Design of Miniaturized Wideband Tapered Slot Antenna Using Slots Combining Fan-shaped Structures

부채꼴 구조를 조합한 슬롯을 이용한 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나 설계

Abstract

In this paper, the design of a miniaturized wideband tapered slot antenna using slots combining various types of fan-shaped structures was studied. To miniaturize the tapered slot antenna and make it operate at low frequencies, slots combining fan-shaped structures were added to the ground plane of the tapered slot antenna. The miniaturization design process of the final proposed antenna was systematically explained by comparing the input reflection coefficient and gain variations when each fan-shaped structure was appended, compared to when there was no slot. The proposed miniaturized wideband tapered slot antenna using slots combining the fan-shaped structures was fabricated on an RF-35 substrate and its measured characteristics were compared with the simulation results. Experiment results show that the frequency band with a voltage standing wave ratio (VSWR) less than 2 was 2.59-11.39 GHz, and gain within the band was measured to be 3.3-7.0 dBi. The proposed miniaturized wideband tapered slot antenna can be reduced in size by 36.9%, compared to when there are no slots in the ground plane.

본 논문에서는 여러 종류의 부채꼴 구조를 조합한 슬롯을 이용한 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나 설계에 대하여 연구하였다. 테이퍼드 슬롯 안테나를 소형화하고 낮은 주파수에서 동작하도록 하기 위하여 접지면에 부채꼴 구조를 조합한 슬롯을 추가하였다. 각 부채꼴 구조가 추가될 때 입력 반사 계수와 이득 변화를 슬롯이 없을 때와 비교하여 최종 제안된 안테나의 소형화 설계 과정을 체계적으로 설명하였다. 제안된 부채꼴 구조를 조합한 슬롯을 이용한 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나를 RF-35 기판 상에 제작하여 특성을 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 실험 결과, 전압 정재파비(VSWR; voltage standing wave ratio)가 2 이하인 대역은 2.59-11.39 GHz이고, 대역내에서 이득이 3.3- 7.0 dBi로 측정되었다. 제안된 소형광대역 테이퍼드 슬롯 안테나는 접지면에 슬롯이 없을 때와 비교하여 크기를 36.9% 소형화할 수 있다.

Ⅰ. 서론

기존의 UWB (untra wideband, 3.1-10.6 GHz) 통신 뿐만 아니라 최근 추가되고 있는 다양한 무선 통신 서비스를 위해 넓은 주파수 대역에서 동작하는 광대역 안테나에 대한 요구가 증가하고 있다[1]. 지향성 광대역 안테나에는 테이퍼드 슬롯 안테나(TSA; tapered slot antenna) , 스파이럴(spiral) 안테나, 대수-주기 다이폴 배열(log-periodic dipole array) 안테나, 혼(horn) 안테나 등이 있다[2].

지향성 광대역 안테나 중에서 테이퍼드 슬롯 안테나는 평판 구조로 얇고 제작이 용이하며, 넓은 대역에서 비교적 큰 이득 특성을 가져 많이 사용되고 있다. 테이퍼드 슬롯 안테나의 개념은 1950년대 말에 슬롯의 폭이 점진적으로 커지는 슬롯(flared slot) 안테나에서 시작하였고[3], 1979년에 Gibson이 비발디(Vivaldi) 안테나로 소개하여 UWB 통신, 레이더, 이미징 분야에서 활발히 연구되고 있다[4]. 테이퍼드 슬롯 안테나는 슬롯의 모양에 따라 선형(linear), 지수형(exponential, 비발디), 정폭형(constant width), 타원형(elliptical), 이중 지수형(double exponential)로 나눌 수있다[5].

웨어러블(wearable) 기기를 위한 UWB 통신, 무선 인체 통신망(wireless body area network), 무칩 무선 식별(chipless radio frequency identification) 등의 응용 분야에서는 크기가 작고 지향성을 가지는 소형 광대역 지향성 안테나가 요구되고 있다[6],[7].

