http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2012.23.7.761 ISSN 1226-3133 (Print)
UHF 대역용 CPW 급전 초광대역 평면형 모노폴 안테나
A CPW-Fed Ultra-Wideband Planar Monopole Antenna for
UHF Band Applications
유 태 훈․김 태 형 Tae Hoon Yoo․Tae Hyung Kim
요 약
본 논문에서는UHF 대역 내의 통신 및 디지털 TV 수신용으로 사용될 수 있는 넓은 대역폭을 가진 새로운
형태의 초광대역 평면형 모노폴 안테나를 제안하였다. CPW 급전 방식을 사용한 이 안테나는 광대역 특성을 가지고 있는 삼각형 모양의 패치를 기본으로 하고 있는데, 대역폭을 더욱 넓히기 위해 삼각형 패치의 위쪽에 노치를 만들고 패치의 양쪽에 스텝을 추가하였으며 접지판을 경사지게 하였다. 측정 결과, 제안한 안테나의 대 역폭은 반사 손실 —10 dB를 기준으로 할 때, 480～2,800 MHz까지 2,320 MHz(5.83:1 대역폭)로 UHF 대역에서
이루어지고 있는 여러 가지 통신 서비스의 주파수 대역과 디지털TV 방송 주파수 대역 전체를 포함하였다. y-z
평면(E-plane)에서 최대 이득은 3.01～4.71 dBi로 측정되었다.
Abstract
In this paper, a novel ultra-wideband planar monopole antenna for the UHF communications and Digital-TV reception is proposed. The proposed antenna fed by a coplanar waveguide(CPW) is based on a triangular patch that has a broadband characteristic. To further increase the bandwidth of the triangular patch antenna, the top side of the regular triangular patch is loaded with a notch cut and each oblique side with a step. In addition, a slope is given to the ground plane of the CPW structure. Experimental results show that the —10 dB return loss bandwidth of the proposed antenna is 2,320 MHz from 480～2,800 MHz(5.83:1 bandwidth), which covers all the frequency bands of the various wireless communication systems and Digital TV broadcasting in the UHF band. Within the entire operating frequency range, the measured antenna gain in y-z plane(E-plane) varies from 3.01 to 4.71 dBi.
Key words : Planar Monopole Antenna, UWB Antenna, Coplanar Waveguide, UHF Band, Notch, Step
동양미래대학교 정보통신과(Department of Information & Communications, Dongyang Mirae University)
․Manuscript received April 26, 2012 ; Revised June 4, 2012 ; Accepted July 2, 2012. (ID No. 20120426-052)
․Corresponding Author : Tae Hoon Yoo (e-mail : [email protected])
Ⅰ. 서 론
최근 무선 통신 기술이 매우 빠르게 발전함에 따 라 다양한 방식의 무선 통신 서비스가 제공되고 있 으며, 음성은 물론 대용량의 동영상, 방송, 인터넷 데 이터 등을 전송하는 광대역 멀티미디어 서비스도 이
루어지고 있다. 이 가운데 UHF(Ultra High Frequency) 대역(300～3,000 MHz)에서 서비스되고 있는 통신 방 식으로는 Cellular/GSM800(824～894 MHz), GSM900 (880～960 MHz), DCS/GSM1800(1,710～1,880 MHz), GPS(1,570～1,577 MHz), PCS/GSM1900(1,850～1,990 MHz), WCDMA/UMTS/IMT2000(1,920～2,170 MHz),
WiBro(2,300～2,400 MHz), WLAN(2,400～2,484 MHz), WiMax(2,500～2,690 MHz) 등이 있다[1]. 이밖에 우리 나라에서2013년부터 전면 실시되는 디지털 TV 방 송 주파수 대역(470～806 MHz)도 UHF 대역에 속한 다. 통신 장비 하나로 이러한 다양한 서비스를 모두 이용할 수 있으려면 넓은 주파수 대역폭을 갖는 초 광대역 안테나(ultra wideband antenna)가 필요하다.
