韓國電磁波學會論文誌第 19 卷第 12 號 2008 年 12 月論文 2008-19-12-14 이동통신용소형방향성다이폴안테나 Small Size Directional Dipole Antenna for Mobile Communications 이광재 우덕제 김상진 * 이재욱 이택경 Kwang-Jae Lee Duk-Jae Woo Sang-Jin Kim* Jae-Wook Lee Taek-Kyung Lee 요약 본논문에서는이동통신중계용방향성다이폴안테나의소형화방안과다중대역특성을가지게하는구조를제안한다. 무지향성의다이폴안테나에평면반사판을적용하면넓은빔폭의전면방향성을가지게된다. 방향성다이폴의소형화를위해반사판의크기를줄였고, 이때생기는후면방사문제를해결하기위해수직스터브를제안하였다. 또한, 수직스터브에다이폴방향으로수평스터브를연결하면다이폴의유효전류길이가증가하게되어안테나를더욱소형화할수가있다. 현재의이동통신서비스시장의추세에따라안테나를다중 / 광대역화하기위해서로다른주파수에서동작하는다이폴안테나를전자기결합하여다중 / 광대역특성을가지게설계하였다. Abstract In this paper, we present a small size and multiband directional dipole antenna for mobile communication repeaters. In the omni-directional dipole antenna, a planar reflector under the dipole provides improved directivity in front-direction with wide beamwidth. In order to miniaturize the directive dipole, the size of the reflector is reduced. A vertical stub on the reflector is proposed to enhance the front-directivity of the radiation pattern and mitigate the backward radiation due to the reduced reflector. Furthermore, we use horizontal stubs on edge of vertical stub to obtain additional reduction of the antenna size. To meet the current demand of wireless communication service, the designed antenna shows wideband characteristic by employing electromagnetic coupled two-dipoles with dual-resonance frequencies. Key words : Directional Dipole Antenna, Miniaturization, Multiband Ⅰ. 서론 일반적인중계용안테나는건물의천장및벽면에설치되기때문에전면방향성의넓은빔폭을가최근의이동통신서비스가급속히발전하고그지는방사특성을보여야한다. 넓은빔폭의전면방적용범위가확장됨에따라개인무선통신의소요향성특성을가지는대표적인안테나로는마이크로가기하급수적으로증가하고있다. 이때문에이동스트립패치안테나가있지만, 구조의특성상광대국과기지국간의연결이보다중요해지고있고특히역으로구현하기가상당히어렵다는문제점이있다 [1]. 밀집건물또는건물내의전자파음영구역에서통이러한광대역의전면방향성안테나를얻기위해신국간에원활한연결을위해중계국의역할이더무지향성의다이폴안테나에평면반사판을적용해욱더필요해지고있다. 방향성다이폴안테나를설계하였다. 다이폴안테나 이연구는 2007년도중소기업청산학연공동기술개발컨소시엄사업의연구비지원으로연구되었음. 한국항공대학교항공전자및정보통신공학부 (School of Electronics, Telecommunication and Computer Engineering, Korea Aerospace University) *( 주 ) 감마누 (GAMMA NU, INC.) 논문번호 : 20081128-01S 수정완료일자 : 2008년 12월 3일 1416
