Implementation of Broadband Printed Sleeve Monopole Antenna

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정회원, 한라대학교 전기전자공학과

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정회원, ㈜ 페스앤유 기술연구소

접수일자: 2014년 8월 28일, 수정일자: 2014년 10월 9일

Received: 28 August, 2014 / Revised: 9 October, 2014 Accepted: 12 December, 2014

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Corresponding Author: e-mail : [email protected] http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2014.14.6.245

JIIBC 2014-6-35

광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테나의 구현

Implementation of Broadband Printed Sleeve Monopole Antenna

최광제 ^* , 강상원 ^**

Gwang-Je Choe ^* , Sang-Won Kang ^**

요 약 본 논문에서는 슬리브 모노폴 구조를 PCB 형태로 구현한 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테나를 제안하였 다. 제안한 안테나에서 복사기의 직경 변화, 슬리브의 길이 변화, 슬리브 도체의 직경의 변화를 주어 안테나 성능을 개 선하였다. 안테나 파라미터 특성을 확인하기 위하여 ANSYS사의 HFSS 시뮬레이터를 이용하였다. 제안한 안테나에서 VSWR이 2 이하인 시뮬레이션 주파수 대역은 2.12GHz∼3.18GHz이다. 주파수 대역폭은 1.06GHz이다. 실제로 제작한 안테나의 주파수 대역은 2.0GHz∼3.55GHz이며, 주파수 대역폭은 1.55GHz이다. 최대 안테나 이득은 1.64dBi임을 확인 할 수 있다. 제안한 안테나 크기는 56×5×1.6mm이다. 시뮬레이션과 측정 데이터를 비교분석한 결과 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테나의 실용화 가능성을 확인할 수 있었다.

Abstract

According to the simulation results, the VSWR was less than 2 for the range of 2.12GHz∼3.18GHz. The frequency bandwidth is 1.08GHz. The frequency range of the actual fabricated antenna was 2.0GHz∼3.55GHz, the frequency bandwidth is 1.55GHz. The maximum gain was 1.64dBi. The proposed antenna was 56×5×1.6mm in size.

The utilization possibility of the broadband printed sleeve-monopole antenna could be confirmed according to compare and analyze the simulation and measurement data.

Key words :

Ⅰ. 서 론

이동 통신의 발전과 더불어 다양한 통신서비스의 개 발로 인하여 신호의 송신과 수신을 담당하는 핵심적인 부품인 안테나의 기술 또한 발전해 왔다. 다양한 통신서 비스를 하나의 안테나로 사용하기 위해서는 안테나의 대 역폭이 기존의 안테나보다 광대역이어야 한다.

이동통신용 안테나에서 소형화 및 광대역 특성을 갖

는 구조에는 프린티드 모노폴 안테나(Printed Monopole

Antenna)와 PIFA(Planer Inverted F Antenna) 구조 안

테나가 많이 사용되어지고 있다. PIFA 안테나는 휴대 단

말기용 안테나로 사용되는 구조이며, 내장 및 소형화시

키기 위한 일반적인 구조이다.

PIFA 구조는 소형화

가 됨에 따라 대역폭과 이득, 복사효율이 감소가 된

다.

프린티드 모노폴 안테나에는 슬리브 모노폴 구조 가 있다. 슬리브 모노폴 안테나에 대한 분석은 Norgorden(1950), King(1965), A. J. Poggio(1966)의해 분 석되었다. 1980년 Rispin은 안테나의 표면 전류분포를 연 구하였고, 1998년 Wunsch는 안테나의 표면전류와 푸리 에 급수를 이용하여 임피던스와 패턴을 연구하였다.

최근에는 슬리브 모노폴 구조를 이용하여 Laptop에 사용 되는 통신용 안테나로 사용되며, UWB(Ultra Wideband Communication)용 안테나로 연구 되고 있다.

슬리브 모노폴 구조를 프린티드 기판을 이용하여 슬리브 모노 폴 구조를 소형화시키면 대역폭과 이득이 작아지는 단점 이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해서 본 논문에서는 프린티드 슬리브 모노폴 구조에서 복사기 직경과 슬리브 길이와 도체 직경을 조정하여 광대역을 이룰 수 있는 구 조를 제안하였다.

프린티드 슬리브 모노폴 안테나 검증을 위하여 ANSYS사의 HFSS 시뮬레이션 툴을 이용하여 안테나를 설계하였고, 안테나 측정을 위하여 Agilent사의 E5071C Vector Network Anlayer를 이용하여 반사손실을 측정하 였으며, Far Filed Chamber를 통하여 안테나의 복사 특 성을 측정하여 성능을 검증하였다.

