Design and Implementation of Compact Ultra Wideband Patch Antenna Using L-Feed and Slot-Feed

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http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2013.24.5.484 ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)

L 급전 및 Slot 급전을 동시에 적용하는 광대역 소형 패치 안테나의 설계 및 구현

Design and Implementation of Compact Ultra Wideband Patch Antenna Using L-Feed and Slot-Feed

최 종 인․이 범 선 Jong-In Choi․Bomson Lee

요 약

본 논문에서는L 급전 및 slot 급전을 동시에 적용하는 설계 기법 및 안테나를 소형화하기 위한 fence를 설치 하여 광대역(824～2,500 MHz)이면서 소형인 패치 안테나(100(W)×120(L)×39(D) mm)를 구현하였다. 패치의 크기 는 저주파수(824 MHz)를 기준으로 일반적인 1/2 λ(dipole) 설계 기준보다 약 30 % 이상을 줄였으며(1/3 λ), 전 체 대역폭 기준으로 약100 %를 구현하였다. L 구조의 급전 방식은 저주파에서는 EM coupling 급전을 위한 방식 으로 사용되었고, 고주파에서는 slot을 통해 전력을 공급해 주는 하나의 급전 선로의 역할을 하도록 하였다. 제안 된 안테나는 광대역으로 설계 제작된 것뿐만 아니라, 전대역에서 배열화가 가능할 수 있을 만큼의 크기로 구현 되어 초광대역의 패치 배열화 안테나를 개발하기 위한 기초를 마련하였다. 제작된 안테나는 전대역에서 정재파 비1:2.0 이하를 만족하며, 측정 이득 패턴이 계산된 것과 유사하였으며, 접지면 위쪽 방향으로는 등방성에 가깝 게 나타났다. 최대 이득은 1,870 MHz에서 8.9 dBi이다. 설계된 안테나의 시뮬레이션 결과와 실제 제작된 샘플의 결과가 유사함을 보였다.

Abstract

In this paper, the method of designing a wideband antenna has been introduced through the design technique that simultaneously employs L- and slot-type feeds. Using the two kinds of feeds and additional fence structure, a compact wideband patch antenna has been realized. The size of the patch has been reduced by about 30 % based on the low frequency(824 MHz) and the full fractional bandwidth is wider than 100 %. The L-feed element is for the EM coupling feeding at the low frequency, while it functions as a feeding line for the power coupling through the slot at the high frequency. The proposed antenna has been designed not only for wideband operations but also for a proper array element with a reduced size. Thus, the foundation for developing the ultra wideband patch array antennas has been prepared. The fabricated antenna has been found to have good characteristics on V.S.W.R and the radiation patterns over the full bands. The experimental and computed results are shown to be in good agreement.

Key words : Wideband, Small Antenna, L-Feed, Slot, Fence

경희대대학교 전자정보학부 (College Electronics & Information, Kyung Hee University)

․Manuscript received January 29, 2013 ; Revised February 28, 2013 ; Accepted April 23, 2013. (ID No. 20130129-015)

․Corresponding Author : Bomson Lee (e-mail : [email protected])

