UWB Antenna with Triple Band-Notched Characteristics Using the Spiral Resonator and the CSRR

(1)

http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2011.22.11.1078

「이 논문은2011년도 충북대학교 학술연구지원사업의 연구비 지원에 의하여 연구되었음(This work was supported by the research grant of the Chungbuk National University in 2011).」

충북대학교 정보통신공학부(School of Information and Communication Engineering, Chungbuk National University)

*연세대학교 법학전문대학원(Law School, Yonsei University)

․논 문 번 호 : 20110817-088

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

․수정완료일자: 2011년 9월 26일

스파이럴 공진기와 CSRR을 이용한 삼중 대역 저지 특성을 갖는 UWB 안테나

UWB Antenna with Triple Band-Notched Characteristics Using the Spiral Resonator and the CSRR

김장렬․이승우․김 남․이상민․오병철*

Jang-Yeol Kim․Seung-Woo Lee․Nam Kim․Sang-Min Lee․Byoung-Cheol Oh*

요 약

본 논문은 스파이럴 공진기(spiral resonators)와 CSRR(Complementary Split Ring Resonator)를 이용하여 삼중 대

역 저지 특성을 갖는UWB 안테나를 두 가지 타입으로 제안하였다. 제안된 안테나의 대역 저지 특성 분석을

위해 스파이럴 공진기와CSRR의 구조 및 등가 회로를 통해 해석하였다. 첫 번째 타입의 안테나의 측정 결과는

1.16～12 GHz에서 VSWR<2 이하를 만족하였고, 3.3～3.85 GHz, 5.15～6.1 GHz, 8.025～8.5 GHz에서 대역 저지 특성이 나타났다. 두 번째 타입 안테나의 측정 결과는 1.79～12 GHz에서 VSWR<2 이하를 만족하였고, 3.3～3.88 GHz, 5.12～5.94 GHz, 8.025～8.51 GHz에서 대역 차단 특성이 나타났다. 측정결과를 통해 제안된 안테나는 노치

대역을 제외하고UWB 전 대역을 만족하였다.

Abstract

In this paper, a triple band-notched UWB antennas using a spiral resonator and a complementary split ring resonator is proposed as two types. The band-rejection characteristic of the designed antenna is analyzed through the structure and equivalent circuit model of spiral resonator and CSRR. The measured results of first type antenna show that a VSWR less than 2 was satisfied with a resonant frequency in the range of 1.16～12 GHz and it can be obtained the band-stop performance at 3.3～3.85 GHz, 5.15～6.1 GHz, and 8.025～8.5 GHz. The measured results of second type antenna show that a VSWR less than 2 was satisfied with this antenna works from 1.79 to 12 GHz and it can be achieved the band-notched performance at 3.3～3.88 GHz, 5.12～5.94 GHz, and 8.025～8.51 GHz. Through the measured results, the designed antenna was satisfied UWB band except for triple notched bands.

Key words : Spiral Resonator, CSRR, UWB, Band-Noched Characteristic, WLAN, WiMAX, ITU 8 GHz

Ⅰ. 서 론

UWB는 2002년 FCC(Federal Communication Co- mmission)가 상업적 용도의 활용을 승인하여 다양한

응용 분야가 나타날 수 있는 기반이 마련되었다.

FCC는 UWB를 ‘중심 주파수의 20 % 이상의 점유 대 역폭을 가지거나500 MHz 이상의 점유 대역폭을 차 지하는 무선 전송 기술’로 정의한 바 있으며, 이에

(2)

따르면 대역폭만500 MHz 이상 확보한 기존 캐리어 변조 기술도UWB 기술로 구분이 가능해진다. 일반 적으로3.1～10.6 GHz 대역에서 100 Mbps 이상의 속 도로, 기존의 스펙트럼에 비해 넓은 대역에 걸쳐 낮 은 전력으로 초고속 통신을 실현하는 근거리 무선 통신 기술로 규정된다^[1]. 따라서 UWB 기술에 적합 한 다양한 안테나가 연구되고 있으며, 이미 개발된 UWB 안테나로는 원형이나 타원형, 사각형이나 오 각형 그리고 육각형의 광대역 모노폴 안테나 등이

있다^[2]～[5]. 이 광대역 모노폴 안테나의 특징은 넓은

대역폭과 만족스러운 방사 특성, 간단한 구조로 쉽 게 제작할 수 있다는 특징이 있다^[6]. 그러나 UWB 통 신의 주파수 대역은 WiMAX(3.3～3.7 GHz), IEEE 802. 11a WLAN 대역(5.15～5.825 GHz), 위성 통신 주파수 대역 중에 하나인ITU 8 GHz(Earth Exploration Satellites System, 8.025～8.04 GHz)와 같은 주파수 대 역에서 전파 간섭 문제가 발생할 수 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 대역 저지 특성을 갖는 안테 나에 관한 연구가 진행되어 왔다^[7]～[9]. 따라서 대역 저 지 특성을 나타내는 방법에는 슬롯이나 슬릿을 이용한 방법, DGS를 이용한 방법, Stub를 이용한 방법, SRR 과CSRR을 이용한 방법 등이 연구되고 있다^[10]～[15]. 본 논문에서는 스파이럴 공진기와 CSRR 구조를 이용한 두 가지 타입의 삼중 대역 저지 특성을 갖는 광대역 안테나를 제안하였다. 먼저 타원의 방사면을 갖는CPW(Coplanar Waveguide) 급전 방식의 안테나

