Broadband 8 dBi Double Dipole Quasi-Yagi Antenna Using 4×2 Meanderline Array Structure

4×2 미앤더라인 배열 구조를 이용한 광대역 8 dBi 이중 다이폴 준-야기 안테나

Abstract

In this paper, a broadband double dipole quasi-Yagi antenna using a 4×2 meander line array structure for maintaining 8 dBi gain was studied. The 4×2 meanderline array structure consists of a unit cell in the shape of a meanderline conductor, and it was placed above the second dipole antenna of the double dipole quasi-Yagi antenna. A double dipole quasi-Yagi antenna with generally used multiple strip directors was designed on an FR4 substrate with the same size, and the input reflection coefficient and gain characteristics were compared. Comparison results showed that the impedance frequency bandwidth increased by 6.3% compared to when using the multiple strip directors, the frequency bandwidth with a gain of 8 dBi or more increased by 10.1%, and average gain also slightly increased. The frequency band of the fabricated antenna for a voltage standing wave ratio less than 2 was 1.548-2.846 GHz(59.1%), and gain was measured to be more than 8 dBi in the 1.6-2.8 GHz band.

본 논문에서는 4×2 미앤더라인 배열 구조를 이용하여 8 dBi 이득을 유지하는 광대역 이중 다이폴 준-야기 안테나에 대하여 연구하였다. 4×2 미앤더라인 배열 구조는 미앤더라인 도체 모양의 단위 셀로 구성되며, 이중 다이폴 준-야기 안테나의 두 번째 다이폴 안테나 위에 배치하였다. 일반적으로 많이 사용하는 여러 개의 스트립 도파기를 사용한 경우와 동일한 크기의 FR4 기판에 설계하였고, 입력 반사 계수와 이득 특성을 비교하였다. 비교 결과, 기존의 다중 스트립 도파기를 사용하였을 때 보다 주파수 대역폭이 6.3% 증가하였고, 이득이 8dBi 이상인 주파수 대역폭은 10.1% 증가하고 평균 이득도 조금 증가하였다. 제작된 안테나의 전압 정재파비 (VSWR; voltage standing wave ratio)가 2 이하인 대역은 1.548-2.846 GHz (59.1%)이고, 1.6-2.8 GHz 대역에서 이득이 8 dBi 이상으로 측정되었다.

Ⅰ. 서론

전자파를 송신하고 수신하는 장치인 안테나는 무선 통신 시스템에서 가장 기본이 되는 핵심 구성 요소이다[1]. 현재 진행되는 4차 산업혁명 시대에는 정보통신기술이 다른 기술들이나 산업들과 융합되어 발전하면서 메타버스, 자율주행 자동차, 디지털 트윈, 도심항공교통, 원격진료 등 새로운 디지털 서비스가 등장하고 이를 지원하기 위한 무선 통신에 대한 수요가 증가하고 있다[2]. 이들 새로운 디지털 서비스는 고품질 서비스, 끊김없는 통신, 실시간 업데이트 등의 지원이 필요하므로 보다 빠르고 안정적인 무선통신 기술이 필요하다. 이를 만족시키기 위해서는 추가적인 주파수 대역이 필요하여 6 GHz 이하 대역이나 밀리미터파 대역에서 새로운 주파수 대역을 발굴하고 있다. 이에 따라 기존의 주파수 대역을 포함하여 추가되는 새로운 주파수 대역에서 동작할 수 있는 광대역 혹은 다중 대역 안테나에 대한 수요가 증가하고 있다[3].

이동통신 기지국 및 중계기 안테나나 디지털 방송 수신용 안테나는 광대역에서 비교적 일정하고 높은 이득을 가지는 안테나가 요구되고 있으며, 대표적인 광대역 안테나인 야기 안테나와 다이폴 배열 안테나 등을 많이 사용하였다[4]. 야기 안테나 구조에서 하나의 급전 다이폴 안테나 대신에 전송선로로 직렬 연결된 2개 이상의 다이폴 안테나를 사용하면 광대역 혹은 다중 대역 특성을 얻을 수 있고 대역 내에서 일정한 이득을 얻을 수 있다[5,6]. 인쇄기판에 동일면 스트립 (coplanar strip) 전송선로로 두 개의 다이폴을 연결하고 접지면 반사기와 1개의 도파기를 사용하여 1.6-2.7 GHz 주파수 대역에서 이득이 7 dBi 이상인 이중 다이폴 준-야기 안테나를 제안하였다[7]. 폭이 다른 3개의 도파기를 추가하여 1.7-2.7 GHz 주파수 대역에서 이득이 8 dBi 이상인 이중 다이폴 준-야기 안테나가 소개되었다[8].