Ⅰ. 서 론

국내 이동 통신 시스템은 1세대인(1G) 아날로그

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방식을 거쳐, CDMA 방식을 사용한 2G, WCDMA 방 식을 사용한3G로 발전하여 왔다. 그리고 현재는 4G 기술인 LTE(Long Term Evolution)가 대세로 가입자 가 급속히 증가하고 있다. 이러한 이동 통신 시장은 아직2G, 3G, 4G 서비스가 혼용되어 같이 사용 중에 있으며, 스마트폰 사용자의 급격한 증가로 인해 무 선근거리 통신인WiFi까지 포함하는 전체적인 무선 통신 서비스를 제공하고 있다. 이러한 서비스는 서 로 다른 사업자들이 하는 경우도 있지만, 국내 이동 통신 3사의 경우는 거의 동시에 진행하고 있다. 그 러한 이유로 안테나의 경우도 특정 대역만을 위한 것보다는 다수의 대역을 커버할 수 있는 것에 대한 수요와 요구가 많아지고 있으며, 결국 800 MHz 밴 드에서2,500 MHz 밴드에 이르는 넓은 대역에서 다 양한 서비스를 동시에 수용해야만 하게 되었다. 특 히, 전파 음영 지역을 서비스하기 위한 중계기용 안테 나의 경우는 광대역으로 구현하는 것이 필수적이라 할 수 있다. 이러한 상황에 맞추어 대역이 넓은 패치 (patch) 안테나에 대한 연구가 절실하며, 광대역 패치 안테나에 대한 연구가 최근에 많이 이루어져 왔다

[1],[2]. 일반적으로 광대역 안테나를 구현하기 위해서

는 방사 소자의 변형 또는 방사 소자 근처에 기생 (parasitic) 소자 패턴을 이용하거나, 방사 소자에 slot 등을 포함하는 안테나^[3],[4]들이 사용된다. 그 외에도 마이크로스트립 누설파^[5]를 이용하거나 tapered slot 안테나^[6]와 같은slot의 구조를 변형한 형태가 사용 되기도 했다. 또한, 급전부의 구조를 이용한 광대역 구현에 대한 연구도 활발히 이루어졌다. 그중에서도 L형 및 후크 구조를 적용한 급전을 통해 광대역화를 이룬^[7] 경우도 있으며, F 구조를 적용한 광대역 안테 나를 구현한 논문^[8]도 있다. 그러나 이러한 안테나 들은 대역폭이 통상10～50 % 내외로서 일반적인 패치 안테나보다 넓지만, 800 MHz 밴드와 2 GHz 전 후의 밴드를 통합하여 전체 대역폭이100 %를 넘는 경우를 찾아보기 힘들다. 대역폭이 100 % 이상을 갖 는 소형 안테나의 경우는UWB 안테나^[9] 또는 프랙 탈(fractal)^[10] 구조의 안테나들이 있으나, 기본적으로 monopole 또는 dipole type으로 설계되어 이득이 작 고 주파수에 따른 방사 패턴의 지향 방향이 일정하 지 않으며, 설치 환경에 따라 크게 영향을 받는 단점 을 가지고 있다. 그 외에 고 이득이면서 100 % 이상

의 대역폭을 구현한 것으로는 대수 주기(log perio- dic)^[11], spiral과 같은 주파수 독립 안테나(frequency independent antenna) 또는 Horn 안테나^[10]와 같은 안 테나들이 있다. 하지만 이와 같은 안테나들도 개념 적으로는 배열화 구조를 사용한 것으로 사용 파장에 비해 상당히 작게(저주파 기준: 1/3 λ) 구현할 수 있 는 것은 아니다.

본 논문에서는 하나의 급전 구조를 이용하여, 서 로 다른 공간이 아닌 하나의 공간 내에서, 저주파 대 역과 고주파 대역을 모두 사용하는 광대역의 안테나 를 구현하고자 하는 것이며, 또한 안테나의 크기를 최소화 하여 주어진 특정 공간에서 배열화가 가능할 수 있도록 하는 것이 목표이다. 대역폭 100 %를 기 준으로 전대역에서 배열화가 가능하기 위해서는 일 반적으로 최고 주파수 기준으로 안테나 크기가1 λ 를 벗어나지 않는 범위에서 설계해야 한다. 1파장 이상의 간격을 갖는 경우 배열을 할 때 grating lobe 가 발생하고, 주빔의 합성이 정상적으로 이루어지지 않기 때문이다. 그러한 이유로 824～2,500 MHz 대역 을 설계한다고 했을 때 간격을 고주파 기준(2,500 MHz)으로 1 λ(≈120 mm)로 할 경우, 저주파 기준 (824 MHz)으로는 1/3 λ 이내가 되며, 소자의 길이를 그 안에 구현해야만 한다. 설계하고자 하는 무선통 신 대역 기준으로 저주파수 대역은 824～894 MHz (CDMA, LTE)와 880～960(GSM900)이며, 고주파 대 역은1,750～1,870 MHz(PCS, 4G), 1,920～2,170 MHz (WCDMA, 3G), 2,300～2,390 MHz(Wibro), 2,400～2,500 MHz(WiFi)이다. 그림 1은 저주파 기준에서 패치의 길이를 최소화하기 위해 패치의 양단에 그라운드와