이동통신용소형방향성다이폴안테나 는공진점에서의임피던스가시스템임피던스 50옴과정합하기쉬운값을가지기때문에마이크로스트립패치안테나보다넓은대역폭을가진다 [2],[3]. 한편, 대부분의안테나의관심사가그러하듯이중계용안테나도설치장소와미관을고려하여소형크기의안테나가요구된다. 하지만공진형안테나는그크기가성능과밀접한관계를가지기때문에소형화에한계를가진다. 그리하여소형화가요구되는안테나설계시안테나의크기가작아지면서저하되는다른특성을확인하고, 이를유념해설계해야할필요가있다. 현재의이동통신서비스시장은기본역할이었던이동전화와간단한메시지가가능한서비스의 2G에서부터다양한멀티미디어의데이터통신서비스 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 의 3G, 무선초고속인터넷인 WiBro(Wireless Broadband Internet), 이동형디지털멀티미디어방송 DMB (Digital Multimedia Broadcasting) 까지요구하고있어서서비스제공자는각주파수별안테나를설치해야하고, 이를운영하기위해많은비용을소모하게된다. 이러한문제를해결하기위해안테나가다중대역특성을가지게되면다양한서비스를하나의안테나로동시에운영할수있게되고그만큼유지보수가쉬워지게된다. 본논문에서는지금까지언급한소형, 다중대역의특성을유도하기위해방향성다이폴안테나의반사판크기를줄이고, 그크기가감소함에따라생기는후면방사문제를수직스터브를통해극복하였다. 또한, 안테나방사체를소형화하기위해수직스터브에수평스터브를두어다이폴안테나의유효전류길이를증가시켜안테나의크기를소형화하였다. 그리고다중대역특성을가지게하기위해동작주파수가다른다이폴안테나를전자기결합하는방법을이용하였다. 이렇게제안된안테나는 VSWR<2 이하 687~ 1,101 MHz, 1,710~2,660 MHz의대역폭을가졌으며, 저주파대역에서이득 5.15 dbi, 수평빔폭 148도, 수직빔폭 87도, 고주파대역에서이득 6 dbi, 수평빔폭 76도, 수직빔폭 73도의결과를얻었다. 이는한국형이동통신서비스인 TRS(Trunked Radio System), Cellular, PCS(Personal Communication Services), W- 그림 1. 평면반사판을가지는방향성다이폴 (l 1=160 mm) Fig. 1. Directional dipole antenna with flat reflector (l 1=160 mm). 그림 2. 무한면적의완전한전기적도체위에놓인수평전기적반파장다이폴 (PEC) Fig. 2. Horizontal electric half-wave dipole above on infinite Perfect Electric Conductor(PEC). CDMA, WiBro, WLAN(Wireless LAN), S-DMB(Satellite-DMB) 등의서비스를동시에적용가능한결과이다. Ⅱ. 평면반사판을가지는방향성다이폴 벽면과천장에설치될중계용안테나는넓은빔폭의전면방사특성을가져야하는데, 이러한방사특성을가지는일반적인안테나는마이크로스트립패치안테나가있다. 하지만마이크로스트립패치안테나는협대역특성을가지기때문에중심주파수대비 40 %(1,710~2,655 MHz) 에이르는광대역, 다중대역이동통신안테나에적용하기는상당히어려운문제점이있다 [1]. 본논문에서는그림 1과같이무지향성의평면다이폴안테나에평면반사판을두어넓은빔폭의전면방향성을가지게설계하였다. 반파장다이폴안테나는공진시 50 옴에근접하므로임피던스정합 1417
韓國電磁波學會論文誌第 19 卷第 12 號 2008 年 12 月 그림 3. 무한 PEC 위에놓인수평전기적다이폴의높이변화에따른정규화전력패턴 Fig. 3. Normalized power pattern as a function of horizontal electric dipole height above infinite PEC. 이쉬워넓은대역폭을가진다. 또한, 도선형태의다이폴에비해평면형태의다이폴은더욱광대역특성을가져실용적인접근이용이하다 [2],[3]. 그림 1 의평면반사판안테나는그림 2와같이무한면적의완전한전기적도체 (PEC) 위에높이 h 1 으로놓인수평전기적반파장다이폴로모델링할수가있다 [3]. 