Gain Enhancement of Double Dipole Quasi-Yagi Antenna Using Meanderline Array Structure

미앤더라인 배열 구조를 이용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 이득 향상

Abstract

In this paper, gain enhancement of a double dipole quasi-Yagi antenna using a meanderline array structure was studied. A 4×1 meanderline array structure consisting of a meanderline conductor- shaped unit cell is located above the second dipole of the double dipole quasi-Yagi antenna. It was designed to have gain over 7 dBi in the frequency range between 1.70 and 2.70 GHz in order to compare the performance with the case using a conventional strip director. As a result of comparison, the average gain of the double dipole quasi-yagi antenna with the proposed meander line array structure was larger compared to the case with the conventional strip director. A double dipole quasi-Yagi antenna using the proposed meanderline array structure was fabricated on an FR4 substrate and its characteristics were compared with the simulation results. Experiment results show that the frequency band for a VSWR less than 2 was 1.55-2.82 GHz, and the frequency band for gain over 7 dBi was measured to be 1.54-2.83 GHz. The frequency bandwidth with gain over 7 dBi increased, and average gain also slightly increased, compared to the conventional case using a strip director.

본 논문에서는 미앤더라인 배열 구조를 이용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 이득 향상에 대하여 연구하였다. 미앤더라인 도체 모양의 단위 셀로 구성된 4×1 미앤더라인 배열 구조를 이중 다이폴 준-야기 안테나의 두 번째 다이폴 안테나 위에 배치하였다. 기존의 스트립 도파기를 사용하였을 때와 성능을 비교하기 위해 1.70 -2.70 GHz 대역에서 이득이 7 dBi 이상을 가지도록 설계하였다. 비교 결과, 제안한 미앤더라인 배열 구조를 사용하였을 때가 평균 이득이 더 크게 나타났다. 제안된 미앤더라인 배열 구조를 이용한 이중 다이폴 준-야기 안테나를 FR4 기판 상에 제작하여 특성을 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 실험 결과, 전압 정재파비(voltage standing wave ratio; VSWR)가 2 이하인 대역은 1.55-2.82 GHz이고, 이득이 7 dBi 이상인 주파수 대역은 1.54-2.83 GHz으로 측정되었다. 기존 스트립 도파기를 사용하였을 때 보다 이득이 7 dBi 이상인 주파수 대역폭이 증가하고 평균 이득도 조금 증가하였다.

Ⅰ. 서론

사람과 사물이 모두 연결되고 수집되는 데이터를 인공지능을 기반으로 분석하고 활용하는 초연결 지능정보화 사회를 구현하는 4차 산업혁명 시대가 진행됨에 따라 통신 거리와 전송 정보량에 따라 근거리 통신 기술, 기기간 통신기술, 이동 통신 기술 등 전파를 이용한 다양한 무선 통신 기술이 개발되어 사용되고 있다[1]. 다양한 무선 통신 서비스와 증가하는 데이터 사용량을 만족시키기 위해 주파수 대역이 추가되고 있으며, 기존의 주파수 대역과 추가되는 주파수 대역에서 동작할 수 있는 다중 대역 혹은 광대역 안테나에 대한 요구가 증가하고 있다[2].

가볍고 저가이고 제작이 쉬운 인쇄기판을 이용한 광대역 평면 안테나 설계를 위해서는 다이폴(dipole), 반사기(reflector), 도파기(director)로 구성된 준-야기 안테나(quasi-Yagi antenna)와 전송선로로 직렬 연결된 두 개의 다이폴, 반사기, 도파기로 구성된 이중 다이폴 준-야기 안테나(double dipole quasi-Yagi antenna)가 많이 연구되었다[3, 4]. 이중 다이폴 준-야기 안테나는 두 개의 다이폴을 사용하여 전체적인 크기는 증가할 수 있으나 두 개의 다이폴의 길이와 간격을 조정하여 광대역 혹은 이중 대역 특성을 얻을 수 있다. 또한, 직렬 연결된 다이폴을 더 추가할 경우 삼중 대역 특성도 얻을 수 있다[5].

디지털 방송이나 이동 통신을 위한 기지국이나 중계기용 안테나는 주어진 넓은 주파수 대역에서 안정되고 일정한 이득을 가지는 안테나가 요구되고 있다. 1.70-2.70 GHz 대역에서 이득이 7 dBi 이상인 이중 다이폴 준-야기 안테나를 설계하기 위해 두 번째 다이폴의 길이를 조정하고 직사각형 패치 모양의 도파기를 추가하였으며, 제작된 안테나는 1.6-2.7 GHz 대역에서 이득이 7 dBi 이상을 유지하였다[6]. 이득이 7 dBi 이상인 주파수 대역을 증가시키기 위해 변형된 밸런 급전 구조와 두개의 도파기를 이용한 이중 다이폴 준-야기 안테나가 제안되었고, 1.6-2.9 GHz 주파수 대역에서 이득이 7 dBi 이상을 유지하였다[7].

