WLAN 시스템 적용 가능한 무선 USB 동글용 변형된 모노폴 안테나의 설계 및 제작

Design and Fabrication of Modified Monopole Antenna for Wireless USB Dongle with WLAN system Applications

Abstract

본 논문에서는 기존의 평면형 모노폴 안테나에서 변형된 구조를 갖는 무선 USB 동글용 내장형 안테나를 제안한다. 제안된 안테나는 기존의 모노폴 구조에 'n' 구조를 결합 한 후 Strip1, Strip2, Strip3를 삽입하여 이중 광대역 특성을 구현하였고, 50-Ω 동축케이블을 이용하여 급전하였다. 안테나는 유전율 4.4인 FR-4 기판 위에 설계되었고 전체 크기는 10 mm(W) × 50 mm(L) × 1mm(t) 이다. 반사손실 측정 결과 -10dB를 기준으로 740 MHz (2.26 ~ 3.0 GHz), 1,200 MHz (5.16 ~ 6.36 GHz)의 이중 공진 특성을 확인하였다. 또한 동작 주파수 대역에서 전방향의 방사패턴을 얻었으며, 2.4 GHz대역에서 최대이득 2.26∼3.81 dBi 그리고 5.5 GHz대역에서 최대이득 2.21∼5.79 dBi의 값을 얻었다.

In this paper, we propose a built-in antenna for wireless USB dongle which has a modified structure from the existing planar monopole antenna. The proposed antenna implemented a dual-band characteristic by inserting Strip1, Strip2, Strip3 into the monopole structure combined with 'n' shape and feeded 50-Ω using coaxial cable. The antenna is designed on an FR-4 substrate of which the dielectric constant is 4.6, and its overall size is 10 mm × 50 mm × 1mm. Based on the measurement results of the return loss, it was confirmed to satisfy the dual band resonance characteristics of 740 MHz (2.3 ~ 2.7 GHz) and 1,200 MHz (5.15 ~ 5.825 GHz) by -10 dB. In addition, we obtain the omni-directional radiation pattern measurements in the operating frequency bands, and the maximum gain of the proposed antenna has 2.26~3.81 dBi in the 2.4 GHz band and 2.21~5.79 dBi. in the 5.5 GHz band, respectively.

Ⅰ. 서 론

최근 무선 통신의 급속한 발달로 인하여 다양한 기능을 가진 무선 통신기기들이 연구 발전되고 있다. 무선 통신기기의 편리성과 더불어 시간과 장소 제약 없이 쉽게 사용 할 수 있다는 장점으로 인해 무선통신을 이용하는 사용자들이 급격히 증가하고 있다. 모바일 휴대폰, PDA(Personal Digital Assistant) 등의 모바일 기기에는 무선 LAN, Zigbee 그리고 블루투스 등 많은 무선 통신 모듈들이 내장되어 있으며 특히 음성, 데이터, 동영상과 같은 고속 데이터 통신을 시간과 장소에 제약없이 접속 가능하게 하는 무선 LAN 망이 절대적으로 필요하다[1,2]

WLAN은 근거리 무선통신으로서 세계에서 가장 성공적이고 빠르게 성장하는 무선통신 기술이다. 현재 표준화는 802.11b에서 2.4 ~ 2.484 GHz로 주파수 대역을 정의하였으며, 802.11a에서는 5.150 ~ 5.250 GHz그리고 5.725 ~ 5.825 GHz로 정의되어 있다. WLAN은 기존의 유선 LAN의 기능을 포함하면서 네트워크 구축 시케이블의 연결이 필요 없다는 장점을 포함하고 있다. 이러한 장점은 무선 LAN을 보다 편리하고 자유롭게 사용하게 하여 그 응용 범위를 확장시키고 있다.

