http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2012.23.6.661 ISSN 1226-3133 (Print)
「본 논문은 중소기업청에서 지원하는2012년도 산학연협력 기업부설연구소 지원사업(No. 00043256-1)의 연구수행으로 인한 결과물 임을 밝힙니다.」
충남대학교 전파공학과(Department of Radio Science and Engineering, Chungnam National University)
*블루웨이브텔(주)(BlueWaveTel Co., LTD)
․Manuscript received March 19, 2012 ; Revised April 23, 2012 ; Accepted May 8, 2012. (ID No. 20120319-028)
․Corresponding Author : Dong-Chul Park (e-mail : [email protected])
높은 격리 특성을 갖는 이중 급전 방식 초소형 중계기용 안테나
Dual-Fed Small Repeater Antenna with High Isolation
성철민․장재수*․하재권*․박동철
Cheol-Min Seong․Jae-Su Jang*․Jae-Kwon Ha*․Dong-Chul Park 요 약
본 논문에서는 이중 급전 방식을 적용하여 높은 격리 특성을 갖는 초소형ICS(Interference Cancellation System) 중계기용 안테나를 설계하고, 제작 및 측정을 통하여 이를 검증하였다. 대역폭과 이득은 주방사 패치 및 전력분 배기 근처의 스터브 길이, 그리고 기생 패치의 크기를 조정하여 최적하였다. 제작된 안테나는 3G 이동 통신 주파 수인1,920～2,170 MHz 대역에서 VSWR 2:1 미만, 이득은 7 dBi 이상, 격리도는 —65 dB 미만의 특성을 나타내었다.
Abstract
In this paper, a dual-fed small ICS repeater antenna with high isolation is designed, fabricated, and measured.
Bandwidth and gain are optimized by changing the stub lengths near main patch and power divider, and also by chang- ing the size of parasitic patch. To improve the isolation characteristic of the antenna, a dual-feeding method is applied in designing the antenna. The fabricated antenna has a VSWR less than 2, a gain over 7 dBi, and an isolation between the donor and the server antennas less than —65 dB from 1,920～2,170 MHz for 3G mobile communication.
Key words : ICS Repeater, Isolation, Dual Feeding, Microstrip Patch Antenna
Ⅰ. 서 론
최근 무선 통신 기술의 발전에 따라 많은 양의 데 이터를 시간과 장소를 가리지 않고 동시 다발적으로 보내고 받기 위하여 많은 중계기가 새롭게 설치되 고 있다. 더욱이 신축되는 건물과 리모델링으로 인 해 이전에는 나타나지 않았던 전파 음영 지역이 많 이 발생됨에 따라 중계기의 필요는 더욱 증가하고 있다.
일반적으로 중계기용 안테나는 기구물 내부에 송
수신 안테나를 장착하고, 반사파 및 누설파에 의한 송수신 안테나간 신호의 결합을 최대한 억제하여 사 용한다. 그러나 중계기의 설치를 보다 용이하게 하 기 위하여 중계기의 크기를 소형화하는 과정에서 송 수신 안테나 사이에 강한 신호 결합이 발생된다. 이 러한 강한 결합은 송신된 신호가 자기 자신에게 수 신되어 다시 증폭이 되는 피드백을 반복적으로 발생 시켜, 결국 발진 현상으로 나타나 중계기의 성능을 현저히 떨어뜨리게 된다[1].
이러한 문제를 해결하기 위하여 여러 가지 방법
이 시도되었다. 먼저 송수신 두 안테나 사이의 간격 을 늘리는 방법[2],[3]을 사용할 경우, 5 dB의 격리도 향상을 위해 약1.5 의 거리를 더 두어야 했다. 안 테나 방사 패치 둘레에 여분의 패치를 추가한 방법[3]
은 폭이16 mm인 패치를 사용하였을 때 기판 폭을 32 mm 증가시키면서 약 8 dB의 격리도 향상을 얻었 다. 기구물 둘레에 L형 혹은 U형의 금속 구조물을 추가하는 방법[4,5] 등도 격리도를 향상시켜 약 —80 dB의 격리 특성을 보였다. 그러나 이와 같은 방법들 은 안테나 전체의 크기를 증가시키므로 중계기 소형 화에 많은 제약을 가져온다.
