V-모양 접지면을 가지는 소형 이중 대역 이중 다이폴 준-야기 안테나
Compact Dual-band Double Dipole Quasi-Yagi Antenna with V-shaped Ground Plane
여 준 호
1· 이 종 익
2*1대구대학교 정보통신공학부/정보통신연구소
2동서대학교 메카트로닉스융합공학부
Junho Yeo
1· Jong-Ig Lee
2*1School of Computer and Communication Engineering/Information and Communication Research Center, Daegu University, Gyeongsangbuk-do 38453, Korea
2Division of Mechatronics Engineering, Dongseo University, Busan, 47011, Korea
[요 약]
본 논문에서는 V-형 접지면을 갖고 2.45 GHz와 5 GHz 무선 랜 주파수 대역을 포함하는 이중 대역에서 동작하는 소형 이중 다이 폴 준-야기 안테나의 설계 방법에 대하여 연구하였다. 먼저 2.45 GHz 대역에서 동작하는 준-야기 안테나를 설계한 후, 기존의 스트 립 접지면 대신 V-모양 접지면을 사용하여 안테나의 길이를 줄여 소형화하였다. 5 GHz 대역 동작을 위해 2.45 GHz 대역 준-야기 안테나의 다이폴 투사기 위에 두 번째 다이폴을 연결하고 도파기를 추가하였다. 제안된 설계 방법을 이용하여 2.45 GHz 대역과 4.57—7.11 GHz 대역에서 동작하는 이중 대역 안테나를 FR4 기판 상에 40 mm × 55 mm 크기로 제작하였다. 실험 결과, 전압정재 파비가 2 이하인 대역이 2.33—2.75 GHz과 4.38—7.15 GHz으로 원하는 이중대역에서 동작하는 것을 확인하였다. 측정된 이득은 두 대역에서 4 dBi 이상을 유지하였다.
[Abstract]
In this paper, a design method for a compact double dipole quasi-Yagi antenna with a V-shaped ground plane operating in dual bands including 2.45 GHz and 5 GHz wireless LAN frequency bands is studied. First, a quasi-Yagi antenna operating in the 2.45 GHz band is designed, and a V-shaped ground plane is used instead of a conventional strip ground plane to reduce the length of the antenna. A second dipole is connected to the dipole driver of the quasi-Yagi antenna for 2.45 GHz band and a director is appended for 5 GHz band operation.
A prototype of the proposed dual-band antenna operating at 2.45 GHz WLAN band and 4.57—7.11 GHz band is fabricated on an FR4 substrate with a dimension of 40 mm by 55 mm. Fabricated antenna shows frequency bands of 2.33—2.75 GHz and 4.38—7.5 GHz for a voltage standing wave ratio less than 2. Measured gain remains more than 4 dBi in both bands.
Key word :
V-shaped ground plane, Compact, Dual-band, Double dipole quasi-Yagi antenna(DDQYA), wireless LAN bands.https://doi.org/10.12673/jant.2018.22.5.436
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 22 August 2018; Revised 1 October 2018 Accepted (Publication) 29 October 2018 (30 October 2018)
*Corresponding Author: Jong-Ig Lee Tel: +82-51-320-1751
E-mail: leeji@gdsu.dongseo.ac.kr
Ⅰ. 서 론
최근 4차 산업혁명에서 구현하고자 하는 초연결사회의 핵심 기술로서 사물인터넷과 5세대 이동통신 관련 기술 및 서비스가 급속히 발전하고 있으며, 사용자의 편의성으로 인해 스마트폰 과 같은 모바일 스마트 기기를 이용한 데이터 사용량이 급격하 게 증가하고 있다[1]. 증가하는 데이터 사용량을 수용하기 위 해서는 기존에 사용하는 주파수 대역 외의 추가적인 주파수 확 보가 필요하며, 이에 따라 여러 주파수 대역의 신호를 송수신할 수 있는 다중 대역 기지국 및 중계기 안테나 설계 기술이 필요 하다[2].