초광대역 통신이 가능한 기기의 휴대와 이동이 간편 하려면 안테나는 사이즈가 작고 얇아야 한다. 이러 한 구조를 가지면서 광대역 특성을 나타내는 것이 평면형 모노폴 안테나(planar monopole antenna)이다.
평면형 모노폴 안테나는 방사체(radiator)인 패치 (patch)의 모양에 따라 동작 특성이 달라지는데, 지금 까지 사각형, 원, 타원, 삼각형, 육각형 등 다양한 형 태의 패치에 대해 많은 연구가 이루어져 왔다[2]～[7]. 그런데, 이들 연구는 대부분 UHF 대역이 아닌 UWB 통신 주파수 대역(3.1～10.6 GHz)이나[2]～[4] UHF 대 역 내의 특정 주파수 대역에서 사용하는 안테나에 대한 것이다[5]～[7]. 2007년에 Ren과 Cheng이 집모양 의 패치(house-shaped patch)로 UHF 대역의 620～
2,130 MHz에서 동작하는 평면형 모노폴 안테나를 제안하였는데, 이것 역시 디지털 TV와 무선 LAN 대 역을 포함하지는 못한다[8].
본 논문에서는 삼각형 모양의 패치를 기본으로 하고, 여기에 노치(notch)와 스텝(step)을 추가하여 UHF 대역에서 이루어지고 있는 모든 통신 서비스의 주파수 대역은 물론, 디지털 TV 방송 주파수 대역까 지 포함하는 새로운 초광대역 평면형 모노폴 안테나 를 제안하고, 시뮬레이션과 제작을 통해 그 특성을 분석하였다. 안테나의 급전은 CPW(Coplanar Wave- guide)를 사용하였다. CPW 방식은 급전선과 접지판 이 같은 평면에 놓여 있으므로 마이크로스트립과는 달리 완전한TEM 모드를 구현할 수 있어서 높은 주 파수까지 좋은 전송 특성을 유지할 수 있다는 장점 이 있다. 또한, 비어(via)를 사용할 필요가 없고, MM- IC 회로와 집적화하기가 쉽다는 구조적인 장점도 가 지고 있다[2],[5].
Ⅱ. 초광대역 안테나의 구조 및 설계
본 논문에서 제안한 안테나의 구조는 그림1에서그림 1. 제안된 안테나 구조
Fig. 1. Geometry of the proposed antenna.
보듯이 삼각형 패치를 기본으로 하는 평면형 모노폴 이다. 삼각형은 일반적으로 광대역 모노폴 안테나에 많이 사용되고 있는 형태이다[4],[6]. 본 논문에서는 삼 각형 패치 윗면에 노치(notch)를 만들고 패치의 양 옆에 스텝(step)을 추가하여 더욱 대역폭을 넓히고 임피던스 정합이 잘 이루어지도록 하였다. N은 노치 의 길이, S는 스텝의 길이, G1과G2는 각각 접지판의 안쪽과 바깥쪽 길이, WF는 급전선의 폭, WG는 급전 선과 접지판 사이의 간격이다. F는 패치와 접지판 (G1) 사이의 간격이다. 급전은 CPW 방식으로 하였 는데, 여기서는 두 접지판을 일직선으로 하지 않고 패치쪽으로 경사지게 만들어 대역폭이 더욱 넓어지 게 하였다.
본 논문에서는 최적의 안테나 파라미터를 얻기 위해Ansoft사의 HFSS를 사용하여 시뮬레이션을 수 행하였다. 또한, 전체 크기가 175 mm(L)×50 mm(W) 이고, 상대유전율이 εr=4.4이며, 두께가 H=1.6 mm 인FR4 기판을 사용하여 안테나를 직접 제작하고 특 성을 측정하였다.
