Multi-Band Antenna Design by Controlling Characteristic of Third Order Mode

http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2012.23.12.1343 ISSN 1226-3133 (Print)

고차 모드 주파수 특성 제어 다중 대역 안테나

Multi-Band Antenna Design by Controlling Characteristic

of Third Order Mode

유재규․장 서․류 양․이재석․김형훈*․김형동

Jaekyu Yu․Rui Zhang․Yang Liu․Jaeseok Lee․Hyung-Hoon Kim*․Hyeongdong Kim 요 약

본 논문에서는 모노폴 안테나의 각 모드별 전계 분포를 분석하여 전류가 상대적으로 약한 부분(전계가 강한 부분)에 스터브를 이용해 기본 공진 모드에는 영향을 주지 않으면서 안테나의 하모닉 성분인 3차 모드 공진 주파수를 효율적으로 제어하고, 스터브의 두께를 조절하여 임피던스 특성을 조절할 수 있는 방법을 제안한다.

이 방법을 이용하여 일반적인USB Dongle 크기(20×45 mm)에 안테나를 설계하였으며, —10 dB 기준 2 GHz 대역 에서 대역폭이 600 MHz(2.3～3 GHz), 5 GHz 대역의 대역폭은 1 GHz(4.9～5.9 GHz)로 WLAN 주파수 대역을 만족하는 성능과50 % 효율이 달성되었다.

Abstract

This paper presents a new method for designing a dual-band WIFI antenna using the third-order harmonic mode of a monopole antenna whose first-order mode operates at the low frequency band of WIFI. As analysing the current distribution of the third-order mode of this monopole antenna, the strongest point of electric field can be found. Then by attaching a stub at this point, the resonant frequency of the stub radiator can be adjusted from the third-order mode of the monopole antenna into the high frequency band of WIFI and the input impedance at this resonant frequency can be controlled with the width of the branch, without affecting the low frequency band of WIFI (the first-order mode of the monopole antenna). The compact dual-band antenna is designed at the size of an USB(universal serial bus) don- gle and the bandwidth covers 600 MHz(2.3～3 GHz) at 2 GHz and 1 GHz(4.9～5.9 GHz) at 5 GHz under —10 dB which is satisfied with WLAN frequency. Efficiency of proposed antenna achieves over 50 % at WLAN frequency.

Key words : Multi-Band Antenna, Current Distribution, Controlling Impedance, Resonance Frequency

「이 연구는 2011년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No.2011-0015540).

한양대학교 전자컴퓨터통신공학과(Department of Electronic and Computer Engineering, Hanyang University) *광주여자대학교 보건의료공학과(Biomedical Engineering, Kwangju Women's University)

․Manuscript received August 7, 2012 ; Revised November 14, 2012 ; Accepted November 14, 2012. (ID No. 20120807-092)

․Corresponding Author : Hyeongdong Kim (e-mail : [email protected])

Ⅰ. 서 론

최근 WLAN(Wireless Lan)의 사용량이 급속하게 증가하고 있다. 기존의 WLAN 주파수는 2.4 GHz 대 역을 사용하지만, 급속하게 증가하는 데이터 사용량 에2.4 GHz만으로는 원활한 데이터를 제공할 수 없

게 되었다. 또한, 2.4 GHz 대역에는 같은 대역을 사 용하는 블루투스, 지그비, DCP(Digital Cordless Pho- ne) 등의 기술들이 ISM(Industrial Scientific and Me- dical equipment) 주파수 밴드를 사용하기 때문에 주 파수 사용에 간섭을 받게 된다. 이에 근래 각광 받고 있는5 GHz 주파수 대역은 2.4 GHz 대역에 비해 넓

새로운 전류 패스를 만들거나 기생 방사체를 두는 경우가 많다. 하지만 시스템에서 안테나에 할당되는 공간이 감소하게 되어 안테나를 설계할 공간이 부족 해지고 다중의 브랜치 사용이 어려워졌다.

하지만 모든 안테나가 가지고 있는 하모닉을 제 어하는 연구를 통해 하모닉 성분의 주파수와 임피던 스 특성을 조절한다면 더욱 간단하고 손쉽게WLAN 대역을 비롯한 이중 대역 안테나의 주파수 대역을 만족시킬 수 있을 것이다.

