광대역 이동통신 시스템을 위한 LTE/LTE-A용 이중대역 안테나 설계 및 제작
Design and Fabrication of Dual Band Antenna for LTE / LTE-A for Broadband Mobile Communication System
강 성 운
1· 오 말 근
2· 김 갑 기
2*1목포해양대학교 해양전자통신컴퓨터공학과
2목포해양대학교 항해정보시스템학부
Sung-Woon Kang
1· Mal-Geun Oh
2· Kab-Ki Kim
2*1Marine Electronic Communication Computer Engineering, Mokpo National Maritime University, Jeollanam-do, 58628, Korea
2School of Navigation and Information Systems, Mokpo National Maritime University, Jeollanam-do, 58628, Korea
[요 약]
본 논문에서는 광대역 이동통신 시스템을 위한 LTE/LTE-A용 마이크로스트립 안테나를 설계 및 제작하였다. 제안된 안테나의 기판은 FR-4(er = 4.3)이고 크기는 40 mm × 50 mm이며 LTE/LTE-A 주파수대역인 2.3 GHz와 2.5 GHz의 대역에서 사용할 수 있는 특성을 갖도록 설계하였다 시뮬레이션은 CST Microwave Studio 2014을 사용하였으며 시뮬레이션 결과 이득은 2.3 GHz일 때 2.391 dBi, 2.5 GHz일 때 2.566 dBi이다. S-Parameter 또한 원하는 주파수 대역에서 –10 dB (VSWR 2:1) 이하의 결과를 볼 수 있었 다. 광대역 이동통신 안테나는 소형화, 고성능, 초경량화 등이 되어 우수하고 저가의 시스템이 계속해서 개발되고 있으며 광대역 이동통신 시스템은 많은 사람들이 사용하고 있다. 시스템의 발달과 수요 증가에 따른 LTE/LTE-A 기술이 제안되고 있기 때문에 위 의 조건에 만족하는 안테나 설계 및 제작하여 해당 시스템을 적용한 기술을 많은 이용자가 사용할 것으로 보인다.
[Abstract]
In this paper, a microstrip antenna for LTE / LTE-A is designed and fabricated for a broadband mobile communication system. The proposed antenna is designed to have the characteristics of using FR-4 (er = 4.3), size of 40 mm × 50 mm, and LTE / LTE-A frequency bands of 2.3 GHz and 2.5 GHz. 2014, and the simulation result shows that the gain is 2.391 dBi at 2.3 GHz and 2.566 dBi at 2.5 GHz. The S-parameter also showed a result of less than -10 dB (WSWR 2: 1) in the desired frequency band. The broadband mobile communication antenna has been miniaturized, high performance, and light weight, and an excellent and low cost system is continuously being developed, and a broadband mobile communication system is used by many people. Since LTE / LTE-A technology has been proposed according to the development of system and demand, it is expected that many users will design and manufacture antennas satisfying the above conditions and apply the applied technology.
Key word :
Broadband communication system, LTE, LTE-A, Microstrip, Antenna, Dual-band.https://doi.org/10.12673/jant.2018.22.5.442
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-CommercialLicense(http://creativecommons .org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Received 10 September 2018; Revised 1 October 2018 Accepted (Publication) 29 October 2018 (30 October 2018)
*Corresponding Author; Kab-Ki Kim Tel: +82-10-8666-85
E-mail: [email protected]
Ⅰ. 서 론
최근 통신량 증가와 관련 분야 기술의 발전으로 위성을 이용 한 디지털방송, 이동통신, 초고속 인터넷 등 각종 서비스의 다 양화가 이루어지고 있다. 이들 중 이동통신은 서비스지역의 광 역성과 빠른 전송속도, 통신회선의 품질이 우수한 특징을 가지 고 있다[1]. 또한 정보 통신 기술의 발달에 따라 통신, 방송, 교 통, 특히 개인 휴대 통신 분야에서 주파수 이용이 급증하고 있 고 다양한 무선 환경에 적응하기 위해 다중 주파수 대역에서 동 작할 수 있는 기술의 필요성이 증대대고 있다. 이러한 점 때문 에 하나의 통신 장비로 여러 가지 통신서비스를 제공받을 수 있 는 통신장비의 개발과 이를 뒷받침하기 위한 이중대역에서 동 작할 수 있는 안테나 개발이 요구되고 있다[2].