그림2는 안테나의 치수가 L=175 mm, W=50 mm, G1=G2=24.73 mm, F=5 mm, WF=1.25 mm, WG=0.875 mm, S=0 mm일 때 노치의 길이 N의 변화에 따른 반 사 손실이다. S=0 mm이므로 삼각형 패치에 스텝은 없는 상태이다. 또한, G1=G2이므로 양쪽 접지판의 위쪽 모서리는 경사지지 않은 모양이다. 그래프를
그림 2. 노치 길이 N의 변화에 따른 반사 손실 Fig. 2. Simulated return loss for various values of not-
ch length N.
그림 3. 접지판의 바깥쪽 길이 G2의 변화에 따른 반 사 손실
Fig. 3. Simulated return loss for various values of ou- ter edge length G2 of the ground plane.
보면f1=590 MHz, f2=1.3 GHz, f3=2.2 GHz 부근의 세 주파수에서 공진이 일어나는 것을 알 수 있다. 노치
의 길이N은 공진 주파수는 거의 변화시키지 않고
반사 손실 특성에만 약간의 영향을 주는 것으로 나 타났는데, 주로 낮은 쪽 공진 주파수보다는 높은 쪽 공진 주파수의 반사 손실에만 변화를 가져온다. 노 치의 길이N이 45 mm일 때 반사 손실 —10 dB를 기 준으로 한 대역폭이1.11～2.45 GHz까지 1.34 GHz로 가장 넓게 나왔다.
그림3은 안테나의 치수가 L=175 mm, W=50 mm, G1=24.73 mm, F=5 mm, WF=1.25 mm, WG=0.875 mm,
N=45 mm, S=0 mm일 때 접지판의 바깥쪽 길이 G2의 변화에 따른 반사 손실을 시뮬레이션으로 구한 결과 이다. 접지판의 바깥쪽 길이 G2를 안쪽 길이 G1= 24.73 mm보다 크게 하면 접지판이 경사지게 된다.
G2의 길이가 길어질수록 두 번째 공진 주파수 f2가 낮아져 첫 번째 공진 주파수f1에 가까워지므로 낮은 주파수 대역에서의 반사 손실 특성이 좋아진다. G2
의 길이가G1보다 계속 길어져40 mm를 넘어서면 f2
와f3 사이의 주파수에서 공진이 하나 더 발생한다.
이 새로운 공진 주파수f23은G2의 길이가 길어질수 록 높아지면서 반사 손실 특성은 좋아지는데, G2의 길이가 대략55 mm를 넘어서면 주파수는 계속 높아 지지만 반사 손실 특성은 오히려 나빠진다. G2가60 mm일 때 가장 대역폭이 넓게 나왔는데, 반사 손실
—10 dB를 기준으로 한 대역폭을 구해 보면 0.46～
2.39 GHz까지 1.93 GHz이다.
그림4는 안테나의 치수가 L=175 mm, W=50 mm, G1=24.73 mm, G2=60 mm, F=5 mm, WF=1.25 mm, WG
=0.875 mm, N=45 mm일 때 스텝 길이 S의 변화에 따 른 반사 손실을 나타내고 있다. 스텝 길이 S는 첫 번 째 공진 주파수f1과 두 번째 공진 주파수f2의 위치 에는 거의 영향을 주지 않지만, 이들 주파수에서의 반사 손실 특성을 달라지게 만드는데, S가 길어질수 록 반사 손실이 낮아진다. S가 길어지면 세 번째 공 진 주파수 f3과 네 번째 공진 주파수 f4가 내려간다.
스텝 길이S=90 mm일 때 f3과f4가 서로 가까워져서
그림 4. 스텝 길이 S의 변화에 따른 반사 손실 Fig. 4. Simulated return loss for various values of step
length S.
