Design and Trend Analysis According to the Application Field of Monopole Antenna with Sleeve Structure

슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나의 활용분야에 따른 설계와 동향분석

Abstract

This paper summarizes the data of a monopole antenna with a sleeve structure that can be applied in various ways. Sleeve monopole antennas have broadband characteristics and are used for multi-frequency applications. The sleeve monopole antenna is composed of a vertical conductor, which is a radiator, and a sleeve having the same structure as a coaxial cable. The sleeve acts as a radiator and an open stub. The length of the sleeve should be 1/3~2/3 of the total length of the antenna. A monopole antenna having a sleeve structure is applicable to a vehicle wiper antenna. In addition, the case of applying this antenna to a broadband sleeve antenna using a loading coil, a broadband printed sleeve monopole antenna for an ISM band, a gap sleeve and a double sleeve, and a UWB planar monopole antenna using half cutting was summarized and analyzed in terms of structure and broadband.

본 논문은 다양하게 적용 가능한 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나 자료를 정리한 것이다. 슬리브 모노폴 안테나는 광대역 특성을 갖고 다주파수용으로 사용된다. 슬리브 모노폴 안테나는 복사기(radiator)인 수직 도체부분과 동축 케이블과 같은 구조를 갖는 슬리브(sleeve)로 구성되어져 있다. 슬리브는 복사기와 개방 스터브 동작을 한다. 슬리브 길이는 안테나 전체 길이의 1/3~2/3로 되어야 한다. 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나는 차량용 와이퍼 안테나에 적용 가능하다. 더불어, 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나, ISM 밴드용 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테나, 갭 슬리브와 이중 슬리브, 하프 커팅을 이용한 UWB 평면형 모노폴 안테나에 적용한 사례를 구조와 광대역 측면에서 정리 분석하였다.

Ⅰ. 서론

슬리브 안테나에 대한 연구는 1950년 킹(R. W. King)에 의해 시작되었으며, 슬리브 다이폴 안테나의 전류분포와 임피던스에 대한 이론적 해석을 하였다.^[1] 1965년 킹과우(T. T. Wu)는 슬리브 다이폴 안테나에 대한 일반화에 대해 연구하였고,^[1] 1965년 포기오(A. J. Poggio)와 메이즈(P. E. Mayes)는 이 중 슬리브 구조를 갖는 슬리브 모노폴 안테나에 대해 연구했다.^[1] 1980년 Rispin은 안테나의 표면 전류분포를 연구하였고,^[4],[6] 1997년 최광제(G, J. Choe)는 다주파수용 슬리브 모노폴 안테나에서 슬리브가 복사기(radiator)와 개방 스터브 동작을 한다는 것을 밝혔다.^[1] 최근 슬리브 모노폴 안테나에 대한 연구를 보게 되면, 2003년 C. H. Cheng은 스트립 슬리브(strip-sleeve)를, 2005년 Yacouba는 더블 갭 슬리브(double gap sleeve) 구조를 연구하였고, 2009년 T. Dong은 UWB 대역 안테나에 이중 슬리브 모노폴 구조를 활용한 연구를 진행하였다.^[4],[6] 본 논문에서는 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나 논문 5편을 선택하여 슬리브를 적용한 안테나의 기본 구조와 광대역 특성에 대한 자료를 정리 분석했다. 첫 번째로 일반적인 슬리브 모노폴 안테나 구조와 설계 방법에 대하여 정리하였고, 두 번째로 슬리브 모노폴 구조를 이용한 안테나의 활용방안에 대해 케이스 별로 정리하였다. 슬리브 모노폴 구조를 적용한 논문에는 차량용 와이퍼 안테나와 슬리브 내부에 로딩 코일을 적용한 광대역 안테나가 있어 이에 대해 정리하였다. 직사각형 평면 모노폴 안테나의 특성을 개선하기 위해서 적절한 대안 중에 하나는 슬리브의 추가이다. 슬리브 구조를 갖는 평면형 모노폴 안테나를 연구한 결과, ISM 밴드용 광대역 프린티드 슬리브 구조, 두 개의 갭 슬리브를 갖는 벨벳 형태의 평면형 모노폴 구조, 이중 슬리브를 갖는 직사각형 평면 모노폴 안테나에 하프 커팅을 적용한 구조를 얻었으며 이에 대해 정리하였다. 평면형 모노폴 안테나를 구현하기 위해 PCB 기술을 이용하였다. 마지막으로 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나의 주파수 대역과 대역폭, 튜닝 포인트 특징을 정리하였다. 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나는 직선 도체로만 구성된 안테나에 비해 광대역 특성을 갖고 있다. 더불어 슬리브 길이 조정, 복사기와 슬리브 직경 비 조정, 슬리브 간격 조정을 통한 임피던스 매칭에 대해 정리하였다.

