A Design of a Planar UWB Antenna with Notched WLAN band by Using Slot and Slit

논문 2012-49TC-6-14

슬롯과 슬릿을 사용하여 무선랜 대역이 제거된 평면형 UWB안테나 설계

( A Design of a Planar UWB Antenna with Notched WLAN band by Using Slot and Slit )

이 창 주^*, 김 수 훈^*, 박 영 본^*, 이 문 수^***

( Chang Joo Lee, Su Hoon Kim, Young Bon Park, and Mun Soo Lee )

요 약

본 논문에서는 슬롯과 슬릿을 사용하여 무선랜 대역 중 802.11a(5.15～5.825GHz) 대역이 소거된 평면형 UWB(Ultra Wide-Band) 안테나를 설계하였다. 소거 대역폭은 패치와 접지면에 있는 슬롯과 슬릿의 길이로 조절할 수 있고, 안테나의 방사 특성은 실험값을 통해 살펴보았다. 안테나의 반사손실 -10dB 이하를 기준으로 대역폭은 소거하고자 하는 WLAN대역(5.147 ～ 5.83GHz)을 제외한 UWB 전 대역(3.1 ～ 10.6 GHz)에서 만족한다. 또한, 측정된 방사패턴은 H면에서 무지향성으로 나타난다.

Abstract

In this paper, A planar UWB antenna with notched WLAN band, 802.11a band (5.15 ～ 5.825GHz), by using slot and slit is designed by using CST Microwave Studio. The notched bandwidth can be controlled by the length and width of the slot and slit in the patch and ground plane and it's radiation characteristics are examined through the experiments.

The bandwidth based on the -10dB return loss level can be covered the full UWB band (3.1 ～ 10.6GHz) with a notched WLAN band (5.147 ～ 5.83GHz). Also, the experimental radiation pattern is almost omnidirectional in the H-plane.

Keywords: UWB, Notched WLAN band, U type slot, slit

Ⅰ. 서 론

한정된 주파수 자원의 효과적인 사용을 위하여 기존 의 이동 및 위성통신, 방송등과 같은 협대역 및 광대역 시스템과 상호 간섭 없이 주파수를 공유할 수 있는 UWB(Ultra Wide-Band) 무선 기술에 대한 관심이 높 아지고 있다. 매우 넓은 대역폭에 걸쳐 상대적으로 매 우 낮은 스펙트럼 전력밀도가 분포함으로서 허가 없이 사용이 가능한 새로운 무선 기술인 UWB는 3.1 ∼ 10.6

* 학생회원, ^** 정회원, 경상대학교 전자공학과 (Gyeongsang National University)

접수일자: 2011년10월10일, 수정완료일: 2012년6월14일

GHz 대역에서 100 Mbps 이상의 속도를 가지며 저전력 으로 대용량의 데이터를 고속으로 처리가 가능하기 때 문에 많은 분야에 적용되고 있다. 하지만 802.11a 주파 수 대역 (5.15 ～ 5.825 GHz)과 스펙트럼 간섭이 발생 하기 때문에 제거하여야 한다. 이러한 문제를 해결하는 방법은 패치안테나에 여러 가지 형태의(U형,Ⅱ형) 슬롯 을 삽입하는 방법^[1～5], 패치에 슬릿을 삽입하는 방법^[6～

8], 패치의 슬롯에 λ/4의 스터브를 삽입하는 방법^[9]등이 있다.

평면형 모노폴 안테나는 집적화와 제작이 용이하여 무선랜이나 UWB등 무선통신 시스템에 많이 사용되고 있다. 급전 선로와 방사체가 유전체 위의 동일한 평면

에 존재하고, 급전 선로 아래에 유한한 접지면이 존재 하는 평면형 모노폴 안테나는 방사체에 슬롯이나 슬릿 을 두어 초광대역이나 이중대역을 얻을 수 있다.

본 논문에서는, 마이크로스트립 패치 내에 U자형 슬 롯과 급전선로의 접지면 일부에 슬릿을 삽입하여 UWB 전 대역(3.1 ～ 10.6 GHz)중에서 무선랜 대역의 일부인 802.11a 대역(5.15 ～ 5.825GHz)이 소거된 평면형 UWB 안테나를 제안한다.

안테나 연구를 위한 도구로 CST사의 Microwave Studio를 사용하여 시뮬레이션하고, 결과 분석을 통해 최적화를 시킨다. 설계ㆍ제작된 안테나는 벡터 회로망 분석기(VNA: Vector Network Analyzer)를 사용하여 안테나의 특성을 실험적으로 고찰한다.

Ⅱ. 안테나 구조와 설계변수

1. WLAN 대역이 소거되지 않은 안테나

그림 1은 무선랜 대역 중 802.11a 대역이 소거되지 않은 UWB용 안테나의 구조이다. 사용된 기판은 상대 유전율이 4.6이고 두께가 0.8mm 인 FR-4 기판 (  ≈ )을 사용하였으며, 사용된 전체 기판 크기 는 22mm × 34mm 이다. 마이크로스트립 급전을 하였 으며, 모노폴 안테나로 설계하였다.