한편 최근에는 기존 USB(Universal Serial Bus) 드라이버와 호환성을 유지하며 보안성과 휴대성의 높은 장점을 가진 USB 동글 장치가 무선 네트워크에 사용되고 있다. 통신 단말기뿐만 아니라 소형 모바일 기기에서도 USB 포트에 무선 USB 동글 장치를 결합시켜 다양한 무선 통신 서비스 이용이 가능하게 되었다. 무선 USB 장치의 전송속도는 3 m 내에서 유선 USB 2.0 규격의 속도와 같은 480 Mbps, 10 m 이내에서 110 Mbps를 목표로 한다. WLAN, WiMAX 등 고속 통신 시스템의 표준이 될 다양한 기기에 적용이 가능하다. 따라서 다양한 무선 서비스에 응용이 가능한 USB dongle 안테나의 개발이 필요하며 이에 대한 연구가 지속적으로 진행되어 왔다[3-11].

본 논문에서는 IEEE802.11b에서 표준화된 2.4 GHz과 IEEE802.11a에서 표준화된 5 GHz 대역의 WLAN대역 모두 사용 가능한 동글용 마이크로스트립 안테나를 제안하였다. 마이크로스트립 모노폴 구조를 기본으로 각각의 추가된 스트립과 각 스트립 사이의 결합을 통해 원하는 이중대역 특성을 얻었다. 또한 상용 툴을 사용하여 최적화된 모델과 수치를 얻었으며 전류분포를 통하여 안테나의 동작원리를 확인하였다. 제작 및 측정결과를 토대로 안테나의 반사손실, 방사패턴, 이득 결과를 얻었다.

Ⅰ장에서는 서론에 이어 Ⅱ장에서는 안테나 설계 및 시뮬레이션에 대하여 기술하고, Ⅲ장에서는 안테나 제작 및 측정결과를 설명하고 Ⅳ장에서는 결론을 맺는다.

 

Ⅱ. 안테나 설계

변형된 모노폴 안테나의 구조는 그림 1과 같다. 안테나의 전체 크기는 10 mm(W) × 50 mm(L) × 1 mm(t)이고, 제안된 안테나의 크기는 8.75 mm × 10 mm 이며 좌우대칭 구조를 갖도록 설계하였다.

그림 1.제안된 안테나의 사시도 Fig. 1 Perspective view of the proposed antenna

또한 안테나는 유전율(ϵr) = 4.4인 FR-4 기판 위에 설계되었으며 동일한 면에 접지면(41.25 mm × 10mm)이 형성되어 있다. 안테나는 50-Ω 동축 케이블로 급전되도록 설계하였다.

제안된 안테나의 시뮬레이션 과정은 3D 설계가 가능한 상용툴을 사용하여 최적의 패턴 구조와 방사특성을 설계 하였다.

그림 2 (a)는 제안된 안테나 패치 구조로 패치의 상세한 구조를 보여준다. 제안된 구조는 기존 모노폴 구조에 대칭을 갖는 ‘n’ 구조를 제안 한 후 Strip 1, Strip 2, Strip 3를 각각 삽입하여 설계하였다. 그림 2 (b)는 제안된 안테나에서 각 스트립의 존재 유무에 따른 영향을 분석하기 위하여 Strip 1, Strip 2, Strip 3를 표시하는 그림이다. Strip 1은 W3 × L5를 표시하며 Strip 2는 W4 × L8, Strip 3는 W8 × L3을 표시한다. 최적화 과정 중 가장 영향을 크게 미치는 부분을 선정한 것이며 Strip(1 ~ 3)이 존재함으로써 우수한 결과를 보인다. 상용툴을 이용한 시뮬레이션 결과를 통해 폭(W2)를 가지는 급전점과 슬릿이 형성된 접지면과의 거리가 제안된 안테나에 큰 영향을 준다는 것을 확인하였고, 영향을 최소화하기 위해 1mm로 설정하였다. L7의 길이 변화에 따라 제안된 안테나의 시뮬레이션 반사손실 특성 분석을 통해 결과적으로는 L7의 길이가 1.25 mm 일 때 최적화 된 시뮬레이션 결과를 얻었다. 폭(W2) 급전라인과 Strip 3 간격(g), Strip 3와 Strip 2 간격(g), Strip 2와 폭(W5) 패치 간격(g)은 설계를 간략화 하기 위해 0.3 mm의 동일한 값을 갖도록 설정하였다. Strip 2와 Strip 1 간의 간격은 0.4 mm으로 설정하여 시뮬레이션을 진행했을 때 최적화된 결과를 얻을 수 있었다.

