옴 보다 4배 혹은 2배 정도 높아 50 오옴 급전선과 정합시키기 위해 복잡한 구조의 광대역 밸런을 사용하거나 접지면을 사용하여 전체 구조의 반만 사용해야하는 단점이 있다.

본 논문에서는 원형 루프와 원형 섹터를 결합하여 UWB 대역에서 동작하는 광대역 루프 안테나에 대한 설계 방법을 연구하였다. 기존의 삼각형 섹터 대신에 제안된 원형 섹터를 사용할 경우 임피던스가 낮고 주파수 변화에 따른 임피던스 변화가 적어 광대역 특성을 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한 입력임피던스가 50 오옴 근처에서 변화하여 50 오옴 급전선에 바로 정합을 시킬 수 있고 전체 루프 구조를 그대로 사용할 수 있다. 최적의 설계 변수를 도출하기 위하여, 원형 섹터 사이의 간격과 원형 루프의 반지름 변화에 따른 입력 반사 계수와 이득 특성을 분석하였다. 상용 툴인 CST사의 Microwave Studio(MWS)를 이용하여 안테나의 특성을 시뮬레이션하고 설계 변수를 최적화하였다. 최적화된 광대역 루프 안테나를 FR4 기판(비유전율 4.4, 두께 0.8 mm) 상에 제작하여 특성을 확인하였다.

 

Ⅱ. 광대역 루프 안테나의 구조 및 설계

제안된 광대역 루프 안테나의 구조는 원형 루프와 두 개의 원형 섹터가 결합된 형태이며 그림 1에 나타나 있다. 기판의 한 면에 원형 루프와 섹터가 인쇄되어 있다. 원형 루프의 반지름은 r이고, 원형 루프의 폭은 wl이다. 원형 섹터의 반지름은 원형 루프와 동일하고 원형 루프 내에만 존재하며, 원형 섹터 사이의 간격은 gf이다. 안테나의 길이와 폭은 기판의 길이와 폭과 같다. 기판의 길이와 폭은 각각 L과 W이며 원형 루프의 지름 (2r)과 같다. 기판의 두께는 h이다.

그림 1.제안된 안테나 구조 Fig. 1 Geometry of proposed antenna

제안된 광대역 루프 안테나의 특성에 영향을 미치는 중요한 설계 변수는 원형 루프의 반지름 r과 원형 섹터 사이의 간격 gf이다. 이들 설계 변수가 입력 반사 계수와 이득과 같은 안테나 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 이들 설계 변수에 따른 특성 변화를 분석하였다.

그림 2는 원형 섹터 사이의 간격 gf에 따른 입력 임피던스, 반사계수 및 이득의 변화를 나타내고 있다. 원형 루프의 반지름 r은 20.5 mm이다. 간격 gf가 0.32 mm에서 0.56 mm로 증가함에 따라 입력 저항은 전체 주파수 대역에서 조금씩 증가하고 입력 리액턴스도 증가함을 알 수 있다. 입력 반수계수는 간격 gf가 증가함에 따라 VSWR < 2인 주파수 대역이 증가한다. 6 GHz를 중심으로 낮은 주파수 대역에서는 임피던스 정합이 향상되나 높은 주파수 대역에서는 임피던스 정합이 나빠진다. 이에 따라 이득도 6 GHz를 중심으로 낮은 주파수 대역에서는 증가하나 높은 주파수 대역에서는 감소한다. 이득은 광대역 루프 안테나가 있는 x-y평면에 수직한 +z축 방향에서 계산된 broadside 방향 이득이다. 전체 주파수 대역에서 3.1—3.5 GHz와 9.9—10.6 GHz 대역을 제외한 모든 대역에서 3—5 dBi의 이득을 가짐을 알 수 있다.

그림 2.원형 섹터 사이의 간격 gf에 따른 입력 임피던스, 반수계수 및 이득의 변화: (a) 저항, (b) 리액턴스, (c) 반사계수, (d) 이득 Fig. 2 Input impedance, reflection coefficient, and gain variation as functions of gap gf between two circular sectors: (a) resistance, (b) reactance, (c) reflection coefficient, and (d) gain

원형 루프의 반지름 r에 따른 입력 임피던스, 반사계수 및 이득의 변화가 그림 3에 나타나 있다. 원형 섹터 사이의 간격 gf는 0.48 mm이다. 반지름 r이 증가함에 따라 안테나의 가장 낮은 동작 주파수가 저주파 대역으로 이동하여 주파수 대역이 낮은 주파수로 이동함을 알 수 있다. Broadside 이득은 반지름 r이 증가함에 따라 대역 내에서 조금 증가함을 알 수 있다.