광대역 특성을 얻기 위해서 그림 1의 (a)와 같이 패 치면의 양 끝에 W1과 L1으로 이루어진 슬릿과 그림 1 의 (b)와 같이 접지면의 양 끝의 W2와 L2로 이루어진 슬릿을 사용하였다.

그림 2는 패치면의 슬릿과 접지면의 슬릿의 크기에

그림 1. 안테나의 구조 (a) 전면도 (b) 후면도 Fig. 1. Configuration of an antenna.

(a) Front view (b) Back view

그림 2. 패치면 슬릿과 접지면 슬릿의 크기에 따른 반 사손실

Fig. 2. The simulated return loss for dimensions of slit of patch and slit of ground plane.

그림 3. U자형 슬롯과 접지 면에 슬릿이 없을 때의 반 사손실

Fig. 3. The simulated return loss of the antenna without U type slot and slit of ground plane.

따른 광대역의 특성변화를 나타낸 그림이다. 반사계수 -10 dB 이하를 기준으로 할 때, 패치면의 슬릿이 접지 면 슬릿보다 크거나 같을 때는 6 GHz 이상에서는 광대 역특성을 만족하지 못하지만 패치면 슬릿이 접지면의 슬릿보다 작은 경우에는 광대역 특성을 만족한다.

그림 3은 패치면의 슬릿과 접지면의 슬릿의 크기를 적절하게 조절하여 얻은 광대역 특성으로 반사계수 -10dB를 기준으로 무선랜 대역 중 802.11a 주파수 대역 이 소거되지 않은 UWB 전 대역을 만족한다. 광대역 특성을 만족하지만 802.11a 대역이 소거되지 않아 간섭 을 일으키게 된다. 따라서 802.11a 대역을 소거시키기 위하여 2-2절의 그림 4와 같은 구조를 제안한다.

2. WLAN 대역이 소거된 안테나

무선랜 대역의 일부(802.11a)를 소거시키기 위하여, 그림 4의 (a)는 안테나 전면의 패치 내에 U자형 슬롯 (P: 급전점을 기준으로 한 슬롯의 위치, W3: 수직부 슬 롯의 폭, L3: 수직부 슬롯의 길이)을 둔 것이고, 그림 4 의 (b)는 안테나 후면의 접지 면에 슬릿(W4: 슬릿의 폭, L4: 슬릿의 길이)을 두었다. 슬릿과 슬롯의 여러 가지 파라미터(위치, 폭, 길이)변화에 따른 안테나 특성변화 를 고찰하였다.

그림 5는 슬롯의 위치 P에 따른 안테나 반사손실 특 성으로, P의 값이 커짐에 따라 소거 대역중 상한주파수 가 감소하여 소거대역폭이 작아짐을 알 수 있다. 따라 서 U자형 슬롯이 급전점에서 21.9mm 떨어졌을 때, 802.11a 대역 중 소거대역의 상한주파수가 만족된다.

그림 4. 제안된 안테나의 구조 (a) 전면도 (b) 후면도 Fig. 4. Configuration of a proposed antenna.

(a) Front view (b) Back view

그림 5. P의 변화에 따른 반사손실

Fig. 5. The simulated return loss for different position of P.

그림 6와 7은 패치 내의 U자형 슬롯에서 폭(W3)과 길이(L3)의 변화에 따른 반사손실 특성을 나타낸다. W3

과 L3를 증가시키면 소거 대역(5.15 - 5.825 GHz) 중 상한주파수가 낮은 쪽으로 이동되며, 소거대역폭은 감 소된다. 이 부분은 슬롯의 폭과 길이로 패치 면에 흐르 는 전류경로를 조절함으로써 원하는 주파수 소거대역을 결정하는 데에 중요하게 사용된다. 따라서 W3가 2 mm, L3가 3.5 mm일 때, 소거 대역 상한주파수(5.825 GHz)는 만족하지만, 하한주파수(5.15 GHz)는 만족되지 않는다.

따라서 소거대역(802.11a 대역) 중에서 아래쪽 대역 (5.15GHz)을 만족시키기 위해서 그림 4의 (b)에서처럼 접지 면에 W4와 L4로 이루어진 슬릿을 사용하였다.

그림 8은 접지면에 삽입한 슬릿의 폭(W4)에 따른 안

그림 6. W3의 길이변화에 따른 반사손실

Fig. 6. The simulated return loss for different length of W3.

그림 7. L3의 길이변화에 따른 반사손실

Fig. 7. The simulated return loss for different length of L3.

그림 8. W4의 길이변화에 따른 반사손실

Fig. 8. The simulated return loss for different length of W4.

그림 9. L4의 길이변화에 따른 반사손실

Fig. 9. The simulated return loss for different length of L4.

Parameters Value (mm) Parameters Value (mm)

L1 1.5 L2 3.35

L3 3.5 L4 5.8

W1 3.7 W2 5.5

W3 3 W4 1.4

P 20.5

표 1. 최적화된 안테나 파라미터

Table 1. The optimized antenna parameters.

테나 반사손실 특성을 나타낸 것으로 W4가 1.4mm 일 때 완전한 소거대역(5.15～5.825GHz)을 얻을 수 있다.

