ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
폴디드 슬릿 대역저지 구조를 적용한 광대역 보우타이 안테나 설계
Design of Wideband Bow-Tie Antenna with Folded-Slit Band-Notch Structure
남현수․우동식․김성균․김인복․최현철․김강욱*
Hyun-soo Nam․Dong Sik Woo․Sung-Kyun Kim․In-Bok Kim․Hyun-Chul Choi․Kang Wook Kim*
요 약
본 논문에서는 광대역 마이크로스트립-coplanar stripline(CPS) 발룬을 이용한 광대역 보우타이(bow-tie) 안테나와 보우 타이 안테나에 적용할 수 있는 폴디드 슬릿(folded-slit) 대역저지 구조를 제안하였다. 보우타이 안테나의 대역을 넓히기 위해 복사체 끝을 원형으로 변형하여 표면 전류(surface current)가 자연스럽게 흐르도록 하였으며, 급전은 CPS의 폭과 간격을 조절하여 광대역 임피던스 정합이 이루어지도록 하였다. 제작된 안테나는 2.3～12 GHz에서 2:1의 VSWR을 만족 하는 광대역 특성을 가졌으며, 60 mm×60 mm의 크기를 가진다. WLAN 대역(5.8 GHz)을 저지하기 위해, 안테나의 급전부 에서 λ/4 만큼 떨어진 곳에 4개의 단락 스터브처럼 동작하는 λ/4 슬릿을 사용하였다. 슬릿의 모양은 크기를 작게 하기 위해 폴디드 슬릿 형태로 설계하였다. 측정 결과, 저지대역(5.8 GHz)에서 7:1의 VSWR과 14 dB의 안테나 이득 감쇠를 가졌다.
Abstract
A wideband bow-tie antenna fed by wideband microstrip-coplanar stripline(CPS) balun and band notch structures that can be applied to bow-tie antenna are proposed in this paper. In order to increase bandwidth, bow-tie radiators are reshaped so that the surface current flows continuously, and wideband impedance matching is achieved by adjusting strip width and spacing of CPS feeding line. The VSWR is measured as 2:1 over the wide frequency range of 2.3～12 GHz. The fabricated antenna size is 60 mm×60 mm. In order to achieve the band-notch function at WLAN(5.8 GHz), λ/4 folded-slits located λ/4 away from feeding point are utilized. To minimize the slit size, folded-slit type is adopted. The measured VSWR is 7:1 and gain attenuation is 14 dB at 5.8 GHz.
Key words: Bow-Tie Antenna, Coplanar Stripline(CPS), Balun, Band-Notch, Folded-Slit
「본 연구는 미래창조과학부 및 정보통신산업진흥원의 IT융합 고급인력과정 지원사업의 연구결과로 수행되었음(NIPA-2014-H0401-14-1004).」
「이 논문은 2012학년도 경북대학교 학술연구비에 의하여 연구되었음.」
경북대학교 전자공학과(School of Electronics Engineering, College of IT Engineering, Kyoungpook National University)
․Manuscript received July 7, 2014 ; Revised September 16, 2014 ; Accepted September 17, 2014. (ID No. 20140707-06S)
․Corresponding Author: Kang Wook Kim (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
무선 통신 기술의 발달과 스마트폰, 태블릿 PC 등과 같 은 소형 통신 단말기의 보급으로 음성 위주의 협대역 통 신에서 벗어나, WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access), WLAN(Wireless Local Area Network),
WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment) 등과 같 은 다양한 형태의 무선 통신 서비스가 보급되어 사용되 고 있다. 상용화된 무선 통신 시스템중 하나인 UWB는 3.1～10.6 GHz에 해당되는 UWB 통신 대역을 이용한 광 대역 근거리 무선통신 시스템으로 많은 연구가 이루어졌
으며[1]～[3], 실내외 근거리 무선 통신 기술을 활용하여 주
변의 사람, 사물과 네트워크를 형성하여 사용자에게 필요 한 정보를 제공하는 사물 인터넷 등이 최근 관심을 받고 있어, 무선 통신 기술은 더 넓게 보급될 것으로 보인다.