[16]를 이용해UWB 대역 및 광대역 특성을 만족하도 록 설계하여 그림 1(a)의 기본 안테나(basic antenna) 구조를 기반으로, 단계 별로 공진기 구조를 삽입함 으로써 대역 저지 특성을 확인하였다. 본 논문은 Ⅱ 장에서 안테나의 설계 및 동작 특성을 소개하고, Ⅲ 장에서 안테나 제작 및 측정에 관해 분석하여, Ⅳ장 에서 결론을 맺도록 하였다.

Ⅱ. 안테나 설계 및 동작 특성

2-1 안테나 구조 설계 및 대역 저지 공진기 분석

제안된 안테나는 평면형 모노폴 안테나로서, 두 경우 모두 전체적인 크기는36×60×1.6 mm³로 설계

(a) 기본 안테나 구조 (a) Basic antenna structure

(b) 모의 실험의 정재파비 (b) Simulated VSWR 그림 1. 기본 안테나 구조와 정재파비

Fig. 1. Basic antenna structure and simulated VSWR.

하였고, 유전율(_)이 4.4인 FR-4 기판을 사용하였다.

급전 선로는50 Ω의 전송 선로로 구성하였고 폭(Wf) 은 3 mm로 설계하였다.

제안된 안테나는 CPW 급전 방식을 이용하였는 데, 이 방식은 선로와 평행한 면에 일정 거리에 접지 면이 존재하는 구조로서 신호선과 접지면이 한 면에 있기 때문에 접지 구현이 쉬우며, CPW 한 면에 공 존하는 신호선과 접지면 사이에 수직으로 전계가 걸 리기 때문에 마이크로스트립 급전 방식과 달리, 완 전한TEM 모드를 구현할 수 있어 고주파가 될수록 마이크로스트립 급전 방식보다 CPW 급전 구조의 전송 특성이 좋아진다. 특히 신호선과 접지면에 동

(3)

그림 2. 첫 번째 타입의 제안된 안테나 Fig. 2. Proposed antenna of first type.

일 평면상으로 전계를 이루어 보다 좀 더 뚜렷한 TEM 모드를 이룰 수 있다는 장점을 가지고 있다

[17],[18]. 또한, CPW 급전 구조를 이용한 안테나는 제

작이 비교적 간단하며, 구조적 특성상 광대역 대역 폭을 얻을 수 있다^[18]. 따라서 그림 1(a)의 CPW 급전 종단부에 타원의 방사 면에서 복수 개의 다수의 공 진이 발생하게 되어 광대역 대역폭을 갖게 되며, 접 지면에 슬릿의 삽입으로 인해 접지면을 변형시켜 임 피던스 매칭이 향상 효과를 가져오게 되어 더 넓은 대역폭을 가질 수 있다. 그 결과는 그림 1(b)에서 확 인할 수 있다.

그림2는 그림 1(a)의 기본 안테나 구조를 이용하 여 제안된 첫 번째 타입의 안테나 구조이며, 접지면 에 스파이럴 공진기(spiral 1)를 삽입하였고, 급전선 에도 스파이럴 공진기(spiral 2)를 삽입한 구조로 나 타내었다. 그림 2의 자세한 안테나의 설계 파라미터 는 표1에 나타내었다.

첫 번째 타입의 제안된 안테나의 경우 삼중 대역 저지 특성을 확인하기 위해서는 스파이럴 공진기 구 조와 등가 회로 분석을 통해 분석할 수 있고, 그림 3에 스파이럴 공진기 구조와 등가 회로를 나타내었 다^[19].

그림3은 스파이럴 공진기의 일반적인 형태를 나 타내며, 유전체 기판 위에 에칭되어 있다. 그림 3의 스파이럴 공진기는 그 축에 수직한 방향으로 전계가

표 1. 제안된 안테나의 설계 파라미터(단위: mm) Table 1. Design parameter of first type(unit: mm).

변수 값 변수 값

W 36 L2 2.5

H 60 L3 2.6

H1 23 L4 0.8

R 17.5 d 0.3

R1 18 d1 2.2

Wf 3 d2 7.2

g 0.4 d3 6.4

_ 4.4 d4 1.6

L 0.4 d5 5.6

L1 3.6 d6 0.5

그림 3. 스파이럴 공진기 구조와 등가 회로

Fig. 3. Structure and equivalent circuit model of spiral resonator.

가해지면 특정 공진 주파수에서 자기 공진 현상 (self-resonance)이 일어나게 되고, 이 현상으로 인해 대역 저지 특성이 나타나는 것이다^[19].