실제반사판은유한한크기를가지지만반파장다이폴에비해큰크기라면충분히훌륭한근사결과를얻을수있다. PEC 위에놓여있는수평전기적다이폴은영상이론에의해그크기가같고위상이반대인영상다이폴과의합으로표현될수있다. 이때관측점에서의전체전장은직접적인전계성분과반사된전계성분과의합으로표현되며원거리근사법을이용하여식 (1) 과같이쓸수있다 [3]. Ψ 는수평다이폴이누워있는 y축과관측점이이루는각도이며, I 0 는다이폴에흐르는전류이고, η 0, k 0 는각자유공간에서의파동임피던스와파수이다. 전체전장은소자성분과배열성분 ( 대괄호 ) 으로이루어져있으며, 특히배열성분은다이폴높이 h 1 과앙각 (elevation angle: θ) 에관련된함수임을알수있다. 그림 3에서는전체전장을이용해 φ= 0 에서의 h 1 에대한정규화전력패턴 (power pattern) 을구하였다. 그림 3에서볼수있는것처럼 h 1 이반 파장보다작은값을가질때전면방향성을가지나반파장이상의값을가질때는전면방향 ( θ=0 ) 에서널 (null) 이생기는것을알수가있다. 즉, 전면방향성안테나를설계하려면 h 1 의값을반파장이하에서선택해야한다. 이때 xy-평면은소자성분에의해무지향성방사특성을보인다. 또한, 얻어진전장을이용해지향성 (directivity) 을구하면다음의식 (2-1) ~(2-3) 과같이얻을수있다. D 4sin 2 ( kh 0 1) ( ) ( h λ ), kh π 2 4 0 1 1 R k0h1 0 = 4 kh 0 1 > π 1 > R( k0h1) ( ) R k h ( h λ ), 2 4 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 sin 2kh cos 2kh sin 2kh = [ ] 0 1 0 1 0 1 0 1 2 3 3 2kh 0 1 2kh 0 1 2kh 0 1 (2-1) (2-2) (2-3) 그림 4에서는무한 PEC 위에놓인수평전기적반파장다이폴의높이변화에따른지향성을보였다. h 1 이 0일때는실제방사가일어나지않지만 h 1 이점차작은값을가지기시작하면서지향성은최대 8.75 db부터주기적으로변화해 8 db 근방에서수렴하는것을알수있다. 안테나의지향성을고려하여 그림 4. 무한 PEC 위에놓인수평전기적다이폴의높이변화에따른지향성과입력임피던스 Fig. 4. Directivity and input impedance as a function of horizontal electric dipole height above infinite PEC. jk01 r jk02 r ki 0 0( λ ) e ki 0 0( λ ) e T d r E 2 2 ψ = Eψ + Eψ = jη0 sinψ + jη0 sinψ 4πr1 4πr2 jk0r ki 0 0( λ 2 ) e 2 2 = jη 0 1 sin θsin φ [2 jsin( k0h1cos θ)] ( z h1 ;0 θ π 2,0 φ 2 π) 4π r (1) 1418
이동통신용소형방향성다이폴안테나 h 1 을선택해야하나, 앞의그림 3에서본것처럼전면방향성을가지게하려면다이폴의높이를반파장 이하에서설계하여야한다. 또한, 그림 4에서는 h 1 변화에따른공진시입력임피던스를도시하였고, PEC가아닌자유공간상에놓인반파장다이폴의입력임피던스 (73+j42.5Ω) 와비교를하였다. 본논문에서는셀룰러주파수대역인 850 MHz( 파장 : 350 mm) 에서동작하는안테나를설계하기위해높이를 0.07 파장근방 (25 mm) 의값으로선택하였다. 이를그림 4와비교하면지향성은 8.5 db 이상의값을기대할수있으나, 입력임피던스의경우자유공간에서다이폴과비교할시저항성분은보다낮은값에서, 리액턴스는높은값에서얻어지게된다. 본논문의경우, 안테나설계에서입력임피던스보다지향성에초점을두고 h 1 을택한것이다. 이러한입력임피던스의변화는추가적인구조를통해서정합이가능할것이라예상하기때문이다. 또한기존의개발되는중계용안테나세트의두께가 45~50 mm 정도임을감안하면더높은 h 1 값을선택하기가어려워진다. Ⅲ. 