또 다른 방법으로는 안테나의 급전 선로 위에 3 dB 감쇄기를 삽입하여 가용 대역을 넓히고 격리도 를 —80 dB 수준으로 향상시키는 방법[5]이 있으나, 감쇄기의 영향으로 이득이 감소되어 이득값이 3.8 dBi를 보였다. 또한, 메타 물질 구조를 이용하여 금 속 지그에 표면에 부착하는 방법[6]으로 이득을 유지 하면서도 격리도를 —80 dB 수준으로 향상시켰다.
그러나 매우 얇은 다층 PCB를 사용하므로 제작이 복잡하여 비용이 많이 들 것으로 예상된다.
180° 위상차를 이용하며 대칭적 급전구조를 갖는 이중 급전 방식[7]은 패치면의 전류 분포를 좌우 대칭 적으로 만들어 단일 급전 방식보다 교차 편파 방사 (cross-polarized radiation)를 작게 한다. 이는 허용되 는 교차 편파 방사 레벨이 동일하다는 가정 하에서 donor 안테나와 server 안테나 사이의 간격 및 기구의 크기를 작게 할 수 있으므로, 단일 급전 방식보다는 이중 급전 방식이 중계기용 안테나의 체적 소형화에 더 유리함을 의미한다.
본 논문에서는 중계기 안테나 소형화에 적합한 이중 급전 방식을 적용하여 —65 dB 미만의 격리 특 성을 가지며, 이득이 7 dBi 이상이고 제작이 용이한 1,920～2,170 MHz 대역의 초소형 ICS 중계기용 안테 나를 제안하였다. 안테나의 대역폭 및 이득은 주방 사 패치 안테나 위에 기생 패치 안테나를 삽입한 후, 주방사 패치와 함께 고려하여 최적화하였으며, 시뮬 레이션은 CST사의 Microwave Studio를 사용하였다.
또한, 안테나를 제작, 측정하여 설계된 안테나의 성 능을 검증하였다.
Ⅱ. 안테나 구조 및 특성
2-1 안테나 구조
안테나의 구조는 그림 1(a)에서 보인 바와 같이 제어 모듈을 탑재하기 위한 금속 지그를 중계기의 가운데에 놓고, 양쪽에 donor 안테나와 server 안테나 를 배치시킨 구조이다. 송수신 주파수가 같으므로 패치의 모양은 두 안테나가 같고, 다만 송수신 안테 나가 서로 수직인 편파 특성을 갖도록 서로 수직되 게 배치하였다. 또한, 기생 패치 안테나 위에 레이돔 (radome)을 덮었다. 금속 지그의 외부 크기는 110 mm
×110 mm×47 mm이고, 금속 두께는 5 mm이다.
그림 1(b)에서 보인 바와 같이 주방사 패치 안테 나는 위와 아래쪽을 180° 위상차를 주어 급전하는 선형 편파 이중 급전 방식을 적용하였으며, 안테나 와 급전선의 정합을 위해 스터브를 삽입하였다. 이
(a) 중계기 안테나의 단면
(a) Cross-section view of the proposed repeater antenna
(b) 레이돔을 벗긴 donor 안테나의 윗면 (b) Top view of donor antenna without radome 그림 1. 제안된 중계기용 안테나의 구조 Fig. 1. Structure of the proposed repeater antenna.
러한 이중 급전된 안테나를 두 개씩 배열한 뒤, donor 안테나와 server 안테나가 서로 직교하도록 배 치하였다. 사용된 기판은 FR-4(=4.3)로 1.6 mm의 두께를 가지며, 크기는 100 mm×100 mm이다. 각각 의 안테나는 접지면, T-형 전력 분배기, 주방사 패치, 그리고 기생 패치로 구성된다. 아래 기판(sub 1)에는 접지면, 전력 분배기, 주방사 패치가 놓이며, 윗 기 판(sub 2)는 기생 패치가 중계기 안쪽을 향하도록 놓 여 있다. 주방사 패치의 크기는 각각 33 mm×36 mm 이고, 서로 32 mm 떨어져 있으며, 기생 패치의 크기 는 각각25 mm×52 mm이고, 서로 39 mm 떨어져 있 다. 입력 급전선은 50 Ω 선로이며, 안테나의 급전선 도50 Ω 선로로 하여 패치와 부정합을 통하여 대역 폭 확장을 시도하였다. 기생 패치 안테나는 주방사 패치 안테나 위에 길이가8 mm인 원형 플라스틱 기 둥을 세워 띄워놓았다.