그림 2.제안된 안테나 (a) 파라미터 (b) 지정된 스트립 선로 Fig. 2 Proposed Antenna (a) parameter (b) The specified strip line

그림 3은 제안된 안테나에서 Strip 1의 영향에 따른 시뮬레이션 반사손실 특성과 공진주파수 특성을 나타내었다. 그래프 하단에 위치한 패턴 그림에서 점선으로 표시된 부분은 그림 2 (b)에서 없어진 Strip 1임을 보여준다. Strip 1의 유무에 따른 시뮬레이션 결과 2.4 GHz 대역에서 공진주파수 특성과 반사손실 특성이 변화가 있고, 5 GHz 대역은 Strip 1 유무에 따른 반사손실 특성 변화가 거의 없음을 확인 할 수 있다. 즉, Strip 1이 존재할 때 시뮬레이션 결과 2.45 GHz 지점에서만 공진이 형성되는 반면, Strip 1이 존재 하지 않을 때는 2.45 GHz와 3.08 GHz 두 지점에서 추가로 공진이 형성되는 변화를 확인 할 수 있다. 표 1에서 보는 바와 같이 Strip 1이 존재 하지 않을 때가 Strip 1이 존재 할 때 보다 더 넓은 대역폭을 얻을 수 있지만, 반사손실 특성이 -32.5 dB에서 -15 dB로 급격히 열화 되는 것을 알 수 있다. 결과적으로 Strip 1이 존재 할 때와 존재 하지 않을 때 모두 충분히 WLAN 대역을 만족하지만, Strip 1이 존재 할 때 2.4 GHz 대역의 반사손실 특성이 더 우수한 것을 확인 할 수 있다. 따라서 Strip 1의 두께와 길이를 적절히 조정하여 W3 = 1.4 mm, L5 = 1.5 mm 일 때 최적화 된 결과를 얻었다.

그림 3.제안된 안테나의 Strip 1에 따른 영향 Fig. 3 The effects of the proposed antenna Strip 1

표 1.제안된 안테나의 시뮬레이션된 대역폭(Strip 1) Table. 1 Simulated bandwidth of the proposed antenna(Strip 1)

표 2.제안된 안테나의 시뮬레이션된 대역폭(Strip 2) Table. 2 Simulated bandwidth of the proposed antenna(Strip 2)

그림 4는 제안된 안테나에서 Strip 2의 영향에 따른 시뮬레이션 반사손실 특성과 공진주파수 특성을 나타내었다. 그래프 하단에 위치한 패턴 그림에서 점선으로 표시된 부분은 없어진 Strip 2임을 보여준다. Strip 2의 유무에 따른 시뮬레이션 결과 2.4 GHz와 5 GHz 대역 모두에서 공진주파수 특성과 반사손실 특성이 변화가 있음을 확인 할 수 있다. 특히 5 GHz 대역에서 큰 변화를 볼 수 있는데, Strip 2가 존재 하지 않을 때 5 GHz 대역에서 공진이 형성되지 않는 것을 보여준다. 이러한 결과는 Strip 2의 존재가 5 GHz 대역의 공진에 큰 기여를 한다는 것을 나타내고 있다. 또한 2.4 GHz 대역에서 는 Strip 2의 유무에 따라 공진주파수의 변화가 나타나는 것을 알 수 있다. Strip 2가 존재 할 때 2.45 GHz 지점에서만 공진이 형성되어 -34 dB의 우수한 반사손실 특성을 보이지만, Strip 2가 존재 하지 않을 때는 2.45 GHz에서 반사손실이 -27.12 dB로 열화 됨과 동시에 3.1 GHz 지점에서 -35.15 dB의 반사손실 특성을 가지는 추가 공진이 발생한다.