그림 1. 광대역 소형 패치 안테나 구조

Fig. 1. Configuration of compact wideband patch antenna.

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수직한 fence를 세웠으며, 안테나의 일반적인 공진 길이(1/2 λ)에 비해 상당히 작은(1/3 λ 이내) 길이 에서 구현될 수 있도록 하였다.

Ⅱ. 안테나 구조

패치 안테나의 소형화를 위해 임피던스가 작은 중심면을 아예 단락(short)하는 PIFA 구조가 많이 사 용되고 있다. 그러나 한쪽면만 short 구조가 되면 비 대칭 구조로 구현되어 실제 방사 패턴이 일부 주파 수에서 tilt를 갖는 형태로 나타나며, 대역폭이 넓을 수록 합성되는 패턴의 왜곡 현상이 두드러지게 나타 난다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 우선 저주 파 기준의 패치 안테나 크기를short 구조 없이 파장 에 비해 상당히 작은 크기로 구현해야 한다. 제안하 는 패치 안테나의 경우도 대역폭이100 %를 넘는 초 광대역 패치이므로 저주파 패치 안테나의 크기를 최 소화 하는 것이 필요하다고 할 수 있다. 본 논문에서 제안된 안테나의 구성은 그림 1과 같다. 소형의 광 대역 안테나를 구현하기 위해L 급전부의 바로 상단 에 저주파의 방사를 담당하면서slot을 포함하는 패 치(제1 방사 패치)와 그 위에 적층된 고주파의 공진 및 방사를 담당하는 패치(제2 방사 패치)가 2단으로 적층하여 안테나의 면적을 최소화 하였으며, 하나의 L-구조 급전부로 저주파 대역(824～960 MHz)과 고 주파 대역(1,750～2,500 MHz)을 동시에 급전할 수 있도록 하였다. 또한, 그라운드와 연결되며, 패치의 양쪽으로 수직하게 세워진 fence를 통해 안테나의 길이를 최소화하였으며, 저주파(824 MHz) 기준으로 전체 길이(L)를 1/3 λ 이내의 크기로 구현하였다.

L-구조의 급전부는 일반적인 L 급전 패치 안테나 와 마찬가지로 저주파 대역을 기준으로 중심주파수 에서 약1/4 λ의 길이(Lp)로 구성되며, 높이(Hp)는 약 0.03람다이다. 주의할 것은 이때 높이(Hp)가 안테나 설계 대역 중 가장 높은 주파수의1/4 λ보다는 작은 것이 좋다. 이유는 L-구조의 급전 구조는 전체 길이 의1/4 λ인 주파수와 높이의 1/4 λ인 주파수에 기 본 공진이 발생하기 때문에 패치 상단에서 발생하는 고주파에서의 공진과 서로 다른 위상에서 중복 공진 이 발생되어 빔 패턴의 왜곡이 발생할 수 있으며, 이 로 인해 이득이 감소할 수 있기 때문이다.

