<363720C0CCC1BEC0CD2DC1F7B7C420B1DEC0FCB5C820B5CE20B0B3C0C720B4D9C0CCC6FA2E687770>

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1 Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society Vol. 12, No. 11 pp , 여준호 1, 이종익 2* 1 대구대학교정보통신공학부, 2 동서대학교전자공학과 Bandwidth Improvement of a Series-fed Two Dipole Array Antenna Junho Yeo 1 and Jong-Ig Lee 2* 1 School of Computer and Communication, Daegu University 2 Department of Electronics Engineering, Dongseo University 요약본논문에서는이동통신용기지국안테나로사용할수있는직렬급전된두개의다이폴배열 (STDA) 안테나의대역폭향상에관해연구하였다. 제안된 STDA 안테나는두개의서로다른길이의스트립다이폴안테나가코플래너스트립라인급전선으로바로연결되어있다. 두다이폴사이의간격과두번째다이폴의길이를조정함으로써대역폭을증가시킬수있다. 또한, 급전부를최소화하기위해단락이종단된마이크로스트립라인과슬롯라인으로구성된내장밸런을사용하였으며, 급전위치를조정하여광대역임피던스정합을얻을수있었다. 제안된구조로현재운용되는이동통신주파수를모두포함하는 GHz 대역에서이득이 5dBi 이상인안테나를설계하고 FR4 기판 ( 비유전율 4.4, 두께 0.8 mm) 상에제작하여특성을실험하였다. 제작된안테나는 VSWR<2 기준으로임피던스대역폭이 49%( GHz) 이고 5.5 dbi 이상의이득을가지며, 12 db 이상의전후방비를가진다. Abstract In this paper, bandwidth improvement of a series-fed two dipole array(stda) antenna applicable for mobile communication base station antennas is studied. The proposed STDA antenna consists of two strip dipole antennas with different lengths which are connected directly trough a coplanar stripline(cps). By adjusting the spacing between the two dipoles and the length of the second dipole, the bandwidth of the STDA can be enhanced. In addition, an integrated balun composed of a short-circuited microstrip line and a slot line is utilized to minimize the area required for a feeding part, and a broadband impedance matching is obtained by adjusting the feeding point. Based on the proposed antenna structure, an STDA antenna covering the frequency band ranging from 1.75 GHz to 2.7 GHz, which includes almost all the existing mobile communication frequency bands, with more than 5 dbi gain is designed and fabricated on an FR4 substrate with dielectric constant of 4.4 and thickness of 1.6mm, and experimentally tested. The fabricated antenna shows impedance bandwidth of 49%( GHz) for VSWR<2, a gain higher than 5.5 dbi, and a front-back ratio better than 12 db. Key Words : Series-fed two dipole array(stda), Bandwidth improvement, Integrated balun, Mobile communication, Base station antenna 1. 서론 최근 4세대이동통신서비스의등장과함께다양한무선통신서비스가제공되고있으며새로운서비스를제공하기위해서는새로운기지국안테나가필요하다. 기존 의기지국안테나를그대로사용하면서새로운서비스를제공할수있는방법은기존무선통신주파수대역과새로운서비스대역을포함하는광대역기지국안테나를개발하는것이다 [1]. 대부분의기지국안테나는지향성을가지고서비스영 * 교신저자 : 이종익 (leeji@gdsu.dongseo.ac.kr) 접수일 11 년 09 월 09 일수정일 11 년 11 월 08 일게재확정일 11 년 11 월 10 일 5214