Ⅱ. 슬리브 모노폴 안테나 설계

슬리브 모노폴 안테나 구조는 그림 1과 같이 나타낸다. 슬리브 모노폴 구조를 살펴보면 복사기(Radiator)인 수직도체와 동축케이블과 같은 구조를 갖는 슬리브 부분으로 구성되어있다.^[2] 슬리브 모노폴 안테나의 특성은 슬리브 길이 l, 복사기 이 L, 복기 직경 d, 슬리브 직경 D와 관계되어 있다. 안테나의 공진은 l+L이 약 λ/4의 길이일 때 발생되고, 슬리브의 길이는 안테나 전체 길이의 약 1/3에서 2/3이다.^[2],[3]

그림 1. 슬리브 모노폴 구조

Fig. 1. Sleeve monopole structure

슬리브 모노폴을 사용하고자 하는 주파수에 공진이 되도록 설계하면, 그림 2(a)는 안테나의 사용주파수(f)가 안테나의 공진주파수(f₀)보다 큰(f > f₀) 경우이고, 그림 2(b)는 안테나의 사용주파수가 안테나의 공진주파수보다 작은(f < f₀) 경우의 등가회로이다.^[2],[3]

그림 2. 슬리브 모노폴 안테나의 등가회로

Fig. 2. The Equivalent circuit for the sleeve monopole antenna.

슬리브 구조에 의하여 그림 2(a)와 같은 커패시터 슬리브 모노폴 또는 그림 2(b)와 같은 인덕터 슬리브 모노폴로 교번하여 동작하게 되기 때문에 다수의 공진주파수를 갖는 다주파수용 안테나로 되며, 이때의 공진주파수는 식1, 2와 같다.^[3]

\(f_{c}=\frac{1}{2 \pi \sqrt{\left(L_{a 1}+L_{a 2}\right)\left(C_{a 2}+\frac{C_{s} C_{a 1}}{C_{s}+C_{a 1}}\right)}}\)       (1)

\(f_{l}=\frac{1}{2 \pi \sqrt{\left(L_{a 1}+L_{a 2}+L_{s} / 4\right)\left(C_{a 1}+C_{a 2}\right)}}\)       (2)

f_c : 커패시터 슬리브의 공진주파수

f_l: 인덕터 슬리브의 공진주파수

L_a1 : 슬리브 도체의 인덕턴스

L_a2 : 복사기의 인덕턴스

L_s : 슬리브 내부 도체의 인덕턴스

C_a1 : 슬리브와 접지면 사이의 커패시턴스

C_a2 : 복사기와 접지면 사이의 커패시턴스

C_s : 슬리브의 커패시턴스

Ⅲ. 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나 케이스

1. 차량용 와이퍼 안테나^[3]

차량용 윈드쉴드 와이퍼 암(wind shield wiper arm)은 그림 3과 같이 암 피스(arm piece), 리테이너(retainer), 스프링(spring), 암 헤드(arm head) 등으로 구성되며, 암 헤드와 리테이너는 힌지 핀(hinge pin)에 의하여 결합되고 암 피스와 스프링은 암 드 푹(arm head hook)에 의하여 결합되는 구조이다.

그림 3. 윈드쉴드 와이퍼 암의 구조

Fig. 3. Structure of the windshield wiper arm

그림 1과 같은 슬리브 모노폴의 구조와 그림 3과 같은 윈드쉴드 와이퍼 암의 구조를 상호 비교하면, 구조적인 면에서 표 1과 같은 대응 관계를 고려할 수 있다.

표 1. 슬리브 모노폴과 윈드쉴드 와이퍼 암의 관계

Table 1. Relations of sleeve monopole and windshield wiper arm

표 1에서 슬리브와 리테이너의 대응관계는 리테이너의 개방된 한 쪽 단면을 도체로 막아 도체관의 형태로 한 경우로 형태면에서 슬리브와 유사하며, 전기적인 작용은 슬리브와 동일하게 된다.