자세하게 분석해 보면, 스파이럴 선로에 시간에 따라 변하는 자계(time varying magnetic field)가 가해 지면 스파이럴 선로에 유기된 전류가 선로의 길이만 큼 분포 인덕턴스(distributed inductance)가 발생하며, 선로들 사이의 상호 인덕턴스(mutual inductance)가 발생한다. 또한, 안쪽과 바깥쪽 선로 사이에 분포 캐 패시턴스(distributed capacitance)와 양 끝단에서 가장 자리 캐패시턴스(fringing capacitance)가 발생하며, 이 두 캐패시턴스는 직렬 연결되어 있다. 따라서 그림 3의 등가 회로와 같이 나타낼 수 있다.

그림 3의 등가 회로에서 _는 분포 캐패시턴스,

은 스파이럴 선로의 저항, _는 가장자리 캐패시 턴스이며, L은 상호 인덕턴스(_)와 분포 인덕턴스 (_)의 합으로 나타낼 수 있으며, 스파이럴 공진기

(4)

의 등가 회로는 대역 저지 필터의LC 공진 회로로 나타낼 수 있고, 식 (1), (2), 그리고 (3)으로 표현할 수 있다^[20].

____ (1)

여기서, _는 분포 인덕턴스와 상호 인덕턴스의 합이며, _=_∼_까지의 합으로 나타낼 수 있고,

_는 양의 상호 인덕턴스의 합이며, _는 음의 상 호 인덕턴스의 합이며, 식 (2)로 다시 표현할 수 있다.

_=____{ }____ ^____  ____

____ (2) 커패시턴스 _는 분산 캐패시턴스와 가장자리 캐패시턴스의 합으로 나타낼 수 있으며, 식 (3)으로 표현된다^[21].

____ (3)

따라서 스파이럴 공진기의 등가 회로는 대역 저 지 필터의LC 공진 회로로 나타낼 수 있다. 등가 회 로에 대한 공진 주파수는 식(4)와 같이 표현된다.

_ ^^_



(4) 여기서 _는 분산 캐패시턴스와 가장자리 캐패시 턴스의 합이며, _는 상호 인덕턴스와 분산 인덕턴 스의 합이다^[19]. 또한, 스파이럴 공진기의 대역 저지 공진 주파수는 스파이럴 공진기의 크기에 따라 결정 되기 때문에 설계 방법이 간단하며, 하모닉 특성으 로 인해 이중 대역 저지 특성을 나타낼 수 있고, 분포 캐패시턴스와 가장자리 캐패시턴스가 인덕턴스와의 결합에 의해 대역 저지 특성이나 이중 대역 저지 특 성이 나타나게 된다. 스파이럴 공진기는 원치 않는 주파수 대역을 차단하는데 효과적이지만, 대역폭이 협대역이라는 점을 고려해서 설계하는 것이 중요하다.

본 논문에서는 그림3의 일반적인 스파이럴 공진 기 구조를 complementary 형태로 구현한 경우이며, 이는 쌍대성 이론에 의해 스파이럴 공진기에 시변 전계가 가해지면 대역 저지 필터의LC 공진 회로로

그림 4. 스파이럴 공진기를 이용한 EM 모의 실험 구조 Fig. 4. EM simulated experiment structure using spiral

resonator.

설명될 수 있기 때문에 그림2의 제안된 안테나 구 조에complementary 형태로 최적화된 스파이럴 공진 기를 구현하여 적용하였다.

그림 4는 complementary 형태로 구현한 스파이럴 공진기를EM 모의 실험 구조로 나타낸 것으로 50 Ω 전송 선로에 스파이럴 구조를 삽입하여 그 특성을 알아보기 위해 제안된 구조이다. 그림 2의 제안된 안테나 구조와 동일한 크기로 설계하였고, 그 결과 는 그림5를 통해서 확인할 수 있다. 접지면에 스파 이럴 구조를 삽입한 경우는IEEE 802.11a WLAN 대 역에서 대역 저지 특성이 나타나는 것을 그림5(a)에 서 확인할 수 있고, 급전선에 스파이럴 구조를 삽입 한 경우는WiMAX 대역과 ITU 8 GHz에서 대역 저 지 특성이 나타나는 것을 그림5(b)에서 확인할 수 있다. 결과적으로 그림 2에서 제안된 삼중 대역 저 지 특성이 나타나는 UWB 안테나를 제안하였다.

그림6의 구조는 그림 1(a)의 안테나 구조와 같은 타원의 방사면을 갖는 안테나 구조로서 접지면에는 CSRR를 삽입하였고, 급전선에 스파이럴 공진기를 삽입한 구조로 나타내었다. 그림 6의 자세한 안테나 파라미터는 표 2에 나타내었다.