그러나 이러한 많은 시스템들은 한정된 주파수 자원의 효율적인 사용을 위해 주파수 자원을 중복 할당 받아 사 용하므로 서로 간의 간섭을 줄이는 기술에 대한 관심이 집중되어 왔다. 나아가 더 복잡해지는 통신 환경으로 인 해 한 종류의 간섭 제거는 물론 다중 대역에서 저지 특성 을 갖는 안테나의 개발 등 그 중요도는 점차 더 커지고 있다.
대역저지 특성을 갖는 초광대역 안테나는 패치 형태의 안테나에 슬릿을 적용한 구조부터 최근에는 다중 대역을 저지하는 패치 형태의 모노폴 및 슬롯 안테나 등이 연구 되고 있다[4]～[7]. 보우타이 안테나는 광대역 특성을 가져 다양한 무선통신 분야에 다양하게 응용되고 있으나, 보우 타이 안테나에 대역저지 구조를 적용한 연구 사례는 거 의 없었다. 사각형의 슬롯을 방사체에 대각선 방향으로 배치하여 대역저지 특성을 구현하였으나, 구체적인 설계 수식이 제시되어 있지 않아, 다른 주파수 대역에 응용하 기에 어려운 단점이 있다[8]. 또한, 원형 및 육각형 모양의 슬롯을 방사체에 사용한 보우타이 안테나의 경우, 고유의 광대역 특성을 상실하고, 슬롯의 크기에 해당하는 협대역 주파수에서만 동작하여 광대역 안테나의 고유 특성이 제 한되는 단점을 가졌다[9].
본 논문에서는 소형이면서 설계가 쉬운 λ/4 단락 스터 브와 유사하게 동작하는 폴디드 슬릿을 보우타이 안테나 의 복사체에 적용하여 대역저지 기능을 가지는 광대역 보우타이 안테나를 제안하였다.
제안된 안테나의 특성을 검증하기 위해, 먼저 초광대 역 마이크로스트립-CPS 발룬을 이용한 광대역 보우타이 안테나를 설계하여 그 특성을 확인하였으며, 폴디드 슬릿 을 보우타이 안테나에 적용하여, 안테나 고유의 광대역 특성은 유지하면서 설계한 주파수에서의 대역저지 특성 을 반사 손실과 방사 패턴의 측면에서 비교 분석하였다.
Ⅱ. 광대역 보우타이 안테나 설계
그림 1은 보우타이 안테나에 급전을 위해 사용된 초광 대역 마이크로스트립-CPS 발룬의 구조와 필드 분포이며
(a) 구조 (a) Structure
(b) 전계의 분포[10]
(b) Electric field distribution[10]
그림 1. 초광대역 마이크로스트립-CPS 발룬 Fig. 1. Ultra-wideband microstrip-to-CPS balun.
[10], 마이크로스트립-CPS 선로 간에 필드 정합과 임피던 스 정합의 측면에서 설계되었다. 그림 1(a)는 보우타이 안 테나에 급전을 위해 제작된 발룬의 구조를 보여주고 있 으며, 그림 1(b)는 발룬의 각 영역별 전계 분포이다. 그림 1(b)는 각 영역에서 등각사상법을 이용하여 각 영역에서 의 임피던스를 구하고, Klopfenstein 테이퍼 선로를 이용 하여 50 Ω에서 110 Ω으로 임피던스 정합하여 광대역에서 작은 손실을 가진다.
그림 2는 제작된 광대역 보우타이 안테나이다. 보우타 이 방사체의 외곽길이 p는 최저 동작 주파수를 결정한다.
대역폭을 확장하기 위하여 각도 θ는 대략 82° 정도로 하 여 최적화 하였고, 표면 전류가 연속적인 분포를 갖도록 방사체의 끝을 원형으로 변형하였다[10]～[12].
모의해석을 통해 2.5～12 GHz에서 2:1의 VSWR을 가 짐을 확인하였고, 설계된 안테나의 치수는 표 1에 나타내 었다. 그림 3은 제작된 안테나의 모의해석 및 측정된 VS-
그림 2. 제작된 광대역 보우타이 안테나 Fig. 2. Fabricated wideband bow-tie antenna.