그림 1의 슬리브 모노폴의 내부도체를 그림 3의 윈드 쉴드 와이퍼 암의 스프링으로 대응하였다. 이것은 스프링이 식(2)에서 슬리브 내부 도체의 인덕턴스 L_s의 값을 증가시키는 연장 코일의 역할을 하기 때문이며, 와이퍼 안테나는 그림 2(b)와 같은 인덕터 슬리브 모노폴로 동작하게 된다.

2. 로딩 슬리브 안테나^[2]

슬리브 내부에 코일을 부가하면 코일의 인덕턴스와 코일의 구조에 의해 존재하는 분포 커패시턴스 및 코일이 삽입된 부분의 커패시턴스 또한 변화할 것이기 때문에 그림 2의 슬리브 커패시턴스 C_s와 슬리브 내부 인덕턴스 L_s가 변화하게 된다. 안테나의 공진주파수는 안테나의 리액턴스가 인덕턴스에서 커패시턴스로 변화되는 임계점임을 고려하면 그림 2에서 ω₀L_e = 1/ω₀C_e(ω₀: 공진각주파수)인 주파수가 존재하게 된다. 따라서 그림 2(a) 회로도에서 C_s와 C_a1의 직렬 연결회로에 슬리브 내의 코일이 커패시턴스 성분으로 변화되고 이 경우를 고려하면 슬리브 자체의 커패시턴스 C_s와 C_a1의 직렬연결에 또 다른 커패시턴스 성분을 직렬로 넣은 경우이므로 합성 커패시턴스 C_e의 값을 감소시키기 때문에 안테나의 공진주파수는 일반적인 리브 안테나의 공진주파수보다 높은 주파수로 될 것임을 예상할 수 있으므로 안테나의 대역폭이 넓히는 요소가 된다.

그림 4는 광대역 특성을 갖는 로딩 슬리브 모노폴 안테나의 구조를 나타낸 것으로서, 로딩 슬리브 모노폴에서 광대역 특성을 얻기 위한 조건은 슬리브의 직경 D 및 복사기의 직경 d의 비인 D/d = 3.0이고, 복사기의 길이 L과 슬리브의 길이 l의 비는 L/l = 1.24이며, 코일 감수는 2.5회이다. 안테나의 길이는 공진 파장보다 약간 긴 L+l≥λ/4이다.

그림 4. 로딩 슬리브 모노폴의 구조

Fig. 4. Configuration of a loading sleeve monopole.

Ⅳ. 슬리브 구조를 갖는 평면형 모노폴 안테나 케이스

1. 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 구조^[4]

광대역 프린티드 슬리브 모노폴 구조를 그림 5에 나타내었다. 안테나 크기는 56×5×1.6mm³이다. 안테나 기판은 FR4 기판(ε_r = 4.7, tan δ = 0.02)을 이용하였고, 안테나 기판의 윗면에 급전(Feed) 소자가 위치하고, 아랫면에 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 구조가 위치하고 있다. 급전부분과 슬리브 구조를 연결하기 위하여 Φ 0.3비아홀(Via hole)을 이용하여 연결하였다.

그림 5. 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 구조

Fig. 5. The broadband printed sleeve monopole structure

안테나 급전은 동축 케이블을 이용하였다. 표 2는 제안한 안테나의 치수를 나타내었다. 급전패드의 크기는 1.5×1.5mm²이고, 접지패드는 4×3mm², 접지 패치의 크기는 16.9×4.6mm²이다. 광대역 특성을 얻기 위해 L/l = 2.52로 변경하였고, D/d = 3.06으로 변경하여 최적화시켰다. 슬리브가 없는 구조와 비교하여 보면 대역폭이 약 3.4배 이상 넓어지는 것을 알 수 있다. 슬리브 동작이 광대역으로 대역폭을 넓히는 역할을 할 수 있다.