이중 다이폴 준-야기 안테나 (double-dipole quasi-Yagi antenna; DDQYA)는 단일 광대역 혹은 이중 대역 설계의 용이 성, 안정된 이득, 높은 전후방비 등의 여러 가지 장점으로 인해 기지국용이나 중계기용 지향성 안테나로 사용되고 있다[3].
DDQYA는 반사기(reflector)와 두 개의 길이가 다른 다이폴 투 사기(driver)가 전송선로를 통해 연결되며 두 다이폴의 길이와 전송선로의 길이를 조절하여 단일 광대역 혹은 이중 대역 주파 수 특성을 얻을 수 있다.
이중 대역 주파수 대역을 얻기 위해 두 개의 다이폴을 이용 한 다양한 설계 방법들이 제안되었다. 참고문헌 [3]에서 소개된 전송선로로 연결된 이중 다이폴을 이용한 이중 대역 안테나 설 계 방법을 이용하여 2.45 GHz와 5 GHz 무선 랜 대역에서 동작 하는 DDQYA가 소개되었다[4]. 이 경우 반사기로 사용된 접지 면의 길이가 가장 길고, 5 GHz 대역에서 동작하는 첫 번째 다이 폴의 길이가 가장 짧다. 두 번째 다이폴은 2.45 GHz 대역에서 동작하며 길이가 반사기 보다는 짧고 첫 번째 다이폴 보다는 길 다. 안테나의 크기는 50 mm × 114 mm이다. 입력 반사계수가 – 10 dB 이하인 주파수 대역은 2.13—3.1 GHz와 5.15—5.9 GHz 로 첫 번째 대역이 넓고 두 번째 대역이 좁다. 이득은 첫 번째 대 역에서 3.6—5.1 dBi이고, 두 번째 대역에서 2.4—5.3 dBi이다.
내장형 밸런(balun)과 짧은 전송선로로 연결된 두 개의 다이 폴로 구성된 이중 대역 안테나가 824—960 MHz와 1.71—2.17 GHz 대역에서 동작하도록 설계되었다[5]. 첫 번째 다이폴이 첫 번째 주파수 대역에서 동작하여 길이가 길고, 두 번째 다이폴이 두 번째 대역에서 동작하여 길이가 짧다. 그러나 반사기가 없어 이득이 2.5 dBi 이하로 낮다.
광대역 다이폴 안테나의 양 팔에 포크-모양 슬롯을 추가하여 2.18—2.75 GHz와 5.04—6.23 GHz 대역에서 동작하도록 하는 설계 방법이 제안되었다[6]. 그러나 참고문헌 [5]와 마찬가지로 반사기가 없어 첫 번째 대역의 이득이 2 dBi 이하이고 지향성이 없는 단점이 있다.
반사기와 두 개의 다이폴의 길이가 순차적으로 줄어들고 기 판의 양면을 사용하는 평행 스트립(parallel stripe; PS) 전송선로 로 연결된 형태의 이중 대역 DDQYA가 2.32—2.77 GHz와 4.25
—6.03 GHz 대역에서 동작하도록 90 mm × 96 mm의 크기로 설 계되었다[7]. 마름모-모양의 첫 번째 다이폴은 첫 번째 대역에
서 동작하고, 스트립-모양의 두 번째 다이폴은 두 번째 대역에 서 동작한다. 두 대역에서 모두 지향성 복사패턴을 가지며, 이 득은 2.3—2.5 GHz 대역에서 3.5—4.7 dBi이고, 5.0—6.2 GHz 대역에서 2.0—6.0 dBi이다.
접지면 반사기와 다이폴 투사기로 구성된 준-야기 안테나 (quasi-Yagi antenna; QYA), T-모양 다이폴과 도파기로 구성된 DDQYA가 2.35—2.55 GHz와 4.30—6.56 GHz 대역에서 4.5—
5.7 dBi의 이득을 가지도록 설계되었다[8]. 안테나의 크기는 50 mm × 70 mm이다.