본 논문에서는USB Dongle에 적용할 수 있는 다 중 대역 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 다 중 대역의 특성을 얻기 위해서 간단한 모노폴 안테 나의 3차 공진 모드의 전류 분포를 분석하고, 전계 가 강한 방사체 부분에 스터브를 주어3차 모드 공 진 주파수를 제어하고, 스터브의 두께의 변형을 통 해 임피던스 값을 조절하여 급전점과 안테나의 방사 모드와의 커플링을 변화시켰다. 전류 분포를 분석하 고 임피던스의 변화를 관찰하기 위해 Ansoft사의 HFSS v.13을 사용하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2-1장에서는 제안 된 안테나의 구체적인 구조와 그 설계를 통하여 얻 고자 하는 특성을 설명한다. 2-2 와 2-3장에서는 제 안된 안테나의 시뮬레이션 결과와 측정 결과의 비교 및 전류의 흐름에 따른 분석을 한다. 3장에서 본 논 문의 결론을 맺었다.

Ⅱ. 본 론

그림1은 제안된 USB dongle용 이중 대역 안테나 구조이다. 전체적인 크기는 20×45 mm로 논문에서

그림 1. 제안된 안테나 구조 Fig. 1. Structure of proposed antenna.

제시된 이론이 실제 적용 가능한가를 나타내기 위해 USB dongle 크기로 제작하였다. 제안된 안테나는 방 사체, 접지면, FR4(Frame Retardant Type4, εr=4.4) 유 전체 기판으로 구성되어 있다. 접지면은 FR4 유전체 기판의 전면에 20×35 mm의 크기로 형성되어 전기 적인 회로 및 소자를 설계할 수 있도록 하였다. 방사 체는 급전을 포함하여 16×10 mm의 크기를 갖는다.

설계된 안테나의 구조는 그림 1과 같다. 제안된 안 테나는 이중 대역WLAN 안테나이며, 2.4～2.485 GHz 와5.15～5.35 GHz, 5.725～5.825 GHz에서 동작하도 록 설계하였다. 제안된 안테나는 각 모드의 전류 분 포 분석을 통하여 전계의 세기가 강한 부분의 특성 을 바꾸어 전체적인 특성을 파악하기 위한 목적이기 에 이러한 목적에 맞는 변화를 고려하기 위하여 다 른 매칭 소자를 사용하지 않은 간단한 모노폴 안테 나를 설계하였다.

먼저 그림1에서 L1, L2의 값이0인 2.45 GHz에서 공진을 하는 기본적인 모노폴 안테나를 설계한다.

그림2를 보면 기본 모드 공진 주파수가 2.4 GHz에 있고, 하모닉 특성으로 생긴 3차 공진 모드의 공진 주파수가7.6 GHz에 있는 것을 확인할 수 있다. 여기 서 공진 주파수는 반사 손실이 최저인 경우를 나타 낸다.

그림 3은 모노폴 안테나의 기본 모드(2.4 GHz)와 3차 모드(7.6 GHz)의 전류 분포이다. 전류 분포를 보

그림 2. 모노폴 안테나의 공진 주파수 Fig. 2. Resonant frequency of antenna.

(a) (b)

그림 3. 기본 모드와 고차 모드의 전류 분포 (a) 기본 모드 공진 주파수(2.4 GHz)에서의 전류 분포, (b) 3차 모드 공진 주파수(7.6 GHz)에서의 전 류 분포

Fig. 3. Current distribution of fundamental mode and third order mode. (a) Fundamental mode(2.4 GHz), (b) third order mode(7.6 GHz).

면 전계가 강한 부분을 알 수 가 있고, 전계가 강한 곳은 그렇지 않은 곳보다 안테나 특성에 영향을 많 이 받는다^[5].

기본 모드가2.4 GHz에 맞추어져 있는 상황에서 기본 모드의 주파수는 바꾸지 않으면서3차 모드의 공진 주파수를 바꾸기 위해 전계의 세기가 기본 모 드에서는 약하면서3차 모드가 강한 부분에 스터브 를 연결한다.

2-2 L1의 길이 변화에 따른 특성 분석

그림 4. L1 길이 변화에 따른 공진 주파수 변화 Fig. 4. Resonant frequency variation with L1.

