ZigBee 통신을위한인쇄형야기안테나 김은주 *, 주병국 *, 방재훈 *, 안병철 * A Printed Yagi Antenna for ZigBee Applications Eun-Ju Kim*, Byung-Guk Ju*, Jea-Hoon Bang* and Bierng-Chearl Ahn* 요약 본논문에서는 ZigBee 통신에적용이가능한 2.4GHz 대역에서동작하는고이득인쇄형야기안테나를제안하였다. 안테나의특성해석에는상용시뮬레이션툴인 CST사의 MWS를이용하였으며제작및측정을통하여그성능을검증하였다. 제작된안테나는 2.33-2.50GHz 대역에서 -10dB 이하의반사계수를가지며 8.7dBi 의이득을가진다. Abstract In this paper, a printed yagi antenna is proposed for ZigBee applications at 2.4GHz. The antenna dimension is optimized using commercial electromagnetic software MWS by CST. The performance is verified through fabrication and measurement. The fabricated antenna has a reflection coefficient less than -10dB and a gain of 8.7dBi at 2.33-2.50GHz. Key words Yagi Antenna, balun, via hole, MWS, ISM, USN Ⅰ. 서론유비쿼터스센서네트워크 (USN: Ubiquitous Sensor Network) 란언제, 어디서든필요한모든곳에전자태그또는센서모듈을부착하고이를통하여사물의인식정보를기본으로주변의환경정보 ( 온도, 습도, 오염정보, 균열정보등 ) 까지탐지하여, 이를실시간으로네트워크에연결하여정보를관리하는것을말하는것으로, 궁극적으로모든사물에컴퓨터및통신기능을부여하여시간, 장소, 사물의제약 없이통신이가능한환경을구현하기위한것이다. 유비쿼터스센서네트워크는농축산, 물류 / 유통 / 쇼핑센터, 홈네트워크, 병원환자관리, 환경감시, 교통자동화등응용대상이광범위하여 USN 기술의보급이증가됨에따라생활환경도크게변화하리라예상된다. 기술측면에서유비쿼터스센서네트워크의핵심은전파를이용한무선통신으로연결되는센서망이다. 최근에국제표준 (IEEE 802.15.4) 에근거한 ZigBee 통신방식이저전력, 저가격, 통신망구축의 * 충북대학교전자정보대학전파공학과 제 1 저자 (First Author): 김은주 접수일 : 2009 년 07 월 28 일, 수정일 : 1 차 - 2009 년 08 월 21 일, 2 차 - 2009 년 09 월 18 일, 게재확정일 : 2009 년 09 월 21 일
80 韓國情報技術學會論文誌제 7 권제 5 호 2009 년 10 월 용이성등의측면에서다른기술보다장점을가지므로유비쿼터스센서네트워크구현에빠르게적용되고있다. ZigBee란산업, 과학그리고메디칼 (ISM: industrial, scientific and medical) 에서사용할목적으로표준화된근거리무선통신으로 2.4GHz 주파수대역을사용한다. ZigBee 솔루션을적용하여구축된무선통신망의전송채널은실내의다양한물체에서의다중반사, 벽간또는측간투과에따른전파손실등복잡한전파매커니즘이작용하므로사용되는건물환경에따라채널특성이달라지게된다. 이러한이유로실내의벽간 / 층간전파감쇠를고려한최적무선통신망구현기술이필요하며건물내의벽과바닥을통과할때발생하는큰전파감쇠를보상하기위해사용환경에맞게최적화된지향성안테나개발이요구된다. 이러한지향성안테나에는소형이며고이득안테나로서야기안테나가널리사용된다 [1]. 야기안테나는보통도선형과인쇄형으로구현된다 [2]-[3]. 인쇄형야기안테나는제작이단순하며견고하기때문에 1GHz 이상의주파수에서유용하게사용될수있는안테나이다 [4]. 본논문에서는이러한 Zigbee 모듈에적용이가능하고서로다른벽간 / 층간의안테나와통신을하기위해 58 80 1mm의크기를갖는 2.4GHz대역의고이득인쇄형야기안테나를 3D 전자장해석툴인 CST사의 MWS를이용하여설계하였고, 제작및측정을통해그성능을검증하였다. Ⅱ. 안테나의설계무선통신의특성상건물의벽과벽사이의통신이가능하여야하며이런조건을만족시키기위해서는높은성능을지닌안테나가필요하다. 또한외장형으로사용할경우공간을많이차지하며파손과위치또는자세가변경되는등사용상의안정성이고려되어야한다. 본논문에서는이러한사항을만족하는안테나를설계하기위해고이득의특성을가지는지향성안테나로평판인쇄형야기안테나를선택하였으며 개발하고자하는안테나의설계사양을표 1에제시하였다. 