스마트폰 사용자의 증가로 인한 멀티미디어 및 인터넷 서비 스의 급격한 증가로 인해 3G망의 포화 상태에 이르게 되자, 미 국 버라이존을 비롯하여 우리나라의 통신사들은 LTE (long term evolution)서비스를 시작하게 되었고 여기서 멈추지 않고 LTE-A와 광대역 기반의 LTE를 개발하였다. LTE-A는 MC(multi carrier)기술을 기반으로 하여 한쪽 주파수 대역에 사 용자가 몰리는 것을 방지하고 두가지 주파수 이상을 하나로 묶 는 CA(carrier aggregation)을 이용하여 통신 속도를 끌어올린 서비스이며 광대역 LTE는 LTE가 대역이 넓어지면 넓어질수록 통신 속도가 빨라지는 점을 이용하여 기존 주파수대역에 2~5 배가 되는 대역을 사용하여 통신 속도를 향상시킨 것이다[3].
따라서 본 논문에서는 시스템의 발달과 수요 증가에 따른 LTE/LTE-A 기술이 제안되고 있기 때문에 위의 조건에 만족하 는 안테나 설계 및 제작하고자 한다.
본 논문의 구성은 제 1장 서론, 제 2장 마이크로스트립 안테 나의 이론 및 기본구조, 제 3장 안테나 설계 및 시뮬레이션 결 과, 제 4장 안테나 제작 및 측정, 제 5장 결론으로 구성하였다.
Ⅱ. 마이크로스트립 안테나 이론 및 기본구조
2-1 마이크로스트립 안테나 이론
크기, 무게, 가격, 성능, 설치의 용이성, 공기저항이 문제가 되는 고성능 항공기, 우주선, 위성과 미사일 또는 이동통신 분 야 등에서는 두께가 얇은 안테나가 요구된다. 이러한 요건을 만 족하기 위하여 마이크로스트립 안테나가 사용된다. 마이크로 스트립 안테나는 두께가 얇고 평면과 비평면에 부착이 용이하 고 프린트 기술을 이용하면 제작이 간편하며, 값이 싸고, MMIC 설계에 적합하다. 또한 이 안테나는 방사패치와 접지판 사이에 핀(pin)이나 바랙터(varator) 다이오드와 같은 능동소자 를 부하로 첨가함으로써 공진 주파수, 임피던스, 편파와 패턴을 임으로 가변시킬 수 있다[4]-[7].
마이크로스트립 안테나의 주된 장점은 제작의 용이성, 우수
한 방사특성을 가지고 있다. 저 효율, 저 전력, 높은 Q(가끔 100 을 초과)로 인하여 주파수 대역폭이 좁고 편파특성이 저하되며 빔폭이 넓고, 급전선에서 원하지 않는 방사가 발생하는 단점을 가지고 있다. 그러나 기판두께를 크게 함으로서 효율과 대역폭 (약 35%)을 확장할 수 있다. 기판두께가 증가하게 되면 일반적 으로 바람직하지 않는 표면파가 발생하게 되는데 표면파는 직 접방사에 사용되는 총 전력의 일부를 사용하기 때문이다. 이러 한 표면파는 기판 내를 진행하며 대역폭, 유전체와 접지판의 단 면과 같은 불연속면에서 산란되어 안테나 패턴과 편파특성을 저하시킨다[8]-[10].
마이크로스트립 안테나는 동작주파수 대역이외의 다른 주 파수에서도 많은 전자파가 나타나기도 하고 VHF와 UHF와 같 은 낮은 주파수에서는 안테나의 크기가 커지게 되며, 많은 소자 를 배열할 경우 대역폭과 빔폭 간에 절충이 필요하게 된다[11], [12].