2-2 임피던스 정합
주방사 패치에 연결되는 급전선의 임피던스 정합 을 위한 스터브(stub)의 길이, Lpstub를3～7 mm로 조 정하였을 때의 반사 손실을 그림 2에 나타내었다.
이때, Listub는3.5 mm이고, Hair는 8 mm로 하였다. 스 터브의 길이(Lpstub)가 길수록 입력 임피던스 값이 증 가되어 —10 dB 대역이 감소하고, 2.1 GHz 공진의 크기 역시 감소됨을 알 수 있다.
그림 2. 주방사 패치 근처 스터브 길이, Lpstub 변화에 따른 반사 손실(S11)
Fig. 2.Return losses by Lpstub variation near main pat- ch(S11).
그림 3. 전력 분배기 근처 스터브 길이, Listub 변화에 따른 반사 손실(S11)
Fig. 3.Return losses by Listub variation near power di- vider(S11).
또Lpstub는5 mm, Hair는8 mm인 상황에서 전력 분
배기 근처의 급전선에 있는 스터브의 길이, Listub를 2.5～4.5 mm로 조정하였을 때의 반사 손실을 그림 3 에 나타내었다. 길이가 증가함에 따라 —10 dB 대역 폭은 조금 증가하며, 2.1 GHz에서의 공진의 크기는 조금 커졌다가 다시 작아지는 현상을 확인할 수 있다.
그림 4는 Lpstub가5 mm, Listub가3.5 mm인 상황에
서 주방사 패치와 기생 패치 사이의 거리, Hair를6～
10 mm로 조정하였을 때의 반사 손실을 나타낸 것이 다. Hair의 증가는 전송선의 길이가 늘어난 것과 같이 공진 주파수가 VSWR이 같은 원 위에서 이동하는
그림 4. 두 패치 사이의 거리, Hair에 따른 반사 손실 (S11)
Fig. 4.Return losses by Hair variation(S11).
그림 5. 안테나의 놓인 방향에 따른 격리 특성(S21) Fig. 5. Isolations for two different antenna orientations
(S21).
것을 확인할 수 있다. 파라미터 시뮬레이션을 통하 여 최적화된 길이는 Lpstub는 4 mm, Listub는 4.5 mm, Hair는8 mm로 하였다.
2-3 격리 특성
그림 5는 제안된 안테나의 donor 안테나와 server 안테나를 같은 방향으로 놓았을 때와 수직 방향으로 놓았을 때의 격리 특성을 비교한 그림이다. 안테나 를 수직으로 배치하였을 때 격리 특성이 약20 dB 이상 좋음을 확인할 수 있다. 따라서 제안된 안테나 는donor 안테나와 server 안테나를 서로 수직 방향으 로 배치하였다.
그림6은 안테나를 서로 수직되게 배치한 상황에 서, 주방사 패치에 단일 급전 방식과 이중 급전 방식 을 각각 적용하였을 때의 격리 특성을 비교한 그림 이다. 단일 급전 시뮬레이션에서는 그림 1(b)에서 주
그림 6. 급전 방식에 따른 격리 특성(S21)
Fig. 6. Isolations for two different feeding cases(S21).
방사 패치를 기준으로 안테나의 위쪽 급전선을 제거 한 후, 아래쪽 급전선의 폭과 길이, 스터브의 길이를 조정하여 임피던스 매칭을 한 상태에서 시뮬레이션 을 수행하였다. 그림 6을 보면 1.8 GHz와 2.2 GHz 근 처를 제외하면 이중 급전을 하였을 때가 전반적인 격리 특성이 더 좋게 나온 것을 알 수 있으며, 5 dB 이상 격리 특성을 향상시켰다.