또한, 고주파 대역을 기준으로 L-구조의 급전부는 저주파 방사 패치와 그라운드 사이에 존재하는 하나 의strip line으로서의 역할을 한다. 이때 고주파 대역 의 전력이 흐르는 하나의 선로로서의 기능은 하지만, 그 자체로서는 매칭이 되지 않을 뿐만 아니라 안테나 의 공진이 정상적으로 이루어지지 않기 때문에 매칭 및 공진을 위한 추가 장치로 저주파 방사 패치에slot 을 내고, 그 상단에 고주파 방사를 담당할 패치를 구 성함으로써strip line 자체에서 발생하는 비매칭(mis- matching) 부분을 해결하였다. 그림 2는 이와 같이

(a) 저주파 대역(824～960 MHz) (a) Low band(824～960 MHz)

(b) 고주파 대역(1.75～2.5 GHz) (b) Hign band(1.75～2.5 GHz) 그림 2. 급전부의 표면 전류 분포 Fig. 2. Surface current of feed line.

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(a) 임피던스 실수부 (a) Real impedance

(b) 임피던스 허수부 (b) Imaginary impedance 그림 3. 구조에 따른 입력 임피던스

Fig. 3. Antenna impedance for different structures.

하나의 급전 구조를 통해 저주파 대역과 고주파 대 역을 동시에 급전하고, 이에 따른 표면 전류 분포가 다르게 나타나는 것을 보여 주고 있다. 그림 1(a)는 저주파 대역의 표면 전류 분포 구조를 보이는 것이 고, 급전 라인 쪽에 표면 전류가 집중 분포되어 있으 며, 그림 1(b)는 고주파 대역의 전류 분포 구조를 보 이는 것으로slot 부분에 표면 전류가 대부분 분포되 어 있음을 확인할 수 있으며, 전 대역에서 유사한 특 성을 보였다.

그림 3은 L 구조의 급전부가 그라운드와 저주파 패치 중간에 위치한strip line 자체만의 임피던스와 저주파 패치에 slot을 추가하였을 때의 임피던스 그 리고 저주파 패치(제1방사 패치) 상단에 또 하나의 고주파 방사 패치(제2방사 패치)를 추가하였을 때의

그림 4. 안테나 구조에 따른 반사 계수

Fig. 4. Reflection coefficients for different structures.

임피턴스 변화를 보여준 것이다. 특징은 3가지 구조 상의 변화에서 모두 저주파 대역에서의 임피던스 변 화는 크지 않으면서 고주파 대역에서 매칭이 이루어 지는 변화를 확인할 수 있었다.

그림4는 strip line과 최적화된 slot 그리고 최적화 된 방사 패치 구조를 통해 반사 특성을 비교하여 나 타낸 시뮬레이션 결과이다. 최적화된 slot과 방상 패 치를 통해 저주파 대역뿐만 아니라 고주파 대역까지

—10 dB 이하의 반사 특성을 확인할 수 있었다. 최적 화된 안테나 설계 파라미터는 다음과 같다. 제1방사 패치는 L1=104.5 mm, W1=100 mm, H1=19 mm, 슬롯 의 길이Ws=65 mm, 폭 Ls=3 mm이며, 슬롯의 위치를 나타내는 Lf는 최적화를 통해 17.05 mm가 나왔다.

제2방사 패치는 L2=38.5 mm, W2 =98 mm, H2=13 mm 이다. L 급전부는 Hp=13.5 mm, Lp=73.6 mm, Wp=9.4 mm이다. 그리고 그라운드의 크기인 L=120 mm, W=100 mm이며, fence의 높이 Hf= 24.5mm이다. 안테 나의 크기는 저주파(824 MHz) 기준으로 1/3 λ 이내 로 구현되었다.

최적의slot 길이 및 위치를 찾기 위해 사용 대역 에서의 최적의 반사 특성을 갖기 위한 slot 길이의 변화 및 위치의 변화를 주며 시뮬레이션을 진행하였 으며, 최적의 길이 및 위치를 찾았다. 여기서 slot의 위치는 상당히 중요하며, 고주파가 급전 선로 상에 서 전송과 반사에 의해 결합되는 위치에 있어 고주 파 대역의 power가 peak가 될 수 있는 위치에 놓는 것이 손실을 최소화 할 수 있는 방법이며, 그때의 위

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(a) Slot의 길이(Ws) 변화 (a) Slot length (Ws)

(b) Slot 위치(Lf)의 변화 (b) Slot position (Lf)

그림 5. Slot의 길이 및 위치에 따른 반사 계수 Fig. 5. Reflection coefficients for different slot length

and position.