2-2 안테나의 구조
1953년에 마이크로스트립 안테나에 대한 착상을 하게 되었 고, 1955년에 특허를 받았지만 1970년대를 시발점으로 하여 상 당한 주목을 받게 되었다.
그림 1에서 보는바와 같이 마이크로스트립 안테나는 아주 얇은( ≪ , 는 자유공간의 파장) 금속체를 접지면 위에 파장에 비해 매우 작은 두께 ( ≪ , 보통 ≤ ≤ )로 되어 있다. 마이크로 방사패치의 방사 모드는 브로드사이드 (broadside)와 엔드파이어(end-fire)가 있고 여기모드를 적당하 게 선정하여 방사모드가 결정되도록 한다. 사각형 방사패치의 경우, 길이 L은 일반적으로 이다. 방사패치와 접지면은 유전체에 의해 분리되어 있다.
그림 1. 마이크로스트립 안테나 구조 Fig. 1. Structure of a microstrip antenna.
마이크로스트립 안테나 설계에 사용되는 기판은 여러 가지가 있는데 기판의 유전율은 보통 ≤ ≤ 범위이다. 기판은 두껍고 유전율이 낮은 것이 안테나 성능에 가장 바람직하다. 기 판이 두껍고 유전율이 낮을수록 효율이 더 좋으며 대역폭이 넓 고 공간으로 방사되는 경계(boundary field)가 약하기 때문에 안 테나 특성에는 바람직하지만 가격이 비싸게 된다. 고유전율을 갖는 얇은 기판은 원하지 않은 방사와 결합을 줄이기 위하여 강 한 경계계가 필요하고 소자 크기를 작게 할 수 있기 때문에 마 이크로파 회로 제작용으로 바람직하지만 손실이 커지기 때문 에 효율이 낮아지고 상대적으로 대역폭이 좁아진다. 마이크로 스트립 안테나를 다른 마이크로파 회로와 함께 직접화하기 때 문에 안테나 성능과 회로 설계 간 절충이 필요하게 된다[13].
마이크로스트립 안테나를 패치 안테나라고도 부르며, 방사 패치와 급전선은 일반적으로 유전체기판 상에 에칭한다. 방사 패치는 낮은 교차편파 방사 때문에 정방형, 직사각형, 가는 스 트립(다이폴)과 원형 패치가 가장 보편적으로 사용된다. 마이 크로스트립 안테나를 단일 소자나 배열로 하여 선형 편파나 원 편차를 만들 수 있으며 단일 급전이나 다중 급전을 하는 마이크 로스트립 소자의 배열은 스캐닝(scanning)과 더욱 예리한 지향 성을 갖도록 하는 데에도 이용할 수 있다[14].
Ⅲ. 안테나 설계 및 시뮬레이션 결과
3-1 안테나 설계
그림 2는 LTE/LTE-A용 이중대역 안테나의 디자인을 보여 주고 있다. 기판의 크기를 줄여 안테나의 크기를 최소화 하였 으며 적은 변수로 설계가 간단하다. 이 안테나는 유전율 (Er=4.3) 및 유전 정접(tang=0.025)의 정수인 FR-4(loosy) substrate이며 크기는 40 mm × 50 mm이다. ground의 크기는 40 mm × 10 mm로 설계하였다. 표 1은 제안된 안테나의 파라미터 를 나타내며 표 2는 제안된 안테나의 두께를 나타낸다.
그림 2. 설계된 마이크로스트립 안테나 레이아웃 Fig. 2. Designed microstrip antenna layout.
표 1. 제안된 안테나의 각 파라미터
Table 1. Each parameter of the designed antenna.
Symbol Value(mm) Symbol Value(mm)
50 40
10 2
1 16
1 14
15 1
2 15
20 2
2 14
2 20
12 2
5 6
표 2. 제안된 안테나의 두께
Table 2. The thickness of the designed antenna.
