A Design of Inverted-Triangle UWB Monopole Antenna with Band Rejection Slot

DOI : 10.5515/KJKIEES.2011.22.5.516

강원대학교 IT대학 전기전자공학부(Dept. of Electrical and Electronics Engineering, College of IT, Kangwon National University)

․논 문 번 호 : 20110110-002

․교 신 저 자 : 황희용(e-mail : [email protected])

․수정완료일자: 2011년 4월 18일

대역 저지 슬롯이 추가된 역삼각형 모노폴 UWB 안테나의 설계

A Design of Inverted-Triangle UWB Monopole Antenna with Band Rejection Slot

최 형 석․최 경․황 희 용

Hyungseok Choi․Kyoung Choi․Hee-Yong Hwang 요 약

본 논문에서는5 GHz WLAN 대역 저지를 위한 슬롯과 접지면에 굴곡이 있는 역삼각형 모노폴 UWB 안테나

를 제안하였다. 제안된 안테나는 CPW 형태로 급전하였으며, 패치면과 접지면 사이에 3개의 각을 이용하여 모노 폴 안테나의 대역폭을 확장시켜3.1～10.6 GHz에서 약 —10 dB 이하의 반사 손실을 만족시켰다. 제작된 안테나 는 비유전율6.15, 두께 0.64 mm인 Taconic사의 RF-60A 기판을 사용하였으며, 안테나 패치의 크기는 36 mm×19.5 mm이다. 측정 결과, WLAN 대역을 제외한 UWB 시스템 전 대역에서 약 —10 dB 이하의 반사 손실과 전방향성 에 근접한 복사 패턴의 특성을 나타내었다. 제안된 안테나는 접지면의 굴곡각을 이용하여 주파수 대역에 따라 임피던스를 조절하기 용이하다는 이점이 있으며, 비교적 간단한 형태의 슬롯을 삽입하여 대역 저지 특성을 나타 낼 수 있다.

Abstract

In this paper, an inverted-triangle patch UWB antenna with an uneven ground planes and an inverted T-slot for 5 GHz WLAN band rejection is presented. The operating bandwidth of the proposed antenna fed with the CPW line is expanded from 3.1 GHz to 10.6 GHz for about —10 dB return loss using three angular parameters correlated to the main patch and the ground plane. The fabricated antenna on Taconic RF-60A substrate with 6.16 relative dielectric constant and 0.64 mm thickness has a main antenna patch size of 36 mm×19.5 mm. The measured results show return losses of about —10 dB and nearly omni-directional radiation patterns. The proposed UWB antenna has advantages of easily adjustable impedance characteristics by the three angular parameters and easily accomplishable band rejection characteristics by the inverted T-slot.

Key words : UWB, Monopole, Return Loss, Angle, Slots, Band Rejection

Ⅰ. 서 론

UWB 통신 시스템은 ‘중심 주파수 20 % 이상의 점유 대역폭을 차지하는 무선 전송 기술’로 정의된 다. 일반적으로는3.1～10.6 GHz 대역에서100 Mbps

이상의 전송 속도를 가지며, 저 전력으로 초고속 통 신을 수행하는 근거리 무선 통신으로 규정되어 있

다. UWB의 주요 활용 분야는 대용량 고속 전송을

요구하는 가전/방송 시스템인consumer electronics와 컴퓨터/인터넷 작업을 위한 주변기기 간 자료 교환인

personal computing을 들 수 있다. 또한, PDP/PMP 등 의 모바일 멀티미디어 기기를 사용한 mobile mul- timedia와 통신기기/영상기기 사이의 고속 동영상 전 송, 그리고wireless USB 등을 들 수 있다. 이처럼 다 양한 분야에서 UWB가 사용됨에 따라 최근에는 UWB 통신 시스템용 평면형 모노폴과 다이폴 안테 나들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다

^[1],[2]

UWB 통신 시스템에 사용되는 안테나는 광대역 임피던스 정합, 일정한 방사 패턴, 일정한 군지연, 작은 크기 등의 조건을 만족해야 한다. 이를 위해 두 꺼운 도선을 사용하거나 다중 공진을 이용하거나 자 기 유사 구조, 자기 보상 구조의 원리를 이용하거나 공진 특성이 안테나의 길이에 의한 것이 아닌 각에 의하여 나타나는 것을 이용한다. 또한, WiMax, Wi- reless Lan IEEE 802.11a/n과 같은 다른 무선 시스템 등과 전파 간섭을 일으키지 않아야 한다

^[3]～[5]

본 논문에서는 bow-tie 안테나의 모노폴 형태를

제안한다. Bow-tie 안테나는 다이폴 안테나의 대역

폭을 넓히기 위해 도선의 지름을 점차 굵게 진행해 나가는 쌍원추 안테나의 평면형으로 전류가 핀의 끝 부분에서 갑자기 종단되어 제한된 대역폭을 가지기 때문에UWB 전 대역에 사용하기에 만족스럽지 않 다

^[6]

^[7]

^[8]

^[9]

또한, 최근에는 802.11a/n WLAN, WiMax 주파수 대역 등의 저지를 위하여CSRRs(Complementary Sp- lit Ring Resonators)를 이용한 논문들이 발표되어 있 으나

^[10]

Ⅱ. 본 론

2-1 역삼각형 모노폴 UWB 원형 안테나 설계

그림 1. 제안된 원형 UWB 안테나의 구조

Fig. 1. Geometry of proposed prototype UWB antenna.

