Journal of Advanced Navigation Technology (한국항행학회논문지)

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CPW-Fed Super-wideband Semicircular-Disc-Shaped Dipole Antenna

CPW-급전 초광대역 반원-디스크-모양 다이폴 안테나

  • Junho Yeo (Department of Artificial Intelligence, Daegu University) ;
  • Jong-Ig Lee (Department of Electrical and Electronics Engineering, Dongseo University)
  • 여준호 (대구대학교 AI학과) ;
  • 이종익 (동서대학교 전기전자공학과)
  • Received : 2024.05.21
  • Accepted : 2024.06.08
  • Published : 2024.06.30
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Abstract

This paper deals with the design and fabrication of a coplanar waveguide (CPW)-fed super-wideband semicircular-disk-shaped dipole antenna operating in a frequency band of 2.4 GHz or higher. To feed the antenna, a CPW feed line was appended to the center of the lower arm of the semicircular-disk-shaped dipole antenna. For miniaturization, square patches were added to the ends of the two arms of the semicircular-disk-shaped dipole, whereas the slot width of the CPW feed line at the center of the dipole antenna was increased to improve impedance matching in the 5.4-6.3 GHz band. The simulated frequency band of the proposed antenna for a voltage standing wave ratio (VSWR) less than 2 was 2.369-30 GHz(170.7%), whereas the fabricated antenna was maintained VSWR less than 2 in the frequency range of 2.378-20 GHz when measured using a network analyzer operating up to 20 GHz so it can be applied as a super-wideband antenna for next-generation mobile communications.

본 논문에서는 2.4 GHz 이상의 주파수 대역에서 동작하는 동일면 도파관 (CPW; coplanar waveguide) 급전 초광대역 반원-디스크-모양 다이폴 안테나의 설계와 제작을 다루고 있다. 안테나 급전을 위해 반원-디스크-모양 다이폴 안테나의 아래 쪽 팔의 중심에 CPW 급전 선로를 추가하였다. 소형화를 위해 반원-디스크-모양 다이폴의 두 팔의 끝에 사각형 패치를 추가하였고, 5.4-6.3 GHz 대역에서 임피던스 정합을 개선하기 위해 다이폴 안테나의 중심 부분의 CPW 급전 선로의 슬롯 폭을 증가시켰다. 제안된 안테나의 시뮬레이션 전압 정재파비 (VSWR; voltage standing wave ratio)가 2 이하인 대역은 2.369-30 GHz (170.7%)이고, 제작된 안테나도 20 GHz까지 동작하는 네트워크 분석기로 측정한 결과 2.378-20 GHz까지 VSWR 2 이하로 유지되어 차세대 이동통신용 초광대역 안테나로 적용할 수 있다.

Keywords

Ⅰ. 서론

초연결, 초융합, 초지능으로 대표되는 4차 산업혁명의 핵심 기술인 사물인터넷, 인공지능, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅 등을 이용하여 스마트 농장, 스마트 공장, 스마트 도시, 자율주행차, 드론 및 도심항공교통, 지능형 제조 및 서비스 로봇 등을 구현하기 위해서 많은 데이터를 고속으로 주고 받아야 하고 이를 위해 무선 통신 서비스의 주파수 대역이 계속 추가되고 높은 주파수 대역으로 넓혀 가고 있다[1]. 5세대 이동통신을 예로 보면, 4세대 이동통신에서 사용하던 기존의 0.8-0.9 GHz, 1.7-1.9 GHz, 1.9-2.6 GHz 대역에 3.4-3.7 GHz 대역과 26.5-28.9 GHz 대역이 추가되었다[2]. 또한, 기업이 특정 지역이나 건물, 공장, 빌딩 등에 적용할 수 있는 5세대 특화망을 위해서 4.72-4.82 GHz 대역과 28.9-29.5 GHz 대역을 사용할 수 있다[3]. 앞으로 사용될 6세대 이동통신을 위해 6-24 GHz 대역에서 주파수를 추가로 발굴하여 사용할 것으로 예상된다. 따라서 기존의 주파수 대역과 추가되는 주파수 대역에서 동작할 수 있는 초광대역 안테나가 요구되고 있다[4].