그림 9는 접지 면에 삽입한 슬릿의 길이(L4)의 변화 에 따른 안테나의 반사손실 특성을 나타낸 그래프로,

그림 10. 최적화된 안테나의 반사손실

Fig. 10. The optimized return loss of the proposed antenna.

3.66GHz 5.5GHz 8.4GHz 그림 11. 안테나의 표면 전류분포

Fig. 11. The surface current distribution of antenna.

미세한 변화가 있지만 결과에는 큰 변화가 없음을 확인 할 수 있다.

표 1에 그림 2와 5～9까지 얻은 결과를 바탕으로 패 치에 삽입된 슬릿의 폭과 길이(W1, W2, L1, L2), U슬롯 의 위치, 폭, 길이(P, W3, L3)와 접지면에 삽입한 슬릿의 폭과 길이(W4, L4)의 최적화된 설계값을 나타내었다.

그림 10은 표 1를 바탕으로 최적의 파라미터 값을 통 해 설계된 안테나의 반사손실 특성을 나타낸 것으로, -10dB 이하를 기준으로 UWB 전 대역(3.1～10.6 GHz) 을 만족하고 802.11a 주파수대역(5.15～5.825 GHz)이 소 거되는 특성을 가졌다.

그림 11은 3.66 GHz, 5.5 GHz, 8.4 GHz에서의 표면 전류 분포를 나타낸 것이다.

Ⅲ. 안테나 제작과 측정결과

그림 12는 제작된 안테나의 정면도와 후면도이다. 제 작에 사용된 기판은 상대 유전율이 4.4인 FR-4

(a) (b) 그림 12. 제작된 안테나 (a) 정면도 (b) 후면도 Fig. 12. Photographs of the manufactured antenna.

(a) Front view (b) Back view.

그림 13. 안테나의 측정 반사계수

Fig. 13. The measured return loss of an antenna.

(a) E-plane (b) H-plane 그림 14. 제작된 안테나의 방사패턴 (a) E면 (b) H면 Fig. 14. The radiation patterns of manufactured antenna.

(a) E-plane (b) H-plane

(  ≈ )를 사용하였으며, 안테나 크기는 22mm

× 34mm × 0.8mm 이다.

그림 13은 Anritsu 37369A VNA를 사용하여 측정된 안테나의 반사손실을 나타낸 것으로, -10dB 이하를 기 준으로 3.02GHz ～ 11GHz까지 광대역 특성을 만족하 고, 소거된 대역은 5.26 ～ 6.08GHz로 시뮬레이션을 통 해 얻은 계산치와 약간의 오차가 있다. 이런 오차는 안

그림 15. 안테나 이득 Fig. 15. The gain of antenna.

테나 제작상의 오차에 기인한다고 생각된다.

그림 14는 3.1 GHz, 8.4 GHz, 10.6 GHz 주파수에서 측정한 UWB 안테나의 방사 패턴을 나타낸 결과로써, H면에서 무지향성으로 나타남을 알 수 있다.

그림 15는 E-plane에서의 안테나 이득을 나타낸 그 래프로 주파수에 따라 이득변화가 커짐을 알 수 있다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 WLAN 대역 중에서 802.11a 주파수 대역이 소거된 평면형 UWB 안테나를 설계하였다.

UWB 통신에서 802.11a 주파수 대역은 스펙트럼 간섭 을 발생시키기 때문에, 이를 해결하기 위하여 기본적인 U형 슬롯과 그라운드면의 슬릿을 이용하였다. 안테나의 반사 손실을 -10 dB 이하를 기준으로 UWB 전 대역 (3.1～10.6 GHz)을 만족하며, 802.11a 주파수 대역(5.1 5～5.825 GHz)은 소거되는 특성을 가졌으며, 수평면 방 사패턴은 802.11a의 WLAN대역을 제외한 UWB 전 대 역에서 무지향성이므로 UWB시스템에 사용가능할 것 으로 생각한다.

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저 자 소 개 이 창 주(학생회원) 2010년 경상대학교

전자공학과 학사 졸업 2012년 경상대학교

전자공학과 석사 졸업

<주관심분야: 무선통신, 안테나, RF회로>

박 영 본(학생회원) 2011년 경상대학교

전자공학과 학사 졸업 2011년∼현재 경상대학교 전자공학과 석사 과정

<주관심분야: 무선통신, 안테나>

김 수 훈(학생회원) 2010년 경상대학교

전자공학과 학사 졸업 2012년 경상대학교

전자공학과 석사 졸업

<주관심분야: 무선통신, 안테나>

이 문 수(정회원) 1970년 한국항공대학교 통신공학과 학사 졸업 1980년 한양대학교

전자통신공학과 석사 졸업 1984년 한양대학교

전자통신공학과 박사 졸업 1981년～1986년 제주대학교 통신공학부 부교수 1999년 6월～8월 Syracuse 대학교 방문교수 2004년 1월～2005년 2월 미시시피대학교

방문교수

1987년～현재 경상대학교 전자공학과 정교수

<주관심분야 : 마이크로파, 무선통신, 안테나>