Ⅱ. 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테나의 설계

1. 슬리브 모노폴 안테나

슬리브 모노폴 안테나 구조는 그림 1과 같이 나타낸 다.

슬리브 모노폴 구조를 살펴보면 복사기(Radiator) 인 수직도체와 동축케이블과 같은 구조를 갖는 슬리브 부분으로 구성되어있다.

슬리브 모노폴 안테나의 특성은 슬리브 길이 , 복사 기 길이

, 복사기 직경 , 슬리브 직경

와 관계되어 있다. 안테나의 공진은  

이 약 에서 발생되고, 슬 리브의 길이는 모노폴 높이의 약 1/3에서 1/2이다.

슬리브 유전체의 비유전율(  _ )이 1(공기)인 경우



   ,

    일 때 최적의 복사 패턴을 얻 을 수 있다. 슬리브 길이가  이하인 선단이 개방된 개 방형 스터브로 고려할 수 있고, 리액턴스 성분은 커패시 턴스이다.

그림 1. 슬리브 모노폴 구조

Fig. 1. Sleeve monopole structure

2. 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테나

제안한 안테나의 구조를 그림 2에 나타내었다. 제안한 안테나의 크기는 56×5×1.6mm이다. 안테나 기판은 FR4 기판( _      )을 이용하였고, 안테나 기판 의 윗면에 급전(Feed) 소자가 위치하고, 아랫면에 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 구조가 위치하고 있다. 급전부 분과 슬리브 구조를 연결하기 위하여  0.3 비아홀(Via hole)을 이용하여 연결하였다.

그림 2. 제안한 안테나 구조

Fig. 2. The proposed antenna structure

안테나 급전은 동축케이블을 이용하였다. 표 1은 제안

한 안테나의 치수를 나타내었다. 급전패드의 크기는

1.5×1.5mm이고, 접지패드는 4×3 mm, 접지 패치의 크기

는 16.9×4.6mm이다.

 17.7 

56



5  1.5



0.2  4.6

 7 Unit [mm]

표 1. 제안한 안테나 치수

Table 1. The dimensions of proposed antenna

광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테나의 특성을 확 인하기 위해서 첫 번째로 슬리브 길이 변화에 따른 반사 손실을 그림 3에 나타내었다. 슬리브 길이 변화에 따른 특성을 확인하기 위하여 복사기 도체의 총 길이를 25mm 로 하고, 직경을 1.5mm로 하였다. 슬리브 길이가 0mm는 복사기 도체만 있고 슬리브가 없는 경우이다. 이때의 공 진주파수는 2.12GHz이고 -10dB 대역폭은 290MHz이다.

슬리브 길이를 7mm까지 증가시켰을 때 -10dB 대역폭이 1.06GHz까지 광대역으로 증가되었다. 슬리브 길이가 6mm부터 이중 폴이 발생하여 광대역이 시작되는 점을 알 수 있다. 슬리브 길이가 7mm 이상 증가되면 주파수대 역폭이 감소되는 현상이 발생된다. 슬리브 길이가 10mm 일 때 -10dB 주파수 대역폭이 540MHz로, 7mm일 때 보 다 대역폭이 반으로 감소되는 결과를 얻을 수 있다.

그림 3. 슬리브 길이 변화에 따른 반사손실 특성

Fig. 3. Characteristics of return loss for sleeve length variation

슬리브 길이가 12mm일 때, -10dB 대역폭은 얻을 수 없었다. 광대역 특성을 얻기 위한 복사기와 슬리브 길이 의 비를 살펴보면 복사기 길이가 17.7mm와 슬리브 길이 가 7mm 일 때,

   이다.

광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테나의 특성을 확

인하기 위해서 두 번째로 복사기의 도체 직경을 변화시 켰다. 슬리브의 길이는 7mm로 하고, 복사기 도체의 직경 변화는 0.5mm부터 2.5mm까지이며, 변화 증가폭은 0.5mm이다. 복사기 직경을 증가시키면 -10dB 대역폭이 감소되는 것을 알 수 있다. 복사기 폭이 1mm, 1.5mm 일 때 -10dB 대역폭이 1GHz 이상의 광대역 특성을 나타내 었다. 복사기 폭이 2.5mm 일 때 -10dB 대역폭이 830MHz이다. 그림 4는 복사기 직경 변화에 따른 반사손 실 특성을 나타내었다.