2 역을공간적으로구분할수있도록배열안테나 (array antenna) 를사용한다. 배열안테나를구성하는요소안테나로는다이폴안테나와패치안테나가주로사용된다. 특히다이폴안테나는저가이고제작이용이하여인쇄형기판을이용하여많이제작되고있다 [2]. 최근에는다이폴안테나의대역폭과이득을향상시키기위해반사기 (reflector) 와도파기 (director) 를추가한 quasi-yagi 안테나도다양한급전방식을이용하여많이개발되고있다 [3,4]. 이러한 quasi-yagi 안테나는광대역정합특성을얻으면이득이 3~5 dbi로낮아지고이득을높이면대역폭이감소하는단점이있다 [5]. 본논문에서는이동통신용기지국안테나로사용할수있는직렬급전된두개의다이폴배열 (STDA) 안테나의대역폭향상에관해연구하였다. 직렬급전된두개의다이폴배열안테나는 Tefiku 등 [6] 에의해연구되었으나두다이폴사이의간격과각다이폴의길이의영향에대한분석이없었으며광대역급전선로에대한분석도부족하다. 현재운용중인모든이동통신주파수대역을포함하는기지국안테나를설계하기위해코플래너스트립라인 (coplanar stripline: CPS) 급전선으로연결된 STDA 안테나의두다이폴사이의간격과두번째다이폴의길이에따른안테나입력반사계수의변화를조사하였다. 또한, 급전부를최소화하기위해단락이종단된마이크로스트립라인 (microstrip line: MS) 과슬롯라인 (slot line: SL) 으로구성된내장밸런 (balun) 을사용하였으며, 광대역임피던스정합을얻을수있는최적의급전위치도연구하였다. 모든시뮬레이션결과는상용 EM 설계툴인 CST 사의 Microwave Studio(MWS) 를이용하여도출하였다. 2. STDA 안테나구조및설계 2.1 안테나구조 그림 1은제안된 STDA 안테나의구조이다. 안테나가인쇄된기판의전면에는두개의길이가다른다이폴안테나 (D 1 및 D 2), 반사기역할을하는접지면 (R 0), 그리고이들을연결하는 CPS으로구성된다. 뒷면에는 MS이있으며끝부분을단락시키기위해비아 (via) 를이용해전면의 CPS의한쪽과연결된다. MS의길이즉급전점의위치를조정하여특성임피던스 50오옴인 MS과광대역정합을시킬수있다. 이때단락이종단된 MS와 SL은내장밸런을구성한다. 그림 1에서첫번째및두번째다이폴의길이와폭은각각 l d1, w d1, l d2, w d2 이고, 첫번째다이폴과반사기사이의간격과두다이폴사이의간격은 s 1 과 s 2 이다. 접지면인반사기의길이와폭은 l g, w g 이다. 슬롯라인의중심으로부터 MS의중심까지의거리는 x f 이고반사기로부터급점점까지 MS의길이는 y f 이다. [ 그림 1] 제안된안테나구조 [Fig. 1] Geometry of a proposed antenna 2.2 안테나설계 STDA 안테나는기본적으로직렬급전된두개의다이폴안테나로구성되므로광대역주파수특성을얻기위해서는첫번째다이폴안테나가중심주파수보다약간낮은주파수에서공진하고두번째다이폴안테나는약간높은주파수에서공진하도록하여야한다. 이때첫번째및두번째다이폴안테나의길이와두안테나사이의간격이매우중요하다. 그림 2는두번째다이폴안테나의길이에따른입력 VSWR 특성을나타내고있다. 두번째다이폴안테나의길이는첫번째다이폴안테나길이의비로표시되었으며관계식은다음과같다. (1) 여기서 은첫번째다이폴안테나의길이에대한두 번째다이폴안테나길이의비이다. 이 0.7일때주어진주파수대역을만족하며, 이값보다적을때는주파수대역이낮은주파수로이동하며 GHz 대역에서 VSWR이 2보다커짐을알수있다. 이 0.7보다클때는전체대역폭이줄어든다. 이때반사기와두다이폴안테나사이의간격은 s 1 = s 2 = 36 mm로같으며다른안테나파라메터값들은다음과같다. l g = 900 mm, w g = 15 mm, x f = 5 mm, y f = 23 mm, l d1 = 72 mm, w d1 = w d2 =

3 한국산학기술학회논문지제 12 권제 11 호, 2011 mm. w CPS = 20 mm, w s = 0.7 mm, W = 115 mm. 그림 4는급전점의위치를결정하는반사기로부터급전점까지 MS의길이 y f 변화에따른입력 VSWR의특성이다. 길이가짧을수록주파수대역이낮은주파수로이동하는특성을보인다. [ 그림 2] 두번째다이폴길이에따른입력 VSWR 특성 [Fig. 2] Input VSWR characteristics vs. the second dipole antenna s length 그림 3은 = 0.7일때두다이폴사이의간격 s 2 를변화시킬때입력 VSWR 특성이다. 두다이폴사이의간격은반사기와첫번째다이폴사이의간격의비로표시되었으며관계식은다음과같다. (2) 여기서 은반사기와첫번째다이폴사이의간격에대한두다이폴사이의간격의비이다. 가 1.0일때주어진주파수대역을만족하며, 이값이증가할수록낮은주파수로이동하고대역폭이줄어든다. [ 그림 4] 급전점위치에따른입력 VSWR 특성 [Fig. 4] Input VSWR characteristics vs. feeding point 3. 안테나제작및측정결과 시뮬레이션결과로부터얻은최적의안테나파라메터를이용하여 FR4 기판 (, 두께 = 1.6 mm, loss tangent = 0.025) 에그림 5와같이 STDA 안테나를제작하였다. 제작된안테나의크기는 이다. (a) (b) [ 그림 5] 제작된 STDA 안테나 : (a) 전면, (b) 후면 [Fig. 5] Photograph of a fabricated STDA antenna: (a) front side and (b) back side [ 그림 3] 두다이폴사이의간격에따른입력 VSWR 특성 [Fig. 3] Input VSWR characteristics vs. the spacing between the two dipoles 그림 6은제작된안테나의입력임피던스정합특성을측정한것으로시뮬레이션결과와잘일치하는것을알수있다. VSWR<2인대역폭은시뮬레이션결과 47.6%( GHz) 와측정결과 49% ( GHz) 이다. 그림 7은제작된 STDA 안테나의이득특성을시뮬레 5216

