WLAN AP용 바람개비형 및 철십자형 마이크로스트립 안테나 설계/제작

Abstract

본 논문에서는 최근 대두되고 있는 5GHz 대역 무선 홈 네트워크의 WLAN AP(Access Point)용 마이크로스트립 안테나를 최적의 조건을 갖도록 설계와 제작을 목표로 하였다. 첫 번째로 안테나 패치 형태를 축소하기 위하여 기존의 정사각형, 원형 모습의 평면형 모노폴 안테나, 보우타이 안테나 등이 있으나 이를 해결하기 위해 대칭구조를 가진 보우타이형에 대한 연구를 통해 새로운 바람개비형과 철십자형으로 구조적 변경을 구현하여 보우타이 안테나가 갖고 있는 주파수대역폭이 좁은 것을 다소 해결하였으며 양호한 선형편파 특성과 방사빔을 얻을 수 있었다. 특히 무선 홈 네트워트 WLAN AP용 마이크로스트립 안테나의 위치, 높이, 방사패턴 등에 의해 영향 감소와 안테나 패치를 바람개비 및 철십자형으로 설계 제작함으로써 면적 축소에 따른 방사세기를 줄이고 직접적인 영향을 회피하여 감소하도록 실현하였다. 그 결과 전압정재파비(VSWR)가 2이하인 동작 주파수 대역폭이 5.1-5.8GHz 광대역 마이크로스트립 안테나를 구현하였다. 하지만 패치크기가 정사각형(23-80mm)보다는 작게(20mm) 설계하였으나 AP용 안테나에 적합하도록 소형화하기에는 한계가 있었다. 두 번째로 이를 해결하기 위해 부가적으로 U-슬롯과 단락핀을 활용하여 이동성을 위해 작고 얇게 소형화하였고 이중대역화 구현 및 높은 Gain과 넓은 빔 폭을 갖도록 실현하였고 본 논문에서는 패치의 구조가 2종류형태의 U-슬롯과 단락핀을 동시에 적재한 마이크로스트립 안테나를 설계 및 제작하였다. 무선 홈 네트워크 WLAN AP(Access Point)용 안테나는 홈 내의 천장 부근에 안테나를 설치할 경우, 불필요한 전파 반사를 최소화하여야 한다. 이런 관점을 해결하기위해 마이크로스트립 패치 안테나는 이득은 높지만 빔폭이 매우 좁은 단점을 해결하기 위해 설계 및 제작하여 모의시험을 통해 최적의 안테나를 도출하였다. 제작 및 실험한 측정결과는 5.2-5.8GHz 대역의 (Return loss < -10dB)에서 675MHz 대역폭을 얻었다. 그리고 U-slot의 경우 약 40[%] 정도의 넓은 대역폭을 얻을 수 있었다. 또한 단락핀(Short-pin)과 같은 집중소자(lumped element)를 도체 패치와 접지판 사이에 연결하여 대역폭을 6.52-9.3[%] 정도로 증가 시킬 수 있었다. 그러나 단락핀의 경우 패치가 적은 관계로 이격거리가 미세하여 큰 효과를 얻지는 못했다. U-슬롯, 공기층 및 급전위치 변화에 민감한 반응을 보인다는 것을 알 수 있었다. U-슬롯을 이용할 경우 특정대역만의 선택이 가능하고, 선택적으로 접지시킴으로 써 중심주파수의 가변이 가능함을 확인 하였다. Azimuth와 Elevation 방사패턴을 측정해 본 결과 81.13°, 85.43°로 넓은 빔폭을 얻었고 또한 3.17-4.85dBi의 이득을 얻었다. 이 결과로 5.2-5.8GHz 대역에 WLAN 시스템에서 바람개비 모양의 U-슬롯 및 단락핀을 삽입한 마이크로스트립 패치 안테나를 적용 가능 할 것으로 판단된다. 또한 산출된 설계 파라미터를 이용하여 다른 주파수대역의 광대역 안테나 또는 이중 대역 안테나 등으로서 설계 및 제작될 수 있으며 유전율이 높은 기판을 사용하는 경우에는 안테나의 크기를 더욱 줄일 수 있으므로 무선 이동통신 단말기용 안테나로도 응용 될 수 있을 것이다. 특히 통신 시스템에서 사이즈의 감소는 매우 중요하기 때문에 5GHz대역의 WLAN AP용 마이크로스트립 안테나를 설계하는데 크게 도움이 될 것이다.