그림6에서 제안된 두 번째 타입의 안테나의 삼중 대역 차단 특성을 확인하기 위해서는 스파이럴 공진 기와CSRR의 구조와 등가 회로 분석을 통해 알 수 있다. 따라서 그림 7에 CSRR 구조와 등가 회로를 나

(5)

(a) 접지면에 삽입된 spiral 1 결과

(a) Result of inserted spiral 1 in ground plane

(b) 급전 선에 삽입된 spiral 2 결과 (b) Result of inserted spiral 2 in feed line 그림 5. 그림4의 EM 모의 실험의 결과 Fig. 5. EM simulated result of Fig. 4.

그림 6. 두 번째 타입의 제안된 안테나 Fig. 6. Proposed antenna of second type.

표 2. 제안된 안테나의 설계 파라미터(단위: mm) Table 2. Design parameter of the second type(Unit:

mm).

변수 값 변수 값

W 36 s 0.7

H 60 p 0.6

H1 23 d 0.3

R 17.5 d1 2.2

R1 18 d2 7.2

Wf 3 d3 6.4

g 0.4 d4 1.6

_ 4.4 d5 5.6

g1 0.5 d6 0.7

그림 7. CSRR의 구조와 등가 회로

Fig. 7. Structure and equivalent circuit model of CSRR.

타내었고^[22], 스파이럴 공진기의 구조와 등가 회로는 이미 언급하였기 때문에 생략하기로 한다.

그림7의 CSRR 구조는 수직으로 시간에 따라 변 하는 전계가 가해지면 특정 공진 주파수에서 유효 유전율이 음이 되는 현상으로 인해 대역 저지 현상 이 나타나게 되는 것이다^[16],[19]. 자세하게 분석해 보 면, CSRR 구조에 시간에 따라 변하는 전계(time varying electric field)가 가해지면 큰 링의 가장자리에서 전류에 의한 커플링으로 인한 캐패시턴스가 발생하 고, 링 안쪽과 바깥쪽에 전류가 유기되어 인덕턴스 가 발생한다. 인덕턴스는 병렬 연결되어 있고, 최종 적으로 캐패시턴스 와 인덕턴스 (L1+L2)은 대역 저지 필터의 LC 공진 회로로 표현할 수 있다.

그림7의 등가 회로에 대한 공진 주파수는 식 (5) 로 표현된다.

_



^^^_



(5)

(6)

그림 8. CSRR과 스파이럴 공진기의 EM 모의 실험 구조

Fig. 8. EM simulated experiment structure using CS- RR & spiral resonator.

여기서_는 링 사이의 단위 길이당(per unit length) 인덕턴스, 는CSRR의 총 캐패시턴스, _는 두 링 의 평균 반지름이다. 또한, CSRR의 대역 저지 공진 주파수는CSRR의 크기에 따라 결정되기 때문에 그 림7의 CSRR 구조에 나타난 변수들을 적절히 고려 해서 설계해야 원치 않는 대역에서의 대역 저지 특 성을 얻을 수 있다. CSRR 구조도 스파이럴 공진기 처럼 원치 않는 주파수 대역에서 대역 저지 특성을 나타내거나 이중 대역 저지 특성을 나타낼 수 있고, 각split ring 공진기마다 독립적으로 대역 저지 특성 을 나타낼 수 있다는 특징을 가지고 있다. 최적화된 CSRR 구조를 그림 6의 제안된 안테나 구조에 구현 하여 적용하였다.

그림8은 그림 6에서 제안된 CSRR과 스파이럴 구 조를 이용한 EM 모의 실험 구조를 나타낸 것으로 50 Ω 전송 선로에 CSRR 구조와 스파이럴 구조를 삽 입하여 그 특성을 알아보기 위해 제안된 구조이다.

그림6의 제안된 안테나 구조와 동일한 크기로 설계 하였고, 그 결과는 그림 9를 통해서 확인할 수 있다.

그림 8의 EM 모의 실험 구조의 접지면에 CSRR 구조를 삽입한 경우는 IEEE 802.11a WLAN 대역에 서 대역 저지 특성이 나타나는 것을 그림9에서 확 인할 수 있고, 그림 8의 EM 모의 실험 구조의 급전선 에 스파이럴 구조를 삽입한 경우는WiMAX 대역과

그림 9. 그림8의 CSRR의 EM 모의 실험의 결과 Fig. 9. EM simulated result of CSRR of Fig. 8.

그림 10. 접지면에 삽입된 두 공진기 비교

Fig. 10. Comparison of inserted two resonators at ground plane.

ITU 8 GHz에서 대역 저지 특성이 나타나는 것을 그 림5(b)에서 확인되어 추가적으로 나타내지 않았다.

따라서 그림 6의 삼중 대역 저지 특성이 나타나는 UWB 안테나를 제안하였다.

그림 10은 CSRR과 스파이럴 공진기를 접지면에 삽입한EM 모의 실험 구조를 비교한 것으로, 첫 번 째 안테나 구조의 접지면에 스파이럴 공진기를 삽입 한 경우5.8 GHz에서 대역 저지 특성이 나타났으며, 두 번째 안테나 구조의 접지면에CSRR를 삽입한 경 우5.4 GHz에서 대역 저지 특성이 나타났다. 그리고 스파이럴 공진기의 경우가 대역 저지 특성이CSRR 보다 좀 더 우수한 것으로 사료되며, 두 공진기 구조 모두 안테나 구조에 적용하여 대역 저지 특성을 나 타내었다.