본 논문에서 제안하는 안테나는PTMA(Planar Tri- angle Monopole Antenna)

^[7]

^[1]

제안된 안테나는 그림2에 나타낸 것처럼α와β 의 각과

H g

α값에 따른 반사 손실 특성 변화를 나타낸 그림 2(a)를 살펴보면, α값이 증가할수록6 GHz 이하 대 역의 반사 손실 특성이 나빠지며, 감소할수록6 GHz 이상 대역의 반사 손실 특성이 나빠진다.

β값에 따른 반사 손실 특성 변화를 나타낸 그림 2(b)를 살펴보면, β값이 감소할수록6 GHz 이상의 대역에서 반사 손실은 좋아졌으며, β값이45° 근처 에서 전 대역의 반사 손실이 좋아진다.

H g

g

g

(a) α에 따른 반사 손실 (a) Return loss according to α

(b) β에 따른 반사 손실 (b) Return loss according to β

(c) H

g

g

그림 2. 접지면의 변수들에 따른 반사 손실

Fig. 2. Return losses according to ground parameters.

함을 알 수 있다.

또한, g

p

변수로 α, β, H

g

모의시험을 한 결과, g

p

표 1. 제안된 원형 안테나의 설계 변수들

Table 1. Design parameters for proposed prototype an- tenna.

변수 길이(mm) 변수 길이(mm) 변수 값

W

W f

H

H f

W p

g p

H g

H p

g f

대역에서 반사 손실이 —10 dB를 만족하지 못하게 된다. 본 논문에서는 접지면의 각α, β, H

g

g p

2-2 대역 저지 슬롯이 추가된 역삼각형 모노 폴 UWB 안테나의 설계

본 논문에서는 WLAN 대역을 저지하기 위하여 그림3에 나타낸 것과 같이 그림1의 원형에 역

T

대역 저지 슬롯은 슬롯 라인 공진기의 개념을 적 용한 것으로, 공진기의 길이는 식(1)로 주어진다.

^[11]

식(1)의

L

W s

f 0

_r

s

W s

s

H s

s

s

  ln

_





_

 ln

_







_ ^

_

_

 





 



_

  (1)

그림 3. 대역 저지 슬롯이 추가된 안테나의 구조 Fig. 3. Geometry of proposed UWB antenna with band

notch slot.

그림 4. W

s

s

그림 5. H

s

s

2-3 안테나 제작 및 측정

그림6은 제작한 안테나를 나타낸 것이다. 좌측이 원형 안테나, 우측이 슬롯을 추가하여 대역 저지를 이룬 형태이다. 제작된 안테나의 전체 크기는 두 가 지 형태 모두 50.0(W) mm×43.7(H) mm이다. 안테나 의 반사 손실, 방사 패턴은 Anritsu사의 Vector Net- work Analyzer 37397C를 이용하여 전자파 무반사실

그림 6. 제작된 안테나의 사진

Fig. 6. Photograph of the fabricated antennas.

에서 측정하였다.

그림 7(a)에 나타낸 것처럼 측정 결과, 3.1～10.6 GHz에서 —10 dB 이하의 반사 손실을 보였고, 모의 실험의 결과와 유사함을 보이고 있다. 또한, 그림 7(b)에 나타낸 것처럼 슬롯이 추가된 구조의 측정 결 과, 3.1～10.6 GHz에서 —10 dB를 만족하며, 5.15～ 5.825의WLAN 대역이 저지됨을 보이고 있다.

그림8은 3.1 GHz, 5.5 GHz, 8.4 GHz, 10.6 GHz에 서 모의 실험과 측정한 안테나의 방사 패턴을 나타 낸 것이다. 저지 슬롯을 추가한 구조에서는5.5 GHz 에서 원형 구조에 비해 이득 낮음을 알 수 있다. 또 한, 제안된 안테나는 모노폴 안테나의 확장이기 때 문에 전방향성 안테나의 방사 패턴과 유사하다. 측 정 결과, 전대역에서2.4～5.3 dB의 최대 이득을 가 지며, 주파수별 평균 이득과 최대 이득은 표2에 제 시하였다.

그림9는 제안된 안테나의 군지연 특성을 나타낸 것으로 double-ridged horn antenna(MTG-drh-020180) 를 송신 기준 안테나로 사용하였다. 측정 결과, W- LAN 대역을 제외한UWB 전 대역에서 군지연이 1 ns 이내에 있음을 보인다.