방향성다이폴의소형화, 다중대역화 3-1 반사판의소형화 방향성다이폴에서가장큰면적을차지하는것은평면반사판이기때문에안테나의소형화를위해서는우선반사판의크기를줄이는과정을거쳐야한다. 하지만반사판을줄이는과정이안테나의방사특성을비롯한다른특성에어떤영향을미치는지를확인해야할필요가있다. 이미 Ⅱ장에서평면반사판의방향성안테나를무한한크기의 PEC 위에놓인수평전기적다이폴로근사화할수있고, 반사판이다이폴에비해큰크기를가질경우상당히정확한근사결과를얻을수있다고언급하였다. 하지만실제반사판이다이폴과비슷한크기를가지게될경우 Ⅱ장에서의근사와는다른결과를보인다. 그림 5에서는 Ⅱ장에서설계된안테나의반사판길이 (l 2) 가줄어들때방사특성을보였다. 그림에서볼수있는것처럼반사판의길이가다이폴의길이와근접한반파장 (175 mm) 이상의값을가질때는이득 7.5 db에근접한전면방향성을가지나, 다이폴 그림 5. 반사판의길이에따른방사특성의변화 Fig. 5. Variation of radiation pattern as a function of flat reflector length. 길이 (160 mm) 보다작은값을가질때에는전면방사가줄어들고후면방사가증가하는현상을보인다. 반사판의길이가 140 mm가되었을때에는안테나는완전한후면방사특성을가지게된다. 반사판이다이폴에비해큰크기일때는무한한 PEC로근사화할수있으나, 서로비슷한크기를가지게되면반사판은기생소자로동작한다고볼수가있고, 이는야기-우다 (Yagi-Uda) 배열로설명이가능하게된다 [4]. 반사판이다이폴 (driven element) 보다큰크기를가질때에는반사기 (reflector) 로동작하지만, 크기가작을때에는도파기 (director) 처럼동작하게되어다이폴의후면 ( 반사판방향 ) 으로방사가일어나게된다 [5]. Ⅱ 장에서이미 φ방향으로는무지향성특성을가진다고설명한바있다. 즉, φ=0 의수평패턴뿐아니라 φ=90 의수직패턴에서도같은경향을보인다. 한편, 반사판의폭변화에대해서는방사특성의변화가그다지심하지않는데, 이는야기-우다배열에서반사기와도파기를구분하는주된변수가소자의길이이기때문이다. 본논문에서는이러한반사판의크기가줄어들때생기는후면방사를전면방사로유도하기위해그림 6에서볼수있는것처럼반사판의양끝단에수직스터브를설치하였다. 그림 7을보면반사판의길이가 140 mm를가질때후면방사특성을보이는데, 수직스터브를설치하면전면방사를유도하는것을알수가있다. 이는실제줄어든반사판의길이가수직스터브의높이 (h 2) 에의해전기적유효길이가다시증가되기때문이다. 또한, 반사판의다른부 1419
韓國電磁波學會論文誌第 19 卷第 12 號 2008 年 12 月 그림 6. 수직스터브를가지는방향성다이폴 (l 1=160 mm, l 2=140 mm, h 1=25 mm) Fig. 6. Directional dipole with vertical stub(l 1=160 mm, l 2=140 mm, h 1=25 mm). 는관계에있고 [9], 방사체를접거나기생소자를사용하는방법은안테나표면전류가상쇄되는구조가대부분이어서이득의감소가문제된다. 본논문에서는그림 8과같이이전절에서제안된수직스터브에다이폴방향으로수평스터브를두어다이폴방사체의소형화를유도했다. 그림 9를보면수평스터브의길이 (l 3) 가길어질수록공진주파수가저주파로이동한다. 또한, l 3 가증가함에따라임피던스정합의효과를가지는것을알수있다. 이를이용하면다이폴방사체를소형화할수있는데, 이러한현상은수평스터브가다이폴의유효공진길이를증가시키기때문이다. 그림 10과 11에선제안된안테나의표면전류의흐름과분포 (y-방향성분 ) 를보여주고있다. 다이폴에서여기된전류는반사판에서반대방향의흐름을가지나, 반사판에직접연결되어있는수직스터브를 그림 7. 수직스터브의높이에따른방사패턴변화 Fig. 7. Variation of radiation pattern as a function of vertical stub height. 분이아닌끝부분에스터브를설치함으로스터브를반사판에고정하기위한추가적인공정없이한조각의금속소자로안테나조립이가능하기때문에제작에도유리한장점이있다. 스터브의위치결정에따른또다른이유는 PIM 개선을위함인데, 이후 Ⅴ장에서다시언급하기로한다. 그림 8. 