(7)

그림 11. 그림 2의 첫 번째 안테나의 모의 실험 정 재파비

Fig. 11. Simulated VSWR of first type antenna in Fig. 2.

2-2 모의 실험 및 대역 저지 특성 해석 그림 11은 그림 2의 제안된 안테나의 모의 실험 결과의 정재파비를 나타낸 것으로, 기준 안테나의 경우VSWR<2 이하의 UWB 대역을 만족하였고, 접 지면에 최적의 위치를 고려한 첫 번째 스파이럴 공 진기(spiral 1 in GND)를 삽입한 경우 IEEE 802.11a WLAN 대역이 차단되어 나타났다. 추가적으로 급전 선에 최적의 위치를 고려한 두 번째 스파이럴 공진 기(spiral 2)를 삽입한 결과, WiMAX 대역과 ITU 8 GHz대역이 저지되어 나타나게 되어서 전체적으로 삼중 대역이 저지된 특성(both spirals)을 확인할 수 있다.

그림12는 그림 2의 첫 번째 타입의 제안된 안테 나에 대한 전류 분포를 나타낸 것으로2.4 GHz, 4.4 GHz, 10.4 GHz에서는 전류가 급전선을 따라 흐르면 서 두 스파이럴과 방사면 주변에 집중되면서 공진이 발생되는 것을 확인할 수 있다. 하지만 대역 저지의 공진이 발생하는3.4 GHz, 5.8 GHz, 8.2 GHz에서는 스파이럴 공진기에만 전류가 집중되어 나타나는 것 을 확인할 수 있다. 자세히 알아보면 3.4 GHz에서는 스파이럴 공진기 안쪽 선로와 바깥쪽 선로에 전류가 집중되어 나타나고, 분포 캐패시턴스와 가장자리 캐 패시턴스의 합과 인덕턴스의 결합에 의해 대역 저 지 공진이 발생한다. 5.8 GHz에서는 스파이럴 공진 기의 안쪽 선로와 바깥쪽 선로에 전류가 집중되어 나타나면서 대역 저지 공진이 발생하는 것을 확인할

(a) 2.4 GHz (b) 3.4 GHz

(c) 4.4 GHz (d) 5.8 GHz

(e) 8.2 GHz (f) 10.4 GHz 그림 12. 그림 2의 첫 번째 안테나의 표면 전류 분포 Fig. 12. Surface current distribution of first type ante-

nna in Fig. 2.

수 있다. 8.2 GHz에서는 스파이럴 공진기의 안쪽과 바깥쪽 선로의 가장자리에 전류가 집중되어 나타나 면서 대역 저지 공진이 발생하는 것을 확인할 수 있

(8)

그림 13. 그림 6의 두 번째 안테나의 모의 실험 정 재파비

Fig. 13. Simulated VSWR of second type antenna in Fig. 6.

으며, 분포 캐패시턴스보다 가장자리 캐패시턴스가 인덕턴스와 결합하여 대역 저지 공진이 발생하게 된다.

그림 13은 그림 6의 제안된 안테나의 모의 실험 결과의 정재파비를 나타낸 것이다. 기준 안테나의 경우VSWR<2 이하의 UWB 대역을 만족하였고, 접 지면에 최적의 위치를 고려한 CSRR 구조(CSRR in GND)를 삽입한 경우 IEEE 802.11a WLAN 대역이 저지되어 나타난 것을 확인할 수 있다. 여기에 최적 의 위치를 고려한 스파이럴 공진기를 급전선에 삽입 한 결과, WiMAX 대역과 ITU 8 GHz 대역이 차단되 어 나타났고, 결과적으로 삼중 대역이 차단된 특성 (CSRR and spiral)을 확인할 수 있다.

그림14는 그림 6의 두 번째 타입의 제안된 안테 나에 대한 전류 분포를 나타낸 것으로2.6 GHz, 4.3 GHz, 10.2 GHz에서는 전류가 급전선과 스파이럴 공 진기, CSRR 구조, 방사면 주변에 흐르면서 공진이 발생하는 것을 확인할 수 있지만, 3.4 GHz, 5.4 GHz, 8.2 GHz에서는 스파이럴 공진기와 CSRR 구조에만 전류가 집중되어 나타나면서 대역 저지 공진이 발생 하는 것을 확인할 수 있다. 3.4 GHz는 스파이럴 공진 기의 안쪽과 바깥쪽 선로에 전류가 집중되어 나타나 고, 분포 캐패시턴스와 가장자리 캐패시턴스가 인덕 턴스와의 결합에 의해 대역 저지 특성이 발생한다.

5.4 GHz에서는 CSRR의 큰 링의 가장자리에 전류가 집중되어 나타나면서 대역 저지 특성이 발생하며,

(a) 2.6 GHz (b) 3.4 GHz

(c) 4.3 GHz (d) 5.4 GHz

(e) 8.2 GHz (f) 10.2 GHz 그림 14. 그림 6의 두 번째 안테나의 표면 전류 분포 Fig. 14. Surface current distribution of second type an-

tenna in Fig. 6.