최근 유전체 기판 위에 배치된 단위 셀(unit cell)을 주기적으로 배치한 메타물질(metamaterial)을 렌즈(lens)로 이용하여 안테나의 이득을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 분할 링공진기(split ring resonator) 단위 셀로 구성된 4×2 배열 구조의 메타물질을 이용하여 보우타이-모양 다이폴로 구성된 광대역 안테나의 이득을 향상시키는 방법이 제안되었다[8]. 그러나 주파수 대역 내에서 이득 향상이 일정하지 않다. H-모양 공진기 단위 셀로 구성된 4×2 배열 구조의 메타물질을 이용하여 보우타이(bow-tie)와 루프(loop)로 구성된 안테나의 이득을 향상 시키는 방법도 제안되었다[9]. 그러나 별도의 접지판을 사용하여 안테나의 크기가 증가하였다.

본 논문에서는 미앤더라인(meanderline) 배열 구조를 사용하여 1.54-2.83 GHz 주파수 대역에서 7 dBi 이상의 이득을 유지하는 이중 다이폴 준-야기 안테나를 제안하였다[10]. 이득 향상을 위해 4×1 미앤더라인 배열 구조를 이중 다이폴 준-야기 안테나의 두 번째 다이폴 위에 배치하였다. 기존의 직사각형 패치 모양의 스트립 도파기를 사용하였을 때와 입력 반사 계수와 이득을 비교하였다. 제안된 안테나 설계를 위해 상용 전자파 해석 소프트웨어인 CST사의 Studio Suite를 이용하여 시뮬레이션하였다. 최종 설계된 미앤더라인 배열 구조가 사용된 이중 다이폴 준-야기 안테나는 FR4 기판에 제작하여 특성을 확인하였다.

Ⅱ. 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나 구조 및 성능 비교

그림 1(a)는 제안된 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 구조를 나타내고 있다. 기판의 앞면에는 접지면 반사기(R₀), 첫 번째 다이폴(D₁), 두 번째 다이폴(D₂)이 동일면 스트립(coplanar strip) 전송선로로 연결되어 있고, 두 번째 다이폴 위에 4×1 미앤더라인 배열 구조를 배치하였다. 기판의 뒷면에는 50옴(ohm) 마이크로스트립(microstrip) 전송 선로가 인쇄되어 있다.

그림 1. 안테나 및 단위 셀 구조: (a) 제안된 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나, (b) 미앤더라인 배열의 단위 셀, (c) 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나

Fig. 1. Geometries of antennas and unit cell: (a) proposed double dipole quasi-Yagi antenna using meanderline array structure, (b) unit cell of meanderline array, and (c) double dipole quasi-Yagi antenna using strip director

비유전율 4.4이고 두께가 h = 1.6 mm인 FR4 기판을 안테나 설계를 위해 사용하였다. 그림 1(b)는 미앤더라인 배열 구조의 단위 셀을 나타내고 있으며, 그림 1(c)는 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 구조이다[6]. 표 1과 2에는 제안된 미앤더라인 배열구조와 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 최종 설계변수가 나타나 있다.

표 1. 제안된 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 최종 설계변수

Table 1. Final design parameters of the proposed double dipole quasi-Yagi antenna using meanderline array structure

표 2. 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 최종 설계변수

Table 2. Final design parameters of the double dipole quasi-Yagi antenna using strip director

그림 2는 미앤더라인 배열 단위 셀의 특성을 나타내고 있다. 시뮬레이션을 위해서 그림 1(b)의 단위 셀에서 y-z 평면은 완전 전기 도체(perfect electric conductor) 경계조건을 적용하였고, x-y 평면은 완전 자기 도체(perfect magnetic conductor) 경계조건을 적용하였다. x축 방향으로 편파된 전계가 y축 방향으로 입사할 때 반사 계수(S11)와 투과 계수(S21)의 크기와 위상을 시뮬레이션하였고, 이를 이용하여 유효 굴절률, 유효 비유전율, 유효 비투자율을 계산하였다[11]. 계산된 유효 굴절률이 FR4의 유효 굴절률(∼1.11)보다 커서 등가적으로 렌즈 역할을 하여 이득을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.