Ⅲ. 설계된 안테나의 시뮬레이션 결과
최종 설계된 안테나의 파라미터 값을 표1에 나타 내었으며, 그 시뮬레이션 결과를 그림 7과 8에 나타 내었다. 그림 7에는 반사 손실(S11, S22)과 격리(S21) 특 성을, 그림 8에는 donor의 방사 패턴을 나타내었다.구현된 donor와 server 안테나는 동일하므로 시뮬레 이션 방사 패턴도 서로 동일하여donor 안테나의 결
표 1. 최종 설계된 안테나의 파라미터 값 Table 1. Parameter values of the designed antenna.
파라미터 값(mm) 파라미터 값(mm)
Hrd 1 Lpar 52
Hzig 47 Lpstub 4
Hgap 6.8 Listub 4.5
Hair 8 Wzig 110
Lzig 110 Wsub 100
Lsub 100 Wrad 33
Lrad 36 Wpar 25
그림 7. 시뮬레이션된 반사 손실(S11, S22)과 격리(S21) 특성
Fig. 7. Simulated return losses(S11, S22) and isolation (S21).
(a) E-평면(xz-면) 패턴 (a) E-plane pattern
(b) H-평면(yz-면) 패턴 (b) H-plane pattern
그림 8. Donor 안테나의 시뮬레이션 방사 패턴 Fig. 8.Simulated radiation patterns of the donor ante-
nna.
과만을 보였다.
그림 7을 보면 1,920～2,170 MHz 사이에서 —10 dB의 반사 손실을 갖고, —73 dB 미만의 격리 특성 을 가짐을 확인할 수 있다. 그림 7에서 S11과S22는 그 래프가 겹쳐 한 그래프인 것처럼 보이는 것에 유의 하라.
그림8에서 E-면, H-면 이득 모두 1,920 MHz에서 6.5 dBi로 가장 낮았으며, 2,110 MHz에서 7.8 dBi로 가장 높았으며, 관심 대역인 1,920～2,170 MHz에서 모두 6.5 dBi 이상임을 알 수 있다.
Ⅳ. 제작 및 측정
그림9(a)는 제작된 중계기용 안테나의 주방사 패 치, 그림 9(b)는 기생 패치를 보여주고 있다. 측정시 에는 기생 패치는 그림1(a)처럼 주방사 패치와 마주 보고 있는 형태로 조립된다.
그림 10은 반사 손실(S11, S22)과 격리(S21) 특성의
(a) 주방사 패치 (b) 기생 패치
(a) Main patch (b) Parasitic patch 그림 9. 제작된 중계기용 안테나
Fig. 9. Fabricated repeater antenna.
그림 10. 측정된 반사 손실(S11, S22)과 격리(S21) 특성 Fig. 10. Measured return losses and isolation.
측정 결과이다. 1,920～2,170 MHz 대역에서 반사 손 실이 —9.5 dB(VSWR 2:1) 미만인 것을 확인할 수 있 다. 또한, 격리 특성도 —65 dB 미만인 것을 확인할 수 있다. 반사 손실의 경우, 전체 대역에서 그림 7의 시뮬레이션 값보다1 dB 이상 더 낮은 값을 가지며, 특히sever 안테나에서 1.92 GHz 근처의 측정값이 5 dB 더 낮았다. 제작된 중계기용 안테나는 전류를 인 가시키는 동축선을 접지면으로 활용하기 때문에 시 뮬레이션과 차이를 보이는 것으로 판단한다. 격리 특성의 경우, 2 GHz 근처에서 시뮬레이션 값보다 약 5 dB 높게 측정된 것을 확인하였지만, 전체적인 그 래프의 경향은 시뮬레이션과 잘 일치하는 것으로 보 인다.
그림11과 12는 각각 1.92, 1.98, 2.11, 그리고 2.17 GHz에서 측정된 donor와 server 안테나의 E-면, H-면 방사 패턴이다. 측정은 대전테크노파크 고주파지원 센터 챔버에서 수행하였다. 각 주파수에서 측정된 이득을 표 2에 나타내었다. 전체 대역에서 7 dBi 이
(a) E-평면 패턴 (a) E-plane pattern
(b) H-평면 패턴 (b) H-plane pattern 그림 11. 측정된 donor 안테나의 방사 패턴
Fig. 11. Measured radiation patterns of the donor ante- nna.
표 2. 측정된 이득 Table 2.Measured gain.