4 이션결과와비교하고있다. 측정결과 5.5 dbi 이상이면서안정된이득분포 ( dbi) 를보인다. 그림 8은 1.8 GHz, 2.35 GHz 및 2.6 GHz에서 STDA 안테나의 E-면과 H-면복사패턴에대한측정결과에대한비교가나타나있다. 전후방비 (front-back ratio) 는 E-면과 H-면에대해서 12 db이상으로유지된다. (b) [ 그림 6] 제작된 STDA 안테나의입력 VSWR 특성 [Fig. 6] Input VSWR characteristic of the fabricated STDA antenna (c) [ 그림 8] 제작된 STDA 안테나의복사패턴 : (a) 1.8 GHz, (b) 2.35 GHz, (b) 2.6 GHz [Fig. 8] Radiation patterns of the fabricated STDA antenna: (a) 1.8 GHz, (b) 2.35 GHz, and (b) 2.6 GHz 4. 결론 [ 그림 7] 제작된 LPDA 및 LPBDA 안테나의이득특성 [Fig. 7] Realized gain characteristics of the fabricated STDA antenna (a) 본논문에서는직렬급전된두개의다이폴배열 (STDA) 안테나의대역폭향상에관해연구하였다. 제안된 STDA 안테나는두개의서로다른길이의스트립다이폴안테나가코플래너스트립라인급전선으로연결되어있다. 두다이폴사이의간격과두번째다이폴의길이를조정함으로써대역폭을증가시킬수있다. 또한, 급전부를최소화하기위해단락이종단된마이크로스트립라인과슬롯라인으로구성된내장밸런을사용하였으며, 급전위치를조정하여광대역임피던스정합을얻을수있었다. 제안된구조로현재운용되는이동통신주파수를모두포함하는 GHz 대역에서이득이 5dBi 이상인안테나를설계하고 FR4 기판 ( 비유전율 4.4, 두께 0.8 mm) 상에제작하여특성을실험하였다. 제작된안테나는 VSWR<2 기준으로임피던스대역폭이 49%( GHz) 이고 5.5 dbi 이상의이득을가지며, 12 db 이상의전후방비를가진다. 제안된안테나는 PCS, IMT2000, LTE 등의다양한이동통신을지원하는기지국안테나혹은소출력중계기용안테나로사용될수있다. 5217

5 한국산학기술학회논문지제 12 권제 11 호, 2011 References [1] J.-Y. Deng, Y.-Z. Yin, K. Song, H. Gao and Q.-Zh. Liu, "Broadband double-tuned element with low profile for base station antennas," Electron. Lett., vol. 46, no. 3, pp , Feb [2] R.L. Li, T. Wu, B. Pan, K. Lim, J. Laskar, and M.M. Tentzeris, "Equivalent-circuit analysis of a broadband printed dipole with adjusted integrated balun and an array for base station applications," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 57, no. 7, pp , Jul [3] G. Zheng, A.A. Kishk, A.W. Glisson, and A.B. Yakovlev, "Simplified feed for modified printed Yagi antenna," Electron. Lett., vol. 40, no. 8, pp , Apr [4] G.S. Shiroma and W.A. Shiroma, "A Two-Element L-Band Quasi-Yagi Antenna Array With Omnidirectional Coverage," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 55, no. 12, pp , Dec [5] N. Kaneda, W.R. Deal, Y. Qian, R. Waterhouse, and T. Itoh, "A broad-band quasi-yagi antenna," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 50, no. 8, pp , Aug [6] F. Tefiku, and C. A. Grimes, Design of broad-band and dual-band antennas comprised of series-fed printed-strip dipole pairs, IEEE Trans. Antennas Propag., vol 48, no. 6, pp , Jun 이종익 (Jong-Ig Lee) [ 정회원 ] 1992 년 2 월 : 경북대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1994 년 2 월 : 경북대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 1998 년 8 월 : 경북대학교전자공학과 ( 공학박사 ) 1998 년 3 월 ~ 12 월 : 금오공과대학교연구교수 1999 년 3 월 ~ 현재 : 동서대학교전자공학과부교수 < 관심분야 > 전자기산란, 평면안테나 여준호 (Junho Yeo) [ 정회원 ] 1992 년 2 월 : 경북대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1994 년 2 월 : 경북대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 2003 년 8 월 : 미국 Pennsylvania State University 전기공학과 ( 공학박사 ) 1994 년 3 월 ~ 1999 년 6 월 : 국방과학연구소연구원 2003 년 9 월 ~ 2004 년 6 월 : 미국 Pennsylvania State University 박사후과정 2004 년 8 월 ~ 2007 년 2 월 : 한국전자통신연구원 RFID 시스템연구팀선임연구원 2007 년 3 월 ~ 현재 : 대구대학교정보통신공학부조교수 < 관심분야 > AMC, EBG, FSS 설계및안테나응용, RFID 및광대역안테나, 전자파산란 5218