그림 3. 제작된 안테나의 VSWR Fig. 3. Fabricated antenna VSWR.
표 1. 안테나 구조의 치수(단위: mm)
Table 1. Antenna structure dimensions(unit: mm).
Parameter p p1 p2 p3 w1
Values 37 11.7 12.6 4.7 21.5
WR을 나타내었으며, 비교적 유사한 특성을 가짐을 확인 할 수 있다. 모의해석은 CST Microwave studio의 Time Do- main Transient Solver를 이용하여 모의해석 및 최적화를
하였으며, RO4003(εr=3.38) 20 mil 기판을 사용하여 제작 하였다. 제작된 안테나의 크기는 60 mm×60 mm이다.
Ⅲ. 폴디드 슬릿 대역저지 구조를 가지는 광대역 보우타이 안테나 설계
설계된 광대역 보우타이 안테나에 대역저지 특성을 추 가하기 위하여 λ/4 단락 스터브와 유사하게 동작하는 폴 디드 슬릿을 적용한 광대역 보우타이 안테나를 그림 4에 나타내었다.
대역저지 주파수는 그림 4(a)의 슬릿의 총길이 LS에 의 해 결정된다. 복사체의 슬릿의 구조가 슬롯 라인의 형태 를 가지기 때문에 간격 0.2 mm를 갖는 슬롯 라인에서의 λ/4에 해당하는 길이를 식 (1)을 이용하여 5.8 GHz에 대 역저지 특성을 갖도록 10.6 mm로 구하였다. 구한 값은 완 전한 슬롯 라인의 구조가 아니기 때문에 모의해석을 통 해 10.1 mm로 최적화하였다[13].
× ln
×
× ×
× ln
×
×
× ln ≤≤
and ≤ ≤
관내 파장 슬롯 간격 기판 두께 (1)
그림 4(b)의 L2～L5의 치수는 x 방향과 —x 방향의 표면 전류 누적치가 전체 슬릿에 걸쳐 같은 양만큼 존재하도 록 설계하였다. 슬릿의 표면 전류를 정현파 형태로 분포 한다고 가정하고, L5의 전기적 길이를 1, L3+L4+L5의 전 기적 길이를 2로 하여 전체 표면 전류의 분포 누적량을 L2+L5(+X 성분)와 L3+L4(—X 성분)에서 반씩 가지도록 전 현파 형태의 가중치를 두어 식 (2)와 같이 설계하였다. 또, L4의 표면 전류가 L2, L5의 전류와 인접한 영역에서 상쇄 되도록 슬릿의 길이가 식 (3)을 만족하게 하였다. L5를 슬 릿 전체 길이의 약 1/7에 해당하는 길이로 선택하여 저지 대역외 신호의 급전을 원활히 하고, L3가 L5의 1/2가 되도
(a) 전체구조(LS=L1+L2+L3+L4) (a) Total structure
(b) 슬릿구조 (b) Slit structure
그림 4. 폴디드 슬릿을 적용한 보우타이 안테나 Fig. 4. Bow-tie antenna with folded-slit.
록 하여 모든 조건을 충족하도록 하였다.
sin
sin
sin
sin
× × (2)
× cos (3)
표 2. 폴디드 슬릿 구조의 치수(단위: mm) Table 2. Folded-slit dimension(unit: mm).
Parameter S L1 L2 L3 L4 L5
Values 0.2 8.1 3.0 4.4 1.2 2.0
한편, 슬릿이 존재하여도 λ/4에 해당하지 않는 신호의 표면전류는 슬릿에 분포하지 않고 복사체 전체로 급전된 다. 폭이 커짐에 따라 급전에 영향을 주게 되어 λ/4 주변 의 신호 역시 복사체 전체로 급전되지 않아 저지대역폭 이 달라진다. 슬릿의 폭(S)이 커질수록 저지대역폭이 넓 어지고, 안테나 이득 감소량이 줄어들며, 통과 대역에서 VSWR이 열화된다. 따라서 제작할 수 있는 가장 작은 크 기의 슬릿 폭을 선택하여 저지대역폭을 최소화 하였다.