그림 4.제안된 안테나의 Strip 2에 따른 영향 Fig. 4 The effects of the proposed antenna Strip 2

표 3.제안된 안테나의 시뮬레이션된 대역폭(Strip 3) Table. 3 Simulated bandwidth of the proposed antenna(Strip 3)

추가 공진 형성으로 인해 Strip 2가 존재 할 때의 결과보다 대역폭이 더 넓은 우수한 특성을 보이지만 본 논문의 목적에 맞지 않는 공진 형성으로 판단하여 Strip 2가 존재 할 때 최적화 된 형태라는 것을 보여준다. 따라서 Strip 2의 두께와 길이를 적절히 조정하여 W4 = 3.1 mm, L8 = 1.7 mm 일 때 최적화 된 결과를 얻었다.

그림 5는 제안된 안테나에서 Strip 3의 영향에 따른 시뮬레이션 반사손실 특성과 공진주파수 특성을 나타내었다. 그래프 하단에 위치한 패턴 그림에서 점선으로 표시된 부분은 그림 2 (b)에서 없어진 Strip 3임을 나타내어 준다. Strip 3의 유무에 따른 시뮬레이션 결과 2.4 GHz 대역과 5 GHz 대역 모두에서 공진주파수 특성과 반사손실 특성이 변화가 보인다. Strip 3가 존재 하지 않을 때 2.4 GHz대역에서 반사손실 특성의 변화는 Strip 1, Strip 2가 존재 하지 않을 때의 결과와 거의 동일하게 2.99 GHz 지점에서 추가 공진이 형성된다는 것이다. Strip 3가 존재 할 때 보다 Strip 3가 존재 하지 않을 때 2 GHz대역의 대역폭이 더 넓지만 반사손실 특성의 열화를 보이는 것을 알 수 있다. 5 GHz대역에서 큰 변화는 20 dB이상 차이를 보이는 반사손실 특성이다. 반사손실 특성이 열화 됨과 동시에 전체적인 공진주파수 특성이 우측으로 이동하는 것을 확인 할 수 있다. Strip 3가 존재 하지 않을 때의 시뮬레이션 결과는 5 GHz 대역의 WLAN 서비스 대역을 만족하지 못하였다. 따라서 Strip 3는 2 GHz, 5 GHz대역에서 임피던스 매칭 역할을 하여 반사손실 특성을 향상시키는 역할을 하는 것으로 판단된다. 따라서 Strip 3의 두께와 길이를 적절히 조정하여 W8 = 3.1 mm, L3 = 1.4 mm 일 때 최적화 된 결과를 얻었다.

그림 5.제안된 안테나의 Strip 3에 따른 영향 Fig. 5 The effects of the proposed antenna Strip 3

표 4.제안된 안테나의 시뮬레이션된 대역폭(L1) Table. 4 Simulated bandwidth of the proposed antenna(L1)

그림 6은 제안된 안테나에서 L1 길이 변화에 따른 반사손실과 공진주파수 특성의 변화를 나타내었다. 그림 6에서 보는 바와 같이 L1의 길이를 0.5 mm에서 1.5 mm로 변화 시켰을 때 반사손실 특성변화를 비교하였다. L1 = 0.5 mm일 때 2.3 GHz 지점에서 공진을 형성하고 2.17 ~ 2.485 GHz까지 315 MHz의 대역폭을 가지며 WLAN의 2.4 GHz 대역 대역폭을 만족하였고, 5 GHz 대역에서는 5.62 GHz 지점에서 공진을 형성하고 4.91 ~ 6.415 GHz 까지 1,000 MHz 가 넘는 충분한 대역을 가지므로 5 GHz 대역의 대역폭도 충분히 만족시키고 있음을 확인하였다.