최근에는 PS 전송선로로 급전되는 다이폴 투사기와 그 위에 짧은 간격으로 배치된 직사각형 도파기, 그리고 PS 전송선로와 분리되어 측면에 배치된 90도 꺽인 반사기로 구성된 이중 대역 QYA가 2.28—2.74 GHz와 5.46—6.2 GHz 대역에서 동작하도 록 설계되었다[9]. 그러나 안테나의 크기가 45 mm × 100 mm으 로 폭이 넓고, 두 번째 주파수 대역이 좁다.
본 논문에서는 V-모양 접지면을 이용하여 2.45 GHz와 5GHz 무선 랜 주파수 대역을 포함하는 이중 대역에서 동작하는 소형 DDQYA를 설계하였다. 내장형 밸런으로 급전되고 2.45 GHz 대역에서 동작하는 QYA를 설계한 후, 기존의 스트립 접지면을 V-모양으로 변형하여 길이를 축소하였다. 다음으로 5 GHz 대 역 동작을 위해 QYA의 다이폴 위에 두 번째 다이폴을 전송선 로로 연결하고 도파기도 추가하였다. CST사의 Microwave Studio를 사용하여 안테나 설계 변수의 변화에 따른 특성 변화 를 분석하였고, 이를 통해 2.45 GHz 대역과 4.57—7.11 GHz 대역에서 4 dBi 이상의 이득을 가지는 이중 대역 DDQYA를 설 계하였다.
Ⅱ. 소형 이중 대역 DDQYA 구조 및 설계
2-1 소형 이중 대역 DDQYA 구조
그림 1은 제안된 소형 이중 대역 DDQYA의 구조이다. FR4 기판(비유전율 4.4, 두께 1.6 mm)의 앞면에는 V-모양 접지면
그림 1. 제안된 소형 이중 대역 DDQYA 구조
Fig. 1. Geometry of proposed compact dual-band DDQYA.
반사기(R0), 첫 번째 다이폴(D1), 두 번째 다이폴(D2), 도파기 (Dr)가 인쇄되어 있다. 접지면 반사기와 두 다이폴 사이는 코플 래너 스트립(coplanar strip; CPS) 선로로 연결되어 있다. 기판의 뒷면에는 특성 임피던스가 50옴인 마이크로스트립(microstrip;
MS) 선로가 인쇄되어 있으며, 단락 핀(via)을 사용하여 끝부분 이 앞면의 CPS 선로의 한쪽에 연결되어 내장형 밸런을 구성한 다.
V-모양 접지면 반사기의 길이와 폭은 lg= 55 mm, wg= 10 mm이고, 역삼각형 모양의 슬롯의 폭은 wv= 8.1 mm이다. 첫 번째 다이폴의 길이와 폭은 l1= 47.5 mm, w1= 6 mm이다. 두 번째 다이폴의 길이와 폭은 l2= 22 mm, w2= 2 mm이다. 첫 번 째 다이폴과 반사기 사이의 간격은 s1= 8 mm이고, 첫 번째와 두 번째 다이폴 사이의 간격은 s2= 3 mm이다. V-모양 접지면 과 첫 번째 다이폴을 연결하는 CPS 선로의 폭과 간격은 wCPS1
= 20 mm, ws= 0.7 mm이다. 첫 번째 다이폴과 두 번째 다이폴 을 연결하는 CPS 선로의 폭은 wCPS2= 4.7 mm이다. MS 선로의 폭은 wf= 3 mm이고, V-모양 접지면의 끝에서부터 급전점까 지의 거리는 yf= 9 mm이다. 스트립 도파기의 길이와 폭은 ld= 12 mm, wd= 2 mm이고, 도파기와 두 번째 다이폴 사이의 거리 는 ds= 3 mm이다.