일반적으로 초광대역은 3.1-10.6 GHz(109.5%, 1:3.42)의 UWB(ultra-wideband) 대역을 위해 많이 사용하였으나 최근 이 대역 보다 더 넓은 주파수 대역을 나타내기 위해 전압 정재파비(voltage standing wave ratio; VSWR)가 2 이하인 대역의 대역폭 비가 1:10 이상인 SWB(super-wideband)가 사용되고 있다[5]. 초광대역 특성을 갖기 위해서는 일반적으로 모노폴 안테나, 다이폴 안테나, 슬롯 안테나, 루프 안테나, 자기 상보(self complementary) 안테나 등의 무지향성 안테나를 사용한다[6].

사다리꼴 모양과 원 모양 패치를 조합한 구조를 이용하고 CPW 전송선로로 급전되어 5-25 GHz 대역에서 동작하는 모노폴 안테나를 제안하였다[7]. 큰 원형 패치에 두 개의 작은 원형 패치를 조합하여 미키 마우스 모양 구조를 만들어 마이크로스트립 전송선로로 급전되고 2-100 GHz 대역에서 동작하는 모노폴 안테나가 소개되었다[8]. 원형 링 모양 패치 내부에 20도 기울어진 스트립이 추가된 파이(Φ) 모양 구조를 이용하여 3.5-37.2 GHz 대역에서 동작하는 CPW-급전 모노폴 안테나를 제안하였다[9]. 원 모양 패치의 윗부분을 좀 잘라낸 구조를 이용하고 접지면의 위쪽 양끝 부분을 원형으로 잘라내어 임피던스 정합을 향상시킨 2.45-27.25 GHz 대역에서 동작하는 CPW-급전 모노폴 안테나가 소개되었다[10]. 원 모양 패치의 중심에 작은 마름모 모양 슬롯과 수직 슬롯이 추가된 구조를 이용하여 마이크로스트립 선로로 급전되고 1.65-160 GHz 대역에서 동작하는 모노폴 안테나를 제안하였다[11]. 7개의 타원 모양 패치와 3개의 원 모양 패치를 조합한 부케 모양 구조를 이용하여 마이크로스트립 선로로 급전되고 2.9-30 GHz 대역에서 동작하는 모노폴 안테나가 소개되었다[12]. 낫 모양 자기상보 구조와 변형된 접지면을 이용하여 1.3-40 GHz 대역에서 동작하는 CPW-급전 모노폴 안테나를 제안하였다[13]. 미키 마우스 모양 패치의 내부에 미키 마우스 모양 슬롯을 추가한 구조를 이용하여 마이크로스트립 전송선로로 급전되고 1.22-47.5 GHz 대역에서 동작하는 소형 모노폴 안테나가 소개되었다[14]. 원형 링 패치에 외접하게 마름모 모양 링을 추가한 구조와 변형된 접지면을 이용하여 마이크로스트립 전송선로로 급전되고 2.3-23 GHz 대역에서 동작하는 모노폴 안테나를 제안하였다[15]. 육각형 모양 패치의 내부에 꽃 모양 슬롯을 추가한 구조를 이용하여 마이크로스트립 전송선로로 급전되고 1.22-47.5 GHz 대역에서 동작하는 소형 모노폴 안테나가 소개되었다[16].

본 논문에서는 2.4 GHz 이상의 주파수 대역에서 동작하는 CPW 급전 반원-디스크-모양 다이폴 안테나를 제안하였다. 반원-디스크-모양 다이폴의 두 팔의 끝에 사각형 패치를 추가하였고, 중간 대역에서 임피던스 정합을 개선하기 위해 다이폴 안테나의 중심 부분의 CPW 급전 선로의 슬롯 폭을 증가시켰다. 사각형 패치 추가와 중심 부분 급전 선로 슬롯 폭 증가에 따른 입력 반사 계수와 이득 특성의 변화를 비교 분석하였다. 상용 전자파 해석 소프트웨어인 CST사의 Studio Suite를 이용하여 최적의 안테나를 시뮬레이션하여 설계하였고, 최종 설계 변수를 이용하여 FR4 기판에 제작하여 시뮬레이션 결과와 특성을 비교하였다.

Ⅱ. CPW-급전 초광대역 반원-디스크-모양 다이폴 안테나 구조

그림 1에 제안된 CPW 급전 반원-디스크-모양 다이폴 안테나의 구조가 나타나 있다. 반원-디스크-모양 다이폴 안테나가 비유전율 4.4이고 두께가 1 mm인 FR4 기판의 한쪽 면에 인쇄되어 있다. 반원-디스크-모양 다이폴의 두 팔의 끝에 사각형 패치를 추가하였고, 반원-디스크-모양 다이폴 안테나의 아래쪽 팔의 중심에 CPW 급전 선로를 추가하였다.