표 1. 개발하고자하는안테나의설계사양 Table 1. Specification of the developing antenna 항목 사양 주파수 2.45GHz 안테나이득 8dBi 이상 안테나모양 평판형 안테나보호 안테나케이스 ( 외장형 ) 설계과정은먼저인쇄형야기안테나의급전선로를설계한후에, 야기안테나의여진기 (driver) 에해당하는인쇄형다이폴안테나를설계하고, 도파기를설계하였다. 급전선로는포트 2와포트 3에서 Via hole을이용하여 Li와 Lo를변화시켜가면서 180도의위상차와동일한세기의전력을갖도록설계하였고, 설계된급전선로를이용하여다이폴안테나를설계하였다. 스트립선로의특성임피던스는 50 으로설계하였고, 설계변수인 Lb, Ld를변화시켜가면서최적의안테나를설계하였다. Lb는안테나의임피던스매칭에그리고 Ld는안테나의공진주파수에큰영향을준다. 시뮬레이션을통하여최적설계된값을다음그림 1과표 2에제시하였다. 안테나구현에는유전율이 4.6이며, 손실탄젠트가 0.02인두께가 1mm인 FR4 기판을사용하였다. 표 2. 다이폴안테나의최적설계변수값 Table 2. Dimensions of dipole antenna 변수값 (mm) 변수값 (mm) Lb 21 Wd 3 Ld 23.75 Wh 3 Lg 12 Wb 5 Lh 2 Wg 54 Li 28.4 Wf 3 Lo 5.9 g1 1 Lr 30.9 g2 3
ZigBee 통신을위한인쇄형야기안테나 81 (a) 앞면 그림 2. 다이폴안테나의반사손실 Fig. 2. Return loss of the dipole antenna (b) 뒷면그림 1. 설계된다이폴안테나 Fig. 1. Designed dipole antenna 다음그림은설계된다이폴안테나의반사손실과이득의시뮬레이션결과이다. -10dB 이하대역폭은약 2.30GHz-2.65GHz이고중심주파수인 2.45GHz에서의반사손실은 -36dB이하이며, 이득은약 5.3dBi이다. 설계된다이폴안테나는앞면의접지면의길이 (Wg) 와공진소자와접지면간의간격 (Lg) 을조절하여기판의접지면이반사기로작용하도록설계하였다. 이러한작용으로에너지가전방으로나가는것이줄어들었고, 후방으로고에너지방사를갖도록하였다. 그림 3과그림 4는반사기를포함하는다이폴안테나의지향성특성으로접지면이충분히반사기로써동작함을알수있다. (a) 총이득패턴 (b) Theta 성분이득
82 韓國情報技術學會論文誌제 7 권제 5 호 2009 년 10 월 (b) Phi 성분이득그림 3. 다이폴안테나의 3D 이득패턴 Fig. 3. 3D pattern of the dipole antenna 설계된다이폴안테나를기본으로야기안테나설계이론을이용해인쇄형야기안테나를설계하였다. 설계된다이폴안테나는이득증대에한계가있어유도기를설치하여이득을높게하였다. 또한유도기의수를늘리면에너지의방사빔이좁아져지향성이득이향상되는데본논문에서최적화된야기안테나는 5개의기생소자를갖는다. 시뮬레이션을통해최적화된안테나의크기는 58 80mm이고, 기생소자의경우각 39 3mm이다. 각소자의폭은모두동일하게 50 선폭으로설계하였고각소자의간격은 5mm로동일하다. 그림 5는설계된안테나의반사손실을나타낸것이다. -10dB를기준으로약 2.35GHz-2.50GHz의대역폭을가지며 2.44GHz에서 -14dB로공진함을알수있다. 다음그림 6와그림 7은각각 3D 방사패턴과 2D 방사패턴을나타낸것이고이득은약 8.49dBi이다. 이는 2.4GHz 대역을충분히커버하고이득역시설계사양을만족하고있다. (a) YZ 평면 그림 5. 야기안테나의반사계수특성 Fig. 5. Return loss of the yagi antenna (b)zx 평면그림 4. 다이폴안테나의 2D 이득패턴 Fig. 4. 2D pattern of the dipole antenna (a) 총이득패턴
ZigBee 통신을위한인쇄형야기안테나 83 (b) Theta 성분이득 (b) zx 평면그림 7. 야기안테나의 2D 방사패턴 Fig. 7. 2D pattern of the yagi antenna Ⅲ. 안테나제작및측정 다음그림 8 은실제제작된안테나의모습이다. (c) Phi 성분이득그림 6. 야기안테나의 3D 방사패턴 Fig. 6. 3D pattern of the yagi antenna (a) 앞면 (b) 뒷면그림 8. 제작된안테나 Fig. 8. Fabricated antenna (a) yz 평면 제작된야기안테나는뮤트로닉스사의 MU-3230 회로망분석기를사용하여측정하였다. 무반사실에서표준이득혼안테나와회로망분석기를이용하여반사계수, 이득, 방사패턴을측정하여아래의그림으로제시하였다. 제작된안테나의반사계수는그림 9에나타나있는바와같이 -10dB를기준으로 2.33GHz-2.5GHz까지약 170MHz의대역폭을가진다. 이는시뮬레이션결과인 2.35GHz-2.50GHz까지 150MHz의대역폭과약 90% 일치함을보였다. 제작된안테나의방사패턴은상대측정법으로측
