Design of Triple-band Triple Dipole Quasi-Yagi Antenna for WLAN and WiMAX Applications

무선 랜과 WiMAX 응용을 위한 삼중 대역 삼중 다이폴 준-야기 안테나 설계

Abstract

In this paper, the design of a triple dipole quasi-yagi antenna operating in the 2.45 GHz and 5 GHz wireless LAN frequency bands and the 3.5 GHz WiMAX frequency band was studied. The proposed quasi-Yagi antenna consists of three dipoles connected in series with a V-shaped ground plane. The longest half-bow-tie-shaped dipole resonates in the 2.45 GHz band, whereas the medium-length dipole resonates at 3.5 GHz. The shortest dipole resonates in the 5 GHz band. By adjusting the length and width of the dipoles and the spacings between the dipoles, a triple-band directional antenna operating in the 2.45 GHz, 3.5 GHz, and 5 GHz bands are designed, and fabricated on an FR4 substrate with a size of 45 mm × 55 mm. It was confirmed that the fabricated antenna operates in the designed triple bands of 2.32-2.57 GHz, 3.26-3.69 GHz, and 4.50-6.56 GHz for a voltage standing wave ratio less than 2. Gain is maintained above 3 dBi in the three bands.

본 논문에서는 2.45 GHz 및 5 GHz 무선 랜 주파수 대역과 3.5 GHz WiMAX 주파수 대역에서 동작하는 삼중 다이폴 준-야기 안테나의 설계에 대하여 연구하였다. 제안된 준-야기 안테나는 V-모양 접지면과 직렬로 연결된 세 개의 다이폴로 구성된다. 길이가 가장 긴 반-보우타이 모양의 다이폴은 2.45 GHz 대역에서 공진하고, 중간 길이의 다이폴은 3.5 GHz에서 공진한다. 길이가 가장 짧은 다이폴은 5 GHz 대역에서 공진한다. 다이폴의 길이와 폭, 다이폴 사이의 간격을 조절하여 2.45 GHz, 3.5 GHz 및 5 GHz 대역에서 동작하는 삼중 대역 지향성 안테나를 설계하였고, FR4 기판 상에 45 mm × 55 mm 크기로 제작하였다. 제작된 안테나는 전압 정재파비가 2 이하인 대역이 2.32-2.57 GHz, 3.26-3.69 GHz, 4.50-6.56 GHz로 설계된 삼중 대역에서 동작하는 것을 확인하였다. 이득은 세 대역에서 3 dBi 이상을 유지하였다.

Ⅰ. 서론

정보통신기술의 융합과 발전으로 이루어지는 4차 산업혁명시대가 진행됨에 따라 사람과 사물을 연결하고 데이터를 전달하는 무선 통신이나 이동통신 관련 기술과 서비스도 함께 발전하고 있다[1]. 이와 함께 시간과 장소에 구애받지 않고 인터넷과 스마트폰이나 노트북과 같은 디지털 기기를 이용하여 언제 어디서든 일할 수 있는 디지털 노마드(digital nomad)가 증가하고 있으며 이들이 요구하는 데이터를 지원하기 위해 기존의 주파수 대역 외에 추가적인 주파수를 분배하여 사용하고 있다[2]. 또한, 원활한 데이터 전송과 수신을 위해서는 여러 주파수 대역을 지원하는 기지국이나 디지털 기기에서 사용할 수 있는 다중 대역 안테나나 광대역 안테나에 대한 설계가 요구되고 있다[3].

스마트폰이나 노트북에서 가장 많이 사용되는 근거리 무선통신 기술은 무선 랜(WLAN; wireless local area network)이다. 무선 랜은 기술 표준 이름인 와이 파이(Wi-Fi; wireless fidelity)로도 불리며, IEEE 802.11 표준화를 통해 2.45 GHz 대역(2.4 GHz ~ 2.485 GHz)과 5 GHz 대역(5.15 GHz ~ 5.875 GHz)을 지원하고 있다[4]. 와이맥스(WiMAX; worldwide interoperability for microwave access)는 이동 중에도 초고속 인터넷의 이용이 가능한 무선 인터넷 서비스로서 무선 랜이 확대 적용된 이동형 무선 통신 기술이다. IEEE 802.16 표준에 기반하고 있으며 3.5 GHz 대역(3.4 GHz ~ 3.6 GHz)이사용되고있다.