테이퍼드 슬롯 안테나의 소형화를 위해 다양한 모양의 슬롯을 테이퍼드 슬롯 안테나의 접지면 측면에 추가하거나 테이퍼드 슬롯의 모양을 변형하였다. 타원형 테이퍼드 슬롯 안테나의 측면에 1/4 원(quarter circle) 모양 슬롯과 길이가 다른 얇은 직사각형 슬롯 그룹을 추가하여 소형화하는 방법이 제안되었다[8]. 지수형 테이퍼드 슬롯 안테나의 크기를 줄이기 위해 측면에 두 개의 눈-모양(eye-shaped) 슬롯들을 측면에 추가하는 방법이 소개되었다[9]. 폭이 있는 직선 모양의 슬롯의 끝에 직사각형 모양 슬롯을 추가하여 지수형 테이퍼드 슬롯 안테나를 소형화하는 방법도 제안되었다[10]. 선형 테이퍼드 슬롯 안테나의 측면에 J-모양 슬롯을 추가하여 소형화하고 이득을 증가시키기 위하여 도파기와 얇은 스트립 도체로 구성된 배열구조를 이용한 방법이 소개되었다[11]. 비균일 전송 선로(nonuniform transmission line) 이론을 기반으로 지수형 테이퍼드 슬롯을 설계할 때 정현파 변화를 추가하여 소형화하는 방법도 제안되었다[12].

본 논문에서는 부채꼴(fan-shaped) 구조를 조합한 슬롯을 이용한 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나 설계에 대하여 연구하였다. 테이퍼드 슬롯 안테나의 접지면 측면에 부채꼴 구조의 1/4 원 모양 슬롯, 반원(half circle) 모양 슬롯, 반원 모양 도체가 결합된 슬롯을 차례로 추가하여 낮은 주파수에서 동작하도록 설계하여 소형화 하였다. 각 부채꼴 구조가 추가될 때 입력 반사 계수와 이득 변화를 슬롯이 없을 때와 비교하여 최종 제안된 안테나의 소형화 설계 과정을 설명하였다. 제안된 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나의 설계와 특성 분석을 위해 상용 전자파 해석 소프트웨어인 CST사의 Studio Suite를 이용하여 시뮬레이션하였다. 최종 설계된 부채꼴 구조를 조합한 슬롯을 이용한 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나는 RF-35 기판에 제작하여 특성을 확인하였다.

Ⅱ. 부채꼴 구조를 조합한 슬롯을 이용한 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나 구조 및 설계

제안된 부채꼴 구조를 조합한 슬롯을 이용한 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나의 구조가 그림 1에나타나 있다. 기판의 윗면에는 테이퍼드 슬롯과 부채꼴 구조를 조합한 슬롯이 에칭된 접지면이 인쇄되어 있고, 뒷면에는 원형 종단 스터브와 폭이 다른 2단 전송선로로 구성된 50 옴(ohm) 마이크로스트립 전송선로가 인쇄되어 있다. 안테나 설계를 위해 비유전율 3.5 이고 두께가 h = 0.76 mm인 RF-35 기판을 사용하였다.

그림 1. 제안된 안테나 구조: (a) 전체 구조, (b) 기판의 윗면과 아랫면의 설계변수

Fig. 1. Geometries of proposed antenna: (a) whole structure and (b) design parameters for the top and bottom sides of substrate

테이퍼드 슬롯은 아래 관계식에 따라 설계되었다[9]. x는 x축으로부터 지수형 슬롯의 끝까지의 거리이며, y가 6 mm(l_off1 + 2r_s)에서 36 mm(L)까지 증가하면 x는 0.16 mm에서 5.85 mm까지 증가한다.

x = ± {c₁exp(r₁(y - (l_off1 + 2^*r_s))) - c₁ + w_s1/2}, (l_off1 + 2^*r_s) ≤ y ≤ L       (1)

접지면의 양 측면에는 소형화를 위해 반지름이 r_g1이고 각도가90도인 1/4 원 모양의 부채꼴슬롯, 반지름이 r_g2이고 각도가 180도인 반원 모양의 부채꼴슬롯, 반지름이 r_g3이고 각도가 180도인 반원 모양의 부채꼴 도체, 그리고 반지름이 r_g4이고 각도가 180도인 반원 모양의 부채꼴 도체가 차례로 추가되었다. 표 1에는 제안된 부채꼴 구조를 조합한 슬롯을 이용한 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나의 최종 설계변수가 나타나 있다.