주파수[MHz] 이득[dBi]
Donor Server
1,920 7.14 7.87
1,980 7.79 8.17
2,110 9.05 9.30
2,170 7.72 7.84
상의 이득을 얻었다. 전방 방사의 경우 그림 11과 12 는 그림 8보다 0.5～1.5 dB 높은 값을 가졌고, 후방 방사의 경우, 크기는 모두 약 —20 dB이나 그림 8보 다 그림11, 12의 빔이 더 넓게 퍼져 있어 다른 안테 나로 커플링되는 전체적인 양이 증가하여 측정된 격 리 특성이 시뮬레이션보다 나빠진 것으로 판단된다.
(a) E-평면 패턴 (a) E-plane pattern
(b) H-평면 패턴 (b) H-plane pattern 그림 12. 측정된 server 안테나의 방사 패턴
Fig. 12. Measured radiation patterns of the server ante- nna.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 —65 dB 미만의 높은 격리 특성을 갖는 초소형ICS 중계기용 안테나를 설계하였고, 이 를 제작 및 측정을 통해 검증하였다. 임피던스 매칭 은 주방사 패치 근처의 스터브와 전력분배기 근처의 급전선 스터브의 길이, 기생 패치 크기를 조정하여 최적화하였다. 또한, 교차 편파 특성이 우수해 격리 특성을 증가시키면서도 중계기 소형화에 유리한 이 중 급전 구조를 적용하여 격리 특성을5 dB 이상 향 상시켰다. 측정된 안테나의 이득은 7 dBi 이상을 유 지하였다.
본 논문에서 사용된 안테나는 설치 공간이 제한 적인 건물 내의 환경에서 중계기의 설치를 보다 용 이하게 할 수 있다.
참 고 문 헌
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성 철 민
2008년 8월: 충남대학교 전자전파 정보통신공학과(공학사) 2011년 2월: 충남대학교 전자전파정
보통신공학과(공학석사) 2011년 3월～현재: 충남대학교 전자
전파정보통신공학과 전파공학전 공 박사과정
[주 관심분야] 위상 변위기, 안테나
장 재 수
2005년 2월: 영동대학교 정보통신 공학과(공학사)
2009년 8월: 전남대학고 전자통신 공학과(공학석사)
2005년 2월～현재: 블루웨이브텔(주) 책임연구원
[주 관심분야] Antenna and RF Cir- cuits for ITS System, Multi-Band Antenna, Satellite DBS Antenna, Beam Tilting Antenna, Blade Antenna, ETCS An- tenna
하 재 권
1980년 2월: 경북대학교 전자공학 과(공학사)
1982년 2월: 경북대학교 전자공학 과(공학석사)
2003년 2월: 충남대학교 전자공학 과(공학박사)
1984년～1998년: 한국전자통신연구 원 무선방송연구소
1989년～1990년: Rockwell International(Texas, USA) Visi- ting Engineer
1998년～2003년: 목원대학교 정보통신공학과 객원/겸임교수 2000년 6월～현재: 블루웨이브텔(주) 대표이사
2001년～2003년: IT 국제표준화 Antenna and RF 전문가 (ITU-R, 정보통신부)
[주 관심분야] Antenna and RF Circuits for Wireless System, Filter, Mixer, LNA, Amplifier, Multi-Band Antenna, DBS and DMB Antenna, Ultra-Wideband Antenna, Tilted Beam Antenna, Phased Array Antenna, ITS Antenna, Sensor An- tenna
박 동 철
1974년 2월: 서울대학교 전자공학 과(공학사)
1976년 2월: 한국과학기술원 전기 전자공학과(공학석사)
1984년 12월: Univ. of California, San- ta Barbara (공학박사)
1977년～1978년: Ruhr University, Bo- chum, Germany 방문교수
1994년～1998년: IEEE MTT Korea Chapter Chairman 1998년～2001년: IEEE EMC Korea Chapter Chairman 2000년～2001년: 한국전자파학회 회장
2005년～2007년: 대덕 Wireless 포럼 회장 1976년～현재: 충남대학교 전파공학과 교수
[주 관심분야] Microwave and Millimeterwave Passive Com- ponents, Antennas, EMI/EMC