그림 4. 복사기 직경 변화에 따른 반사손실 특성

Fig. 4. Characteristics of return loss for radiator diameter variation

복사기의 직경 변화에 따른 -10dB 대역폭의 변화는 복사기 직경과 슬리브 직경의 비에 따른 결과에서 기인 한다. 슬리브 직경이 4.6mm와 복사기 직경이 1.5mm일 때 비로 나타내면

    이다. 이 때 -10dB 주파 수대역은 2.12GHz∼3.18GHz이다. 주파수 대역폭은 1.06GHz이다.

광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테나의 특성을 확 인하기 위해서 세 번째로 슬리브 도체 직경을 변화시켰 다. 슬리브 도체 직경을 0.2mm부터 1mm까지 증가시켰 다. 증가폭은 0.2mm이다. 슬리브 도체의 직경을 증가시 키면 슬리브와 복사기 도체 사이에 존재하는 커패시턴스 가 변화가 되므로 공진주파수와 대역폭을 변화시킬 수 있다. 슬리브 직경이 0.2mm 일 때 주파수 대역폭은 1.06GHz이다. 슬리브 직경이 1mm 일 때 공진주파수는 2.5GHz이고, 주파수 대역폭은 270MHz이다.

직렬공진회로에서 복사기와 슬리브 사이에 존재하는

커패시턴스 성분의 변화로 공진주파수 또한 변화하고 대

역폭도 감소되는 것을 알 수 있다. 그림 5는 슬리브 도체

직경 변화에 따른 반사손실 특성을 나타내었다.

그림 5. 슬리브 도체 직경 변화에 따른 반사손실 특성 Fig. 5. Characteristics of return loss for sleeve

conductor diameter variation

표 2. 최적화된 프린티드 슬리브 모노폴 안테나 사양 Table 2. Specifications for optimized of printed

sleeve monopole

    at low end of band

   2.5

   3.06



0.2mm

표 2는 최적화된 프린티드 슬리브 모노폴 안테나 사양 을 나타내었다. 슬리브 모노폴 안테나에서 최적의 복사 패턴을 얻기 위한 조건은

   ,

    이 다. 광대역 특성을 얻기 위해

    롤 변경하였고,



   으로 변경하여 최적화시켰다.

그림 6(a)는 2.45GHz의 전류밀도를 나타내었고, 그림 6(b)는 최적화된 시뮬레이션 반사손실을 나타내었다.

최적화된 반사손실을 살펴보면, -10dB 주파수대역은 2.12GHz∼3.18GHz이다. 대역폭은 1.06GHz이다.

(a) 2.45GHz 전류밀도

(b) 반사손실

Fig. 6. Optimized simulation results

복사기 도체의 기본 공진모드 주파수는 2.25GHz이고, 슬리브 공진 모드의 주파수는 2.96GHz이다. 그림 6(a)의 주파수대역 사이에 슬리브 길이가 이중/다중대역 동작 대신에 대역폭을 넓히는 역할을 한다는 것을 알 수 있다.

Ⅲ. 3장 안테나 제작 및 측정

제안한 안테나의 제작은 최적화된 시뮬레이션 결과를 이용하여 안테나를 제작하였다. 안테나 기판 재질은 비 유전율  _   인 FR4를 사용하였고. 안테나와 접지 면 재질은 1온스의 동(copper)을 사용하여 제작하였다.

안테나 특성 파라미터인 반사손실 측정은 에질런트사의 E5071C Vector Network Analyzer를 이용하여 측정하였 다.

그림 7. 측정된 반사손실 : 슬리브가 없는 구조

Fig. 7. Measured return loss result : No sleeve structure

그림 7은 슬리브가 없는 구조의 반사손실을 나타내었 다. 주파수 대역은 1.89GHz∼2.34GHz이고, 공진주파수 는 2.08GHz이다. 공진주파수의 반사손실 값은 -30.226

dB이고, -10dB 대역폭은 450MHz이다. 슬리브가 없는 구조의 시뮬레이션과 비교하여 보면 유사한 결과를 얻을 수 있다. 그림 8은 제안된 안테나의 반사손실을 나타내었 다. 주파수 대역은 2.0GHz∼3.55GHz이고, -10dB 대역폭 은 1.55GHz이다. 복사기 도체의 공진모드 주파수는 2.19GHz이고, 반사손실 값은 -17.809dB이다. 슬리브 공 진모드 주파수는 3.31GHz이고 반사손실 값은 -16.176dB 이다. 시뮬레이션 결과와 매우 유사한 특성을 나타내었다.