그림 6.제안된 안테나의 L1 길이에 따른 영향 Fig. 6 The effects of the proposed antenna L1

하지만 제안된 안테나의 최적화 길이인 L1 = 1.0 mm일 때와 비교하면 2.4 GHz 대역에서 반사손실 특성과 대역폭의 큰 차이를 있음을 알 수 있다. L1 = 0.5 mm일때도 WLAN 서비스을 위한 충분히 이중 대역 대역폭을 얻을 수 있지만 L1 = 1.0 mm 일 때 경우가 더 넓은 서비스 대역을 제공하며 우수한 반사손실 특성 결과를 보여주고 있음을 확인하였다. L1 = 1.0 mm일 때 각각 2.45 GHz와 5.5 GHz에서 공진을 형성하며 -30 dB 이상의 반사손실 특성을 보이고, 충분히 넓은 대역폭을 가져 WLAN 서비스 대역을 비롯한 WiBro, Bluetooth / ISM, S-DBM, WiMAX 등 여러 서비스 대역을 만족시키는 우수한 결과를 확인 할 수 있다. 그리고 L1 = 1.5 mm일 때 2.48 GHz와 3.06 GHz 두 지점에서 공진을 형성하였지만 5 GHz 대역은 반사손실 특성이 열화 됨과 동시에 대역폭이 줄어드는 것을 알 수 있다. 이중 밴드대역폭은 충분히 WLAN 서비스 대역을 만족하지만 본 연구의 목적에 맞지 않는 공진 형성과 낮은 반사손실 특성은 L1 = 1.0 mm일 때의 결과와 비교할 때 적합하지 않다고 판단된다. 따라서 L1의 길이가 1.0 mm 일 때 뚜렷한 이중 밴드 대역 특성을 나타내며 충분한 대역폭과 반사손실 특성을 가진 가장 우수한 결과를 보인다고 할 수 있다.

그림 7은 제안된 안테나의 각 공진 주파수별 전류분포를 나타내는데 이를 통해 안테나 요소별 동작원리를 알 수 있다. 그림 7 (a), (b)는 2.45 GHz와 5.5 GHz 대역의 전류분포 변화를 나타내며 상용 툴을 사용하여 확인하였다.

그림 7.제안된 안테나의 전류분포 (a) 2.45 GHz (b) 5.5 GHz Fig. 7 The current density of proposed antenna (a) 2.45 GHz (b) 5.5 GHz

결과적으로 길이 공진에 따라 예상된 지점에서 전류가 밀집되어 있는 것을 볼 수 있다. 그림 7 (a)에서 보는 바와 같이 2.45 GHz 공진주파수는 안테나의 끝단인 Strip 1에서 강한 전류분포가 발생 하여 공진이 이루어지는 것을 확인 할 수 있다. 그림7 (b)에서 보는 바와 같이 Strip 1, Strip 2의 결합 현상에 의해 강한 전류분포가 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서 5.5 GHz 대역의 공진은 주로 Strip 1과 Strip 2의 양 끝단에서 이루어진다고 판단된다. 표 5는 최적화 과정을 거친 후 최종적으로 결정된 설계 안테나의 최적 파라미터 값으로 단위는 mm이다.

표 5.제안된 안테나의 최적 파라미터 Table. 5 Optimized parameters of proposed antenna

 

Ⅲ. 제작 및 측정

상용 툴 시뮬레이션을 통해 최적화 된 수치를 사용하여 안테나를 제작하였고 반사손실 특성을 측정하였다. 그림 8은 실제 제작된 안테나의 사진이다. 그림 8(a)는 제작된 안테나의 앞면을 나타내며 그림 8(b)는 제작된 안테나의 뒷면을 나타낸다.