표 2. 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테나 치수

Table 2. The dimensions of broadband printed sleeve monopole antenna

2. 두 개의 갭 슬리브를 갖는 벨벳 평면형 모노폴 구조^[5]

기본적인 밸벳 구조를 갖는 평면 모노폴 형태에서 벨벳 구조를 따라 두 개의 갭을 갖는 스트립 슬리브를 추가여 광대역화한 것이다. 그림 6에서 안테나의 구조를 나타내었다. 안테나 기판 전체 크기는 40×40mm²이다. 접지면의 폭(GH)는 17.5mm이며, 가운데 부분에 급전을 위해서 CPW 라인을 설계했다. CPW의 기본 설계값 CS, CW는 각각 2mm. 0.25mm이다. 모노폴 구조에서 공진주파수의 λ/4의 길이를 갖도록 높이를 H=20.5mm로 했으며, 폭 W는 15mm로 정했다. 모노폴 구조의 아래쪽 양에 경사각은 45도이며, VW의 길이는 4mm이다. 기본적인 벨벳 구조에서 안테나의 특성 개선을 위해서 2개의 갭 슬리브를 추가하였다. 이렇게 갭을 추가함으로 접지면과 슬리브 사이에 기생요소를 만들게 된다. 그림 6에서 아래쪽 슬리브의 높이 SH2는 8mm이다. 위쪽 슬리브의 높이 SH1은 6mm로 하였고, 슬리브 사이의 갭은 SG1이고, 0.3mm로 하였다. 또한 슬리브와 모노폴 간의 갭인 SG2는 1mm로 하였다. 모노폴, 아래쪽 슬리브와 그라운드와의 갭을 g로 하였고 0.5mm이다. 기본적인 튜닝 포인트는 경사각, 급전 갭인 g, 슬리브의 길이 SH1, 슬리브 사이의 갭인 SG1이다.

그림 6. 두 개의 갭 슬리브를 갖는 벨벳 평면형 모노폴 구조

Fig. 6. Structure of planar monopole in velvet shape having two gap sleeves

3. 이중 슬리브를 갖는 직사각형 평면 모노폴 구조와 하프커팅^[6],[7]

직사각형 형태의 평면형 모노폴 구조를 기본으로 하고 두 번의 슬리브를 추가시켜 임피던스 매칭을 하였다. 그림 7은 이 중 슬리브를 갖는 직사각형 모노폴 구조를 나타내었다.

그림 7. 이중 슬리브를 갖는 직사각형 평면 모노폴 구조

Fig. 7. Structure of rectangular planar monopole with a double sleeve

안테나 전체 크기는 40×40mm²이고, 한 쪽 접지면 크기 GW, GH는 18.75×17.4mm²이다. 양쪽 접지면 사이에 급전을 위해 CPW 라인을 설계하였다. 기본 CPW 설계 값 CW, CG는 각각 2mm, 0.25mm이다. 안테나 기판은 FR4 기판(ε_r = 4.7, tan δ = 0.02)을 이용하여 설계하였다. 직사각형 평면 모노폴 구조를 기본으로 하고 광대역을 이루기 위해 두 개의 갭 슬리브와 외각 슬리브를 추가시켜 임피던스 매칭을 이루었다. 두 개의 갭 슬리브 간격(SG1) 조정과 외각 슬리브(OSH, OSW) 추가로 인한 기생요소 변화로 광대역 특성이 나타나고, 고주파 대역에서 임피던스 정합에 영향을 준다. 직사각형 평면 모노폴구조에서 급전간격(G)과 슬리브 간격, 외곽 슬리브 길이가 중요한 튜닝 포인트이다.

그림 8(a)에서 Reference Monopole Antenna(RMA)의 치수를 나타내었다. 그림 8(b)는 Feed Modified Half Cutting Antenna(FMHCA1)이다. 이 안테나는 Magnetic Symmetry line을 기준으로 해서 RMA를 정확하게 반으로 줄인 후 급전부에 계단 형태로 마이크로스트립 라인을 구현하였다. 이를 통해 안테나의 크기가 RA에 비해 52.5%로 작아지는 효과를 가져왔다. 특히 안테나 크기가 반으로 줄였음에도 다이폴 안테나의 전기적 대칭 조건에 만족하여 모노폴 안테나의 특성을 가진 Quasi-Monopole 구조로서 역할을 하게 된다. 그림 8(c)는 급전라인을 3단의 계단 형태로 변형시켜 임피던스 매칭한 구조이다.

그림 8. 하프커팅 안테나 구조

Fig. 8. Half cutting antenna structure

(a) RMA (b) FMHCA1 (c) FMHCA2

하프 커팅된 안테나 전체 크기는 21×40mm²이고,한쪽 접지면 크기는 18.75×17.4mm²이다. 접지면과 급전라인 사이 간격은 0.15mm로 설계하였다. 이 중 슬리브를 갖는 평면 모노폴 구조를 기본으로 하고 광대역을 이루기 위해 급전라인의 다단구조 이용, 갭 슬리브 간격(SG) 조정과 복사기와 슬리브 간격(RG) 조정으로 인한 기생요소 변화로 광대역 특성이 나타난다.