그림 1. CPW-급전 초광대역 반원-디스크-모양 다이폴 안테나 구조

Fig. 1. Geometry of CPW-fed super-wideband semicircular-disc-shaped dipole antenna.

중간 대역에서 임피던스 정합을 개선하기 위해 다이폴 안테나의 중심 부분의 CPW 급전 선로의 접지면에 폭 gf2이고 길이 l1인 슬롯을 추가하여 슬롯 폭을 증가시켰다. 제안된 CPW 급전 반원-디스크-모양 다이폴 안테나의 최종 설계 변수가 표 1에 나타나 있다.

표 1. CPW-급전 초광대역 반원-디스크-모양 다이폴 안테나의 최종 설계 변수

Table 1. Final design parameters of the CPW-fed super-wideband semicircular-disc-shaped dipole antenna.

그림 2는 제안된 CPW 급전 반원-디스크-모양 다이폴 안테나의 설계 과정을 설명하기 위한 3가지 안테나 구조가 나타나 있다. 그림 2(a)는 사각형 패치와 급전 선로 슬롯이 없는 안테나이고, 그림 2(b)는 사각형 패치만 추가된 안테나이다. 그림 2(c)는 사각형 패차와 급전 선로 슬롯이 추가된 안테나이다.

그림 2. 제안된 안테나의 설계 과정: (a) 사각형 패치와 급전 선로 슬롯이 없는 안테나, (b) 사각형 패치가 추가된 안테나, (c) 사각형 패치와 급전 선로 슬롯이 추가된 안테나

Fig. 2. Design procedure of the proposed antenna: (a) the antenna without square patches and feed line slots, (b) the antenna with square patches, (c) the antenna with square patches and feed line slots added.

그림 3은 그림 2의 3가지 안테나들에 대한 시뮬레이션 입력 반사 계수와 +z축 방향 이득을 비교하였다. 시뮬레이션을 위한 상한 주파수는 30 GHz로 설정하였다. 그림 2(a)의 사각형 패치와 급전 선로 슬롯이 없는 CPW-급전 반원-디스크-모양 다이폴 안테나의 VSWR 2 이하인 주파수 대역은 5.441-6.283 GHz 대역을 제외한 2.369-30 GHz 대역에서 유지되고, +z축 방향 이득은 2.369-20 GHz 대역에서 –28.7-4.1 dBi이다. +z축 방향 이득은 8.5 GHz까지는 1.5 dBi 이상이 유지되나 그 이상의 주파수에서는 최대 복사 방향이 바뀌어서 줄어들었다가 커지는 것을 반복하는 것을 알 수 있다. 그림 2(b)와 같이 사각형 패치를 반원-디스크-모양 다이폴의 끝에 추가하면 VSWR 2 이하인 주파수 대역은 5.422-6.287 GHz 대역을 제외한 2.366-30 GHz 대역에서 유지되어 주파수 대역이 약간 낮은 주파수로 이동하였고, +z축 방향 이득은 2.366-20 GHz 대역에서 -23.4-4.1 dBi로 비슷한 것을 알 수 있다. 그림 2(c)와 같이 사각형 패치와 급전 선로 슬롯을 추가하면 중간 대역에서 임피던스 정합이 개선되어 VSWR 2 이상인 주파수 대역이 없어지고 2.369-30 GHz 대역에서 VSWR 2 이하로 유지되고, +z축 방향 이득은 2.369-20 GHz 대역에서 -23.4-4.2 dBi이다.

그림 3. 안테나 성능 비교: (a) 입력 반사 계수, (b) +z축 방향 이득

Fig. 3. Performance comparison of antennas: (a) input reflection coefficient and (b) gain in the +z-axis direction.

제안된 CPW-급전 반원-디스크-모양 다이폴 안테나의 2.4 GHz, 5 GHz, 8 GHz, 9 GHz, 15 GHz, 20 GHz에서의 3차원 (3D) 복사 패턴이 그림 4에 나타나 있다. 8 GHz까지는 다이폴의 길이가 파장의 1.5배 이하여서 ±z축 방향으로 최대 복사가 되고 9 GHz부터는 다이폴의 길이가 파장의 1.5배 이상이 되어 ±x축 방향으로 최대 복사 방향이 바뀌는 것을 알 수 있다[17,18]. 15 GHz와 20 GHz에서는 최대 복사 방향이 x-y 평면 방향에서 계속 바뀌는 것을 알 수 있다.