Name Value(mm)
p(patch) 0.035
t(ground) 0.035
h(substrate) 0.8
3-2 시뮬레이션 결과
그림 3은 제안된 안테나의 입력대비 반사손실로서 최고 치인 2.3 GHz에서 -43.17 dB와 2.5 GHz대역에서 -43.56 dB를 나타낸다. 또한 원하는 주파수 두 대역에서만 -10 dB 이하 로 떨어지는 것을 확인할 수 있는데 이는 LTE/LTE-A용 이 중대역 안테나로 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 그림 4 부터 그림 10은 제안된 안테나의 전계, 자계 및 전류흐름과 방사패턴 결과를 나타낸다.
그림 3. 입력 대비 반사손실 S-Parameter Fig. 3. Return loss to input S-parameter.
그림 4. 2.3 GHz, 2.5 GHz일 때의 E-field 결과 Fig. 4. E-field result at 2.3 GHz, 2.5 GHz.
그림 5. 2.3 GHz, 2.5 GHz일 때의 H-field 결과 Fig. 5. H-field result at 2.3 GHz, 2.5 GHz.
그림 6. 2.3 GHz, 2.5 GHz일 때의 전류흐름 결과 Fig. 6. Current Flow result at 2.3 GHz, 2.5 GHz.
그림 7. 2.3 GHz일 때의 방사패턴 3D 결과 Fig. 7. Radiation Pattern 3D Results at 2.3 GHz.
그림 8. 2.5 GHz일 때의 방사패턴 3D 결과
Fig. 8. Radiation Pattern 3D Results at 2.5 GHz.
그림 9. 2.3 GHz일 때 방사패턴 Polar 결과
Fig. 9. Polar result of radiation pattern at 2.3 GHz.
그림 10. 2.5 GHz일 때 방사패턴 Polar 결과
Fig. 10. Polar result of radiation pattern at 2.5 GHz.
Ⅳ. 안테나 제작 및 측정
4-1 안테나 제작
그림 11은 시뮬레이션에 의해 최적으로 설계되어진 이중대 역 마이크로스트립 안테나로 앞면에는 방사부, 뒷면에는 그라 운드로 제작하였다. 안테나 기판의 두께는 0.8 mm이고 패치의 두께는 0.035 mm, ground의 두께는 0.035 mm이다.
사용 주파수는 LTE/LTE-A 주파수인 2.3 GHz, 2.5 GHz 대역 이며 사용한 기판은 FR-4 기판이다.
이중대역을 동시에 사용할 수 있도록 하여 크기와 두께를 최 소화하고 변수 또한 적게 하여 제작비용을 절감하였다.
그림 11. 제작된 안테나의 앞면과 뒷면
Fig. 11. The front and back of the manufactured antenna.
4-2 안테나 측정
그림 12는 안테나의 방사패턴을 측정하기 위한 안테나에서 적당히 떨어진 거리의 원거리 영역에서 안테나의 방사패턴을 확인할 수 있는 chamber의 모습을 보이고 있으며, 그림 13, 14 는 제작된 안테나의 방사패턴과 이득을 측정한 결과를 보여주 고 있다.
그림 13, 14에서 이득을 살펴보면 2.3 GHz에서 Total 2.391 dBi, Ver 2.174 dBi, Hor 2.52 dBi, 2.5 GHz에서 Total 2.556 dBi, Ver 2.34 dBi, Hor 2.865 dBi을 나타내었다.
그림 12. 방사패턴 측정
Fig. 12. Measurement of radiation pattern.
그림 13. 2.3 GHz에서 제작 된 안테나의 방사 패턴 결과 Fig. 13. Radiatinon pattern result of fabricated antenna at 2.3 GHz.
그림 14. 2.5 GHz에서 제작 된 안테나의 방사 패턴 결과 Fig. 14. Radiatinon pattern result of fabricated antenna at 2.5 GHz.
4-3 측정결과 및 비교분석
안테나를 제작하기 전 설계 과정에서는 3D simulator인 CST Microwave Studio 2014 프로그램을 이용하였고, 안테나의 각 요소에 대한 결과를 얻기 위해 안테나를 설계 구현하고 나서 측 정하였다.