수평스터브를가지는방향성다이폴 (l 1=140 mm, l 2=160 mm, h 1=25 mm, h 2=35 mm) Fig. 8. Directional dipole with horizontal stub(l 1=140 mm, l 2=160 mm, h 1=25 mm, h 2=35 mm). 3-2 방사체의소형화 이전절에서는방향성다이폴의반사판소형화와그에따른문제점을해결하는방법을제안하였다. 이제이번절에선다이폴방사체를소형화하는관점으로접근하려고한다. 방사체를소형화하는잘알려진방법은고유전체를사용하거나, 방사체를적절히접거나, 방사체근방에기생소자를두어안테나의전기적공진길이를증가시키는방법들이있다 [6] ~[8]. 하지만안테나의대역폭은유전율과반비례하 그림 9. 수평스터브의길이에따른주파수응답특성변화 Fig. 9. Frequency response as a function of horizontal stub length. 1420
이동통신용소형방향성다이폴안테나 그림 10. 제안된안테나의표면전류흐름경로 Fig. 10. Surface current path of proposed antenna. 그림 12. 안테나별크기에따른전면방사이득변화 Fig. 12. Front direction gain as a function of antenna size. 그림 11. 제안된안테나의표면전류분포 Fig. 11. Surface current distribution of proposed antenna. 통해흐르는전류는수평스터브에서다이폴과같은방향의전류분포를보인다. 즉, 안테나의표면전류가상쇄되지않으며소형화할수있는구조이기때문에이득감소의문제점측면에서유리하게작용된다. 이를이용해방사체와반사판을줄여가며 824~ 960 MHz의대역폭을가지는방향성다이폴을안테나크기별로설계하였고, 850 MHz에서전면방사이득을그림 12에서보였다. 스터브가없는방향성다이폴안테나는크기 160 mm부터전방방사이득이감소하기시작하며후방방사로역전된다. 130 mm 이후에는다시이득이증가하는데, 이는전방방사이득이증가하는것이아니라무지향성특성으로변화하기때문이다. 이러한준무지향성패턴 (Quasiomnidirectional pattern) 은더이상방향성안테나로볼수없다. 반면에스터브가적용된안테나는크기가작아져도계속전면방사특성을유지함을알수있다. 하지만크기가작아질수록이득은점차감소하는경향을보인다. 지금까지제안된이득의개선을위한여러작업을통해서도완전한이득감소문제해결은얻을수없었다. 하지만이득의감소의영향을최소한으로하여얻은소형화의결과는상당히획기적인수치를보인다. 만약고이득보다소형의안테나가요구되는특수한상황에선이러한결과는 상당히유리하게적용할수있을것이다. 본논문에서는이득성능측면까지고려하여방향성안테나의최소요구이득을 5 dbi로정하였고설계를진행하였다. 3-3 전자기결합을이용한다중대역화 서론에서언급한바와같이현재의이동통신서비스는한사업자가다수의서비스를동시에제공해야하기때문에다중대역의안테나를사용하여운영손실을줄여야한다. 이러한이유때문에안테나를다중대역화하기위한연구는꾸준히진행되어왔다 [10],[11]. 본논문에서는이전절까지제안들이적용된 850 MHz 방향성다이폴안테나에다중대역특성을가지게하기위해 1,750 MHz에서동작하는다이폴 ( 제 2 다이폴 ) 을 2소자배열하여 850 MHz 다이폴 ( 제 1 다이폴 ) 과일정한간격을유지하게하여전자기결합 (electromagnetic coupling) 하였다. 그림 13에서는이러한구조를그림으로보여주고있다. 제 2 다이폴은일정간격으로배열된두소자가급전되는부분을공유하고있는데, 제 1 다이폴을통해전원전류가공급되면공유부분에서집중적으로전자기결합되고, 두배열소자에대칭적으로공급된다. 배열의간격은 1,750 MHz 방사패턴에영향을주므로가장왜곡되지않은전면방향의방사특성을가지게정한다. 또한, 안테나의임피던스정합을위해수직벽 (vertical wall) 을추가하였다. 그림 14에서는두개의다른공진주파수를가지는안테나를전자 1421