반사 손실 —10 dB를 기준으로 한 대역폭이 0.47～
2.57 GHz까지 2.1 GHz로 가장 넓게 나왔다. 지금까 지의 모든 시뮬레이션 결과를 종합하여 표1과 같이 최적의 안테나 파라미터를 구하였다.
Ⅲ. 안테나 제작 및 측정
그림5는 표 1과 같이 구한 최적 파라미터에 맞춰 실제로 제작한 안테나의 실물 사진이다. 그림 6은 이렇게 제작한 안테나의 반사 손실 측정 결과를 시 뮬레이션으로 구한 결과와 비교한 그래프로, 공진 주파수의 위치와 반사 손실 값에서 약간의 차이를 보이고 있지만 전체적인 형태를 볼 때 두 결과가 비 교적 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. 반사 손실 —10 dB를 기준으로 한 대역폭을 살펴보면 시뮬레이션 결과는470～2,570 MHz로 대역폭이 2,100 MHz이고, 측정 결과는480～2,800 MHz로 대역폭이 2,320 MHz 로 나타났다. 측정 결과가 시뮬레이션 결과보다 대 역폭이 220 MHz만큼 넓게 나왔다. 측정된 동작 대 역의 맨 아래 주파수와 맨 위 주파수의 비는5.83:1 이므로 제작된 안테나가 초광대역 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 측정 결과를 살펴보면 디지털 TV 수신 주파수 대역(470～806 MHz)과 UHF 대역에
그림 5. 제작한 안테나의 실물 사진 Fig. 5. Photograph of the fabricated antenna.
표 1. 제안한 안테나의 최적 파라미터 값
Table 1. Optimized parameter values of the proposed antenna.
파라미터 길이[mm] 파라미터 길이[mm]
L 175 G1 24.73
W 50 G2 60
N 45 WF 1.25
S 90 WG 0.875
F 5 - -
그림 6. 제안한 안테나의 반사 손실의 측정 결과와
시뮬레이션 결과
Fig. 6. Measured and computed return losses of the proposed antenna.
서 이루어지고 있는 다양한 통신 서비스의 주파수 대역(824～2,690 MHz)에서 양호한 반사 손실 특성을 보이고 있다는 것을 확인할 수 있다.
그림7은 네 공진 주파수 f1=570 MHz, f2=1,150 MHz, f3=1,860 MHz, f4=2,330 MHz에서 시뮬레이션으로 계 산한 표면 전류 분포이다. 그림에서 보듯이 전류의 세기는 양쪽 접지판의 위쪽 모서리를 따라 강하며, 패치에서도 접지판과 마주 보는 모서리 부근에서 강 하므로 접지판 모서리의 기울기를 변화시키고, 패치 모서리에 스텝을 추가하면 전류 분포와 세기에 큰 영향을 미치게 된다. 안테나를 공진 회로로 볼 때 이 것은 안테나의 인덕턴스를 변화시키는 것에 해당하 므로 안테나의 기본 공진 주파수는 물론이고, 고차 공진 주파수들도 변하게 된다[9]. 또한, 접지판 모서 리의 기울기 변화는 접지판과 패치 사이의 용량성 결합(capacitive coupling)을 달라지게 하므로 이들 파 라미터를 잘 조정하면 안테나가 초광대역 특성을 나 타내도록 안테나의 입력 임피던스를 맞출 수 있다.
그림 8은 제작한 초광대역 안테나의 E-plane과 H-plane의 방사 패턴을 보여주고 있다. 동작 주파수 대역 내의 여덟 개 주파수에서 방사 패턴을 측정하 고, 이를 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 이때, 측정 주파수는 각종 통신 서비스 대역에 포함되는 주파수 이면서 동작 대역 전체에 걸쳐 고르게 분포하도록 f1=570 MHz(DTV), f2=880 MHz(GSM), f3=1,150 MHz,
(a) 570 MHz (b) 1,150 MHz
(c) 1,860 MHz (d) 2,330 MHz
그림 7. 제안한 안테나의 시뮬레이션 전류 분포 Fig. 7. Simulated current distributions of the proposed
antenna.
f4=1,570 MHz(GPS), f5=1,860 MHz(PSC), f6=2,000 MHz (WCDMA), f7=2,330 MHz(WiBro), f8=2,690 MHz(Wi- Max)로 하였다. 그림에서 보듯이 E-plane 방사 패턴 및H-plane 방사 패턴의 측정 결과와 시뮬레이션 결 과가 상당히 잘 맞고 있음을 확인할 수 있다. 본 논 문에서 제안한 안테나는 기본적인 구조가 모노폴 안 테나이다. 모노폴 안테나의 E-plane 방사 패턴은 8자 모양의 지향성을 가지며, H-plane 방사 패턴은 전방 향성 패턴(omni-directional pattern)을 보이는데, 논문 에서 제안한 안테나도 E-plane에서는 90°, 270°에서 null이 생기고, H-plane에서는 전방향에 대해 무지향
그림 8. 각 주파수별 방사 패턴 Fig. 8. Radiation pattern for each frequency.