8.2 GHz에서는 스파이럴 공진기의 안쪽과 바깥쪽 선로의 가장자리에 전류가 집중되어, 분포 캐패시턴

(9)

그림 15. 제안된 안테나의 군 지연 결과 Fig. 15. Group delay results of proposed antenna.

스보다 가장자리 캐패시턴스와 인덕턴스의 결합에 의해 대역 저지 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있다.

그림12와 그림 14의 표면 전류 분포를 확인해 보 면 각 주파수 별로 전류의 세기가 다르게 나타난 것 을 확인할 수 있고, 대역 저지 공진이 발생하는 스파 이럴 공진기와CSRR 구조에서 전류의 세기가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

그림15는 첫 번째 타입의 제안된 안테나와 두 번 째 타입의 제안된 안테나의 군 지연 시간의 모의 실 험 결과를 나타낸 것으로, 군 지연은 주파수에 따라 왜곡 정도를 파악하는데 파라미터이며UWB 대역에 서는 군 지연 시간은1 ns 이하를 만족해야 한다. 대 역 저지 특성이 나타나는3.4 GHz, 5.4 GHz, 5.8 GHz, 8.2 GHz에서 지연 시간이 나타나고, 5.4 GHz, 5.8 GHz의 대역 저지 특성이 나타나기 전인 4.3 GHz과 4.5 GHz 지연 시간이 나타나는 것을 통해 임피던스 매칭의 변화가 있을 때 군 지연 특성이 나타나는 것 으로 볼 수 있다. 나머지 주파수 대역은 전 대역에서 1 ns 이하를 만족하는 것을 확인할 수 있다.

Ⅲ. 안테나 제작 및 측정

제작된 안테나를 그림 16(a)와 그림 17(a)에 나타 내었고, 그림 16(b)는 첫 번째 제안된 안테나의 모의 실험을 통해 안테나의 정재파비를 측정한 것으로 측 정 결과, 1.16～12 GHz의 동작 대역(VSWR<2)을 만 족하였고, UWB 전체 대역을 만족하는 광대역 특성

(a) 첫 번째 타입의 제작된 안테나 (a) Fabricated antenna of first type

(b) 측정 및 모의 실험의 정재파비 (b) Measured and simulated VSWR

그림 16. 첫 번째 타입의 제작된 안테나와 측정 결과 Fig. 16. Fabricated antenna of first type proposed ante-

nna and measured result.

이 나타났다.

대역 저지 특성은 모의 실험 결과와 유사하게 나 타났고, 측정 결과 저지 대역은 3.3～3.85 GHz(VS- WR<2)에서 WiMAX 대역과 5.15～6.1 GHz(VSWR

<2)에서 IEEE 802.11a WLAN 대역, 8.025～8.5 GHz (VSWR<2)에서 ITU 8 GHz 대역이 저지되는 삼중 대 역 저지 특성이 나타났다.

그림 17(b)는 두 번째 제안된 안테나의 정재파비 를 나타낸 것으로 측정 결과와 모의 실험 결과가 유 사하게 나타난 것을 확인할 수 있다. 측정 결과, 1.79

～12 GHz에서 동작 대역(VSWR<2)을 만족하고, UWB 전체 대역을 만족하는 광대역 특성이 나타났다. 대

(10)

(a) 두 번째 타입의 제작된 안테나 (a) Fabricated antenna of second type

(b) 측정 및 모의 실험의 정재파비 (b) Measured and simulated VSWR

그림 17. 두 번째 타입의 제작된 안테나 측정 결과 Fig. 17. Fabricated antenna of second type proposed an-

tenna and measured result.

역 저지 특성은 측정 결과, 3.3～3.88 GHz, 5.12～

5.94 GHz, 8.025～8.51 GHz로 WiMAX 대역과 IEEE 802.11a WLAN 대역, ITU 8 GHz 대역이 차단되어 삼중 대역 저지 특성이 나타났다.

그림 18은 첫 번째 타입 안테나의 2.4 GHz, 4.4 GHz, 10.4 GHz에서 모의 실험 및 측정된 방사 패턴 을 비교하여 나타낸 것으로, 모의 실험 결과와 측정 된 결과의E-plane(y-z plane), H-plane(x-z plane)의 방 사 패턴은 전반적으로 유사한 방사 패턴을 보였고, 무지향성 방사 패턴을 보였다.

그림 19는 두 번째 타입 안테나의 2.6 GHz, 4.3 GHz, 10.2 GHz에서의 방사 패턴을 E-plane(y-z plane) 과H-plane(x-z plane)으로 나타낸 것으로 모의 실험

(a) 2.4 GHz

(b) 4.4 GHz

(c) 10.4 GHz

그림 18. 첫 번째 타입 안테나의 방사 패턴 Fig. 18. Radiation pattern of first type antenna.