韓國電磁波學會論文誌第 19 卷第 12 號 2008 年 12 月 그림 13. 다른동작주파수를갖는두다이폴이전자기결합된다중대역방향성다이폴 (l 1= 130 mm, l 2=150 mm, l 3=19 mm, l 4=82 mm, h 1=25 mm, h 2=30 mm, h 3=25 mm) Fig. 13. Multiband directional dipole with electromagnetic coupled dipole which differential operating frequency(l 1=130 mm, l 2=150 mm, l 3= 19 mm, l 4=82 mm, h 1=25 mm, h 2=30 mm, h 3=25 mm). 그림 15. 제 1 다이폴의길이변화에따른주파수응답특성 Fig. 15. Frequency response as a function of No. 1 dipole length. 그림 14. 다중대역방향성다이폴의주파수응답특성 Fig. 14. Frequency response of multiband directional dipole. 그림 16. 제 2 다이폴의길이변화에따른주파수응답특성 Fig. 16. Frequency response as a function of No. 2 dipole length. 기결합을통해다중대역특성을유도한주파수응답특성을보여준다. 그림 14에서볼수있는것처럼두안테나의전자기결합후저주파대역 (824~960 MHz) 특성을유지하면서고주파대역 (1,710~2,655 MHz) 공진이새로생긴것을알수있다. 실제제 1 다이폴은 850 MHz에서기본공진을형성하고, 이후 2,200 MHz에서 2차공진이일어난다. 여기에제 2 다이폴을전자기결합시키면 1,750 MHz에서기본공진을형성하고, 이후 2,500 MHz에서 2차공진이나타난다. 이렇게전자기결합된안테나는 824~960 MHz, 1,710~2,655 MHz의다중대역특성을얻을수있게된다. 이는그림 15와 16의각안테나가담 당하는공진구간을통해알수있다. 이러한전자기결합을이용하여얻을수있는장점은크게두가지이다. 첫째로독립적인조절이가능한다중대역특성이다. 본절처음에서언급한바와같이다중대역특성을얻기위해서는방사소자를표면전류가서로다른길이를가지며, 각기다른경로로나뉘는형태를고안해야한다. 이때이들의형태가직접연결될시서로종속적인특성을가지게된다. 즉, 특정대역을담당하는방사부분을변경하게되면다른대역도영향을받게되는문제가생긴다. 하지만본논문에서시도한전자기결합의경우그림 15, 16에서볼수있는것처럼각각의대 1422
이동통신용소형방향성다이폴안테나 역을담당하는부분의변화에둔감하여서로독립적인조절이가능하다. 한편, 전자기결합을통해얻을수있는두번째장점은광대역특성이다. 위에서언급한바와같이두다이폴의기본및고차모드의공진점을적절히위치하게하면 1,710~2,655 MHz의중심주파수대비 40 % 에이르는광대역특성을유도할수있다. 또한제 1, 2 다이폴의간격을통해전자기결합정도를조절할수있어임피던스정합측면에도유리하다. (a) Ⅳ. 제안된안테나의제작및측정 그림 17과표 1은 Ⅲ장에서는최종제안된소형화된다중대역의방향성다이폴의구조파라미터와그수치를나타냈고, 이를토대로제작된안테나시제품을보였다. 방사체는두께 0.5 mm의황동소자를, 반사판은두께 1.5 mm의알루미늄소자를사용하였다. 그림에서볼수있는것처럼제 1 다이폴아래로평행판전송선, 동축케이블과커넥터를사용하여급전을하였다. 그리고제 1 다이폴에급전되기직전에는평행판전송선의폭을변화하여임피던스정합하였다. 반사판과방사소자는플라스틱지지대를사용하여소자간높이및간격을유지하게하였다. 그림 18, 19에서는제작된시제품의측정된주파수응답특성과무반향실에서측정된주파수별방사패턴을보였다. 제안된안테나는 120 100 35 mm( 레이돔포함 ) 크기로 VSWR<2 이하 687~1,101, 1,710 ~2,660 MHz의대역폭을가졌으며, 저주파대역에서최고이득 5.3 dbi, 평균빔폭수평 148도, 수직 87도, 고주파대역에서최고이득 7.8 dbi, 평균빔 표 1. 제안된최종안테나의파라미터별수치 Table 1. Design values of proposed antenna. w 1 30.0 w 2 95.0 w 3 7.0 w 4 19.0 w 5 13.0 w 6 7.0 l 1 108.0 l 2 115.0 l 3 22.0 l 4 82.0 l 5 5.0 l 6 39.5 g 1 3.0 g 2 46.0 g 3 23.0 g 4 3.0 g 5 10.0 g 6 1.5 h 1 25.0 h 2 30.0 h 3 15.0 h 4 0.5 d 8.0 unit (mm) (b) (c) 그림 17. 