2-2 안테나 시뮬레이션 및 특성 분석
그림 2에 나타나 있는 4가지 안테나 구조를 이용하여 제안 된 소형 이중 대역 DDQYA의 설계 과정을 설명하였다. 그림 2(a)는 2.45 GHz 대역에서 동작하도록 설계된 일반적인 QYA 이고, 그림 2(b)는 V-모양 접지면을 사용하여 안테나의 길이를 줄인 2.45 GHz 대역 QYA이다. 그림 2(c)는 V-모양 접지면을 가지는 2.45 GHz 대역 QYA에 두 번째 다이폴이 추가된 이중 대역 DDQYA이고, 그림 2(d)는 두 번째 다이폴 위에 도파기 가 추가된 제안된 이중 대역 DDQYA이다.
(a) (b)
(c) (d) 그림 2. 제안된 소형 이중 대역 DDQYA의 설계 과정
Fig. 2. Design procedure for proposed compact dual-band DDQYA.
(a)
(b)
그림 3. 그림 2의 안테나 성능 비교: (a) 입력 반사계수, (b) 이득 Fig. 3. Comparison of performances for antennas in Fig.
2: (a) input reflection coefficient and (b) gain.
그림 3에서는 그림 2의 4가지 안테나 구조들에 대한 입력 반사계수와 +y 방향 이득 특성을 비교하였다.
그림 2(a)의 일반적인 2.45 GHz 대역 QYA의 경우, 전압 정 재파비(voltage standing wave ratio; VSWR) 2 이하를 기준으로 주파수 대역이 2.38—2.51 GHz(5.3%)와 6.74—8.38 GHz(21.8%)이다. 접지면 반사기의 길이는 65 mm이고, 다이폴 의 길이는 49.4 mm이다. 첫 번째 대역에서 +y축 방향 이득은 4.6—5.4 dBi이고, 두 번째 대역에서는 0 dBi 이하이다. 두 번째 대역에서 +y 방향 이득이 낮은 이유는 공진주파수에서 다이폴 투사기가 반파장이 아닌 파장의 1.5배가 되어 최대 복사 방향이 다이폴에 수직한 +y축 방향이 아닌 다른 방향으로 바뀌었기 때 문이다[10]. 따라서 두 번째 대역은 +y축 방향 지향성 안테나로 사용할 수 없다.
그림 2(b)의 V-모양 접지면을 사용하여 설계한 2.45 GHz 대 역 QYA의 경우, VSWR < 2인 주파수 대역이 2.33—2.51 GHz(7.4%)와 6.43—8.37 GHz로서 첫 번째 주파수 대역의 대역 폭이 조금 증가하였으나 그림 2(a)의 QYA와 비슷한 특성을 나 타낸다. 접지면 반사기의 길이는 55 mm로 15.4% 줄어들었고, 다이폴의 길이는 47.5 mm로 조금 줄어들었다. +y축 방향 이득 은 첫 번째 대역에서 4.5—5.5 dBi이고, 두 번째 대역에서는 1 dBi 이하이다. 그림 2(a)의 경우와 마찬가지로 최대 복사방향이 +y축 방향이 아니기 때문에 두 번째 대역에서는 지향성 안테나 로 사용할 수 없다.
(a)
(b)
그림 4. 그림 2의 안테나 복사패턴 비교: (a) 첫 번째 대역, (b) 두 번째 대역
Fig. 4. Radiation pattern comparison for antennas in Fig.
2: (a) first band and (b) second band.
2.45 GHz 대역 뿐만 아니라 5 GHz 무선 랜 주파수 대역 (5.15—5.825 GHz)을 포함하는 대역에서 4 dBi 이상의 +y 방향 이득을 가지는 이중 대역 지향성 안테나를 설계하기 위해 그 림 2(c)와 같이 CPS 선로로 연결된 두 번째 다이폴을 추가하여 이중 대역 DDQYA를 설계하였다. VSWR < 2인 주파수 대역 은 2.35—2.68 GHz(13.1%)와 4.40—5.94 GHz(29.8%)이고, +y 축 방향 이득은 첫 번째 대역에서 4.0—5.2 dBi이고 두 번째 대 역에서는 3.4—4.2 dBi이다. 첫 번째 주파수 대역이 그림 2(a)와 2(b)의 안테나와 비교했을 때 대역폭이 증가하였으나 두 번째 주파수 대역의 이득이 조금 낮다.