제작한 안테나는 IEEE 802.11a의 표준 규격을 하나의 안테 나로 통합하여 사용할 수 있도록 안테나를 설계 및 제작하기 위 해 초기의 설계 대역폭을 입력 반사손실 -10 dB (VSWR 2:1) 이 하를 목표로 하였다. 시뮬레이션 결과 입력반사손실이 기준치 이하인 2.25 GHz ~ 2.35 GHz, 2.45 GHz ~ 2.55 GHz의 주파수 대역폭으로써 각 동작 주파수를 포함한다.
표 3과 같이 측정 결과 안테나의 주파수 대역은 시뮬레이션 결과 값과 비슷한 것을 확인할 수 있었고 각 주파수 대역의 이 득은 시뮬레이션 값보다 낮게 나타났지만 안테나로서 주파수 가 -10 dB 이하이며 이득이 양수의 값을 나타내고 있어 안테나 로서 사용이 가능하다. 오차 원인을 분석한 결과 소형화로 인하 여 발생한 문제로 보여 지며, 전송선로와 제작 상에 있어서 PCB 기판에 에칭의 오차로 판단된다.
표 3. 제안된 안테나의 두께
Table 3. The thickness of the designed antenna.
Divison Reference value
Simulation results
Measurement result Antenna test
result
Antenna system measurement
result Center frequency
[GHz]
2.3 2.3
2.5 2.5
Reflection loss [dB]
-10 dB or less
- 43.17 - 42.80 - 43.56 - 41.54
Gain Gain ≥0 2.391 2.27
2.556 2.47
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 LTE와 LTE-A 통신을 위한 마이크로스트립 패치 이중대역 안테나를 설계하였다. 제안된 안테나는 간단한 구조와 적은 변수들을 가지고 있고, 입력대비 반사손실로서 2.3 GHz와 2.5 GHz에서만 -10 dB(VSWR 2:1) 이하로 떨어지며 이 득 또한 2.3 GHz일 때 2.391 dBi, 2.5 GHz일 때 2.566 dBi로 LTE 와 LTE-A통신용으로 사용할 수 있다는 결과를 볼 수 있다. 3D 설계가 가능한 CST Micro Studio 2014 Program을 사용하였다.
따라서 본 논문에서 제작된 안테나는 동작주파수 대역에서 반 사손실이나 삽입손실, 지향성이 설계하고자 하는 목표에 만족 함으로써 LTE/LTE-A용 통신 시스템에 적용 및 활용 가능할 것 이다. 광대역 이동통신 안테나는 소형화, 고성능, 초경량화 등 이 되어 우수하고 저가의 시스템이 계속해서 개발되고 있다.
시스템의 발달과 수요 증가에 따른 LTE/LTE-A 기술이 제안 되고 있어 위의 조건에 만족하는 안테나 설계 및 제작하여 해 당 시스템을 적용한 기술을 많은 이용자가 사용할 것으로 전 망한다.
References
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강 성 운 (Sung-Woon Kang)
2012년 : 목포해양대학교 해양정보통신공학과 (공학사) 2014년 : 목포해양대학교 해양전자통신컴퓨터공학과 (공학석사) 2014년 ~ 현재 : 목포해양대학교 해양전자통신컴퓨터공학과 박사과정
※관심분야 : 안테나 회로 설계 및 제작, 이동통신 안테나, 마이크로파 통신
오 말 근 (Mal-Geun Oh) 1998년 : 목포해양대학교 항해학부 (공학사) 2001년 : 목포해양대학교 항해학부 (공학석사)
2015년 : 목포해양대학교 해양전자통신컴퓨터공학과 (공학박사) 현재 : 목포해양대학교 항해정보시스템학부 초빙교수
※관심분야 : 해상통신, 위성토신, 마이크로파통신
김 갑 기 (Kab-Ki Kim) 1980년 : 광운대학교 통신공학과 (공학사) 1984년 : 건국대학교 대학원 전자공학과 (공학석사) 1998년 : 건국대학교 대학원 전자공학과 (공학박사) 현재 : 목포해양대학교 항해정보시스템학부 교수
※관심분야 : 마이크로파 통신, 초고주파 회로설계, 해상무선통신, 이동통신, 위성통신