다양한 무선 통신 서비스를 지원하기 위해 여러 개의 다이폴 안테나를 이용하여 다중 대역에서 동작하는 지향성 안테나를 설계하는 연구들이 진행되었다. 광대역 밸런(balun)으로 급전되는다이폴과 두 개의 기생 소자로 구성되는 삼중 대역 안테나를 1.79 GHz, 2.03 GHz, 2.41 GHz에 공진하도록 설계한 연구가 있었으나, 세 주파수 대역에서 최대 방사 방향이 다르고 이득이 적은 단점이 있다[5].

미앤더 라인(meander line) 모양으로 두 개로 갈라진 형태의 다이폴 안테나와 직선 형태의 도파기를 이용하여 0.7–0.937 GHz, 1.508–1.860 GHz, 2.382–2.435 GHz 대역에 동작하는 사중 대역준-야기(quasi-Yagi) 안테나가 제안되었으나, 동작 주파수 대역에서 이득이 0.3–4.4 dBi로 변화가 크다[6].

동일면 도파관 전송선로와 간격이 점진적으로 증가하는 동일면 스트립 전송선로를 이용하여 접지면, 길이가 다른 세 개의 다이폴, 한 개의 직선 형태의 도파기로 구성된 삼중 대역 준-야기 안테나를 설계하였다[7]. 1.8 GHz, 2.4 GHz, 3.5 GHz에서 동작한다. 시뮬레이션한 지향성은 세 주파수 대역에서 2.8–5.1 dBi 이다.

접지면, 양쪽 팔에 인터디지털 커패시터 모양이 추가되고 LC 공진기가 양팔의 끝에 추가된 다이폴, 두 개의 직선 형태의 도파기로 구성된 사중 대역 준-야기 안테나가 제안되었다[8]. 1.46 GHz, 2.04 GHz, 2.35 GHz, 2.76 GHz 대역에서 동작하나 다이폴과 도파기 사이의 간격이 커서 안테나의 크기가 크다.

접지면과 직렬로 연결된 이중 다이폴과 두 개의 같은 방향 분할 링 공진기 도파기로 구성된 준-야기 안테나를 1.228 GHz, 1.575 GHz, 1.7–2.6 GHz 대역에서 동작하도록 설계하였다[9]. 그러나 분할 링 공진기 도파기로 인해 생성된 주파수 대역이 좁은 단점이 있다.

이중 다이폴과 접지면으로 구성된 준-야기 안테나의 첫 번째 다이폴의 양쪽 팔의 중간에 나뭇가지처럼 스터브(stub)를 추가하여 3.97 GHz, 5.52 GHz, 8.22 GHz의 삼중 대역에서 동작하도록 설계하였다[10].

본 논문에서는 2.45 GHz 및 5 GHz 무선 랜 주파수 대역과 3.5 GHz WiMAX 주파수 대역에서 동작하는 삼중 대역 삼중 다이폴 준-야기 안테나를 설계하였다. 제안된 준-야기 안테나는 기존의 V-모양 접지면과 직렬로 연결된 두 개의 다이폴로 구성된 이중 대역 준-야기 안테나에 다이폴을 추가하여 삼중 대역에서 동작하도록 설계하였다[11]. 세 개의 다이폴의 길이와 폭, 다이폴 사이의 간격을 조절하여 2.45 GHz, 3.5 GHz 및 5 GHz 대역에서 동작하는 삼중 대역 지향성 안테나를 설계하고, FR4 기판 상에 설계하였다. 제안된 안테나의 최적화를 위해 상용 전자파 해석 소프트웨어인 CST사의 Microwave Studio를 이용하여 시뮬레이션하였다.

Ⅱ. 삼중 대역 삼중 다이폴 준-야기 안테나 설계

제안된 삼중 대역 삼중 다이폴 준-야기 안테나의 구조가 그림 1에 나타나 있다. 동일면 스트립(CPS; coplanar strip) 선로로 연결되어 있는 V-모양 접지면 반사기(R₀), 첫 번째 다이폴(D₁), 두 번째 다이폴(D₂), 세 번째 다이폴(D₃)이 기판의 앞면에 있다. 특성 임피던스가 50옴인 마이크로스트립(microstrip) 선로가 기판의 뒷면에 인쇄되어 있다. 마이크로스트립 선로의 끝은 90도 꺽어서 동일면 스트립 선로와 단락 핀(via)를 이용하여 연결되어 있다. 기판은 비유전율 4.4이고 두께가 1.6 mm인 FR4 기판을 사용하였다.