두 번째 주파수 대역의 대역폭과 이득을 증가시키기 위해 그림 2(d)와 같이 도파기를 두 번째 다이폴 위에 추가하여 이 중 대역 DDQYA를 설계하였다. 도파기를 추가한 결과, VSWR
< 2인 주파수 대역이 2.36—2.72 GHz(14.1%)와 4.57—7.11 GHz(43.5%)이고 두 번째 주파수 대역의 대역폭이 많이 증가하 였다. +y축 방향 이득은 첫 번째 대역에서 4.0—5.2 dBi이고 두 번째 대역에서는 4.0—5.6 dBi이다.
그림 4는 그림 2의 4가지 안테나 구조의 첫 번째 및 두 번째 대역에서의 E-면(x-y면) 복사패턴을 비교하였다. 첫 번째 대역 의 경우 주파수 대역이 비슷하여 2.45 GHz에서의 복사패턴을 비교하였다. 최대 복사방향은 모두 +y축 방향이다. 그림 2(a)
의 경우 전후방비가 4.9 dB이나, V-모양 접지면을 사용한 그림 2(b)~그림 2(d)의 경우 복사 패턴이 거의 비슷하고 전후방비가 7.8 dB로 2.9 dB 개선되었다.
두 번째 대역의 경우 그림 2(a) 및 2(b)의 QYA와 그림 2(c) 및 2(d)의 DDQYA의 주파수 범위가 달라, QYA의 경우 7.5 GHz에서의 복사패턴을 사용하고 DDQYA의 경우 5.5 GHz에 서의 복사패턴을 사용하여 비교하였다. 그림 2(a)의 기존의 2.45 GHz QYA의 경우, 최대 복사 방향이 +y축 방향인 90도가 아닌 150도 방향으로 바뀌었다. 그림 2(b)의 V-모양 접지면을 사용한 2.45 GHz QYA의 경우, 그림 2(a)와 비슷하게 최대 복 사 방향이 150도 방향이지만 90도 방향에서의 이득이 증가하 였다. 그림 2(c)의 두 번째 다이폴만 추가한 DDQYA의 경우 최 대 복사 방향이 +y축 방향이 되고 지향성이 개선됨을 알 수 있 다. 그림 2(d)와 같이 두 번째 다이폴과 도파기를 추가한 DDQYA의 경우, 반전력 빔폭이 줄어들어 이득이 증가하고 전 후방비가 개선되는 것을 알 수 있다.
그림 5는 2.45 GHz와 5.5 GHz에서 제안된 이중 대역 DDQYA의 표면 전류 분포를 나타내고 있다. 첫 번째 대역인 2.45 GHz에서는 V-모양 반사기와 다이폴에 전류가 강하게 나 타나는 반면, 두 번째 대역인 5.5 GHz에서는 두 번째 다이폴과 도파기에 전류가 분포하여 이들에 의해 동작함을 알 수 있다.
(a)
(b)
그림 5. 제안된 이중 대역 DDQYA의 표면 전류 분포: (a) 2.45 GHz, (b) 5.5 GHz
Fig. 5. Surface current distributions of proposed dual-band DDQYA: (a) 2.45 GHz and (b) 5.5 GHz.
그림 6. 제작된 안테나의 사진
Fig. 6. Photograph of fabricated antenna.
Ⅲ. 안테나 제작 및 실험 결과
제안된 소형 이중 대역 DDQYA을 FR4 기판(εr= 4.4, 두께 = 1.6 mm, 손실 탄젠트 = 0.025)을 이용하여 그림 6과 같이 제작 하였다.
제작된 안테나의 입력 반사계수와 이득 특성을 그림 7에 비 교하였다. 입력 반사계수 측정을 위해 Agilent사의 N5230A 회 로망 분석기를 사용하였고, 이득은 전파무반사실에서 +y축 방 향으로 측정하였다.