제안된최종안테나의 (a) 구조, (b) 파라미터와 (c) 제작된시제품 Fig. 17. (a) Geometry of proposed antenna, (b) parameters of each part and (c) fabricated antenna. 폭수평 76도, 수직 73도의결과를얻었다. 이는한국형이동통신서비스인 TRS, Cellular, PCS, WCD- MA, WiBro, WLAN, S-DMB 등의서비스를동시에적용가능한결과이다. 그리고표 2에서는시제품과실제시판되는중계용안테나의대표적특성들을비교하여시제품이충분히상용화가능한결과물임을보였다. Ⅴ. 결론 본논문에서는이동통신중계용안테나의적용 1423
韓國電磁波學會論文誌第 19 卷第 12 號 2008 年 12 月 (a) 그림 18. 제작된시제품의 (a) 반사손실과 (b) 정재파비측정결과 Fig. 18. (a) Measured return loss and (b) VSWR of fabricated antenna. (b) (a) 900 MHz(Cellular) (b) 1,780 MHz(PCS) (c) 2,130 MHz(WCDMA) (d) 2,300 MHz(WiBro) (e) 2,655 MHz(S-DMB) 그림 19. 제안된안테나의주파수별방사패턴 Fig. 19. Measured radiation patterns. 표 2. 제작된시제품과시판품의안테나성능비교 Table 2. Comparison between fabricated prototype and marketed products. 제품 ( 모델명 ) 크기 L W H(mm) 대역폭 ( 기준 VSWR) 이득 Low-/high-band 빔폭 Low-band(H/V) High-band(H/V) 본시제품 120 100 35 687-1100/1710-2660(2.0:1) 5.3/7.8 148/87 76/73 11 ( 주 ) 감마누 (MBPS-2500-9) [12] 210 180 42 824-960/1710-2655(1.8:1) 7.0/8.0 90/60 80/40 15 ( 주 ) 에이스안테나 (PAT-CID) [13] 220 220 45 824-894/1885-2655(1.8:1) 7.0/7.0 90/50 90/50 15 Kathrein(742290) [14] 328 155 69 824-960/1710-2170(1.7:1) 7.0/7.0 90/60 82/70 18 F/B Ratio 1424
이동통신용소형방향성다이폴안테나 을위한소형의다중대역방향성다이폴안테나를설계하였다. 우선방향성다이폴의적절한이득과높이결정을위해이론적접근을하였고, 또한안테나를소형화하기위해수직및수평스터브를제안하였으며, 안테나의크기와이득간의상호관계를보여설계의초점을제시하였다. 현재의이동통신서비스시장의추세에맞추어안테나를다중대역화하기위해동작주파수가서로다른다이폴을전자기결합하였고, 전자기결합이안테나설계에용이하고보다광대역특성을유도함을보였다. 제작된시제품은이동통신중계용안테나로적용가능한결과를얻었고, 실제시판되는안테나와비교하여이를검증하였다. 참고문헌 [1] R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl, and A. Ittipiboon, Microstrip Antenna Design Handbook, Artech House, pp. 2, 533-539, 2001. [2] W. L. Stutzman, G. A. Thiele, Antenna Theory and Design, Wiley, pp. 169-170, 173, 1998. [3] C. A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, Wiley, pp. 184, 197-204, 514, 2005. [4] Y. Mushiake, "A theoretical analysis of the