치가 가능한 저주파 방사 패치의 중심에 위치할수록 고주파 방사 패치가 상하 대칭되는 구조에 위치할 수 있어 방사 패턴의 왜곡을 최소화 할 수 있다. 그 림5(a)는 슬롯의 길이 변화에 따른 반사 특성을 나 타낸 것으로 65 mm일 때 최적한 상태를 보였으며, 짧은 경우 고주파 대역의 협대역 특성을 보였고, 길 수록 대역폭은 넓어졌으나 반사가 많았다. 그림 5(b) 는slot의 위치를 급전 라인을 따라 변경하며, 반사 특성을 확인한 것으로line 상에 고주파 대역의 전류 분포가peak되는 위치의 중심 위치에서 가장 안정된 특성을 보였으며, L 급전 구조의 끝으로부터 17.05 m m 떨어진 위치이다. 급전부 끝단에 가까울

수록 고주파에서, 멀수록 저주파 대역에서 공진 특 성을 보였다.

Ⅲ. 제작 측정 결과 비교 분석

설계된 광대역 안테나의 크기는 저주파를 기준으 로1/3 λ 이내로 구현되었으며, 하나의 L-구조의 급 전 방식을 적용하여 저주파 대역과 고주파 대역을 동시에 사용할 수 있는 광대역을 구현하였다.

시뮬레이션은 CST사의 microwave studio를 이용 하여 최적화된 안테나 파라미터를 추출하였으며, 임피던스 및 반사 특성을 이미 확인하였다. 본 절에 서는 이러한 시뮬레이션 데이터를 근거로 안테나를 제작하였으며, 반사 특성, 방사 패턴, 이득 특성은 Agilent사의 HP8753ES 네트워크 분석기를 이용하여 전자파 무반사실에서 측정하였다. 반사 특성은 물론 방사 패턴, 그리고 안테나의 이득에 대한 시뮬레이 션 결과와 실험 결과를 비교하였다.

안테나 제작 시 주요 설계 파라미터의 경우 시뮬 레이션 데이터를 그대로 적용하였으나, 안테나의 간 격을 유지시키기 위한 유전율이 낮은 기둥(ABS 플 라스틱)을 추가로 사용하였으며, L 구조의 급전부 는 황동으로 두께0.5 mm 반사판, 저주파 방사부(제 1 방사 패치), 고주파 방사부(제2 방사 패치)는 알루 미늄을 사용하였으며, 두께는 0.5 mm이다. 컨넥터는 N-type, 급전은 RF coaxial cable(141) 5 cm를 연결하 여 사용하였다. 실제 제작된 안테나의 모습을 그림 6에 나타내었다.

그림 6. 제작된 안테나 사진 Fig. 6. Photo of fabricated antenna.

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그림 7. 모의시험 및 측정된 반사 특성

Fig. 7. Simulated and measured reflection coefficients.

그림7은 시뮬레이션과 실제 제작하여 측정된 반 사 특성을 보인 것이며, 저주파 대역은 800～960 MHz에서 고주파 대역은 1,750～2,700 MHz까지 —10

(a) 824～894 MHz (b) 880～960 MHz

(c) 1,750～1,870 MHz (d) 1,920～2,170 MHz

(e) 2,300～2,390 MHz (f) 2,400～2,500 MHz 그림 8. 방사 패턴에 대한 모의실험 및 측정 결과

Fig. 8. Simulated and measured radiation patterns.

dB 이하의 반사 특성을 보였다. 대역폭은 일부 사용 되지 않는 주파수를 제외한 무선통신으로 사용 중인 6개 대역이며, 전체 대역(824～2,500 MHz)을 기준으 로 하면 약100 %가 된다. 제작된 안테나의 반사 특 성은 전체적으로 시뮬레이션과 유사한 결과를 보였 다.