한편, 기존의 도파기를 사용하지 않고 단위 셀(unit cell)을 배열 구조로 주기적으로 배치한 메타물질(metamaterial)을 렌즈(lens)로 사용하여 안테나의 이득을 증가시키는 방법이 많이 연구되고 있다. 평행 스트립(parallel strip) 전송선로로 직렬로 연결된 3개의 길이가 다른 보우타이 모양 다이폴 안테나의 이득을 증가시키기 위해 분할 링 공진기(split ring resonator) 단위 셀을 4×2 배열 구조로 배치하는 방법을 제안하였으나 단위 셀 자체의 공진 주파수로 인해 주파수 대역 내에서 이득 증가가 일정하지 않은 단점이 있다[9]. 분할 링 공진기 대신에 미앤더라인(meanderline) 구조를 단위 셀로 사용하여 평행 스트립 전송선로로 직렬로 연결된 3개의 길이가 다른 보우타이 모양 다이폴 안테나의 이득을 증가시키는 방법이 소개되었다[10]. 수직 방향의 배열 수를 증가시킬수록 이득이 증가하였으나 주파수 대역 내에서 이득이 일정하지 않은 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 동일면 스트립 전송선로로 직렬 연결된 2개의 다이폴과 접지면 반사기로 구성된 이중 다이폴 준-야기 안테나에 4×1 미앤더라인 배열 구조를 배치하여 주파수 대역 내에서 이득이 7 dBi 이상이고 이득 편차가 1 dB 이내로 유지하는 설계 방법이 소개되었다[11].

본 논문에서는 기존의 다중 스트립 도파기 대신에 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용하여 동작 주파수 대역 내에서 이득이 8 dBi 이상인 이중 다이폴 준-야기 안테나를 제안하였다. 제안된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 성능을 검증하기 위해 기존의 다중 스트립 도파기를 사용하였을 때와 입력 반사 계수 및 이득 특성을 비교하였다. 상용 전자파 해석 소프트웨어인 CST사의 Studio Suite를 이용하여 최적의 안테나를 시뮬레이션하여 설계하였고, 최종 설계 변수를 이용하여 FR4 기판에 제작하여 시뮬레이션 결과와 특성을 비교하였다.

Ⅱ. 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나 구조 및 성능 비교

제안된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 8 dBi 이득을 가지는 광대역 이중 다이폴 준-야기 안테나의 구조가 그림 1(a)에 나타나 있다. 동일면 스트립 전송선로로 연결된 접지면 반사기(R₀), 첫 번째 다이폴(D₁), 두 번째 다이폴(D₂), 그리고 두 번째 다이폴 위에 배치된 4×2 미앤더라인 배열 구조는 기판의 앞면에 인쇄되어 있다. 50 옴(ohm) 마이크로스트립(microstrip) 전송선로는 기판의 뒷면에 인쇄되어 있다.

그림 1. 안테나 구조: (a) 제안된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나, (b) 다중 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나

Fig. 1. Geometries of antennas: (a) proposed double dipole quasi-Yagi antenna using 4×2 meanderline array structure and (b) double dipole quasi-Yagi antenna using multiple strip directors.

안테나 설계를 위해 비유전율 4.4이고 두께가 h = 1.6 mm인 FR4 기판을 사용하였다. 미앤더라인 배열 구조의 단위 셀은 그림 1(a)에 나타나 있다. 미앤더라인 배열 구조의 단위 셀의 특성은 시뮬레이션을 통해 유효 굴절률, 유효 비유전율, 유효 비투자율을 계산하여 알 수 있다. 계산된 유효 굴절률은 FR4의 유효 굴절률(∼1.11)보다 커서 등가적으로 렌즈 역할을 하여 이득을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다[11]. 그림 1(b)는 폭이 다른 3개의 스트립 도파기(D_r1, D_r2, D_r3)를 사용하여 8 dBi 이득을 가지는 이중 다이폴 준-야기 안테나의 구조이다[8]. 기판의 크기를 같게 하고 각 스트립 도파기의 폭과 도파기 사이의 간격을 조정하여 1.6-2.6 GHz 주파수 대역 내에서 8 dBi 이득을 가지도록 설계하였다. 표 1과 2에는 제안된 4×2 미앤더라인 배열 구조와 다중 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 최종 설계변수가 나타나 있다.

표 1. 제안된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 최종 설계변수

Table 1. Final design parameters of the proposed double dipole quasi-Yagi antenna using 4×2 meanderline array structure.

표 2. 다중 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 최종 설계변수

Table 2. Final design parameters of the double dipole quasi-Yagi antenna using multiple strip directors.

제안된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 입력 반사 계수와 이득 특성을 다중 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나와 그림 2에 비교하였다. 다중 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 전압 정재파비(VSWR; voltage standing wave ratio)가 2 이하인 주파수 대역은 1.589-2.721 GHz (52.5%)이고, 제안된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 VSWR 2 이하인 주파수 대역은 1.553-2.845 GHz (58.8%)로 대역폭이 6.3% 증가하였다. VSWR 2 이하인 주파수 대역 내에서의 이득은 다중 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 경우 7.0-8.24 dBi이고, 제안된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 경우 7.52-8.79 dBi로 0.52-0.55 dB 높다.