Ⅴ. 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나의 결과 정리와 튜닝

일반적인 슬리브 구조의 광대역 조건은 복사기 직경과 슬리브 직경의 비와 복사기 길이와 슬리브 길이 비로 특정되어진다. 그러나 슬리브 구조를 갖는 모노폴 테나에서는 이런 결과가 그대로 적용되지 않을 수 있다. 표 3은 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나 논문 5편의 결과를 정리한 것이다. 첫 번째 안테나의 경우 슬리브 모노폴 구조를 자동차용 윈드 쉴드 와이퍼 암 구조에 적용한 것이다. 주파수 범위는 FM대역으로 88-108MHz 대역에 사용 가능하다. 튜닝 포인트는 와이퍼 암 길이로 결정되어져 있기 때문에 스프링 감은 수로 가능하다. 두 번째 안테나는 슬리브 내부에 로딩 코일을 삽입시키고, 복사기 길이와 슬리브 길이 비를 조절하여 광대역화 하였다. 주파수 범위는 예전 PCS 대역과 IMT-2000 대역을 커버한다. 대역폭은 588MHz이다.

표 3. 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나의 결과 정리

Table 3. Summary of the results of a monopole antenna with a sleeve structure

세 번째 안테나는 PC 위에 광대역 슬리브 구조 안테나를 구현한 경우이다. 슬리브가 없는 구조와 비교하여 대역폭이 3.4배 이상 넓어지는 것을 알 수 있다. 튜닝 포인트는 L/l = 2.52, D/d = 3.06이다. 네 번째 안테나는 두 개의 갭 슬리브 구조를 갖는 벨벳 평면형 구조로 UWB대역에 적용한 가능한 구조이다. 단일 직사각형 패치를 기준으로 하면 2.09GHz 대역이 UWB 기준에 만족하지 못하므로 갭 슬리브 구조를 추가하여 대역폭을 12.09GHz 이상 증가시켰다, 튜닝 포인트인 경사각, SH1, SH2는 전대역의 피던스 매칭에 영향을 주고, SG1, g는 고주파 영역 매칭에 영향을 준다. 마지막 다섯 번째 안테나는 이 중 슬리브와 하프커팅을 이용한 구조이다.

이중 슬리브 경우의 튜닝 포인트는 갭 슬리브 간격과 외곽 슬리브 길이, 접지간격 g이다. 7.4GHz의 대역폭을 갖는다. 하프 커팅을 이용한 구조는 안테나 크기를 반으로 줄이면서 대역폭을 6.45GHz 이상 유지한다.

광대역화 측면에서 살펴보면 모노폴 안테나에 단일 슬리브, 갭 슬리브, 로딩 슬리브, 이중 슬리브 구조를 적용하면 보다 쉽게 대역을 늘릴 수 있다는 것을 알 수 있다.

Ⅵ. 결론

본 논문에서는 슬리브 구조를 갖는 모노폴 안테나의 활용에 따른 설계와 분석을 5편의 논문을 이용하여 정리하였다. 일반적인 모노폴 안테나를 광대역화하기 위한 방법 중 하나가 슬리브 추가이다. 슬리브는 복사기와 개방스터브 동작을 하기 때문에 대역을 늘리는데 효과적이다. 슬리브를 추가하는 방법에는 단일슬리브, 이중슬리브, 로딩슬리브, 갭 슬리브 등이 있다. 추가적인 튜닝 방법 있어서 복사기와 슬리브 길이와 직경 비가 중요하지만 특정 조건에는 적용되지 않을 수 있다. 평면형 슬리브 구조에서는 모노폴과 슬리브 간격, 접지와 모노폴, 접지와 슬리브 간격 변화, 슬리브 길이, 슬리브와 슬리브 간격이 중요한 요소이다. 슬리브 구조를 이용한 광대역 효과는 낮은 주파수 대역보다 VHF대역 이상에서 많은 효과를 볼 수 있다. 슬리브 안테나의 구조적인 특징은 구조가 간단하고 제작이 쉽기 때문에 모바일 디바이스 적용이 가능하다. PCB형태의 평면형 구조를 이용하면 소형화가 가능하고, 접지면 변형을 통한 다중 대역도 가능하다. 이 중 슬리브와 갭 슬리브에 대한 이론적 등가 회로 해석이 진행될 계획이다.