그림 8.제작된 안테나 (a) 앞면 (b) 뒷면 Fig. 8 Fabricated antenna (a) Top (b) Bottom

제작된 안테나는 신라대학교 공과대학 공동기기실내에 있는 회로망 분석기(Network Analyzer, Anritsu MS4623B)를 사용하여 반사손실 특성을 측정하였다. 그림 9은 제안된 안테나의 시뮬레이션 결과와 실제 제작된 안테나의 반사손실 측정 결과를 비교하여 나타내었다.

그림 9.제안된 안테나의 시뮬레이션과 측정된 반사손실 Fig. 9 The simulated and measured return loss results of the proposed antenna

측정결과 2.4 GHz 대역에서 -10dB를 기준으로 740 MHz (2.26 ~3.0 GHz)의 대역폭을 보이며, 5 GHz 대역에서는 -10dB를 기준으로 1,200 MHz (5.16 ~ 6.36 GHz)의 대역폭을 가지는 결과를 보인다. 이는 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 WLAN 서비스를 위해 요구하는 대역폭(2.4 ~ 2.484 GHz, 5.15 ~ 5.875 GHz)을 만족하였다.

그림 10은 제작된 안테나의 측정된 방사패턴을 나타내고 있다. 그림 10(a)는 2.38, 2.40, 2.44, 그리고 2.48 GHz 주파수에서 측정된 방사패턴을 나타내고 있으며, 그림 10(b)는 5.10, 5.30, 5.50, 그리고 5.70 GHz 주파수에서 방사패턴을 나타내었다. 측정된 안테나의 방사패턴은 그림에서 보는 바와 같이 전방향성의 특성을 나타낸다.

그림 10.제안된 안테나의 측정된 방사 패턴 (a) 2.0 GHz 대역의 3D 방사 패턴 (b) 5.0 GHz 대역의 3D 방사 패턴 Fig. 10 Measured radiation pattern of the proposed antenna (a) 3D radiation pattern at 2.0 GHz (b) 3D radiation pattern at 5.0 GHz

그림 11은 2.4 GHz 대역, 5.5 GHz대역에서의 각각 최대이득과 평균이득을 나타내고 있다. 그림 11에서 보는 바와 같이 2.4 GHz대역에서 최대이득은 2.26∼3.81 dBi 그리고 평균 이득은 –2.48∼–1.48 dBi로 값을 얻었다. 또한 5.5 GHz대역에서 최대이득은 2.21∼5.79 dBi 그리고 평균이득은 –4.77∼–0.66 dBi로 값을 얻었다.

그림 11.제안된 안테나의 최대이득과 평균이득 Fig. 11 Measured peak and average gain of the proposed antenna

 

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 WLAN 시스템에 적용 가능한 무선 USB 동글용 이중대역 안테나를 설계, 제작 및 측정을 하였다. 최종 안테나의 전체 크기는 10 mm(W) × 50 mm(L) × 1mm(t)이며, 모노폴 패치 구조에 적절한 Strip 구조를 삽입하여 이중대역 안테나 구조를 설계하였다. 안테나의 길이, 접지 면과 패치 간의 거리, Strip(1 ~ 3) 유/무의 변화에 대한 상용툴 시뮬레이션을 진행하여 공진주파수 특성 및 반사손실 특성을 분석하였다. 또한 전류 분포를 통해 제안된 안테나의 동작원리를 확인하였다. 시뮬레이션을 통해 얻은 최적화된 수치를 바탕으로 제안된 안테나를 FR-4 기판에 제작하고 네트워크분석기를 이용하여 측정하였다.

반사손실 측정 결과, -10dB를 기준으로 각각 740 MHz (2.26 ~ 3.0 GHz) 그리고 1,200 MHz (5.16 ~ 6.36 GHz)의 결과를 얻어 WLAN이중대역에서 특성을 만족시켰다. 이러한 결과로 본 연구에서 제안하는 USB 동글용 안테나는 WLAN, WiBro, Bluetooth/ISM, S-DMB, WiMAX 등의 여러 서비스 대역에서 사용 가능할 것으로 판단된다.