multielement endfire array with particular reference to the yagi-uda antenna", IRE Trans. Antennas Propag., vol. AP-4, pp. 441-444, Jul. 1956. [5] G. A. Thiele, "Analysis of yagi-uda type antenna", IEEE Trans. Antennas Propg., vol. AP-17, no. 1, pp. 24-31, Jan. 1969. [6] Y. Zhou, C. Chen, and J. L. Volakis, "Single-fed circularly polarized antenna element with reduced coupling for GPS arrays", IEEE Trans. Antennas Propg., vol. 56, no. 5, pp. 1469-1472, May 2008. [7] W. Hong, K. L. Sarabandi, "Low profile miniaturized planar antenna with omnidirectional vertically polarized radiation", IEEE Trans. Antennas Propg., vol. 56, no. 6, pp. 1533-1472, Jun. 2008. [8] H. Lee, T. Lee, W. Jang, and J. Lee, "Miniaturization of planar spiral monopole antennas with parasitic elements for terrestrial DMB application", in IEEE Int. Symp. Antennas and Propag.(ISAP), Seoul Korea, pp. 573-576, Aug. 2005. [9] G. Kumar, K. P. Ray, Broadband Microstrip Antennas, Artech House, pp. 13, 45, 2003. [10] P. Ciais, R. Staraj, G. Kossiavas, and C. Luxey, "Design of an internal quad-band antenna for mobile phones", IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 14, no. 4, Apr. 2004. [11] S. R. Best, "A multiband conical monopole antenna derived from a modified Sierpinski gasket", IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 2, pp. 205-207, 2003. [12] Gamma Nu. Inc., [Online]. Available: http://www. gammanu.com/uploadfile/product_web/mbps-2500-9/mbps-2500-9.htm [13] Ace Antenna Corp., [Online]. Available: http://www. aceantenna.co.kr [14] Kathrein Inc., [Online]. Available: http://www. kathrein-scala.com/catalog/742290.pdf. 이광재 2007 년 2 월 : 한국항공대학교항공전자및정보통신공학부 ( 공학사 ) 2007 년 3 월 ~ 현재 : 한국항공대학교항공전자공학과석사과정 [ 주관심분야 ] 소형 광대역안테나마이크로능 수동소자설계및분석 우덕제 2002년 2월 : 한국항공대학교항공전자공학과 ( 공학사 ) 2005년 2월 : 한국항공대학교항공전자공학과 ( 공학석사 ) 2005년 3월~현재 : 한국항공대학교항공전자공학과박사과정 [ 주관심분야 ] 주기구조의모델링및회로응용, 능 수동소자모델링, 안테나 1425
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