입력 반사계수 측정 결과, VSWR < 2인 주파수 대역이 2.33
—2.75 GHz(16.5%)와 4.38—7.15 GHz(48.1%)로 시뮬레이션 결 과보다 대역폭이 두 대역에서 모두 조금 증가하였다.
(a)
(b)
그림 7. 제작된 안테나의 성능: (a) 입력 반사계수, (b) 이득 Fig. 7. Performance of fabricated antenna: (a) input
reflection coefficient and (b) gain.
측정된 이득은 첫 번째 대역에서 4.0—5.0 dBi이고 두 번째 대역에서는 4.0—5.2 dBi으로 시뮬레이션 결과보다 평균 이득 이 조금 줄어들었으나 두 대역에서 4 dBi 이상을 유지하였다.
그림 8은 제작된 안테나의 2.45 GHz, 5 GHz, 6 GHz, 7 GHz 에서 E-면(x-y면)과 H-면(y-z면) 복사 패턴에 대한 측정 결과를 비교한 것이다. 측정된 복사 패턴이 시뮬레이션 결과와 유사함 을 알 수 있다.
(a)
(b)
(c)
(d)
그림 8. 제작된 안테나의 복사패턴: (a) 2.45 GHz, (b) 5 GHz, (c) 6 GHz, (d) 7 GHz
Fig. 8. Radiation patterns of fabricated antenna: (a) 2.45 GHz, (b) 5 GHz, (c) 6 GHz, and (d) 7 GHz.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 V-모양 접지면을 사용하여 2.45 GHz 및 5 GHz 무선 랜 대역을 포함하는 이중 대역에서 동작하는 소형 DDQYA에 대한 설계 방법을 연구하였다. 먼저 일반적인 스트 립 반사기와 다이폴로 구성된 2.45 GHz 대역 QYA를 설계한 후, 스트립 접지면을 V-모양 접지면으로 변형하여 길이를 축소 하였다. 다음으로 5 GHz 대역 동작을 위해 QYA의 다이폴 위에 전송선로로 연결된 두 번째 다이폴을 추가하여 DDQYA를 설 계하였다. 두 번째 대역에서의 대역폭과 이득을 증가시키기 위 해 도파기를 추가하였다.
제작된 안테나의 특성을 실험한 결과, VSWR < 2인 주파수 대역이 2.33—2.75 GHz와 4.38—7.15 GHz이고, 이득은 첫 번째 대역에서 4.0—5.0 dBi이고, 두 번째 대역에서는 4.0—5.2 dBi 으로 두 대역에서 4 dBi 이상을 유지하였다.
제안된 소형 이중 대역 DDQYA는 2.45 GHz 및 5 GHz 무선 랜 대역 AP (access point)용 지향성 안테나나 이중 대역 기지국 혹은 중계기 안테나로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
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여 준 호 (Junho Yeo)
1992년 2월 : 경북대학교 전자공학과 (공학사) 1994년 2월 : 경북대학교 전자공학과 (공학석사)
2003년 8월 : 미국 Pennsylvania State University 전기공학과 (공학박사) 1994년 3월～1999년 6월 : 국방과학연구소 연구원
2003년 9월～2004년 6월 : 미국 Pennsylvania State University 박사 후 과정 2004년 8월～2007년 2월 : 한국전자통신연구원 RFID 시스템연구팀 선임연구원 2007년 3월～현재 : 대구대학교 정보통신공학부 교수
※관심분야 : AMC, EBG, FSS 설계 및 안테나 응용, RFID 및 광대역 안테나, 전자파 산란
이 종 익 (Jong-Ig Lee)
1992년 2월 : 경북대학교 전자공학과 (공학사) 1994년 2월 : 경북대학교 전자공학과 (공학석사) 1998년 8월 : 경북대학교 전자공학과 (공학박사) 1998년 3월～12월 : 금오공과대학교 연구교수
1999년 3월～현재: 동서대학교 메카트로닉스융합공학부 교수
※관심분야 : 평면 안테나, 전자파 산란