그림 4. 제안된 안테나의 시뮬레이션 3D 복사패턴: (a) 2.4 GHz, (b) 5 GHz, (c) 8 GHz, (d) 9 GHz, (e) 15 GHz, (f) 20 GHz

Fig. 4. Simulated 3D radiation pattern of the proposed antenna: (a) 2.4 GHz, (b) 5 GHz, (c) 8 GHz, (d) 9 GHz, (e) 15 GHz, and (f) 20 GHz.

Ⅲ. 안테나 제작 및 실험 결과

그림 5는 성능을 검증을 위해 FR4 기판(εr = 4.4, h = 1 mm, tan δ = 0.025)에 제작된 CPW-급전 반원-디스크-모양 다이폴 안테나의 사진이 나타나 있다.

그림 5. 제작된 안테나 사진

Fig. 5. Photograph of fabricated antenna.

20 GHz까지 측정할 수 있는 Agilent사 N5230A 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 제작된 CPW-급전 반원-디스크-모양 다이폴 안테나의 입력 반사 계수를 측정하여 그림 6(a)과 같이 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 측정된 입력 반사 계수는 2.378-20 GHz 대역에서 VSWR 2 이하로 유지되어 하한 주파수가 약간 증가하였으나 시뮬레이션 결과와 유사함을 알 수 있다.

그림 6. 제작된 안테나 성능: (a) 입력 반사 계수, (b) 이득

Fig. 6. Performances of fabricated antenna: (a) input reflection coefficient and (b) gain in the +z-axis direction.

+z축 방향에서의 이득을 전파 무반사실에서 2.4-10 GHz 대역에 대해 측정하였다. 측정 결과, 그림 6(b)에 나타났듯이 2.4-8 GHz 대역에서 +z축 방향 이득이 0.8-3.8 dBi로 시뮬레이션 결과 보다 0.4-0.8 dB 낮은 것으로 나타났다. 이것은 낮은 주파수 대역에서 측정에 사용된 동축케이블의 영향 때문에 +z축 방향 이득이 줄어든 것으로 판단된다.

그림 7은 2.4 GHz, 8 GHz, 9 GHz, 10 GHz에서 제작된 CPW-급전 반원-디스크-모양 다이폴 안테나의 측정된 복사 패턴을 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 측정된 복사 패턴은 시뮬레이션 결과와 유사함을 알 수 있다.

그림 7. 복사 패턴 비교: (a) 2.4 GHz, (b) 8 GHz, (c) 9 GHz, (d) 10 GHz

Fig. 7. Comparison of radiation patterns: (a) 2.4 GHz, (b) 8 GHz, (c) 9 GHz, and (d) 10 GHz.

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 2.4 GHz 이상의 주파수 대역에서 동작하는 CPW 급전 반원-디스크-모양 다이폴 안테나를 제안하였다. 소형화를 위해 반원-디스크-모양 다이폴의 두 팔의 끝에 사각형 패치를 추가하였고, 5.4-6.3 GHz의 중간 대역에서 임피던스 정합을 개선하기 위해 다이폴 안테나의 중심 부분의 CPW 급전 선로의 슬롯 폭을 증가시켰다.

사각형 패치와 급전 선로 슬롯이 없는 경우와 사각형 패치만 추가된 경우와 입력 반사 계수와 +z축 방향 이득을 비교하였다. 20 GHz까지 측정할 수 있는 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 제작된 CPW-급전 반원-디스크-모양 다이폴 안테나의 입력 반사 계수를 측정한 결과 2.378-20 GHz 대역에서 VSWR 2 이하로 유지되었다. 하한 주파수가 약간 증가하였으나 시뮬레이션 결과와 유사함을 알 수 있다. +z축 방향에서의 이득은 2.4-8 GHz 대역에서 0.8-3.8 dBi로 시뮬레이션 결과 보다 0.4-0.8 dB 낮은 것으로 나타났다. 이것은 낮은 주파수 대역에서 측정에 사용된 동축케이블의 영향 때문에 +z축 방향 이득이 줄어든 것으로 판단된다.

제안된 CPW-급전 반원-디스크-모양 다이폴 안테나는 차세대 이동통신용 초광대역 안테나, 초광대역 인빌딩 (in-building) 중계 안테나, 초광대역 방향 탐지 안테나 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

References

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