및 측정된 방사 패턴은 유사한 패턴은 보였고, 무지 향성 방사 패턴을 보였다. 하지만 그림 18과 그림 19 의 4.4 GHz와 4.3 GHz의 H-plane에서 모의 실험된 방사 패턴과 측정된 방사 패턴이 많은 차이를 보였 다. 측정된 방사 패턴의 일부 각도에서 널(null)이 발

(11)

(a) 2.6 GHz

(b) 4.3 GHz

(c) 10.2 GHz

그림 19. 두 번째 타입 안테나의 방사 패턴 Fig. 19. Radiation pattern of second type antenna.

생하게 되었는데, 이는 안테나의 접지면의 가장자리 에서 발생하는 회절에 의한 영향으로 안테나의 방사 패턴에 간섭을 일으키는 요인과 접지면의 크기, 모 양 등으로 인한 영향, 제작상의 오차와 측정상의 오 차로 인한 문제, 공진기 구조의 간섭 등 종합적인 특

표 3. 제작된 안테나의 측정된 최대 이득 값 Table 3. Measured peak gain of fabricated antenna.

첫 번째 안테나

주파수 최대 이득 단위

2.4 GHz 5.34 dBi

3.4 GHz —3.66 dBi

4.4 GHz 2.26 dBi

5.8 GHz —2.27 dBi

8.2 GHz —1.91 dBi

10.4 GHz 1.30 dBi

두 번째 안테나

주파수 최대 이득 단위

2.6 GHz 5.47 dBi

3.4 GHz —1.83 dBi

4.3 GHz 2.99 dBi

5.4 GHz —0.84 dBi

8.2 GHz —1.64 dBi

10.2 GHz 1.20 dBi

성으로 인해 발생하게 되었다고 볼 수 있다.

그림18과 19의 두 가지 타입의 안테나의 측정된 방사 패턴의 최대 이득 값을 표3에 나타내었고, 대 역 저지 특성이 나타나는 공진 주파수에서의 이득이 감소하는 것을 확인하였다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 스파이럴 공진기와 CSRR 구조를 이용하여 삼중 대역 저지 특성을 갖는UWB 안테나 를 접지면과 급전선에 삽입하여 대역 저지 특성을 확인하고 분석하였다. 제안된 안테나는 CPW 급전 방식을 이용한 평면형 모노폴 안테나 타입으로 제작 하였고, 두 가지 타입의 안테나를 제안하여 모의 실 험 결과와 측정 결과를 비교 분석하였다. 첫 번째 타 입의 제안된 안테나는 측정 결과, 1.16～12 GHz의 동작 대역(VSWR<2)을 만족하였고, 두 번째 타입의 제안된 안테나는1.79～12 GHz의 동작 대역(VSWR

<2)을 만족하였다. 두 가지 타입의 안테나는 UWB 전체 대역과 다양한 서비스 대역에 이용이 가능할 것으로 사료되며, 두 가지 타입의 안테나 모두 Wi- MAX 대역과 IEEE 802.11a WLAN 대역, ITU 8 GHz 대역에서 저지 특성을 보였고, 이를 통해 전파 간섭

(12)

문제를 해결하였다. 또한, 기존의 삼중 대역 특성을 갖는UWB 안테나는 세 가지 형태의 구조를 통해 저 지 특성을 나타내는데 비해 제안된 안테나는 두 개 의 구조를 이용한 점과 안테나 삽입 공간을 최소화 하여 삼중 대역 특성을 나타냈다는 장점을 가지고 있다. 본 논문에서 제안한 안테나 구조는 대역 저지 가 필요한UWB 시스템 환경에서 사용이 가능할 것 으로 기대된다.

참 고 문 헌

[1] 윤두영, 정수연, "UWB 기술 개요 및 주파수 정책 동향", 정보통신정책, 통권 397호, 2006년 7월.

[2] M. J. Ammann, Z. N. Chen, "Wideband monopole antennas for multi-band wireless systems", IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 45, no. 2, pp. 146-150, Apr. 2003.

[3] N. P. Agrawall, G. Kumar, and K. P. Ray, "Wi- de-band planar monopole antennas", IEEE Transac- tions on Antennas and Propagation, vol. 46, no. 2, pp. 294-295, Feb. 1998.

[4] E. Antonino-Daviu, M. Cabedo-Fabre's, M. Ferran- do-Bataller, and A. Valero-Nogueira, "Wideband dou- ble-fed planar monopole antennas", Electronics Le- tters, vol. 39, no. 23, pp. 1635-1636, Nov. 2003.

[5] Z. N. Chen, M. Y. W. Chia, and M. J. Ammann,

"Optimization and comparison of broadband mono- poles", IEE Proc. Microwave Antennas Propag., vol.

150, no. 6, pp. 429-435, Dec. 2003.

[6] J. Liang, C. C. Chiau, X. Chen, and C. G. Parini,

"Printed circular disc monopole antenna antenna for ultra-wideband applications", Electronics Letters, vol. 40, no. 20, pp. 1246-1247, Sep. 2004.