그림 2. 미앤더라인 배열 단위 셀의 특성: (a) 산란 계수, (b) 유효 굴절률, (c) 유효 비유전율, (d) 유효 비투자율

Fig. 2. Characteristics of the meanderline array unit cell: (a) scattering parameters, (b) effective refractive index, (c) effective relative permittivity, and (d) effective relative permeability

그림 3은 제안된 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 입력 반사 계수와 이득 특성을 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나와 비교하였다. 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 전압 정재파비(voltage standing wave ratio; VSWR)가 2 이하인 주파수 대역은 1.60-2.82 GHz(55.2%)이고, 제안된 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 VSWR 2 이하인 주파수 대역은 1.55-2.84 GHz(58.8%)로 대역폭이 조금 증가하였다. 이득이 7 dBi 이상인 주파수 대역의 경우, 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나는 1.61-2.74 GHz(51.95%)이고, 제안된 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나는 1.54-2.84 GHz(59.4%)로 대역폭이 더 넓다.

그림 3. 안테나 성능 비교: (a) 입력 반사 계수, (b) 이득

Fig. 3. Performance comparison of antennas: (a) input reflection coefficient and (b) gain

또한, 이득이 7 dBi 이상인 주파수 대역 내에서의 평균 이득의 경우, 스트립 도파기를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나는 7.24 dBi이고, 제안된 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나는 7.62 dBi로 0.38 dB 더 크다.

Ⅲ. 안테나 제작 및 실험 결과

제안된 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 성능을 검증하기 위해 FR4 기판(ε_r = 4.4, h = 1.6 mm, tan δ = 0.025)에 제작하였다.

그림 4. 제작된 안테나 사진

Fig. 4. Photograph of fabricated antenna

그림 5. 제작된 안테나 성능: (a) 입력 반사 계수, (b) 이득

Fig. 5. Performances of fabricated antenna: (a) input reflection coefficient and (b) gain

제작된 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 입력 반사 계수를 Agilent사 N5230A 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 측정하였다. 측정된 입력 반사 계수는 VSWR 2 이하인 주파수 대역이 1.55-2.82 GHz(58.1%)로 시뮬레이션 결과와 유사하게 나타났다.

이득은 전파 무반사실에서 최대 복사 방향인 +y축 방향으로 측정하였다. 이득이 7 dBi 이상인 주파수 대역은 1.54-2.83 GHz(59.0%)로 시뮬레이션 결과와 유사하다.

그림 6은 제작된 안테나의 측정된 복사 패턴을 1.7 GHz, 2.2 GHz, 2.7 GHz의 세 주파수에서 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 측정된 복사 패턴은 시뮬레이션 결과와 유사하며, 전후방비는10 dB 이상유 지됨을 알 수 있다.

그림 6. 복사 패턴 비교: (a) 1.7 GHz, (b) 2.2 GHz, (c) 2.7 GHz

Fig. 6. Comparison of radiation patterns: (a) 1.7 GHz, (b) 2.2 GHz, and (c) 2.7 GHz

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 미앤더라인 배열 구조를 이용하여 1.54-2.83 GHz주파수대역에서7 dBi 이상의 이득을 유지하는 이중 다이폴 준-야기 안테나를 제안하였다. 4×1 미앤더라인 배열 구조를 이중 다이폴 준-야기 안테나의 두 번째 다이폴 위에 배치하면 미앤더라인 배열 구조의 유효 굴절률이 FR4 기판 보다 높아 등가적으로 렌즈 역할을 하여 이득을 향상시킬 수 있다.

기존에 이득 향상을 위해 많이 사용하는 직사각형 패치 모양의 스트립 도파기를 사용하였을 때와 입력 반사 계수와 이득을 비교하였다. 비교 결과, 제안된 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나의 입력 반사 계수의 대역폭과 이득이 7 dBi 이상인 주파수 대역폭이 조금 더 넓은 것을 알 수 있었다. 또한, 이득이 7 dBi 이상인 주파수 대역에서의 평균 이득도 조금 크다.

기존 스트립 도파기에 비해 미앤더라인 배열 구조는 형상이 복잡하고 주파수 대역 내에서 입력 반수 계수 크기가 커질 수 있다. 또한 이득이 7dBi 이상인 주파수 대역에서 평편비가 스트립 도파기를 사용할 때 보다 크다. 이런 한계점은 추가적인 설계 변수 최적화를 통해 조정할 수 있을 것으로 판단된다.

FR4 기판에 제작된 안테나의 성능을 측정한 결과, VSWR 2 이하인 주파수 대역이 1.55-2.82 GHz(58.1%)이고, 이득이 7 dBi 이상인 주파수 대역은 1.54-2.83 GHz(59.0%)로 시뮬레이션 결과와 유사하게 나타났다.

제안된 미앤더라인 배열 구조를 사용한 이중 다이폴 준-야기 안테나는 디지털 방송 수신용 안테나, RFID 리더용 안테나, 5세대 및 6세대 이동통신 기지국 및 중계기용 안테나 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.