84 韓國情報技術學會論文誌제 7 권제 5 호 2009 년 10 월 정하였으며 2.4GHz 대역에서 13dB 의이득을갖는 Double-ridged Horn 안테나를사용하였다. 중심주파수에측정된이득은약 8.7dBi로서시뮬레이션결과와 0.2dBi의근소한차이로 90% 이상일치함을검증하였다. 측정된결과는지향성안테나로고이득특성을가진다. 그림 9. 제작된안테나의반사계수측정치 Fig. 9. Measured return loss of fabricated antenna Ⅳ. 결론본논문에서는상용소프트웨어인 CST Microwave Studio를사용하여근거리의 ZigBee 통신을위한 2.4GHz대역의인쇄형야기안테나를설계하고제작하였다. 먼저 Via hole을이용하여 180도의위상차와동일한전력세기를갖는 2.4GHz 대역의다이폴안테나를설계한뒤이득을향상시키기위하여 5개의기생소자를설치하였다. 설계된안테나를제작및측정하여반사손실및이득이이론치와 90% 이상일치함을검증하였다. 또한지향성특성을가져그성능을검증하였다. 제안된안테나는 58mm 80mm의크기를갖는야기안테나로서 -10dB의반사손실을기준으로 2.33GHz-2.5GHz 대역에서사용가능함을확인하였다. 또한약 8.7dBi의고이득특성을가지며지향성패턴을보임으로 ZigBee 통신에적용할수있음을검증하였다. 제작된안테나는실제근거리 ZigBee 통신에서의활용이가능할것으로기대된다. 참고문헌 (a) YZ 평면 [1] J.D.Kraus and R.J. Marhefka, Antennas for All Applications, 3rd Edition, New york: McGraw-Hill, 2002. [2] S.Uda and Y.Mushiake, Yagi-Uda Antenna, Maruzden, Tokyo, 1954. [3] 우동식, 김영곤, 조영기, 김강욱, 초광대역발룬을이용한 Ku 대역 Quasi-Yagi 배열안테나설계, 한국전자파학회논문지, 제19권, 제2호, pp. 207-213, 2008년. [4] G.R.DeJean and M.M.Tentzeris, "a new high-gain microstrip yagi array antenna with a high front-to-bac for WLAN and millimeter-wave applications", IEEE Trans. Antennas Propagat, Vol. 55, No. 2, pp. 298-304, Fed, 2007. (b) ZX 평면그림 10. 제작된안테나의이득패턴 Fig. 10. Gain pattern of fabricated antenna
ZigBee 통신을위한인쇄형야기안테나 85 저자소개 김은주 (Eun-Ju Kim) 2008년 8월 : 충북대학교정보통신공학과 ( 공학사 ) 2008년 9월 ~ 현재 : 충북대학교전파공학과석사과정관심분야 : 안테나주병국 (Byung-Guk Ju) 2009년 2월 : 충북대학교정보통신공학과 ( 공학사 ) 2009년 3월 ~ 현재 : 충북대학교전파공학과석사과정관심분야 : 안테나 안병철 (Bierng-Chearl Ahn) 1981년 2월 : 서울대학교전기공학과 ( 공학사 ) 1983년 2월 : 한국과학기술원전기전자공학과 ( 석사 ) 1992년 12월 : University of Mississipippi, 전기전자공학과 ( 박사 ) 1983년 ~ 1986년 : ( 주 ) 금성정밀주임연구원 1992년 ~ 1994년 : 국방과학연구소선임연구원 1995년 ~ 현재 : 충북대학교전파공학과교수관심분야 : 전자파응용 / 안테나 방재훈 (Jea-Hoon Bang) 1997년 2월 : 충북대학교전파공학과 ( 공학사 ) 1999년 2월 : 충북대학교전파공학과 ( 공학석사 ) 2003년 8월 : 충북대학교정보통신공학과 ( 공학박사 ) 2003년 ~ 2007년 : ( 주 ) 극동통신 RF 시스템연구소 2008년 ~ 2009년 6월 : 한국과학기술원연구교수 2009년 7월 ~ 현재 : 충북대학교정보전자공학과시간강사관심분야 : 전자장계산기법, 근접전계시스템, 안테나