설계된 폴디드 슬릿 구조의 치수는 표 2에 나타내었다.
보우타이 안테나에서의 표면전류는 복사체 가장자리 를 따라 크게 분포하며, 급전부에서 멀어질수록 그 크기 가 작아진다. 슬릿의 위치가 급전부에 가까울수록 저지 주파수에서 슬릿에 의한 이득 감소가 크지만, 통과대역에 서의 부정합이 발생하는 단점이 있다. 따라서 슬릿 위치 를 급전부에서 λ/4만큼 떨어진 곳에 슬릿을 위치시켰으 며, 모의 해석을 통해 슬릿의 위치를 최적화 하였다.
그림 5는 모의 해석한 폴디드 슬릿 주변의 표면 전류이 다. 그림에서 보는 바와 같이 슬릿 주변에 큰 표면 전류가 분포하지만, 슬릿의 통과한 후에 표면 전류가 많이 감소 한 것을 알 수 있다.
그림 5. 폴디드 슬릿 주변의 표면전류 Fig. 5. Surface current around folded-slit.
(a) 슬릿 미적용 (a) Without slit
(b) 슬릿 적용 (b) With slit 그림 6. 전계 분포
Fig. 6. Electric field distribution.
그림 6은 복사체와 z 방향으로 10 mm 떨어진 곳에서 슬릿 적용에 따른 전계 분포를 비교하였다. 슬릿이 적용 되지 않은 그림 6(a)에 비하여 슬릿이 적용된 그림 6(b)의 경우, 전계의 최대치가 작은 것을 확인할 수 있다. 슬릿에 의하여 급전부에 가까운 영역에서는 전계가 큰 반면, 슬 릿을 통과한 전계는 슬릿이 없는 구조에 비하여 줄어든 것을 볼 수 있다. 이는 슬릿에 의한 경로차로 인하여 표면 전류가 상쇄되어 복사체에서 충분히 방사하지 못함을 알 수 있다.
폴디드 슬릿의 비율은 유지하고, 슬릿의 길이 LS를 가 변시키면서 모의 해석한 VSWR을 그림 7에 나타내었다.
그림 7. LS의 길이에 따른 VSWR 특성 Fig. 7. Simulated VSWR with LS variation.
각각의 LS 길이에 해당하는 저지 주파수 대역에서 저지 특성을 가지며, LS 길이에 따라 변화된 저지 주파수에서 대역저지 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 슬릿의 작은 크기에 의하여 전체 안테나의 크기 변화 없이 낮은 주파 수 대역을 저지할 수 있음을 확인하였다.
Ⅳ. 모의해석 및 측정 결과
WLAN(5.8 GHz) 대역을 저지하기 하기 위해 슬릿의 길 이 LS를 9.32 mm로 하여 모의해석 및 측정된 VSWR을 그 림 8에 나타내었다. VSWR의 모의 해석 결과와 측정치가
그림 8. 폴디드 슬릿을 적용한 안테나의 VSWR Fig. 8. Antenna VSWR with folded-slit.
그림 9. 슬릿 유무에 따른 측정된 VSWR Fig. 9. Measured VSWR with or without slit.
유사한 특성을 가지며, 설계 주파수에서 우수한 대역저지 특성을 확인할 수 있다.
그림 9는 안테나의 VSWR을 슬릿의 유무에 따라 비교 하여 나타내었다. 슬릿을 적용하였을 경우, 저지대역을 제외한 통과대역 특성에는 큰 영향이 없으며, 설계한 저지 대역에서 7:1의 VSWR 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
그림 10은 전체 동작 주파수에서 측정된 안테나의 최 대 이득이다. 파장 대비 안테나의 크기가 커 하모닉 성분 에 의해 방사 패턴이 변하여, 최대 이득 값에 변동이 있지
그림 10. 최대 안테나 이득 Fig. 10. Maximum antenna gain.
(a) XZ 평면 (a) XZ plane
(b) XY 평면 (b) XY plane 그림 11. 방사 패턴
Fig. 11. Measured radiation patterns.