표 1. 제안된 안테나의 최종 설계변수

Table 1. Final design parameters of the proposed antenna

그림 2는 제안된 부채꼴 구조를 조합한 슬롯을 이용한 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나의 설계 과정에서 부채꼴 슬롯이나 부채꼴 도체가 추가될 때 안테나 구조를 나타내고 있다. 그림 2(a)는 접지면 측면에 슬롯이 없는 표준 테이퍼드 슬롯 안테나의 구조이고, 그림 2(b)는 접지면 측면에 반지름이 r_g1이고 각도가 90도인 1/4 원 모양의 부채꼴 슬롯이 추가된 안테나 구조이다. 그림 2(c)는 그림 2(b)의 1/4 원 모양의 부채꼴 슬롯 아래쪽에 반지름이 r_g2이고 각도가 180도인 반원 모양의 부채꼴 슬롯을 추가한 안테나 구조이다. 그림 2(d)는 접지면 슬롯의 길이를 증가시키기 위해 그림 2(c)의 1/4 원 모양의 부채꼴 슬롯 위쪽에 반지름이 r_g3이고 각도가 180도인 반원 모양의 부채꼴 도체를 추가한 안테나 구조이다. 그림 2(e)는 접지면 슬롯의 길이를 더 증가시키기 위해 그림 2(d)의 반지름이 r_g2이고 각도가 180도인 반원 모양의 부채꼴 슬롯의 끝에 반지름이 r_g4이고 각도가 180도인 반원 모양의 부채꼴 도체를 추가한 최종 안테나 구조이다.

그림 2. 설계 과정: (a) 접지면 슬롯이 없는 테이퍼드 슬롯 안테나, (b) 1/4 원 부채꼴 슬롯이 추가된 테이퍼드 슬롯 안테나, (c) 1/4 원과 반원 부채꼴 슬롯이 추가된 테이퍼드 슬롯 안테나, (d) 1/4 원 부채꼴 슬롯의 위쪽에 반원 부채꼴 도체가 추가된 테이퍼드 슬롯 안테나, (e) 제안된 테이퍼드 슬롯 안테나

Fig. 2. Design procedure: (a) TSA without ground slots, (b) TSA appended with quarter circle fan-shaped slots, (c) TSA added with quarter circle and half circle fan-shaped slots, (d) TSA appended with half circle fan-shaped conductors above the quarter circle fan-shaped slots, and (e) proposed TSA

그림 3은 그림 2에 나타나 있는 5가지 안테나 구조의 입력반사 계수와 이득 특성을 비교하였다. 접지면 측면에 슬롯이 없는 그림 2(a)의 경우, 전압 정재파비(VSWR; voltage standing wave ratio)가 2 이하인 주파수 대역은 4.16-13.67 GHz(106.7%)이고, 대역내 이득은 3.2-7.7dBi이다.

그림 3. 안테나 성능 비교: (a) 입력 반사 계수, (b) 이득

Fig. 3. Performance comparison of antennas: (a) input reflection coefficient and (b) gain

그림 2(b)에서 접지면 측면에 반지름이 r_g1이고 각도가 90도인 1/4 원 모양의 부채꼴 슬롯을 추가한 경우, VSWR이 2 이하인 주파수 대역은 3.04-13.61 GHz(127.0%)로 그림 2(a)와 비교할 때 대역폭이 20.3%증가하였고, 대역내 이득은 5.1-8.0dBi이다. 그림 2(c)와 같이 1/4 원 모양의 부채꼴 슬롯 아래쪽에 반지름이 r_g2이고 각도가 180도인 반원 모양의 부채꼴 슬롯을 추가한 경우, VSWR이 2이하인 주파수 대역은 2.84-13.62 GHz(131.0%)로 그림 2(b)와 비교할 때 대역폭이 4%증가하였고, 대역내 이득은 3.4-7.2dBi이다. 그림 2(d)에서 1/4 원 모양의 부채꼴 슬롯 위쪽에 반지름이 r_g3이고 각도가 180도인 반원 모양의 부채꼴 도체를 추가한 경우, VSWR이 2 이하인 주파수 대역은 2.79-13.58 GHz(131.8%)로 그림 2(c)와 비교할 때 대역폭이 0.8%증가하였고, 대역내 이득은 3.6-6.8dBi이다. 그림 2(e)와 같이 반지름이 r_g2이고 각도가 180도인 반원 모양의 부채꼴 슬롯의 끝에 반지름이 r_g4이고 각도가 180도인 반원 모양의 부채꼴 도체를 추가한 경우, VSWR이 2 이하인 주파수 대역은 2.61-13.57 GHz(135.5%)로 그림 2(d)와 비교할 때 대역폭이 3.7%증가하였고, 대역내 이득은3.3-7.0dBi이다.

