Design of Triple-Band Planar Monopole Antenna Having a Parasitic Element with Low SAR Using a Reflector

기생 소자를 이용한 3중 대역 모노폴 안테나 SAR 저감 설계

Abstract

In this study, a triple-band antenna that can be used in WLAN(Wireless Local Area Network) at 2.4 GHz, 5.8 GHz, and 5G at 3.5 GHz is fabricated. The proposed antenna uses a parasitic element to show the triple band, and the reflector is used at a distance of ${\lambda}/4$ from the antenna to reduce the Specific Absorption Rate(SAR). Its dimensions are $100{\times}75{\times}1.6mm^3$ and each parameter value is optimized for better performance and a lower SAR value. As a result, we obtained a bandwidth of 540 MHz(2.02~2.56 GHz), 390 MHz(3.39~3.78 GHz), and 1,210 MHz(5.56~6.77 GHz) based on the reflection loss factor of -10 dB. In addition, the SAR values of the antenna with reflector are observed to reduce below the SAR value of international standard.

본 논문에서는 WLAN(Wireless Local Area Network) 대역의 2.4 GHz, 5.8 GHz와 5G 대역의 3.5 GHz에서 사용가능한 3중 대역 모노폴 안테나를 설계하였으며, 제안된 안테나의 크기는 $100{\times}75{\times}1.6mm^3$로 기생소자를 사용하여 3중 대역 모노폴 안테나를 구현하였다. 또한 제안된 안테나로부터 ${\lambda}/4$ 떨어진 거리에 반사판을 설치함으로써 각 동작주파수들에서의 이득 향상과 SAR(Specific Absorption Rate)을 저감시켰다. 제작한 안테나를 측정한 결과, 반사 계수 -10 dB 이하 기준으로 540 MHz(2.02~2.56 GHz), 390 MHz(3.39~3.78 GHz) 그리고 1,210 MHz(5.56~6.77 GHz)에 해당하는 대역폭을 얻었다. 국제기준에서 요구하는 SAR 기준대비 2.4 GHz에서는 85.12 % 감소했고, 3.5 GHz에서는 50.06 %, 5.8 GHz에서는 36.87 % 감소하였다. 그러므로 제안된 안테나는 국제기준 SAR을 만족하며, WLAN과 5G 대역의 통신에서 사용할 수 있다.

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

그림 2. 기생소자를 추가한 안테나의 반사계수 Fig. 2. Simulated reflection coefficients of antenna with parasitic and without parasitic.

그림 3. 기생소자를 모양에 따른 안테나 반사계수의 변화 Fig. 3. Simulated reflection coefficient for parasitic elements shape.

그림 4. 기생소자 파라미터 값의 변화에 따른 반사계수 Fig. 4. Simulated reflection coefficient for various parasitic elements values.

그림 5. 반사판을 가지는 안테나 구조 Fig. 5. Geometry of proposed antenna with reflector.

그림 6. 반사판을 추가한 안테나의 반사계수 Fig. 6. Simulated reflection coefficients of proposed antenna with reflector and without reflector.

그림 7. 반사판 거리에 따른 안테나의 반사계수 변화 Fig. 7. Simulated reflection coefficient for various distance for antenna with reflector.

그림 8. 반사판을 추가한 안테나 최대이득 Fig. 8. Simulated peak gain of proposed antenna with reflector and without reflector.

그림 9. 제작된 안테나 Fig. 9. Fabricated prototype of antennas.

그림 10. 제작된 안테나 반사계수 Fig. 10. Simulated and measured return loss of proposed antenna with reflector and without reflector.

그림 11. 제작된 안테나 방사패턴 Fig. 11. Simualated and measured radiation pattern of proposed antenna with reflector.

그림 12. SAR 시뮬레이션 측정 안테나 및 급전위치 Fig. 12. Location of the antenna and the location of the feed.

그림 13. 반사판 유무에 따른 조직 1 g에 대한 SAR 비교 결과 Fig. 13. SAR value(1 g) of antenna with reflector and without reflector at 2.4 GHz, 3.5 GHz and 5.8 GHz.

표 1. 제안한 안테나의 최적 파라미터 Table 1. Optimal parameters of proposed antenna.