그림 8. 계속 Fig. 8. Continued.
그림 9. 제안한 안테나의 최대 이득의 측정 결과와
시뮬레이션 결과
Fig. 9. Measured and computed peak gains of the proposed antenna.
성을 나타내는 방사 패턴을 나타내고 있다. 그림 9 에는 동작 주파수 대역에서 안테나의 최대 이득을 측정한 결과를 시뮬레이션으로 계산한 결과와 비교 하여 나타내었다. 그림에서 보듯이 두 결과의 전체 적인 경향이 서로 잘 들어맞고 있음을 알 수 있다.
동작 대역 내에서 최대 이득은 3.01～4.71 dBi로 측 정되었으며, 평균값을 계산해 보면 3.8 dBi이다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 UHF 대역(300～3,000 MHz)에서 서비스되고 있는 Cellular/GSM800, GSM900, DCS / GSM1800, GPS, PCS/GSM1900, WCDMA/UMTS/IMT- 2000, WiBro, WLAN, WiMax 등의 모든 주파수 대역 은 물론 디지털TV 방송 주파수 대역까지 모두 포함 하는 초광대역 평면형 모노폴 안테나를 제안하였다.
삼각형 패치를 기본 구조로 하고 있는 이 안테나는 노치와 스텝의 길이, 그리고 접지판의 기울기를 조 절하여 공진이 일어나는 주파수와 대역폭을 조절할 수 있다. 실제로 안테나를 제작하여 측정한 결과, 대 역폭은480～2,800 MHz까지 2,320 MHz(5.83:1 대역 폭)로 지금까지 발표된 UHF 대역용 안테나 중 가 장 넓은 대역폭인 620～2,130 MHz까지 1,510 MHz (3.44:1 대역폭)[8]보다1.54배 더 넓다. 안테나의 방사 패턴을 측정한 결과, E-plane에 대해서는 8자형의 지 향성을, H-plane에 대해서는 전방향성의 무지향성을 갖는 형태가 전체 주파수 대역에 걸쳐 거의 균일하 게 나타났다. 안테나의 최대 이득은 전체 대역 내에 서3.01～4.71 dBi 범위의 값을 갖는 것으로 측정되 었다. 논문에서 제안한 안테나는 UHF 대역의 각종 무선 이동 통신 서비스용 시스템이나 기지국의 송, 수신 안테나로 응용될 수 있으며, 아울러 Digital TV 방송 신호 수신용 안테나로 사용될 수 있다. 또한, UHF 대역이 아닌 다른 주파수 대역의 안테나를 설 계하는 데도 본 논문에서 사용한 방법이 응용될 수 있다.
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유 태 훈
1985년 2월: 연세대학교 전자공학 과(공학사)
1987년 2월: 연세대학교 전자공학 과(공학석사)
1987년 2월～1993년 2월: 삼성전자 정보통신연구소 연구원 2000년 8월: 연세대학교 전기․컴퓨 터공학과(공학박사)
2003년 7월～2004년 8월: 미국 Syracuse 대학교 방문교수 1993년 3월～현재: 동양미래대학교 정보통신과 교수 [주 관심분야] 전자기해석, 초고주파 회로 해석 및 설계,
안테나 해석 및 설계, EMI/EMC
김 태 형
2006년 3월～현재: 동양미래대학교 정보통신과 재학
[주 관심분야] 초고주파 회로 해석 및 설계, 안테나 해석 및 설계, EMI/EMC