표 2. 제안된 안테나의 주파수별 평균 및 최대 이득

Table 2. Average and maximum gain of proposed an- tenna.

주파수 3.1 GHz 5.5 GHz 8.4 GHz 10.6 GHz 평균 이득 —0.3 dB —5.8 dB —6.7 dB —1.5 dB 최대 이득 2.4 dB 0.3 dB 2.4 dB 5.3 dB

(a) 원형 구조의 모의 실험과 측정 결과 비교

(a) Return loss of simulated and measured prototype antenna

(b) 대역 저지 슬롯이 추가된 구조의 모의 실험과 측정 결과 비교

(b) Return loss of simulated and measured antenna with notch slot

그림 7. 모의 실험과 측정 결과의 반사 손실 비교 Fig. 7. Simulated and measured return loss.

Ⅲ. 결 론

본 논문에서는 역삼각형 모노폴 형태의 안테나에 접지면에 3개의 굴곡각을 추가하여 부족한 대역폭 을 증가시키고, 대역 저지 슬롯을 추가하여WLAN 대역을 저지하였다.

설계된 안테나는 접지면의 굴곡각인α와β, 그 리고

H g

제작된 안테나는 전 대역에서2.4～5.3 dB의 최대

(a) 3.1 GHz (b) 5.5 GHz (a) 3.1 GHz (b) 5.5 GHz

(c) 8.4 GHz (d) 10.6 GHz (c) 8.4 GHz (d) 10.6 GHz

그림 8. 모의 실험과 측정한 안테나의 방사 패턴 Fig. 8. Simulated and measured radiation pattern.

그림 9. 제안된 안테나의 군지연 특성 측정 결과 Fig. 9. Measured group delay for proposed antenna.

이득을 나타내고 있으며, 전방향성에 가까운 방사 패턴을 나타낸다.

참 고 문 헌

[1] 유주봉 외 4명, "CPW 급전 방식을 이용한UWB 모노폴 안테나 설계 및 구현", 한국전자파학회논 문지, 21(2), pp. 218- 223, 2010년2월.

[2] Qiubo Ye, Z. N. Chen, and T. S. P. See, "Minia- turization of small printed UWB antenna for WP- AN applications", Antenna Technology, iWAT

2009.

IEEE International Workshop, Mar. 2009.

[3] Y. Rikuta, R. Kohno, "Planar monopole antenna with dual frequency for UWB system", IEEE Conf.

on Ultra-Wideband Systems and Technologies, pp.

176-179, Nov. 2003.

[4] E. Lule, T. Babij, "Koch island fractal ultra wide- band dipole antenna", IEEE Int'l Symposium on

Antenna and Propagation, vol. 2, pp. 2516-2519,

[5] D. -O. Kim, C. -Y. Kim, "CPW-fed ultra-wideband antenna with triple-band notch function", Electronics

Letters, vol. 46, pp. 1246-1247, Sep. 2010.

[6] Warren L. Stutzman, Antenna theory and design, Second Edition, Wiley, pp. 316-317, 2007.

최 형 석

2005년～현재: 강원대학교 IT 특성 화대학 전기전자공학부 재학 [주 관심분야] Antenna

최 경

1988년 8월: 서울대학교 전기공학 과(공학박사)

1993년 7월～1994년 7월: Rensselaer Polytechnic Institute 교환교수 1994년 7월～현재: 강원대학교 전기

전자공학부 전자공학전공 교수 [주 관심분야] 전자기기 수치 해석, Microwave

[7] C. -C. Lin et al., "A planar triangular monopole antenna for UWB communication", Antennas and

Propagation Society International Symposium, vol.

3A, pp. 512-515, Jul. 2005.

[8] A. Gholipour, A. N. Askarpour, and R. Faraji-Dana,

"A simple design approach for planar UWB ante- nnas", Microwave Conference, 2009, APMC 2009.

Asia Pacific, pp. 1973-1976, Dec. 2009.

[9] 김남, 손귀범, 박상명, "CPW 급전 단일 평면 부 채꼴형UWB 안테나 설계 및 제작", 한국전자파 학회논문지, 18(3), pp. 305-314, 2007년 3월. [10] 조남이 외3명, "SRR을 이용한WLAN 대역 저

지용UWB 안테나의 설계 및 제작", 한국전자파 학회논문지, 20(9), pp. 1014-1020, 2009년9월. [11] Brian C. Wadell, Transmission Line Design Hand-

book, Artech House, pp. 156-161, 1991.

황 희 용

1992년 2월: 서울대학교 전자공학 과(공학사)

1995년 2월: 서강대학교 전자공학 과(공학석사)

2000년 2월: 서강대학교 전자공학 과(공학박사)

2001년 3월～2002년 4월: 메릴랜드 주립대 연구학자

2003년 2월～현재: 강원대학교 IT대학 전기전자공학과 부 교수

[주 관심분야] RF, Microwave, Millimeter Wave 분야의 부 품 및 시스템