그림 2. 안테나 성능 비교: (a) 입력 반사 계수, (b) 이득

Fig. 2. Performance comparison of antennas: (a) input reflection coefficient and (b) gain.

또한, 이득이 8 dBi 이상인 주파수 대역의 경우, 다중 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나는 1.608-2.636 GHz(48.4%)이고, 제안된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나는 1.546-2.823 GHz(58.5%)로 대역폭이 10.1% 더 넓다. 이득이 8 dBi 이상인 주파수 대역 내에서의 평균 이득의 경우, 다중 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나는 8.13 dBi이고, 제안된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나는 8.32 dBi로 0.19 dB 더 크다. 그러나 8 dBi 이상인 대역 내에서의 이득 편차는 다중 스트립 도파기를 사용한 경우가 0.24 dB이고 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 경우가 0.79 dB로 다중 스트립 도파기를 사용한 경우가 더 적은 것으로 나타났다.

Ⅲ. 안테나 제작 및 실험 결과

제안된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 성능을 검증하기 위해 FR4 기판(ε_r = 4.4, h = 1.6 mm, tan δ = 0.025)에 그림 3과 같이 제작하였다.

그림 3. 제작된 안테나 사진

Fig. 3. Photograph of fabricated antenna.

Agilent사 N5230A 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 제작된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 입력 반사 계수를 그림 4(a)와 같이 측정하였다. 측정된 입력 반사 계수는 VSWR 2 이하인 주파수 대역이 1.548-2.846 GHz (59.1%)로 주파수 대역의 낮은 주파수와 높은 주파수가 조금 증가하여 시뮬레이션 결과보다 대역폭이 0.3% 증가하였다.

그림 4. 제작된 안테나 성능: (a) 입력 반사 계수, (b) 이득

Fig. 4. Performances of fabricated antenna: (a) input reflection coefficient and (b) gain.

최대 복사 방향인 +y축 방향에서의 이득을 전파 무반사실에서 측정하였다. 측정 결과, 그림 4(b)에 나타났듯이 1.6-2.8 GHz 대역에서 이득이 8 dBi 이상으로 시뮬레이션 결과와 유사한 것으로 나타났다.

제작된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 측정된 복사 패턴을 1.7 GHz, 2.2 GHz, 2.7 GHz의 세 주파수에서 시뮬레이션 결과와 그림 5와 같이 비교하였다. 측정된 복사 패턴은 시뮬레이션 결과와 유사하며, 주파수 대역에서 지향성을 가지고 전후방비는 10 dB 이상 유지됨을 알 수 있다.

그림 5. 복사 패턴 비교: (a) 1.7 GHz, (b) 2.2 GHz, (c) 2.7 GHz

Fig. 5. Comparison of radiation patterns: (a) 1.7 GHz, (b) 2.2 GHz, and (c) 2.7 GHz

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 4×2 미앤더라인 배열 구조를 이용하여 1.6-2.8 GHz 주파수 대역에서 8 dBi 이상의 이득을 유지하는 이중 다이폴 준-야기 안테나를 제안하였다. 미앤더라인 단위 셀을 이용하여 이중 다이폴 준-야기 안테나의 두 번째 다이폴 위에 스트립 도파기 대신에 배치하면 등가적으로 렌즈와 같이 동작하여 이득을 향상 시킬 수 있다. 기존의 7 dBi 이상의 이득을 유지할 수 있는4×1 미앤더라인 배열 구조 위에 한 층을 더 추가하여 4×2 미앤더라인 배열 구조로 배치하는 경우 8 dBi 이상의 이득을 얻을 수 있다.

성능 검증을 위해 동일한 기판 크기로, 폭이 다른 3개의 스트립 도파기를 사용한, 기존 구조의 안테나를 8 dBi 이득을 얻을 수 있도록 설계한 경우의 입력 반사 계수와 이득을 비교하였다. 제안된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 경우 입력 반사 계수의 대역폭과 이득이 8 dBi 이상인 주파수 대역폭이 3개의 스트립 도파기를 사용한 경우보다 조금 더 넓은 것을 알 수 있었다. 또한, 이득이 8 dBi 이상인 주파수 대역에서의 평균 이득도 조금 큰 것으로 나타났다. 그러나 8 dBi 이상인 주파수 대역 내에서의 편차는 조금 더 큰 것으로 나타나 편차를 줄이기 위해서는 추가적인 설계 변수 최적화가 필요할 것으로 판단된다.

제작된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 VSWR 2 이하인 주파수 대역은 1.548-2.846 GHz(59.1%)이고, 1.6-2.8 GHz 대역에서 이득이 8 dBi 이상으로 시뮬레이션 결과와 유사하게 나타났다.

제안된 4×2 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나는 5G 및 차세대 6G 이동통신 기지국 및 중계기용 안테나, 디지털 방송 수신용 안테나, RFID 리더용 안테나 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.