그림4는 WLAN 대역의 주파수를 만족하게 하기 위해서 L1의 길이를 변화시키며 관찰한 반사 손실 특성이다. L1의 길이가 증가함에 따라서2.4 GHz 대 역인 기본 모드에는 영향을 주지 않고, 3차 공진 모 드의 공진 주파수가 저주파로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 이는 전류가 최소인 부분(전계가 강한 부 분)의 공진기에 컨덕터를 채우게 되면서 저장된 전 계 에너지가 감소하게 되고, 이에 따라 고차 모드의 공진 주파수가 내려오게 되는 것으로 알 수 있다^[6]. 스터브의 두께, 즉 L2의 길이는 안테나의 두께와 마 찬 가지로 1 mm로 하였고, L1의 길이가 5mm일 때, 5 GHz 대역의 반사계수가 6 dB를 만족하기 때문에 L1의 길이를 5 mm로 고정한다.

그림5의 (a)에서 L1의 길이가 증가함에 따라 변하 는5 GHz 대역의 전류 분포를 보게 되면 첫 번째 전 류의 널 지점이 L1의 끝에 있게 된다. 파장의 길이 관점에서 보면 급전원에서 보는3차 모드의 공진 주 파수를 결정하는 파장의 길이가 길어지기 때문에3 차 모드의 공진 주파수가 저주파로 이동하는 것이 다. 반면, 기본 모드의 전류 분포를 보게 되면 스터 브에는 전류가 흐르지 않는다. 즉, 기본 모드의 공진 주파수는L1의 길이에 영향을 받지 않는 것을 확인 할 수 있다.

그림 6은 L1의 변화에 따른 스미스 차트이다. 안 테나의 급전원과 안테나 모드와의 커플링 특성은 안 테나의 임피던스 값에 의해 변하게 되는데, 이는 스 미스 차트에서 궤적의 크기로 나타내어진다^[7]. L1의

(a) 3차 모드의 공진 주파수에서의 전류 분포 (a) Current distribution of higher order mode

(b) 기본 모드 공진 주파수에서의 전류 분포 (b) Current distribution of fundamental mode 그림 5. L1 길이 변화에 따른 전류 분포 Fig. 5. Current distribution variation with L1.

그림 6. L1 길이 변화에 따른 스미스 차트 변화 Fig. 6. Smith chart variation with L1.

그림 7. L2 길이 변화에 따른 스미스 차트 변화 Fig. 7. Smith chart variation with L2.

길이가 늘어남에 따라서 스미스 차트의 임피던스 궤 적의 크기가 작아져, 즉 커플링이 감소하여 임피던 스가 매칭되지 않는 것을 알 수 있다^[8].

2-3 L2의 길이 변화에 따른 특성 분석

안테나 매칭을 시켜기 위해 임피던스 궤적의 크 기는 증가되어야 한다. 그림 7은 L1의 길이를5 mm 로 고정한 상태에서, 안테나의 스터브의 폭을 넓혀 가면서 스미스 차트를 관찰한 결과이다. L2의 길이 가 증가함에 따라 로커스의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 안테나의 급전 부분과 안테나 의 커플링이 증가하는 것으로 이 커플링을 조절하면 임피던스 매칭을 용이하게 할 수 있다.

그림8은 스터브의 두께의 변화에 따른 3차 모드 전류 세기의 변화이다. L2의 길이가 길어지면 안테 나 방사 공진기의 임피던스 값이 낮아짐으로써^[9] 급 전 부분의 전류는 세게 흐르게 되고, 이는 급전원에 서 안테나 모드와의 커플링 세기가 점차 증가하는 것을 나타낸다.

그림9는 L2의 길이가 증가하면서 관찰한 반사 손 실이다. 여기서 L1의 길이는 5 mm, L2의 길이가 6 mm일 때 원활한 방사를 위한 적절한 매칭이 이루어 진다. 실제 제작하여 측정한 값 역시 시물레이션 데 이터와 유사한 형상을 나타내며, 원하는 주파수에서

—10 dB 대역폭을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

이러한 매칭은 실제 효율에 영향을 준다. L2의 길이

그림 8. L2 길이 변화에 따른 3차 모드의 공진 주파 수(5.3 GHz)에서의 전류 분포

Fig. 8. Current distribution variation with L2 at third or- der mode resonance frequency(5.3 GHz).