그림 8. 측정된 반사손실 : 슬리브가 있는 구조

Fig. 8. Measured return loss result : Structure with sleeve

표 3. 시뮬레이션결과와 측정결과 비교

Table 3. Comparing simulation and measurement results

구분 슬리브가 없는 구조

시뮬레이션 결과 측정결과

공진주파수 2.12GHz 2.08GHz

주파수 대역 2GHz∼2.29MHz 1.89GHz∼2.34GHz

대역폭 290MHz 450MHz

구분 프린티드 슬리브 모노폴

시뮬레이션 결과 측정 결과

공진주파수 2.25GHz, 2.96GHz 2.19GHz, 3.31GHz 주파수 대역 2.12GHz∼3.18GHz 2.0GHz∼3.55GHz

대역폭 1.06GHz 1.55GHz

제안된 안테나의 측정결과와 시뮬레이션 결과를 비교 하여 표 3에 나타내었다.

슬리브가 없는 구조와 제안된 안테나의 대역폭을 비

교하여보면 슬리브가 있는 제안된 안테나가 약 3.4배 넓 어지는 것을 알 수 있다. 이것은 슬리브가 이중/다중대역 동작 대신에 대역폭을 넓히는 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 그림 9는 제작된 안테나 사진을 나타내었다.

그림 9. 제작된 안테나 사진

Fig. 9. Photograph of fabricated antenna

복사패턴 측정은 대전 테크노파크의 Antenna Far Field Chamber를 이용하여 측정하였다. 그림 10은 측정 된 안테나의 복사패턴을 나타내었다. E-plane 측정 주파 수는 2.4GHz와 2.44GHz, 2.48GHz이다 각각의 이득은 0.38dBi, -0.72dBi, -1.16dBi이다. H-plane 측정 주파수는 2.4GHz와 2.44GHz, 2.48GHz이다 각각의 이득은 1.64dBi, 0.76dBi, 0.56dBi이다. E-plane의 최대이득은 0.38dBi이 고, H-plane의 최대이득은 1.64dBi로 측정 되었다.

(a) E-plane

(b) H-plane

Fig. 10. The radiation patterns of the measured antenna

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테 나를 제안하였다. 제안된 안테나의 특성을 확인하기 위 하여 복사기의 직경 변화, 슬리브의 길이 변화, 슬리브 도 체의 직경의 변화를 주어 안테나 성능을 개선하였다. 광 대역 특성을 얻기 위해

    롤 변경하였고,



   으로 변경하여 최적화시켰다. 시뮬레이션 주파수 대역폭은 1.06GHz이고, 측정된 주파수 대역폭은 1.55GHz이다. 측정된 최대 이득 값은 1.64dBi이다. 슬리 브가 없는 구조와 비교하여 보면 대역폭이 약 3.4배 이상 넓어지는 것을 알 수 있다. 슬리브가 이중/다중대역 동작 대신에 대역폭을 넓히는 역할을 할 수 있다. 안테나의 크 기는 56×5×1.6 mm이다. 결과적으로 슬리브 구조를 이 용하여 광대역 프린티드 슬리브 모노폴 안테나에 적용가 능하며, 실용화 가능성을 확인 할 수 있었다. 앞으로는 프 린티드 슬리브 구조를 이용하여 DTV용 안테나 또는 UWB용 안테나에 적용 가능하리라 예상된다.

References

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[6] Sang-Won Kang, Tae-Soon Chang, “Impleme- ntation of Miniaturized 433MHz Antenna UsingIFA Structure", Journal of IIBC, Vol. 14, No 5, pp.

203-208, October 2014.

저자 소개

최 광 제(정회원)

∙1979년 : 광운대학교 무선통신과(공 학사)

∙1989년 : 건국대학교 전자공학과(공 학석사)

∙1997년 : 건국대학교 전자공학과(공 학박사)

∙현재 : 한라대학교 전기전자공학과 교수

<관심분야 : 안테나 및 무선기기>

강 상 원(정회원)

∙1999년 : 세명대학교 전자공학과 (공 학사)

∙2003년 : 건국대학교 전자정보통신과 (공학석사)

∙2013년 : 건국대학교 전자정보통신과 (공학박사)

∙2006년 7월 ∼ 현재 : ㈜페스앤유 연구소장

<주 관심분야 : 안테나 및 위성통신>