그림 1. 제안된 삼중 대역 삼중 다이폴 준-야기 안테나 구조

Fig. 1. Geometry of proposed triple-band triple dipole quasi-Yagi antenna

접지면은 V-모양으로 반사기 역할을 한다. 삼중 대역 삼중 다이폴 준-야기 안테나의 최종 설계 변수들이 표 1에 나타나 있다.

표 1. 제안된 삼중 대역 삼중 다이폴 준-야기 안테나의 최종 설계변수

Table 1. Final design parameters of proposed triple-band triple dipole quasi-Yagi antenna

제안된 삼중 대역 삼중 다이폴 준-야기 안테나의 주요 특성인 대역폭과 이득에 영향을 미치는 설계 변수들은 첫 번째 다이폴의 길이 l₁, 두 번째 다이폴의 길이 l₂, 세 번째 다이폴의 길이 l₃ 등이 있고, 세 다이폴 길이의 변화가 안테나 특성에 미치는 영향을 분석하였다.

그림 2는 첫번째 다이폴의 길이 l₁에 따른 안테나 입력 반사 계수와 이득의 변화를 나타내고 있다. l₁의 길이 변화는 첫 번째 주파수 대역에만 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 예를 들면, l₁ = 45 mm일 때는 전압 정재파비(VSWR; voltage standing wave ratio)가 2 이하인 주파수 대역이 2.34-2.59 GHz, 3.32-3.75 GHz, 4.64-4.9 GHz이고, 이들 주파수 대역에서 이득은 각각 3.4-4.7 dBi, 1.1-4.0 dBi, 2.1-4.9 dBi이다. l₁ = 46 mm로 증가하면 VSWR 2 이하인 첫 번째 주파수 대역이 2.31-2.53 GHz로 낮은 주파수로 이동하였고 두 번째와 세 번째 주파수 대역은 변하지 않았다. 세 주파수 대역의 이득은 l₁ = 45 mm일 때와 거의 같다.

그림 2. l₁ 변화가 안테나 특성에 미치는 영향: (a) 입력 반사 계수, (b) 이득

Fig. 2. Effect of varying l₁ on the antenna performance: (a) input reflection coefficient, (b) gain

두 번째 다이폴의 길이 l₂에 따른 안테나 입력 반사 계수와 이득의 변화는 그림 3에 나타나 있다. l₂의 길이 변화는 두 번째 주파수 대역에만 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 예를 들면, l₂= 32.9 mm일 때는 VSWR 2 이하인 주파수 대역이 2.34-2.59 GHz, 3.32-3.75 GHz, 4.64-4.9 GHz이고, 이들 주파수 대역에서 이득은 각각 3.4-4.7 dBi, 1.1-4.0 dBi, 2.1-4.9 dBi이다. l₂= 31.9 mm로 감소하면 VSWR 2 이하인 두 번째 주파수 대역이 3.43-3.83 GHz로 높은 주파수로 이동하였고 첫 번째와 세번째 주파수 대역은 변하지 않았다. 세 주파수 대역의 이득은 l₂= 32.9 mm일 때와 거의 같다.

그림 3. l₂ 변화가 안테나 특성에 미치는 영향: (a) 입력 반사 계수, (b) 이득

Fig. 3. Effect of varying l₂ on the antenna performance: (a) input reflection coefficient, (b) gain

그림 4는 세번째 다이폴의 길이 l₃에 따른 안테나 입력 반사 계수와 이득의 변화를 나타내고 있다. l₁과 l₂와는 달리 l₃의 길이 변화는 두 번째와 세 번째 주파수 대역에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 특히 두 번째 주파수 대역의 하한 주파수와 세번째 주파수 대역의 상한 주파수가 변한다. 예를 들면, l₃ = 22 mm일 때는 VSWR 2 이하인 주파수 대역이 2.34-2.59 GHz, 3.32-3.75 GHz, 4.64-4.9 GHz이고, 이들 주파수 대역에서 이득은 각각 3.4-4.7 dBi, 1.1-4.0 dBi, 2.1-4.9 dBi이다. l₃ = 21 mm로 감소하면 VSWR 2 이하인 첫 번째 주파수 대역은 같고, 두 번째와 세 번째 주파수 대역은 3.32-3.80 GHz와 4.89-6.75 GHz로 두 번째 주파수 대역은 하한 주파수가 증가하여 조금 증가하나 세 번째 주파수 대역은 상한 주파수가 증가하여 감소한다. 세 주파수 대역의 이득은 l₃ = 22 mm일 때와 거의 같다.