제안된 안테나는 반사 특성뿐만 아니라 사용하고 자 하는6개의 대역에서의 방사 패턴 및 이득 특성 도 어느 정도 일관성을 유지하는 전기적 특성을 갖 는 것이 관건이라 할 수 있다. 이유는 본 안테나의 사용목적인 특정지역 중계 서비스와 배열화 때, 각 개별 안테나 소자의 패턴 특성이 중요한 요소가 되 기 때문이다. 그림 8은 시뮬레이션 및 제작된 안테 나의 방사 패턴을 비교한 것으로 6개 대역의 중심 주파수에서 이루어진 것이다. 안테나의 방사 패턴은 전반적으로 지향 특성이 좋고 시뮬레이션 및 제작

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그림 9. 광대역 패치 안테나의 이득

Fig. 9. Computed and measured gain of wideband patch antenna.

측정한 결과가 유사한 특성을 보였으나, 고주파 밴 드에서는 일부 차이가 발생함을 확인할 수 있었다 이것은 시뮬레이션 및 제작 상 추가된 일부 간격 유 지 구조물에 의한 오차 그리고 주파수에 비해 상당 히 작게 제작된 관계로 측정 케이블, 측정 지그 등에 서의 추가되는 그라운드 효과 등에 의한 오차로 예 상된다. 그림 9는 전 대역에서의 이득에 대한 시뮬 레이션과 측정값을 비교한 것이다. 이득에서도 전반 적인 특성이 유사함을 확인할 수 있었다.

Ⅳ. 결 론

저주파 대역(824～960 MHz)과 고주파 대역(1,750

～2,500 MHz)을 동시에 구현하기 위해 저주파 방사 패치(제1방사 패치)와 고주파 방사 패치(제2방사 패 치)를 적층하였으며, 저주파 방사 패치 일면에 slot을 내어 고주파 전력을 공급하게 함으로써 독립적인 공 간이 아닌 하나의 공간상에 구현하였다. L 구조의 급전부는 저주파 밴드에서는L-feeding 급전부의 역 할을 하고, 고주파 밴드에서는 slot에 전력을 공급하 는 전송 선로의 역할을 동시에 수행함으로써 하나의 급전부를 이용하여 사용하고자 하는6개 밴드 전 대 역에서의 반사 특성, 방사 패턴, 이득 특성이 양호한 결과를 보였다. 또한, 그라운드와 연결되고, 방사 소 자와 수직하게 설치된 패치 양단의 수직 fence는 C-couple 효과를 통해 공진 안테나의 길이를 1/2 λ 보다 약30 % 줄일 수 있도록 하였다. 이러한 적용

기술을 통해 광대역의 소형화된 패치 안테나를 효과 적으로 구현할 수 있는 방법을 제시하고, 시뮬레이 션 및 실제 제작 측정을 통해 검증을 하였으며 서로 잘 일치함을 보였다. 제안된 안테나는 무선통신 관 련 다양한 서비스를 하나의 안테나로 구현할 수 있 도록 하였으며, 안테나의 크기를 소형화 하여 광대 역 고이득의 배열화 안테나 구현에 기틀을 마련할 수 있었다.

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최 종 인

1997년 2월: 금오공과대학교 전자 공학과 (공학사)

1999년 2월: 금오공과대학교 전자 공학과 (공학석사)

2001년 2월～현재: 경희대학교 전 파공학과 박사과정

1999년 3월～현재: (주)선우커뮤니 케이션 부설연구소 수석연구원

[주 관심분야] 안테나, 초고주파 수동회로

이 범 선

1982년 2월: 서울대학교 전기공학 과(공학사)

1993년 8월: 미국 네브래스카 주립