만, 저지대역을 제외하고 전 대역에서 비교적 고른 안테 나 이득을 가졌으며, 5.52～6.06 GHz의 반사손실 기준 3 dB 저지대역폭을 가지며, 최대 14 dB의 이득 감소를 가졌 다. 그림 11은 5.8 GHz에서 대역저지 구조 유무에 따른 안테나의 방사 패턴을 비교하여 나타내었다. 그림에서 보 는 바와 같이 XZ 및 XY 평면에서 대역저지 구조로 인하 여 안테나 이득이 감소되는 것을 확인할 수 있다.
그림 12는 여러 주파수 대역에 걸친 방사 패턴을 나타 내었다. 저지대역인 5.82 GHz에서 방사 특성이 다른 대역 에 비하여 저지되는 것을 확인할 수 있다.
그림 8～10의 경우, 안테나의 모의 해석 시 신호의 입 출력 포트와 수직, 수평을 이루지 않는 구조를 정확하게 해석하기 위해 정사면체의 메쉬 구조를 가지는 ANSYS
(a) XZ 평면 (a) XZ plane
(b) XY평면 (b) XY plane 그림 12. 측정된 방사 패턴
Fig. 12. Measured radiation patterns.
사의 HFSS frequency domain solver를 사용하여 해석하 였다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 광대역 특성을 가지는 마이크로스트립- CPS 발룬을 활용하여 광대역 보우타이 안테나를 설계하 였고, 복사체에 적용할 수 있는 폴디드 슬릿 대역저지 구 조를 제안하고, 그 특성을 확인하였다.
대역저지 구조를 구현하기 위해 안테나 가장자리에 λ /4 길이의 슬릿을 사용했으며, 폴디드 구조로 설계하여
슬릿의 크기를 줄이고, 특성을 개선하였다. 슬릿의 위치 는 급전부에서 λ/4 떨어진 곳에 위치시켜 통과 대역의 정합과 대역저지 특성을 개선하였다. 측정 결과, 모의 해 석 결과와 비교적 잘 일치하였으며, 저지대역에서 7:1의 VSWR을 가지며, 14 dB의 안테나 이득 감소를 가졌다.
본 논문에서 제안한 광대역 안테나와 폴디드 슬릿을 이용한 대역저지 구조는 간섭 제거를 위한 광대역 시스 템의 안테나에 다양하게 응용될 수 있을 것이다.
References
[1] 박찬홍, 김명동, 성현경, "IEEE 802.11a의 WLAN용 소 형 마이크로스트립 패치 안테나 설계", 정보과학회논 문지, 19(12), 2013년.
[2] 여준호, 이종익 "UWB 통신용 대수 주기 보우타이 다 이폴 배열 안테나", 한국산학기술학회논문지, 12(9), pp. 4095-4100, 2011년.
[3] 유원규, 최재연, "동평면 도파관 bow-tie 안테나 해석 및 설계", 한국지식정보기술학회논문지, 4(4), pp. 27- 32, 2009년.
[4] 이효경, 이정남, 장화열, 박종권, "반원 형태의 UWB 안테나 설계", 한국전자파학회논문지, 16(9), pp. 27-32, 2005년 9월.
[5] G. S. Reddy, A. Kamma, S. K. Mishra, and J. Muk- herjee, "Compact bluetooth/UWB dual-band planar ante- nna with quadruple band-notch characteristics", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 13, 2014.
[6] M. Ojaroudi, N. Ojaroudi, "Ultra-wideband small rec- tangular slot antenna with variable band-stop function", IEEE Transactions on Antennas And Propagation, vol.
62, no. 1, Jan. 2014.
[7] 최형석, 최경, 황희용, "SIR을 이용한 제 2저지대역 제 어 가능 UWB 안테나", 한국전자파학회논문지, 23(9), 2012년 9월.
[8] C. C. Hung, C. M. Peng, and I. F. Chen, "Printed mo- dified bow-tie dipole antenna for DVB/WLAN appli- cations", International Journal of Antennas and Propa- gation, vol. 2013, Article ID 149296.
[9] Y. Tawk, K. Y. Kabalan, A. El-Hajj, C. G. Christo- doulou, and J. Costantine, "A simple multiband printed bow-tie antenna", IEEE Antennas and Wireless Propa- gation Letters, vol. 7, 2008.