그림 9. L2 길이 변화에 따른 반사 손실 Fig. 9. Return loss variation with L2.

가6 mm일 때 매칭이 잘 되었고, 2.45 GHz 대역 및 5.4 GHz에서 50 % 이상의 효율을 달성하였다. 표 1 은 효율과 최고 이득을 주파수별로 측정한 값이다.

그림 10은 설계된 안테나의 시뮬레이션된 2D 방사 패턴, 그림 11은 설계된 안테나의 측정된 2D 방사 패턴을2.45 GHz, 5.25 GHz, 5.8 GHz 각각의 주파수

(a) 2.45 GHz

(b) 5.25 GHz

(c) 5.8 GHz 그림 10. 시뮬레이션된 2D 방사 패턴 Fig. 10. Simulated 2D radiation patterns.

에서 나타낸 것이다. 실제 최종 설계된 안테나는 L1

=5 mm, L2=6 mm의 다중 대역 모노폴 안테나로 —10 dB 기준 2 GHz 대역에서 대역폭이 600 MHz(2.3～3 GHz)이며 5 GHz 대역의 대역폭은 1 GHz(4.9～5.9

(a) 2.45 GHz

(b) 5.25 GHz

(c) 5.8 GHz 그림 11. 측정된 2D 방사 패턴 Fig. 11. Measured 2D radiation patterns.

GHz)로 WLAN 주파수 대역을 만족하는 특성을 갖 는다.

Ⅲ. 결 론

드의 공진 주파수를 효과적으로 제어하고, 커플링 특 성을 조절하는 방법에 대해 연구하였다. 제안된 안 테나는 모노폴 안테나와 그 안테나의3차 공진 모드 의 전계가 강한 부분을 찾아 그곳에 스터브를 연결 한 구조로 구성되어 있다. 스터브는 3차 공진 모드 에서 전류가 약한 부분, 즉 전계가 강한 부분에 연결 되어3차 모드의 공진 주파수를 조절할 수 있고, 스 터브의 두께를 변화시켜 안테나의 임피던스 값을 바 꾸어 안테나의3차 모드와 급전점과의 커플링을 조 절하였다. 제작된 안테나는 —10 dB 기준 2 GHz 대 역에서 대역폭이600 MHz(2.3～3 GHz), 5 GHz 대역 은1 GHz(4.9～5.9 GHz)로 WLAN 주파수 대역을 만 족하며, 50 % 이상의 효율이 달성되었다. 이러한 기 술은 USB dongle 용 안테나뿐만 아니라, 안테나의 하모닉 성분의 공진 주파수를 이용하는 다중 대역 안테나에서 유용하게 사용될 수 있다.

참 고 문 헌

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[9] Robert E. Collin, Foundations For Microwave En- gineering, McGraw-Hill, Inc., p. 605, 1992.

유 재 규

2011년 2월: 한양대학교 정보통신 공학부(공학사)

2011년 3월～현재: 한양대학교 전자 컴퓨터통신공학과 석사과정 [주 관심분야] 안테나 설계

장 서

2011년 6월: 동양대학교 정보통신 공학부(공학사)

2011년 7월～현재: 한양대학교 전자 컴퓨터통신공학과 석사과정 [주 관심분야] 안테나 설계

류 양

2007년 2월: 동양대학교 정보통신 공학부(공학사)

2010년 2월: 한양대학교 전자컴퓨 터통신공학과(공학석사) 2010년 6월～현재: 한양대학교 전

자컴퓨터통신공학과 박사과정 [주 관심분야] 안테나 설계

이 재 석

2007년 2월: 대진대학교 정보통신 공학부(공학사)

2009년 2월: 한양대학교 전자컴퓨터 통신공학과(공학석사)

2009년 3월～현재: 한양대학교 전자 컴퓨터통신공학과 박사과정 [주 관심분야] 안테나 설계, 마이크 로파 회로 설계

[주 관심분야] 전자파수치해석 1993년 3월～현재: 한양대학교 융합전자공학부 교수 [주 관심분야] 안테나 설계 및 해석, 마이크로파 회로, 전

자파 해석