그림 4. l₃ 변화가 안테나 특성에 미치는 영향: (a) 입력 반사 계수, (b) 이득

Fig. 4. Effect of varying l₃ on the antenna performance: (a) input reflection coefficient, (b) gain

그림 5는 제안된 삼중 대역 안테나의 공진주파수인 2.45 GHz, 3.6 GHz, 5.65 GHz에서의 표면 전류 분포를 나타내고 있다. 2.45 GHz에서는 첫 번째 다이폴과 접지면 반사기에 전류가 강하게 분포하고, 3.6 GHz에서는 두 번째 다이폴에 전류가 주로 분포한다. 5.65 GHz에서는 세 번째 다이폴에 전류가 강하게 분포하는 것을 알 수있다.

그림 5. 세 주파수 대역의 공진주파수에서의 표면 전류 분포: (a) 2.45 GHz, (b) 3.6 GHz, (c) 5.65 GHz

Fig. 5. Surface current distribution at the resonant frequencies for the three bands: (a) 2.45 GHz, (b) 3.6 GHz, (c) 5.65 GHz​​​​​​​

Ⅲ. 제작 및 실험 결과

설계된 삼중 대역 삼중 다이폴 준-야기 안테나의 특성을 검증하기 위하여 비유전율4.4이고 두께가 1.6 mm인 FR4 기판을 이용하여 제작하였고, 제작된 안테나의 사진은 그림 6에 나타나 있다.

그림 6. 제작된 안테나 사진

Fig. 6. Photograph of fabricated antenna​​​​​​​

그림 7. 제작된 안테나 특성: (a) 입력 반사 계수, (b) 이득

Fig. 7. Characteristics of fabricated antenna: (a) input reflection coefficient, (b) gain​​​​​​​

Agilent사의 N5230A 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 제작된 안테나의 입력 반사 계수와 이득을 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 입력 반사 계수 측정 결과, VSWR 2 이하인 주파수 대역이 2.32-2.57 GHz, 3.26-3.69 GHz, 4.50-6.56 GHz로 시뮬레이션 결과와 비교하여 낮은 주파수로 약간 이동하였으나 원하는 주파수 대역을 모두 만족한다.

이득은 전파 무반사실에서 최대 복사 방향인 +y축 방향으로 측정하였으며, 세 주파수 대역에서 측정된 이득은 각각 3.3–4.8 dBi, 0–4.1 dBi, 2.1–4.9 dBi로 시뮬레이션 결과와 유사하다. 또한 무선 랜 2.45 GHz 대역(2.4 GHz ~ 2.485 GHz)과 5 GHz 대역(5.15 GHz ~ 5.875 GHz) 그리고 3.5 GHz WiMAX 대역(3.4 GHz ~ 3.6 GHz)에서 이득은 3 dBi 이상 유지된다.

그림 8에 나타나 있듯이 제작된 안테나의 2.45 GHz, 3.5 GHz, 5.5 GHz에서의 측정 복사 패턴은 시뮬레이션 결과와 유사함을 알 수 있다. 측정된 전후방비는 10 dB 이상 유지된다.

그림 8. 측정된 복사 패턴 비교: (a) 2.45 GHz, (b) 3.5 GHz, (c) 5.5 GHz

Fig. 8. Comparison of measured radiation patterns: (a) 2.45 GHz, (b) 3.5 GHz, (c) 5.5 GHz​​​​​​​

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 2.45 GHz 및 5 GHz 무선 랜 주파수 대역과 3.5 GHz WiMAX 주파수 대역에서 동작하는 삼중 다이폴 준-야기 안테나에 대하여 연구하였다. 삼중 대역 동작을 위해 동일면 스트립 선로를 이용하여 V-모양 접지면과 직렬로 연결된 길이가 서로 다른 세 개의 다이폴을 설계하였다. 다이폴의 길이와 폭, 다이폴 사이의 간격을 조절하여2.45 GHz, 3.5 GHz 및 5 GHz 대역에서 동작하는 삼중 대역 지향성 안테나를 설계하고, FR4 기판 상에 제작하였다.

제작된 안테나는 VSWR 2 이하인 대역이 2.32-2.57 GHz, 3.26-3.69 GHz, 4.50-6.56 GHz로 원하는 2.45 GHz, 3.5 GHz, 5 GHz 대역에서 동작하는 것을 확인하였다. 측정된 이득은 세 대역에서 시뮬레이션 결과와 유사하며, 원하는 동작 대역에서 3 dBi 이상을 유지하였고 전후방비도 10 dB 이상으로 측정되었다.