[7] Y. Kim, D. H. Kwon, "CPW-fed planar ultra wideband antenna having a frequency band notch function", Electronics Letters, vol. 40, no. 7, pp.

403-405, Apr. 2004.

[8] A. Kerkhoff, H. Ling, "Design of a monopole antenna for use with ultrawideband having a band- notched characteristic", IEEE Int'l Symposium on Antenna and Propagation, vol. 1, pp. 830-833, Jun.

2003.

[9] F. T. Zha, S. X. Gong, G. Liu, H. Y. Yang, and S.

G. Lin, "Compact slot antenna for 2.4 GHz/UWB with dual band-notched characteristic", Microwave and Optical Technology Letterrs, vol. 51, no. 8, pp.

1859-1862, Aug. 2009.

[10] W. Wang, S. Gong, Zhen Cui, J. Liw, and J. Ling,

"Dual band-notchedultra-wideband antenna with co- directional SRR", Microwave and Optical Techno- logy Letterrs, vol. 51, issue 4, pp. 1032-1034, Apr.

2009.

[11] V. Oznazi, V. B. Ertukk, "A comparative inves-ti- gation of SRR- and CSRR-based band reject filter:

simulations, experiments, and discussions", Micro- wave and Optical Technology Letters, vol. 50, iss- ue 2, pp. 519-523, Feb. 2008.

[12] 조남이, 김당오, 김채영, 최동묵, "SRR을 이용한 WLAN 대역 저지용 UWB 안테나의 설계 및 제 작", 한국전자파학회논문지, 20(9), pp. 1014-1020, 2009년 9월.

[13] X. -J. Liao, H. -C. Yang, N. Han, and Y. Li, "A semi-circle-shaped aperture UWB antenna with triple band-notched character", J. of Electromagn.

Waves and Appl., vol. 25, no. 2-3, pp. 257-266, Jan. 2011.

[14] Y. Zhang, W. Hong, C. Yu, Z. Q. Kuai, Y. D.

Don, and J. Y. Zhou, "Planar ultrawideband antennas with multiple notched bands based on et- ched slots on the patch and/or split ring resonators on the feed line", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. 56, no. 9, pp. 3063-3068, Sep. 2008.

[15] D. -O. Kim, C.-Y. Kim, "CPW-fed ultra-wideband antenna with triple-band notch function", Electro- nics Letters, vol. 46, no. 18, pp. 1246-1248, Sep.

2010.

[16] 김장렬, 이승우, 김남, 오병철, "CSRR을 이용한 WLAN 대역 저지 특성 CPW 급전 광대 역 안테 나 설계", 한국전자파학회논문지, 22(5), pp. 528- 537, 2011년 5월.

[17] 김남, 손귀범, 박상명, "CPW 급전 단일 평면 부

(13)

채꼴UWB 안테나 설계 및 제작", 한국전자파학 회논문지, 18(3), pp. 305-314, 2007년 3월.

[18] 유주봉, 전준호, 안찬규, 김우찬, 양운근, "CPW 급전 방식을 이용한UWB 모노폴 안테나 설계 및 구현", 한국전자파학회논문지, 21(2), pp. 218- 223, 2010년 2월.

[19] 이종혁, 오영철, 명로훈, "Split-ring 공진기와 spiral 공진기를 이용한 새로운 소형의 마이크로스 트립 대역 저지 필터 설계", 한국전자파학회논 문지, 18(7), pp. 796-808, 2007년 7월.

[20] H. M. Greenhouse, "Design of planar rectangular microelectronic inductors", IEEE Trans. Parts, Hy- brids, Pack., vol. 10, no. 2, pp. 101-109, Jun.

1974.

[21] Z. M. Hejazi, P. S. Excell, and Z. Jiang, "Accurate distributed inductance of spiral resonators", IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 8, no. 4, pp. 164-166, Apr. 1998.

[22] J. D. Baena, J. Bonache, F. Martin, R. M. Sillero, F. Falcone, T. Lopetegi, M. A. G. Laso, J. Garcia- Garcia, I. Gil, I. Gil, M. F. Portillo, and M. So- rolla, "Equivalent-circuit models for split-ring resonators and complementary split-ring resonators coupled to planar transmission lines", IEEE Tran- sactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 53, no. 4, pp. 1451-1461, Apr. 2005.

김 장 렬

2010년 2월: 충북대학교 정보통신 공학과(공학사)

2010년 3월～현재: 충북대학교 정 보통신공학과 석사과정 [주 관심분야] 안테나 설계 및SAR

분석, 전자파, 메타 물질

이 승 우

2003년 2월: 충북대학교 정보통신 공학과(공학사)

2006년 2월: 충북대학교 정보통신 공학과(공학석사)

2007년 3월～현재: 충북대학교 정 보통신공학과 박사과정 [주 관심분야] 안테나 설계, EMI/

EMC 및 전자파 인체영향

김 남

1981년 2월: 연세대학교 전자공학 과(공학사)

1983년 2월: 연세대학교 전자공학 과(공학석사)