[10] Y. G. Kim, D. S. Woo, K. W. Kim, and Y. K. Cho,
"A new ultra-wideband microstrip-to-CPS transition", IE- EE MTT-S International Microwave Symposium, Ho- nolulu, HI, 2007, pp. 1563-1566.
[11] A. K. Y. Lai, A. L. Sinopoli, and W. D. Burnside, "A novel antenna for ultra-wideband applications", IEEE
Transactions on Antennas and Propagation, vol. 40, no.
7, pp. 755-760, Jul. 1992.
[12] Y. L. Chen, C. L. Ruan, and L. Peng, "A novel ultra- wideband bow-tie slot antenna in wireless communica- tion systems", Progress in Electromagnetics Research Letters, vol. 1, pp. 101-108, 2008.
[13] K. C. Gupta, R. Garg, I. Bahl, and P. Bhartia, Micro- strip Lines and Slotlines, second edition, Artech House, 1996.
남 현 수
2012년 2월: 경북대학교 전자공학부 (공학 사)
2012년 3월～현재: 경북대학교 전자공학 과 석사과정
[주 관심분야] 초광대역 안테나 및 초고 주파 시스템 설계
우 동 식
2002년 2월: 경북대학교 전자전기컴퓨터 학부 (공학사)
2004년 2월: 경북대학교 전자공학과 (공학 석사)
2009년～2013년: 이엠와이즈통신(주) 선임 연구원
2013년 2월: 경북대학교 전자공학과 (공학 박사)
2013년 11월～현재: 경북대학교 전자공학과 Post-Doctor 연구원 [주 관심분야] 마이크로파 및 밀리미터파 소자 및 시스템 설계,
초광대역 안테나 설계, 레이더 시스템 설계
김 성 균
2011년 2월: 경북대학교 전자공학과 (공 학사)
2013년 2월: 경북대학교 전자공학과 (공 학석사)
2013년 3월～현재: 경북대학교 전자공학 과 박사과정
[주 관심분야] 초고주파 회로 시스템 설 계, 광대역 수동소자 설계
김 인 복
2008년 2월: 경북대학교 전자전기컴퓨터 학부 (공학사)
2010년 2월: 경북대학교 전자공학과 (공학 석사)
2010년 3월～현재: 경북대학교 전자공학 과 박사과정
[주 관심분야] 다이오드 검파기, 믹서 및 주파수 체배기, 마이크로파 및 밀리미터파 안테나 및 시스템 설계
최 현 철
1982년 2월: 경북대학교 전자공학과 (공학 사)
1984년 2월: 한국과학기술원 전기 및 전자 공학과 (공학석사)
1989년 2월: 한국과학기술원 전기 및 전자 공학과 (공학박사)
1989년 3월～1990년 2월: 대현정밀(주) 연 구소장
1990년 3월～현재: 경북대학교 전자공학부 교수
[주 관심분야] 전파 및 역산란 해석, RF/Microwave 회로 및 시 스템, EMI/EMC 등
김 강 욱
1985년 2월: 서울대학교 전기공학과 (공학 사)
1987년 2월: 서울대학교 전기공학과 (공학 석사)
1996년 7월: University of California, Los Angeles. 전자공학과 (공학박사) 1987년～1990년: 한국전기연구소 연구원 1996년～1998년: University of California, Los Angeles. Post-
Doctor 연구원
1998년～1999년: P-Com, Inc. 마이크로파 설계연구원 1999년～2001년: Narda DBS Microwave, RF 설계연구원 2001년～2005년: 경북대학교 전자전기컴퓨터학부 조교수 2006년～2011: 경북대학교 전자전기컴퓨터학부 부교수 2011년～현재: 경북대학교 IT대학 전자공학과 교수 2007년 5월～현재: 이엠와이즈통신(주) 대표이사
[주 관심분야] 마이크로파 통신시스템 및 서브시스템, 마이크 로파 및 밀리미터파 부품 및 패키징, 무선 통신용 안테나, 전 자기 상호 작용 및 전자기 수치 해석