Ⅲ. 안테나 제작 및 실험 결과

제안된 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나의 성능을 검증하기 위해 그림 4와 같이 RF-35 기판(ε_r = 3.5, h = 0.76 mm, tan δ = 0.0018)에 제작하였다.

그림 4. 제작된 안테나 사진

Fig. 4. Photograph of fabricated antenna

그림 5. 제작된 안테나 성능: (a) 입력 반사 계수, (b) 이득

Fig. 5. Performances of fabricated antenna: (a) input reflection coefficient and (b) gain

Agilent사 N5230A 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 제작된 안테나의 입력 반사 계수를 측정하였다. 측정된 입력 반사계수의 VSWR이 2 이하인 주파수 대역은 2.59-11.39 GHz(125.9%)로 나타났다. 시작 주파수는 시뮬레이션 결과 보다 조금 낮게 나타났으나 끝 주파수도 시뮬레이션 결과 보다 낮게 나타나서 대역폭이 9.6% 감소하였다. 측정된 끝 주파수가 낮게 나타난 것은 11.38-12.67 GHz 대역에서 VSWR이 2 이상으로 측정되었기 때문이다. 이것은 제작상의 오차나 측정시 연결되는 RF 케이블의영향 때문인 것으로 판단된다.

이득은 전파 무반사실에서 최대 복사 방향인 +y축 방향으로 측정하였고, 2.6-11GHz 대역에서 3.3-7.0 dBi로 시뮬레이션 결과와 유사하다.

그림 6에서 2.6 GHz, 3.1 GHz, 6 GHz, 9 GHz의 주파수에서 측정된 복사 패턴을 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 측정된 복사 패턴은 시뮬레이션 결과와 유사하며, 전후방비는 10 dB 이상 유지됨을 알 수있다.

그림 6. 복사 패턴 비교: (a) 2.6 GHz, (b) 3.1 GHz, (c) 6 GHz, (d) 9 GHz

Fig. 6. Comparison of radiation patterns: (a) 2.6 GHz, (b) 3.1 GHz, (c) 6 GHz, and (d) 9 GHz

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 부채꼴 구조를 조합한 슬롯을 이용한 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나를 제안하였다. 기존의 지수형 테이퍼드 슬롯 안테나의 접지면 측면에 부채꼴 구조의 1/4 원 모양 슬롯, 반원 모양 슬롯, 반원 모양 도체가 결합된 슬롯을 차례로 추가하여 입력 반사 계수의 VSWR이 2 이하인 시작 주파수를 낮은 주파수로 이동하도록 설계하여 안테나를 소형화하였다.

각 부채꼴 구조가 추가될 때 입력 반사 계수와 이득 변화를 슬롯이 없을 때와 시뮬레이션을 통해 비교하여 최종 제안된 안테나의 소형화 설계 과정을 설명하였다. 테이퍼드 슬롯 안테나의 접지면 측면에 부채꼴 구조의 1/4 원모양 슬롯, 반원모양 슬롯, 반원 모양 도체가 결합된 슬롯을모두 추가한 경우 슬롯이 없을 때와 비교하여 입력 반사 계수의 VSWR이 2 이하인 주파수 대역이 106.7%에서 135.5%로 28.8% 증가하였다. 제안된 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나는 접지면에 슬롯이 없을 때와 비교하여 VSWR이 2 이하인 주파수 대역의 시작 주파수가 4.16 GHz에서 2.61 GHz로 이동하였으며, 이를 통해 크기를 36.9% 소형화하였다.

RF-35 기판에 제작된 안테나의 성능을 측정한 결과, VSWR 2 이하인 주파수 대역이 2.59-11.39 GHz(125.9%)로 시뮬레이션 결과보다 약간 작았다. 이것은 11.38-12.67 GHz 대역에서 VSWR이 2 이상으로 측정되었기 때문이며, 제작상의 오차나 측정시 연결되는 RF 케이블의 영향 때문인 것으로 판단된다. 2.6-11GHz 대역에서 측정된 이득은 3.3-7.0 dBi로 시뮬레이션 결과와 유사하였다.

제안된 부채꼴 구조를 조합한 슬롯을 이용한 소형 광대역 테이퍼드 슬롯 안테나는 UWB 통신용 안테나, 무선 인체 통신망 안테나, 무칩 무선식별 태그 안테나, 밀리미터파 이미징 안테나 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.