그림 3.원형 루프의 반지름 r에 따른 입력 임피던스, 반수계수 및 이득의 변화: (a) 저항, (b) 리액턴스, (c) 반사계수, (d) 이득 Fig. 3 Input impedance, reflection coefficient, and gain variation as function of radius r of circular loop: (a) resistance, (b) reactance, (c) reflection coefficient, and (d) gain

그림 2와 3의 시뮬레이션 결과로부터 UWB 대역에서 동작하는 최적화된 광대역 루프 안테나의 설계 변수는 gf = 0.48 mm, r = 20.5 mm, wl = 0.5 mm, L = 41 mm, W = 41 mm이다. VSWR < 2인 주파수 대역은 2.94—10.7 GHz(대역폭 7.76 GHz; 약 114%)이다.

그림 4에는 최적화된 안테나의 3.1 GHz, 8 GHz, 9 GHz 및 10 GHz에서의 복사패턴이 나타나 있다. 가장 낮은 동작주파수인 3.1 GHz에서는 수평면(x-z 면)내에서 이득 변화가 ±1.5 dB 이내인 전형적인 루프 안테나의 복사패턴을 가진다. 주파수가 8 GHz까지 증가하면 루프의 길이가 파장에 비해 길어 ±z축 방향으로 지향성을 가지면서 ±x축 방향으로도 복사가 시작된다. 9 GHz에서는 최대 복사 방향이 ±z축 방향이지만 ±x축 방향 복사가 커지게 된다. 10 GHz가 되면 최대 복사 방향이 ±x축 방향으로 바뀌지만 ±z축 방향 복사도 유지된다. 따라서 UWB 대역 내에서 broadside 방향인 ±z축 방향으로 지향성이 유지됨을 알 수 있다.

그림 4.최적화된 안테나의 복사패턴: (a) 3.1 GHz, (b) 8 GHz, (c) 9 GHz, (d) 10 GHz Fig. 4 Simulated radiation patterns of optimized antenna: (a) 3.1 GHz, (b) 8 GHz, (c) 9 GHz, and (d) 10 GHz

 

Ⅲ. 안테나 제작 및 실험 결과

최적화된 시뮬레이션 결과를 검증하기 위하여 FR4 기판(비유전율 = 4.4, 두께 = 0.8 mm, loss tangent = 0.025)을 이용하여 그림 5와 같이 제안된 안테나를 제작하였다. 제작된 안테나의 크기는 41 mm (L) × 41 mm (W)이며, 동축선로로 급전되었다.

그림 5.제작된 안테나 사진 Fig. 5 Photograph of fabricated antenna

제작된 안테나의 입력 반사계수는 네트워크분석기(Agilent사 N5230A)를 이용하여 측정하였고, 그림 6(a)에 나타나 있다. 시뮬레이션 결과 VSWR < 2 이하인 대역이 2.94—10.7 GHz이며, 측정 결과는 VSWR < 2.25 이하인 대역이 3.10—11.0 GHz이다. 측정한 입력 반사계수 대역의 시작 주파수가 시뮬레이션 결과보다 높은 주파수로 조금 이동되었다. 이것은 안테나 제작상의 오차와 급전 케이블의 영향에 의해 발생하는 것으로 보인다. 제작된 안테나의 이득은 그림 6(b)에 나타나 있다. 이득은 전 파무반향실에서 측정된 broadside 이득이며, 측정 이득은 UWB 대역에서 1.3—5.3 dBi로 시뮬레이션 결과와 비슷함을 알 수 있다. 3.1 GHz 근처에서는 임피던스 부정합 때문에 이득이 조금 낮게 측정됨을 알 수 있다.

그림 6.제작된 안테나의 입력 반사계수와 이득: (a) 입력 반사계수, (b) 이득 Fig. 6 Input reflection coefficient and gain of fabricated antenna: (a) input reflection coefficient and (b) gain

그림 7은 3.1 GHz, 8 GHz 및 10 GHz에서 제작된 안테나의 E-면(y-z면)과 H-면(z-x면) 복사 패턴에 대한 측정 결과이며, 시뮬레이션 결과와 유사함을 알 수 있다.

그림 7.제작된 안테나의 복사패턴: (a) 3.1 GHz, (b) 8 GHz, (c) 10 GHz Fig. 7 Radiation patterns of fabricated antenna: (a) 3.1 GHz, (b) 8 GHz, and (c) 10 GHz

 

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 UWB 대역에서 동작하는 원형 루프와 원형 섹터를 결합한 광대역 루프 안테나에 대한 설계 방법을 연구하였다. 원형 섹터를 사용함으로써 50 오옴 급전선에 바로 정합을 시킬 수 있고 전체 루프 구조를 그대로 사용할 수 있다. 원형 섹터 사이의 간격과 원형 루프의 반지름 변화에 따른 입력 반사계수와 이득 특성을 분석하여 최적의 설계 변수를 도출하였다.

최적화된 UWB 대역 광대역 루프 안테나를 FR4 기판 상에 제작하고 특성을 실험한 결과 VSWR < 2.25인 대역이 3.1—11.0 GHz으로 UWB 대역에서 동작하는 것을 확인하였고 방사패턴도 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 확인하였다. 이득은 UWB 대역에서 1.3—5.3 dBi로 측정되었다.

제안된 안테나는 UWB 통신용 광대역 안테나와 방향 탐지용 광대역 배열 안테나의 소자로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.